论活塞杆的径向跳动在往复式压缩机施工中的应用

论活塞杆的径向跳动在往复式压缩机施工中的应用近年来，随着国外技术的不断引进，在施工中不断应用国外的先进技术。在卧式往复压缩机施工中应用API618中活塞杆的径向跳动技术就是一个很好的例证，活塞杆的径向跳动技术在我公司甚至国内已经应用比较广泛，特别我公司在应用方面比较成功且有独特的见解。活塞杆径向跳动是一种用于确定活塞杆在对于气缸和十字头对中的水平和垂直两个位置上运行时对中变化的测量准则，即通过确定活塞杆在其整个行程中用百分表在水平和垂直两个位置上的读数变化值与设计理论计算期望的冷态下活塞杆径向跳动值比较来检验气缸和十字头对中。活塞杆径向跳动是一种安装和日常维修后的方便的现场检验找正的方法。下面我对活塞杆径向跳动的原理和应用进行详细的分析。一、基本原理¾冷态活塞杆径向跳动形成原因：1、活塞与气缸的冷态运行间隙和十字头与滑道的冷态运行间隙不同；2、活塞杆自重生产的挠度；3、气缸与滑道对中成在径向位移、轴向倾斜；4、活塞杆、活塞、十字头、液压力体等机械加工精度、形状和位置公差以及各零部件组装质量；5、十字头滑道和气缸水平度的安装找正精度，尤其是两者水平度偏差方向。等原因。¾活塞杆径向跳动最终目标活塞杆径向跳动最终目标是使压缩机热态(制冷压缩机是冷态)运行时，理想的热态活塞杆径向跳动值为每毫米行程不超过0.00015mm。这是最终分析气缸与十字头滑道对中情况、分析活塞与十字头热态中心位置是否合理的判断依据，决定了压缩机是否能够正常运行和压缩机的使用寿命。¾水平径向跳动水平径向跳动是用来指示以十字头滑道通过中体到气缸的水平对中的准则，因为水平径向跳动不管机器、设备是冷态还是热态都是相同的，且水平径向跳动不受活塞杆自重挠度影响，所以不必计算。其读数变化范围由每毫米行程±0.00015mm直到最大0.064mm，通常认为是允许的。其理想水平对中的标志是放在活塞杆的十字头和活塞两端的百分表读数均为零。¾冷态垂直径向跳动当所有零部件加工精度、组装质量、安装找正精度等完全理想对中时正常的冷态垂直活塞杆径向跳动就是气缸中活塞冷态运行间隙和十字头滑道中十字头的冷态运行间隙，加之正常的活塞杆下垂，行程长度，活塞杆长度以及百分表放在活塞杆的位置之间综合计算的结果。1、不考虑活塞杆挠度的冷态垂直径向跳动其主要是由于活塞与气缸的冷态运行间隙和十字头与滑道的冷态运行间隙不同、十字头中心位置不同(偏心十字头)造成活塞杆两端的高低差称为降差(用ΔDROP表示)所引起的。如下图1所示活塞杆长度L活塞杆下垂计算长度B百分表位置C活塞杆长度L活塞杆直径D活塞杆径向跳动值十字头端行程S十字头中心高Δh十字头中心线行程S十字头间隙ΔH百分表位置X十字头、滑道降差ΔDROP活塞端活塞中心高Δe气缸、活塞气缸、滑道中心线活塞中心线活塞支承环与气缸间隙ΔE图1根据图1，我们很容易得到：行程S活塞杆冷态垂直径向跳动=×ΔDROP杆长L其中ΔDROP=Δe-Δh通常：Δe是活塞冷态运行间隙ΔE的1/2Δh就需根据十字头结构(带调整垫片的偏心十字头和不带调整垫片正心十字头)，正向、反向十字头实际情况决定。只有当十字头为不带调整垫片正心结构(十字头几何中心与十字头端活塞杆中心一致)时，Δh=ΔH/2。2、活塞杆挠度生产的垂直径向跳动所有的水平活塞杆都存在挠度，特别对B、C、D型中体(中体长度较长)结构的压缩机，垂直径向跳动必须把活塞杆挠度的作用考滤进去。影响活塞杆挠度的因素有：活塞杆直径、活塞杆长度、活塞杆重量、材质等。其垂直径向跳动计算时将活塞杆视作一端简支另一端固定梁的力学简图(十字头端支承(自由端)---活塞杆端固定)，见下图2所示活塞杆挠度计算的力学简图活塞杆挠度计算长度B百分表位置C活塞杆下垂计算长度B百分表位置C活塞杆长度L活塞杆直径D百分表位置X最大挠度位置0.422B十字头端十字头中心高Δh十字头中心线百分表位置X十字头间隙ΔH行程S十字头、滑道活塞端活塞中心高Δe气缸、活塞气缸、滑道中心线活塞中心线q活塞支承环与气缸间隙ΔE图2根据图2所示，查手册得：W活塞杆上任意点C挠度：fC=(3BC3-2C4-B3C)48EIBW活塞杆上任意点X挠度：fX=(3BX3-2X4-B3X)48EIBWB3活塞杆最大挠度：fmax=0.00542,位置距十字头端0.422BEI百分表位置X的垂直径向跳动值=fX-f(X-S)百分表位置C的垂直径向跳动值=fC-f(C-S)其中E：为材料弹性模量W：为活塞杆重量I：为活塞杆惯性矩，=0.0491×D4B、C、D、X：为图2所示长度尺寸S：为活塞杆行程注意：在距十字头端长度为0.422B时，活塞杆挠度出现最低点，在该点附近放置百分表测得的垂直径向跳动值通常会出现零，故在放置百分表时应尽可能靠近十字头和活塞。二、施工中的应用根据我国往复压缩机设计、制造现状，现阶段在设计、制造时并没有充分考滤热态活塞杆径向跳动理想的期望值，只是要求气缸与滑道冷态的对中(要求见下表)。现场根据这一条件限制，通过实际条件计算活塞杆径向跳动值来判断、校验气缸与滑道冷态的对中情况和安装质量，通过分析调整使热态活塞杆径向跳动趋于最佳。下面以镇海炼化300万吨/年柴油加氢精制装置的2D80-53.4/11.5-68-BX型新氢压缩机为例，计算分析活塞杆的跳动情况。1、压缩机的主要技术参数参数值序号项目ⅠⅡ1压缩机型式两列对动平衡型往复式压缩机2型号2D80-53.4/11.5-68-BX2曲轴转速r/min3333活塞行程mm3604气缸直径mm6204005活塞杆直径mm1307排气量Nm3/340006进口压力Mpa1.152.97进口温度℃40408出口压力Mpa2.96.89出口温度℃132.6126.910轴功率kw259012旋转方向从压缩机非驱动端，面向压缩看为逆时针驱动机型式无刷励磁增安型同步电动机型号TAW2900-18/260011额定功率2900额定电压6000V额定转速3332、实测间隙及相关参数1)十字头与滑道间隙(图1，ΔH)、气缸支承环与气缸径向间隙(图1，ΔE)：列数配合间隙测量温度℃Ⅰ列ΔHⅠ0.40ΔEⅠ0.8520Ⅱ列ΔHⅡ0.40ΔEⅡ0.66202)活塞杆径向跳动计算用数据活塞杆直径DⅠ=130mm，DⅡ=130mm活塞杆长度LⅠ=2462mm,LⅡ=2378mm活塞杆挠度计算长度BⅠ=1840mm，BⅡ=1754mm百分表位置CⅠ=1410mm，CⅡ=1340mm，XⅠ=700mm，XⅡ=700mm行程S=360mm活塞杆重量WⅠ=246kg，WⅡ=236Kg弹性模量E=210GPa=2.1×106Kg/cm2惯性矩I=0.0982×D4=0.0491×134=1402cm43、活塞杆冷态垂直跳动计算分析1)不考虑活塞杆挠度的冷态垂直径向跳动a.Ⅰ列活塞杆Ⅰ列十字头为反向十字头，按照设计图纸要求，装配前抽掉非受力侧(下侧)滑板与滑履之间的两个调整垫片，其厚度为=0.20mm(在出厂前已调整完毕)，ΔDROP计算如下：=(ΔEⅠ/2)-((ΔHⅠ-δ)/2)-δ=(0.85/2)-((0.40-0.20)/2)-0.20=0.125mm冷态垂直径向跳动值=(S/LⅠ)×ΔDROP=(360/2462)×0.125=0.02mmb.Ⅱ列活塞杆Ⅱ列十字头为正向十字头，按照设计图纸要求，装配前抽掉非受力侧(上侧)滑板与滑履之间的两个调整垫片，其厚度为δ=0.20mm(在出厂前已调整完毕)，ΔDROP计算如下：=(ΔEⅡ/2)-((ΔHⅡ-δ)/2)=(0.66/2)-((0.40-0.20)/2)=0.23mm冷态垂直径向跳动值=(S/LⅡ)×ΔDROP=(360/2378)×0.23=0.04mm2)活塞杆挠度的冷态垂直径向跳动a.Ⅰ列活塞杆WfC=(3BC3-2C4-B3C)48EIBf1410=(246/(48×2.1×106×1402×184))×(3×184×1413-2×1414-1843×141)=-0.001cm=-0.01mmf(C-S)=f1050=-0.0025cm=-0.025mm百分表位置C的冷态垂直径向跳动值=0.01-0.025=-0.015同理，百分表位置X的冷态垂直径向跳动值=0.03-0.02=0.01b.Ⅱ列活塞杆WfC=(3BC3-2C4-B3C)48EIBf1340=(246/(48×2.1×106×1402×175))×(3×175×1343-2×1344-1753×134)=-0.001cm=-0.01mmf(C-S)=f980=-0.0025cm=-0.025mm活塞杆挠度的冷态垂直径向跳动值=0.01-0.025=-0.015同理，百分表位置X的冷态垂直径向跳动值=0.03-0.02=0.013)活塞杆的冷态垂直径向跳动值经1)、2)条计算结果，综合后活塞杆的冷态垂直径向跳动值:Ⅰ列活塞杆=+0.03Ⅱ列活塞杆=+0.054、实测及分析在压缩机全部组装结束后，在气缸与滑道同心度找正合格、气缸与滑道水平度合格的情况下测得活塞杆冷态跳动值如下：列数垂直跳动值水平跳动值测量方向Ⅰ列+0.030.02从轴侧到盖侧Ⅱ列+0.080.03从轴侧到盖侧实测水平方向跳动值符合API618的要求，实测垂直方向冷态跳动值与计算值相吻合，这说明气缸与滑道的同心度较好、压缩机各零件装配质量及安装精度达到设计要求。5、热态活塞杆垂直径向跳动值1)材质线膨胀系数序号部件材质线膨胀系数α(1/℃)适用温度℃1一级活塞JT25-4510×10-620～2002二级活塞JT25-4510×10-620～2003支承环※4F-4※7.6×10-525～2004十字头ZG230-45011×10-620～200※填充四氟乙烯线膨胀系数α(1/℃)性能100%4F+40%玻璃纤维100%4F+40%玻璃纤维+5%石墨100%4F+25%青铜+20%玻璃纤维+10%石墨+5%炭黑100%4F+40%青铜+20%玻璃纤维+10%石墨垂直方向6.45×10-56.65×10-57.58×10-57.87×10-5水平方向1.65×10-51.72×10-51.91×10-51.91×10-5使用场合活塞环活塞环支承环活塞环颜色白色灰色浅黑色深黑色2)一级活塞杆热态垂直径向跳动值a.活塞膨胀量活塞直径取活塞支承环槽处的最小直径D1=603.65mm，t2取排气温度132.6℃，t1取测量间隙时温度20℃，则膨胀量计算如下：ΔD1=α(t2-t1)×D1=10×10-6×112.6×603.65=0.67mm0.42b.支承环膨胀量支承环厚度为s=8mmΔs=α(t2-t1)×s=76×10-6×112.6×8=0.07mm0.11c.热态时活塞中心向上位移量Δ1=ΔD1/2＋Δs=0.40mm0.32d.十字头中心向上位移量十字头直径D3=540mm，t2取十字头运行温度60℃Δ2=α(t2-t1)×D3/2=11×10-6×40×270=0.12mme.热态垂直跳动值ΔDROP热=Δe热-Δh热=(0.85/2–0.40)-(0.12-0.10)=0.005mm热态垂直跳动值=S/LⅠ×ΔDROP热=0.001mm3)二级活塞杆热态垂直径向跳动值按照上述一级活塞杆热态垂直径向跳动值方法计算，二级活塞热态垂直径向跳动值为0.005mm4)分析根据活塞杆热态垂直径向跳动值计算结果符合API618理想的热态活塞杆径向跳动期望值，反之证明活塞杆冷态垂直径向跳动值符合要求，无须进行冷态垂直径向跳动值调整。从而保证压缩机组安装质量，确保了机组长期平稳运行。三、结论综上所述，用活塞杆的径向跳动来判断、校验、分析气缸与十字头滑道对中情况，通过热态垂直径向跳动值计算分析活塞与十字头在运行状态下所处的中心位置是否合理来确定是否需要进行冷态垂直径向跳动值调整。这项技术的运用，不仅给往复压缩机的安装、检修、调试工作带来了方便，更重要的是对提高往复压缩机的使用寿命、减少压缩机的检修率具有重要意义。