往复压缩机高压气缸失效分析.docx

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1、一、引言往复压缩机的气体压缩是在气缸内完成的。压缩机曲轴运转一圈，活塞就运动一个来回完成吸气和压缩的周期。在此过程中，压缩缸体内的气体载荷也经历一次从吸气时的最低值到压缩时的最高值的变化，在气缸内部产生交变循环应力。气体压缩过程中，其温度会升高，在缸体内形成一个温度场。该温度场产生的温度载荷加上气体力产生的交变循环载荷极易在缸体内产生疲劳裂纹，导致气缸失效甚至报废。在交变循环载荷的作用外，下列因素会加快缸体内产生宏观裂纹，如结构设计不合理，材质不满足要求，材料存在初始缺陷，制造加工工艺不完善或热处理不满足要求等。因此，气缸一旦因产生宏观裂纹而失效，要确定裂纹产生原因相对较复杂。本文使用有限元法

2、对某高压失效气缸进行了应力分析，结合电镜扫描、磁粉探伤、酸蚀检查、机械性能测试、化学成分分析及金相检测等，成功找到了气缸在短时间内产生裂纹并失效的原因，为避免以后同类事故的发生提供了一个参考实例。二、气缸裂纹简述某高压气缸（图1）运行过程中很短时间内在气缸内壁产生长度约28Omm裂纹，该裂纹贯穿进气阀孔和排气阀孔，导致气缸失效，如图2所示。为了找到裂纹产生原因，首先对气缸进行有限元分析，以确定气缸结构设计是否合理及缸内应力是否超标。图1气缸组装三维模型图2气缸内壁裂纹图3气缸缸体结构有限元分析模型三、气缸三维有限元模型考虑到气缸对称性结构的特点，只需对其一半的结构进行计算。这样可以大大提高计算

3、效率及节省计算时间。其沿轴线竖直平面对称的有限元模型如图3所示。该有限元模型只包括了缸体结构本身，其它组合件如活塞、活塞杆以及气阀等没有包含在本分析中。气缸缸体的材料特性如表1所示。该有限元模型包含有限元温度场和应力场两个分析模型。这2个模型采用了相同的单元分布。并在应力集中区域，即进气阀室通道和排气阀室通道，对网格进行了局部细化，以更加准确计算该处应力分布。气缸温度场的分析采用对流换热边界条件,需根据其不同部位选取对应的参数。在气缸内部，气体温度取进、排气温度的平均值，缸内表面换热系数取为71.3W/m2oCo从气缸进气法兰到进气阀之间气缸通道的气体温度为进气温度，从气缸排气阀到排气法兰之间

4、气缸通道的气体温度为排气温度,其换热系数均为26.5Wr2oCo气缸缸体外部的气体温度为大气温度，其换热系数取为113W/m2oCo气缸应力场分析采用的边界条件如下：根据其安装方式，在气缸轴端与中体连接部位施加水平方向位移约束，在伸入中体的圆柱面上施加旋转方向旋转约束；根据其对称性，在对称面上施加对称约束。压缩机运行过程中，气缸同时承受温度载荷和压力载荷。分析时将温度载荷和压力载荷分开加载：(1)载荷1:只有温度载荷，即压缩缸进气温度57,排气116oCo(2)载荷2:在温度载荷上增加进、排气气体压力载荷，即气体进气压力19.33MPa,排气压力42.77MPa分析求解包括2个过程：一是求解缸

5、体的温度场分布；二是求解缸体在气体压力载荷作用下的应力分布。在气缸温度场分布计算中，施加相应的热边界条件，计算得到整个气缸温度场分布。在气缸应力分布计算中，采用了2个荷载步逐步加载。其中，第一个荷载步是读入前面计算的温度场分布来施加温度载荷；第二个荷载步是施加气缸内气体进、排气压力。:Steady-Sta1eTbertndTetnPCEUrCTypcrTeinpcraturcUnirTunc:!1017/201967.59Max66.03864.48662.93461J8258.27859.8356.72755.17553.623Mm图4气缸缸体内表面温度场分布.A:Steady-StateI

6、herma1TemperatureTypeTemperatureUtuirTimeI10/17/201911:32PM67.59Max660386448662.93461.38259.835827856.72755.17553.623Min图5气缸缸体外表面温度场分布四、气缸有限元分析结果4.1 温度场计算结果图4和图5分别显示了计算得到的气缸内表面温度分布和缸体外表面温度分布。可以看到缸体在垂直方向上，自进气口到排气口温度逐步升高。在水平方向上，自气缸内部向气缸两端温度逐步降低。就压缩缸内外壁而言，温度内高外低。内、外表面温度约最高68。C和最低54(。这是因为压缩缸外表面与大气直接接触，有

7、换热过程，限制了压缩缸体温度的进一步升高。此温度场计算结果在后面的应力计算中，被作为温度载荷输入。4.2 温度和气体压力作用下的应力计算结果-轴端压缩及盖端压缩图6及图7分别显示了气缸在温度和气体压力载荷联合作用下轴端压缩：轴端排气、盖端吸气工作状态及盖端压缩：盖端排气、轴端吸气工作状态的应力分布计算结果。从图中可以看出，应力最大值分别出现在轴端气缸内孔与气阀通道孔相贯处及盖端气缸内孔与气阀通道孔相贯处。表1气缸缸体有限元模型中的材料特性参数弹性模盘(GP)泊松比(kgn3)屈服强度(MPa)(MPa)热膨胀系数InmZ(nrncC)12CrM(2120.28785060087012.0X10

8、-6CCopyofStaticSinxtura)Equiva1entStressTypeEquiva1ent(Von-Mises)StreMCmtrMPaTime110/19/20195:3r-488.44Max43417379。325.63271.36717Q162.83108.5654288tj0.019286.图6轴端压缩时缸体内部应力分布图BiSiaticStnic1urB1Equiva1entStressTypc.Equva1cnt(von-MiscsJStrc&sUmtMPa_TimeI10/17/2019IO27366Max243.252128518244152041216391

9、.2360.82530.42100J61Min图7盖端压缩时缸体内部应力分布五、有限元分析结果讨论从上面分析结果可以看到，气缸裂纹发生区域计算得到的最大应力值为273.64MPa,低于材料的疲劳强度394.95MPa,裂纹发生区域的应力满足要求。另外，压缩机运行过程中气缸最大应力位置总是发生在缸内孔与气阀通道孔的相贯处，这是因为在相贯线处，缸内气压引起的气缸内壁环向应力和气阀阀孔内壁环向应力在交贯线处叠加，在相贯线和缸体的垂直中截面交点处，两环向应力正好方向相同，合成应力正好相加，此处合成应力最大。同时可以看到，气缸最大应力值位置在吸气、压缩和排气的循环过程中是变化的。在压缩机曲轴循环运动过程

10、中，最大应力位置在轴端和盖端的缸内孔与气阀通道孔的相贯处交替出现。气缸由于应力超标而产生裂纹最有可能的位置是缸内孔与气阀通道孔的相贯处，而实际运行过程中该处并未产生裂纹。说明气缸结构设计没有问题。因此需要从其它方面来查找原因如：材质是否满足要求，材料是否存在初始缺陷，制造加工工艺是否完善以及热处理是否满足要求等。六、气缸裂纹及气缸内壁表面检测结果排除了缸体内应力超标及气缸结构设计缺陷导致裂纹的可能性后，为了找到裂纹产生原因，对气缸材料进行了机械性能测试及化学成份检测。机械性能测试结果为气缸材料42CrM。抗拉强度851-868MPa,屈服强度618634MPa,断后伸长率14%16%,断面收缩

11、率43%49%。机械性能测试结果表明其断面收缩率正常，断口正常，没有氢致断口特征。在断口附近取样进行化学分析，分析结果表明其化学成分符合42CrM。材质要求。另外，低倍组织及非金属夹杂物检查均正常。排除了材料缺陷导致裂纹的可能性。然后对气缸裂纹进行了宏观和微观分析。宏观分析时，将气缸内壁两条裂纹打开，发现断口呈现为疲劳断口，断口平整；裂纹从气缸内壁分别向两边气阀通道孔扩展并贯穿；内壁断口存在较多台阶，断口上没有观察到明显的原始缺陷区域。从断口宏观形貌看该断口属于从气缸内壁起始的多源疲劳断口。在断口起源部分取样用超声波清洗后在扫描电镜下可以观察到疲劳源区存在较明显的应力台阶，未见夹杂物或孔洞类冶

12、金缺陷。同时对气缸内壁进行了磁粉探伤及酸蚀观察。磁粉探伤发现气缸内壁表面存在大量单向均匀分布小裂纹。对气缸内壁用1。%硝酸水溶液擦蚀后可以观察到其表面有大量分布均匀的纵向小裂纹，没有磨削烧伤痕迹。在断口附近取样，经制样后测量得到裂纹深度0.65mm,裂纹位于回火区边缘。同时检查淬火层发现其深度0.751OOmm,淬火带宽度最大约4.5Omm,相邻淬火带相互重叠，如图13所示。对于激光淬火，相邻淬火带间的距离要求为152.Ommo淬火带相互重叠意味着后面淬火带加热过程中，将对前道淬火带重叠区进行回火，容易导致前道淬火带的回火区边缘开裂。因此可以判断气缸内壁大量细小裂纹是由于激光淬火工艺不当导致的

13、。七、初始裂纹对气缸疲劳寿命的影响上文提到由于气缸内壁激光淬火不满足工艺要求导致内部产生初始裂纹。对有初始裂纹的气缸，其疲劳寿命NC可以通过下式估算(1)%二().273e3378+0.731)“07式中NO是无初始缺陷气缸的疲劳寿命，是裂纹深度。对深度0.65mm裂纹，通过式（1）可以得到其疲劳寿命降低为原始寿命的2.9%。考虑到引起气缸宏观裂纹的初始裂纹已扩展，其尺寸无法测量，但其深度比0.65mm要大的可能性很高。如果按该初始裂纹进行计算的话，气缸实际疲劳寿命应该比原始寿命的2.9%还要低。因此，该初始裂纹的快速扩展会使气缸在很短时间内因产生宏观裂纹而失效。八、结论综上所述，气缸短时间内开裂是由于其内表面的大量纵向细小裂纹在温度和气体压力载荷联合作用下引发的疲劳扩展。有限元分析结果表明，气缸结构设计满足疲劳强度要求。机械性能测试及化学成份检测排除了气缸材料存在缺陷的可能性。对裂纹及气缸内壁的宏观及微观检测结果表明，气缸内壁激光淬火不满足要求会导致其表面产生大量初始裂纹。该初始裂纹在气缸内交变应力作用下快速扩展，使气缸在短时间内产生疲劳破坏，极大地降低了气缸的使用寿命。