劉 旭，張建云，李 寧，叢曉梅，董永強(qiáng)

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)往復(fù)機(jī)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)在石油化工、煤化工，醫(yī)藥食品等行業(yè)，應(yīng)用廣泛。對(duì)于氫氣這種逃逸較高的工藝介質(zhì)、或者是工作壓力較高、壓比較大的工藝工況，往復(fù)式壓縮機(jī)尤為適用。

氣缸的缸體作為往復(fù)式壓縮機(jī)的重要組成部分，在材料選擇方面，通常采用合金鑄鐵JT25-47C、球墨鑄鐵QT450-10、QT350-22L或者是35#鍛件。但是3種材料都具有一定的局限性：合金鑄鐵JT25-47C的適用壓力較低；球磨鑄鐵QT450-10和QT350-22L相對(duì)來(lái)說(shuō)適用的工作壓力高一些，但是，鑄件普遍存在夾雜、疏松、沙眼等缺陷，加之金相組織和鑄造工藝的影響，球墨鑄鐵材料在壓力高、并且分子量小的工藝條件下，氣密試驗(yàn)方面很難完成，容易發(fā)生泄漏，進(jìn)而多次返修；對(duì)于35#鍛件材料，倒是不存在上訴問(wèn)題，但是本身的制造成本會(huì)大大增加。

本文對(duì)于鑄鋼材料的新型缸體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，直觀的反應(yīng)了新型缸體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的合理性。

2 概況

氣缸材料的選擇與工作壓力和缸徑有關(guān)，伴隨著缸徑的增大，需要增加缸體壁厚來(lái)提升缸體的最高許用工作壓力。對(duì)于常用的鑄鐵材料，由于缸體壁厚的增加，會(huì)直接影響鑄造的質(zhì)量，夾雜，疏松，砂眼和裂紋等缺陷成比例增加，極大的提升了鑄造的難度，甚至是可行性。鑄鋼材料在性能上有很大的提升，同時(shí)從鑄造特性上來(lái)講，更適合較高工作壓力對(duì)于缸體壁厚增加的需求，因此，引用鑄鋼材料十分必要。

API-618第5版中對(duì)于氣缸材料的最高許用工作壓力規(guī)定如下[1]：

從表1可以看出，鑄鋼最高許用工作壓力僅次于鍛鋼材料，在不考慮缸徑影響的情況下，最高許用壓力為180bar，從其數(shù)值來(lái)看，鑄鋼材料的適用范圍相當(dāng)廣泛。

表1

但是，鑄鋼材料的鑄造特性也有一定的局限性，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)性受限的結(jié)構(gòu)，因?yàn)殍T鋼的流動(dòng)性較差，會(huì)導(dǎo)致澆筑冒口過(guò)多，難以實(shí)現(xiàn)；而且局部轉(zhuǎn)角和末端提前冷卻，疏松、砂眼和夾雜等鑄造缺陷激增，甚至難以完成澆筑；同時(shí)在澆筑模擬過(guò)程中得到的結(jié)果不理想，難以確定澆筑方案等諸多問(wèn)題，往往難以保證鑄造質(zhì)量。在以往的生產(chǎn)制造過(guò)程中，因?yàn)闅飧赘左w結(jié)構(gòu)本身比較復(fù)雜，鑄鋼材料難以適用，因此，以往在缸體的材料選擇上很少選用鑄鋼材料。

近年，因?yàn)樾滦透左w結(jié)構(gòu)的推出，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很大程度的優(yōu)化，以適合鑄鋼材料的鑄造特性，同時(shí)，得益于鑄造方法和工藝的大幅提升，使得鑄鋼缸體可以被廣泛使用。

3 模型建立與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文分別建立了新型鑄鋼的缸體結(jié)構(gòu)和同樣應(yīng)用廣泛的羊角型鑄鐵缸體結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比可以看出，新型的缸體結(jié)構(gòu)與羊角型結(jié)構(gòu)的缸體，有明顯的結(jié)構(gòu)區(qū)別。

(1)從直觀的角度觀察，羊角型結(jié)構(gòu)的缸體外形變化較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)于鑄造木型的制造加工和澆筑工藝都要求較高。因合金鑄鐵和球墨鑄鐵材料在鑄造過(guò)程中，流動(dòng)性和可塑性較強(qiáng)，而且其鑄造特性是越薄越好，可以有效的減少鑄造缺陷，同時(shí)，合金鑄鐵和球墨鑄鐵材料在以往的生產(chǎn)制造過(guò)程中應(yīng)用廣泛，積累了相當(dāng)成熟的鑄造工藝，也就是說(shuō)羊角型結(jié)構(gòu)的缸體比較適用于合金鑄鐵或者球磨鑄鐵材料，換做鑄鋼材料，較難實(shí)現(xiàn)。

然而，新型的缸體結(jié)構(gòu)外形變化平順，缸體結(jié)構(gòu)的外形，沿著缸體中心的軸線方向上基本不變，所以，這種新型的缸體結(jié)構(gòu)，對(duì)于鑄造材料澆筑性能的要求更低，更有利于鑄造的澆筑過(guò)程，迎合了鑄鋼材料在澆筑過(guò)程中流動(dòng)性差的特性，可以極大的減少可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，進(jìn)而提升產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

(2)羊角型缸體的水腔部分幾乎覆蓋整個(gè)缸體的工作區(qū)域；新型缸體結(jié)構(gòu)的水腔相對(duì)來(lái)說(shuō)較小一些，缺少進(jìn)排氣口方向的水腔，但是，考慮到材料本身的導(dǎo)熱性能良好，同時(shí)，可以通過(guò)增加水量的方式來(lái)增加傳熱效果，進(jìn)而彌補(bǔ)水腔較小的問(wèn)題。

(3)新型的缸體結(jié)構(gòu)采用無(wú)缸座形式，減少后期的安裝、調(diào)試、檢修和維護(hù)等工作，可以有效的節(jié)約人力成本。

兩種結(jié)構(gòu)的缸體具有各自鮮明的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)也承載著不同的適用范圍，分別補(bǔ)充完善了不同工作壓力條件下，對(duì)于缸體在材料選擇方面的需求。

4 基本參數(shù)

新型結(jié)構(gòu)的缸體選取ZG230-450鑄鋼材料，為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于缸體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析。

缸體在額定工況下，具體的工作和設(shè)計(jì)參數(shù)可見表2。

表2 缸體工作和設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，ZG230-450缸體材料的力學(xué)性能參數(shù)可見表3。

表3 ZG230-450材料性能

5 網(wǎng)格劃分與邊界條件

因新型結(jié)構(gòu)缸體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故而，選取缸體結(jié)構(gòu)的1/2模型作為應(yīng)力分析的對(duì)象，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和后續(xù)的運(yùn)算分析，網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文主要對(duì)于氣缸缸體所承受的工藝氣壓力載荷進(jìn)行靜力分析，在缸體內(nèi)部，受氣體壓力作用的工作面，施加設(shè)計(jì)狀態(tài)下的壓力載荷5.8 MPa；在缸體的缸座側(cè)施加軸向位移和徑向旋轉(zhuǎn)的約束；在缸蓋側(cè)施加等效拉應(yīng)力-10.69 MPa來(lái)代替缸蓋的作用，如圖2所示。

圖2 邊界條件

6 應(yīng)力結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，得到新缸體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壓力載荷作用下的等效應(yīng)力云圖，如圖3～7所示。

圖3 缸體內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖

圖5 缸體壁厚

圖6 缸體端面

從應(yīng)力云圖3～7可以看出，在設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度下，缸體的應(yīng)力數(shù)值分布在0.77～306.28 MPa范圍內(nèi)。主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)值低于170.49 MPa；由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，注油棋子位置應(yīng)力集中稍大如圖8，最大值為306.28 MPa。

圖8 注油棋子位置

對(duì)于工作壓力較高的缸體，在強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中，缸體壁厚大多參考圓筒理論公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算和確定[2]，所以同樣參考圓筒理論，對(duì)缸體各位置的應(yīng)力類型進(jìn)行劃分：缸體壁厚和缸蓋側(cè)端面、缸座側(cè)端面按一次應(yīng)力考慮，其余應(yīng)力集中位置按局部應(yīng)力考慮，并進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。選取ZG230-450鑄鋼材料抗拉強(qiáng)度的70%作為材料的許用應(yīng)力σt，具體應(yīng)力評(píng)定的結(jié)果如表4所示。

從應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可以看出，新結(jié)構(gòu)缸體在設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度下，應(yīng)力水平都處于合格狀態(tài)，即從結(jié)構(gòu)的受力和合理性方面來(lái)講，均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 缸體的疲勞分析

參考文獻(xiàn)[3]中表明，通過(guò)對(duì)鑄鋼材料ZG230-450進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，在給定應(yīng)力幅水平下，鑄鋼材料ZG230-450疲勞壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其均值和存活概率(P)0.95—置信度(C)95%的S-N疲勞壽命數(shù)據(jù)見表5。

表5 ZG230-450鑄鋼均值和P-C=0.95-95%時(shí)S-N數(shù)據(jù)[3]

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，以Basquin S-N關(guān)系回歸，可以得到材料ZG230-450的均值和P-C=0.95%～95%時(shí)的S-N曲線方程為

lgNav=29.781-9.9621·lgσa

(1)

lgNP-C=27.7111-92.183·lgσa

(2)

式中Nav——材料均值壽命，cycles

NP-C——P-C=0.95-95%時(shí)的材料壽命，cycles

σa——材料的應(yīng)力幅，MPa

以式(1)、(2)作為材料ZG230-450的中—短壽命范圍可靠性S-N曲線，并運(yùn)用Goodman理論對(duì)S-N曲線進(jìn)行平均應(yīng)力修正，進(jìn)行新結(jié)構(gòu)缸體的疲勞分析。

在缸體相應(yīng)的作用面，分別加載工作狀態(tài)下的進(jìn)氣壓力和排氣壓力，得到最大的應(yīng)力分別為94.35 MPa和277.79 MPa。按工作狀態(tài)下的應(yīng)力結(jié)果修正應(yīng)力幅比率，進(jìn)而對(duì)新結(jié)構(gòu)缸體進(jìn)行疲勞分析，得到疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖如圖9和圖10所示。

圖9 疲勞壽命云圖

圖10 安全系數(shù)云圖

從計(jì)算所得的云圖數(shù)據(jù)中可以看出，新結(jié)構(gòu)缸體在工作載荷下的疲勞壽命，總體上可以循環(huán)1e9次，棋子應(yīng)力集中部分壽命略微偏低，循環(huán)次數(shù)為2.243e7次，考慮到材料對(duì)于局部的應(yīng)力集中有一定的自適應(yīng)能力，而且該處并非主要的承壓受力結(jié)構(gòu)，所以可以認(rèn)為新結(jié)構(gòu)缸體達(dá)到永久壽命，即滿足設(shè)計(jì)條件；關(guān)于疲勞的安全系數(shù)，最小安全數(shù)為1.1767>1，也滿足設(shè)計(jì)條件。

8 結(jié)論

從上述應(yīng)力分析和疲勞分析的結(jié)果可以看出，采用ZG230-450材料的新型結(jié)構(gòu)鑄鋼氣缸，各項(xiàng)應(yīng)力和疲勞分析結(jié)果均合格，滿足工藝條件下對(duì)缸體的設(shè)計(jì)要求。

新型鑄鋼缸體著重于鑄造的可行性和產(chǎn)品的安全可靠性，在缸體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了深度的優(yōu)化與改進(jìn)，更為簡(jiǎn)潔流暢，便于缸體模型在前期的鑄造澆筑，配合新的鑄造方法與工藝，可以有效的減少夾雜、疏松、沙眼和裂紋等鑄造缺陷，極大的提升了鑄件的質(zhì)量和合格率，進(jìn)而提升了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

與QT450-10和QT350-22L球墨鑄鐵材料的缸體相比較，新結(jié)構(gòu)形式的鑄鋼氣缸最高許用工作壓力有很大提升，同時(shí)，填補(bǔ)了球磨鑄鐵缸體在較高壓力下，因小分子氣密試驗(yàn)要求而多次返修的缺陷。

目前，新結(jié)構(gòu)形式的鑄鋼缸體已經(jīng)在產(chǎn)品中得到應(yīng)用，并且在用戶現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況良好。

鑄鋼材料與鍛件材料相比，在材料成本方面節(jié)約很多，而且該新型結(jié)構(gòu)的缸體，同樣可以適用于鑄造不銹鋼材料，也就是說(shuō)相較于不銹鋼鍛件，新型缸體結(jié)構(gòu)的節(jié)約幅度更大，進(jìn)而極大的提升企業(yè)在行業(yè)上的優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力。

伴隨著石油化工，煤化工等行業(yè)工藝的不斷發(fā)展與提升，對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)的工藝要求、運(yùn)行條件、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品的安全性和可靠性等諸多方面的硬性要求，也將不斷的升級(jí)，相信新結(jié)構(gòu)形式的鑄鋼氣缸將得到更為廣泛的應(yīng)用。