压缩机活塞与十字头垂直同心度的检测和调整

压缩机活塞与十字头垂直同心度的检测和调整卧式往复博莱特活塞与十字头的热态对中是保证开山空压机长周期稳定运行的基本要素。API618规范附录C引用降差的概念，考虑挠度的影响，给出冷态调整值计算方法和调整方法。但空压机两侧连杆对十字头的作用力是不同的，必须根据不同的作用力，确定运行状态，分别推导出两侧调整值计算式，依据计算结果进行调整，使两侧均能满足API618规范的要求。受力与运动分析卧式往复压缩机通常采用对置式布置来平衡轴向力（见图1）。曲轴作匀角速转动，活塞和十字头作往复运动。图1卧式对置往复压缩机布置与右侧受力示意图1—气缸；2—活塞；3—活塞杆；4—十字头滑道；5—十字头；6—连杆；7—曲轴1.左侧十字头受力及运行分析如图1所示，曲轴在180°～270°～0°运行阶段，左侧连杆在下半平面内运行，对十字头施加的拉力产生垂直向下的分力；在0°～90°～180°运行阶段，左侧连杆在上半平面内运行，对十字头施加的推力也产生垂直向下的分力。曲轴旋转一周，连杆对十字头的作用力始终会产生垂直向下的分力。该分力与十字头本身重力，以及连杆、活塞杆作用在十字头上的重力组成合力，使十字头贴着下滑道运行。2.右侧十字头受力及运行分析(1)右侧十字头受力分析如图1所示，曲轴在0°～90°～180°运行阶段，右侧连杆在上半平面内运行，对十字头施加拉力，此拉力产生垂直向上的分力。在180°～270°～0°运行阶段，右侧连杆在下半平面内运行，对十字头施加推力，此推力也产生垂直向上的分力。曲轴旋转一周，连杆对十字头的作用力始终会产生垂直向上的分力。十字头的重力，连杆、活塞杆作用在十字头上的重力，连杆对十字头的拉、推力产生的垂直向上的分力，这些力组成的合力决定十字头在滑道中的位置。(2)十字头运动加速度计算根据动力学理论，十字头运动加速度为a=-ω2r曲（cosωt+λcos2ωt）(1)其中式中ω——曲轴运动的角速度；r曲——曲轴半径；L连——连杆长度；t——时间。正常运行时，曲轴的转动可认为是匀角速运动，ω为常数，故a为时间t的函数。(3)十字头受力计算①0°～90°～180°运行时受力计算各部分受力如图1所示。从图1知，曲轴在0°～90°～180°运行时，十字头行程为T=L连+r曲-K-r曲cosωt(2)其中十字头运行至ωt时气体的体积为V=V0-TS由pVVk=p0Vk0得活塞两侧气体压差则(3)由文献［1］取k=1.4。由G″a=F活塞杆-F连cos∠MNO得(4)据垂直方向受力平衡得F支=9.8G-F连sin∠MNO=9.8G-F连λsinωt(5)式中pV——气缸内压缩侧气体压力；p0——气缸内吸气侧气体压力；p——气缸内两侧气体的压差；F连——连杆力；F活塞杆——活塞杆力；F支——滑道对十字头的支承力；V0——压缩前气体体积；V——ωt时的气体体积；S——气缸横截面积；T——十字头行程；G——十字头、活塞杆、连杆作用在十字头上的综合质量，可以表示为G=G十字头+(2)+G连杆；G″——十字头、活塞杆、活塞的质量之和，G″=G十字头+G活塞杆+G活塞。②180°～270°～0°运行时受力计算此时，F连、F活塞杆方向与图1所示相反，p0、pV交换位置，其余受力状况不变。从图1知，当曲轴在180°～270°～0°运行时十字头行程为T=ON-（L连-r曲）(6)分析曲轴运动与△MNO的关系，建立T与ωt的关系，即T=K+r曲cosωt-L连+r曲(7)用式(3)计算F活塞杆，连杆力和滑道对十字头的支承力为(8)F支=9.8G-F连λsinωt(9)(4)十字头运动分析及分离角计算曲轴运行在0°和180°位置时，从式（5）、式（9）知F支=9.8G，表明十字头贴着下滑道运行。曲轴运行在90°和270°位置时，从式（1）知a=0，代入式（4）和式（8）得(10)将式（3）代入式（10），式（10）代入式（5）和式（9）得F支=9.8G-(11)上式中9.8G故有F支0表明存在上滑道对十字头的支承力，此时十字头贴着上滑道运行。从上述分析可知，十字头在0°和180°时贴着下滑道运行，在90°和270°时贴着上滑道运行，在往复运动中，存在着由贴着下滑道运行到贴着上滑道运行，再返回到贴着下滑道运行的过程，即十字头与滑道存在分离过程。将十字头与滑道分离时曲轴运行的角度称为分离角，此时F支=0，从式(5)、式(9)得9.8G-F连λsinωt=0(12)活塞与十字头垂直同心度的检测与调整1.左侧活塞与十字头垂直同心度的检测与调整(1)检测计算活塞杆的冷态降差气缸、活塞、十字头和活塞杆的关系见图2，冷态降差与径向跳动几何关系见图3。图2系统检测示意图图3冷态降差与径向跳动几何关系图中AC——活塞杆组件长度；T——行程，即ac；Δh——十字头安装冷态间隙。根据图3知，测得径向跳动值ab后，活塞杆两端的冷态降差为(13)(2)活塞杆挠度对测量值的影响活塞杆因自身质量产生挠度，影响径向跳动测量值，如图4所示。活塞杆（视为均布载荷）的挠度f可应用均布载荷任意点挠度计算式［2］计算，即图4活塞杆挠曲示意图依据上式推导出一行程内测点挠度差的计算式+3C1C2+C22）+（C1+C2）4-C41］(14)其中，x为测点到点n的距离，，。测得的径向跳动值ab（带正负号计入）中含有挠度的影响，消除挠度影响后的冷态降差为(15)(3)计算活塞与十字头间热胀偏心值和冷态调整值设活塞的热胀系数为α1(℃-1)，温升为Δt1(℃)，半径热胀值为ΔR1=α1Δt1R1(mm)；十字头的热胀系数为α2(℃-1)，温升为Δt2(℃)，半径热胀值为ΔR2=α2Δt2R2(mm)，则半径热胀差AB热=ΔR1-ΔR2(16)冷态需调整部分（热态偏心）为AB调=AB′冷-AB热=AB′冷-ΔR1+ΔR2(17)(4)十字头冷态调整根据计算的AB调，按通常方法调整十字头滑板调整垫片，根据API618规定，若≤1.5×10-4，则满足要求，否则要进行第二次调整。2.右侧活塞与十字头垂直同心度检测与调整计算右侧活塞杆的冷态降差，活塞杆挠度对测量值的影响，以及活塞与十字头间热态偏心等的方法步骤均与左侧方法相同。由于压缩机右侧十字头在主工作区贴在上滑道运行，计算右侧十字头冷态时调整值的方法与左侧不同。冷态需调整部分（热态偏心）为AB调=十字头贴下滑道运行需调整值++热态时十字头与上滑道的间隙即AB调=AB′冷-AB热+（Δh-2ΔR2）整理得AB调=AB′冷-ΔR1-ΔR2+Δh(18)按计算的AB调进行调整。实例用此法计算、检测和调整南京炼油厂60万t/a重整装置的K202A卧式往复压缩机活塞与十字头同心度。基本数据见表1，计算数据见表2，测量数据见表3。表1基本数据名称一级二级活塞杆长度L?活塞杆(mm)17651751活塞杆直径d(mm)9595活塞杆材料密度ρ(g/cm3)7.827.82活塞杆质量G活塞杆(kg)9897活塞杆弹性模数E(MPa)2.1×1052.1×105活塞杆截面轴惯性矩I(cm4)399.8399.8活塞杆组件长度AC(mm)22382200活塞半径R1(mm)370250活塞线膨胀系数α1(℃-1)12×10-612×10-6活塞温升Δt1(℃)100100活塞质量G活塞(kg)300300十字头半径R2(mm)200200十字头线膨胀系数α2(℃-1)12×10-612×10-6十字头温升Δt2(℃)3535十字头质量G十字头(kg)300300行程T(mm)360360连杆计算长度L连(mm)850850连杆质量G连杆(kg)184184曲轴回转半径r曲(mm)180180入口压力p0(MPa)0.220.77出口压力pV(MPa)0.7952.100表2计算数据mm计算项目左侧右侧冷态降差AB冷0.3730.611测点挠度差fT0.0260.037消除fT后的冷态降差AB′冷0.2110.385活塞半径热胀值ΔR10.4440.300十字头半径热胀值ΔR20.0840.084活塞与十字头半径热胀差AB热0.3600.216需调整部分（热态偏心）AB调-0.1500.371表3测量数据mm测量项目左侧右侧十字头与滑道间间隙Δh0.370.37测得的径向跳动值ab0.060.10根据计算的AB调值，用≤1.5×10-4判断，左侧＜1.5×10-4，满足要求；右侧为＞1.5×10-4，不满足要求，需调整，经调整后再计算AB调为0.0726，满足要求。压缩机运行时的参数测量见表4表4压缩机运行时的参数测量部位中体振动（μm）十字头温度（℃）活塞杆温度（℃）活塞杆跳动（μm）一级Ⅰ列（左侧）12528714一级Ⅱ列（左侧）13538412二级Ⅰ列（右侧）10518012二级Ⅱ列（右侧）10508210从表4可知，经计算调整后的南京炼油厂60万t/a重整装置K202A压缩机运行状况良好。结论压缩机左右侧由于连杆对十字头作用力的不同，运行状态也不同，因此十字头冷态调整值必须采用不同的计算方法分别计算，才能保证两侧十字头调整后均能满足API618规范的要求。郑祥龙,高级工程师,生于1946年,1986年毕业于清华大学供热供燃气与通风专业,长期从事石油化工设备安装工作,现任副总工程师兼技术处处长.地址:(210046)江苏省南京市.电话:[phone].郑祥龙（中国石油化工集团公司第二建设公司）金明（中国石油化工集团公司第二建设公司）参考文献［1］国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计手册，上册.北京：化学工业出版社，1996：2～256，260［2］刘鸿文.材料力学.北京：高等教育出版社，1982：239