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高压活塞空压机活塞杆断裂的故障分析

1. 高压空压机活塞杆断裂故障现象

(1)活塞杆断裂的最直接原因是扭转载荷引起的。活塞杆和螺母位置接触过紧,使活塞的挤压力过大,导致螺母和活塞杆变形,从而使螺母位置松动,产生附加扭转载荷。

(2)导致空压机活塞杆断裂的间接因素是,在活塞杆制作时,材料中混入了过多的氧化类非金属的夹杂物,材质中非金属的物质含量过多,超过了《钢种非金属夹杂物》的三级标准,这些非金属夹杂物分割着金属基本体,是造成空压机活塞杆断裂故障发生的根本原因。

(3)从活塞杆的工艺来看,要使活塞杆在运行的过程中有较强的交变应力,必须使螺纹具备强大的抗疲劳性能。螺纹的形状、根部的圆角半径、光杆部分的圆角和加工时的精度问题都对螺纹的抗疲劳性和活塞杆的运行起着重要的作用,如果上述的条件没有达到标准,在螺纹的加工时就会出现很多隐藏的缺陷,使螺纹的根部产生过大的应力,从而导致其疲劳度降低。利用显微镜对断裂的活塞杆进行观察可以发现,有明显的刀痕切入痕迹,这就表示螺纹在加工的时候并没有经过滚压,所以形成了较大的应力,导致扭转负荷现象产生,裂纹因此形成,随着裂纹的不短扩展,有效的截断面积减小,应力急剧增加,最后导致活塞杆断裂的故障发生。

(4)从空压机设备的安装来看,飞轮的安装有偏斜的现象,在其在旋转运行中产生偏摆,从而使惯性力矩增加,同时也引起惯性力的附加,在惯性力和惯性力矩的双重作用下,空压机活塞杆的轴线和气缸套轴线的轴度超出了标准的定制范围,造成贴合面整个倾斜,加上飞轮的倾斜,使整个机组的振动力增强,活塞组件的应力也随之增加,在应力和附加力矩的作用下,活塞杆产生较大的疲劳,从而形成断裂。

1.2 活塞杆断裂的过程

因为活塞杆的制作材料不合格,锁紧螺母和活塞杆连接过紧,导致空压机运行一段时间后,导致螺母愈来愈松动,设备内的零部件部分产生变形,活塞杆由于运行时的过大压力而出现扭转载荷现象,当负荷超出活塞杆的范围值时,就会产生断裂故障,断裂后,紧锁螺母会不断的碰撞余隙活塞和余隙活塞杆,使标尺倒架最终也发生断裂。

2.光学金相显微分析和扫描电镜微观分析

2.1 光学金相显微分析

分别截取活塞断口处的横向和纵向的样本,用光学金相显微技术进行研究,分析故障组织和表面发生硬化的组织情况,通过对比发现,横向和纵向两个方向的组织基本体大致一样,都是不均匀且粗大的晶体粒子。

2.2 通过扫描电镜微观分析

利用扫描电镜对空压机活塞杆的断口进行形貌和组织分析,可以看到断口的表面是呈准解理状的样貌,同时还有大量方向不明的疲劳辉纹和二次裂痕。说明活塞杆产生了脆性疲劳断裂,通过显微电镜的微观分析,可以看到有粗大的短杆物分布在铁素基体上,同时还有颗粒状的碳化物密集分布,这些都将严重的降低钢的强度。

2.3 分析和讨论

根据断口的宏观分析说明,大部分的活塞杆断裂应该是属于低负荷脆性疲劳断裂。经过化学分析,得出大多活塞杆的材质满足化学成分的标准要求,但是对于材料的强度和基体的硬度来说,还没有达到相关的标准和技术要求,通过上述两种方式的分析可以说明,活塞杆的基体晶体粒子过于粗大,是贝氏体和铁素体的混合型组织,并且在晶体界面上有网状碳化物的形成,这样就会严重的影响活塞杆的力学性能。

综上可以得出,当空压机装置开始投入运行后,活塞杆由于多种原因形成刮伤的现象,对以后的运行产生了许多不利影响,在交变应力不断的作用下,活塞杆表面就会形成许多裂纹,再加上活塞杆的材料组织不合理,力学性能达不到标准,使裂纹迅速扩展,从而导致整个活塞杆产生疲劳性断裂。

3.解决高压空压机

活塞杆断裂故障的相关办法

(1)增加空压机活塞杆中锁紧螺母和活塞体之间的接触面积,缓解运行中过大的挤压应力。

(2)改变螺母传统的锁紧方式,由开槽锁紧的方式改为骑缝的锁紧方式。

(3)加强对活塞杆制作材料的监管和检验,杜绝杂志含量超标的现象发生。

(4)工厂可以免费对三台空压机活塞杆和活塞进行检修或更换。

(5)提高安装质量。在活塞杆的安装过程中,严格按照标准规定紧锁螺母,让经验丰富的技术人员进行操作,使用常用的安装工具,加力装置,拧紧锁紧螺母。

(6)改善活塞杆的制造工艺。活塞杆的螺纹应采用滚压、削磨或者轧制的工艺方式进行加工。

(7)优化活塞杆的结构设计。加大活塞杆螺纹的圆角半径;在活塞杆的剖面变化处也使用较大的圆角半径,可以适当的减少应力带来的过大压力。