ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР ДЛЯ СЖАТИЯ ГАЗОВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СЕРОВОДОРОДА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к компрессоростроению и может быть использована как при создании, так и при ремонте компрессоров, к которым предъявляются высокие требования к ресурсу, надежности и безопасности эксплуатации.
Известен поршневой компрессор, включающий цилиндр, поршень со штоком и механизм привода, состоящий из крейцкопфа, шатуна, кривошипного вала и подшипников, у которого рабочие быстроизнашивающиеся и высоконагруженные участки цилиндра, штока, крейцкопфа, кривошипного вала и подшипников выполнены из обычных углеродистых сталей и чугунов [Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования. Машиностроение, 1969, 744 с.]
Известен также поршневой компрессор, содержащий цилиндр, поршень со штоком и механизм привода, у которого высоконагруженные быстроизнашивающиеся детали имеют соединенный с их основным металлом поверхностный слой определенной толщины из материала с высоким содержанием азота (до 1,0%) [Общие технические условия по ремонту поршневых компрессоров /А.Е.Фолиянц, Н.В.Мартынов, А.С.Бурыгин и др. ВНИКТИ химнефтеоборудование, Волгоград, из-во Волгоградская правда, 1985, 362 с.]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции поршневого компрессора является поршневой компрессор для сжатия газов, в котором трущиеся детали, имеющие быстроизнашивающиеся рабочие участки, изготовлены с поверхностным слоем определенной толщины из композиционного порошкового сплава, полученным плазменным или высокоскоростным газотермическим напылением (Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука.1977 г. 184 с.; Балдаев П.Л. "Перспективы применения
газотермического напыления при ремонте и производстве оборудования в промышленности" Журнал компрессорная техника №5, 2004 г.)
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата при эксплуатации таких деталей компрессоров, является структурная неоднородность и недостаточная конструкционная прочность поверхностного слоя, особенно при динамических нагрузках, недостаточная несущая способность при высоких контактных нагрузках из-за концентрации максимальных напряжений на внутренней границе слоя, недостаточная коррозионная стойкость из-за поверхностных дефектов (пор, неметаллических включений и т.д.), недостаточная прочность сцепления с основным материалом детали, высокий уровень поверхностных растягивающих напряжений, вызванных нагревом детали при формировании покрытия.
Таким образом, недостатком известных конструкций поршневых компрессоров является недостаточный ресурс детали, особенно в коррозионных средах и при перегрузках, вызванных знакопеременным характером нагружения, а также динамическими усилиями.
Высокий коэффициент трения скольжения рабочих поверхностей и отсутствие высокоэффективных защитных покрытий деталей компрессора приводят к их разогреву, нарушению условий смазки и интенсивному износу. Это следует из анализа экспериментальных данных по эксплуатации компрессоров, согласно которым 98% отказов происходит по причине изнашивания.
В связи с этим для предотвращения аварий и случаев преждевременного выхода из строя поршневых компрессоров приходится осуществлять дорогостоящий мониторинг их технического состояния, делать частые замены деталей и ремонты, что увеличивает эксплуатационные затраты и снижает безопасность и надежность эксплуатации компрессоров.
Техническим результатом полезной модели является значительное повышение срока службы компрессоров, снижение эксплуатационных затрат при их эксплуатации и повышение безопасности работы.
Этот результат по п.1 достигается тем, что в поршневом компрессоре, содержащим цилиндр, поршень со штоком и механизм привода, состоящий из крейцкопфа, шатуна, кривошипного вала и подшипников, рабочие участки цилиндра, штока, механизма привода, подверженные износу, имеют износостойкий слой из сплава системы Cr-Ni-Mo, соединенный с их поверхностью лазерной наплавкой, толщина которого определяется из соотношения
сл
Hmax
h≥кσρ,
Hmax
-5
где σ - максимальные контактные напряжения на рабочих участках (МПа), ρ - радиус кривизны трущихся поверхностей, к=1,733*10 - постоянный коэффициент.
По п.2 поставленный технический результат достигается тем, что рабочие участки цилиндра, штока, механизма привода, подверженные износу, имеют фторполимерный, твердосмазочный, износостойкий слой, соединенный с их поверхностью лазерной обработкой, толщина которого определяется соотношением
Тсл
max
h=(1,8÷2,0)R,
max
где R - расстояние между максимальным выступом и впадиной микронеровностей на рабочем участке.
сл
Hmax
Тсл
max
По п.3 необходимый технический результат достигается тем, что рабочие участки цилиндра, штока, механизма привода, подверженные износу, имеют износостойкий композиционный слой, состоящий из двух слоев, причем нижний слой из сплава системы Cr-Ni-Mo, толщиной n≥кσρ, соединенный с их поверхностью лазерной наплавкой, а верхний фторполимерный, твердосмазочный, износостойкий слой, толщиной h=(1,8÷2,0)R, соединен с нижним лазерной обработкой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид поршневого компрессора, состоящего из цилиндра 1, поршня 2 со штоком 3, механизма привода, включающего крейцкопф 4, шатун 5, кривошипный вал 6 и подшипники 7, а на фиг.2, 3, 4 в качестве примера,
показаны штоки поршневого компрессора, рабочие участки которых длиной L, выполнены по п.п.1, 2, 3 формулы полезной модели. Интенсивный износ и разрушение рабочих участков в процессе эксплуатации происходит в результате трения скольжения трущихся поверхностей при возвратно-поступательном движении поршня со штоком, крейцкопфа, шатуна и вращения кривошипного вала в подшипниках.
сл
Hmax
В компрессоре по п.1 рабочие участки цилиндра, штока, механизма привода, подверженные износу длиной L, имеют износостойкий слой из сплава системы Cr-Ni-Mo, соединенный с их поверхностью лазерной наплавкой, толщина которого h≥кσρ. Именно этот слой является несущим, т.к. в процессе эксплуатации он воспринимает циклические контактные нагрузки. Поскольку физико-механические и триботехнические свойства указанного слоя из сплава Cr-Ni-Mo, полученного лазерной наплавкой, значительно превышают свойства основного металла, то сопротивляемость изнашиванию рабочих участков значительно увеличивается, а их износ снижается, что способствует повышению срока службы компрессора и безопасности эксплуатации.
Тсл
max
В компрессоре по п.2 рабочие участки цилиндра, штока, механизма привода, подверженные интенсивному износу длиной L, имеют фторполимерный, твердосмазочный, износостойкий слой, толщиной h=(1,8÷2,0)R, соединенный с их поверхностью лазерной обработкой. Этот слой при пусках и остановках компрессора, при работе в условиях масляного "голодания" и при переходных режимах выполняет роль смазки, разделяющей трущиеся поверхности, предотвращает износ и повреждения поверхностей рабочих участков, обеспечивает режим жидкостного трения в отсутствии смазки, способствует снижению коэффициента трения, температуры в зоне контакта деталей и, кроме того, защищает рабочие участки от коррозии при работе компрессора в агрессивных средах.
В компрессоре по п.3 рабочие участки цилиндра, штока, механизма привода, подверженные износу длиной L, имеют износостойкий, композиционный слой, состоящий из двух слоев. Нижний слой из сплава
сл
Hmax
системы Cr-Ni-Мо, толщиной h≥кσρ, соединенный с их поверхностью лазерной наплавкой, обладает высокой твердостью и износостойкостью, воспринимает циклические контактные нагрузки, вызванные интенсивным скольжением трущихся рабочих участков, и обеспечивает требуемую несущую способность, а также необходимые эксплуатационные характеристики компрессора.
Верхний фторполимерный, твердосмазочный, износостойкий слой разделяет трущиеся поверхности, способствует улучшению условий трения, снижению коэффициента трения и температуры на рабочих участках, повышает задиростойкость и коррозионную стойкость и, за счет этого, увеличивается срок службы компрессора, повышается надежность и безотказность, а также снижаются затраты на его ремонт.
Повышение технических характеристик поршневого компрессора, достигаемое при реализации предлагаемой полезной модели, основано на следующих основных положениях и результатах экспериментов.
сл
Hmax
По п.1 технический результат обеспечивается тем, что в поршневом компрессоре рабочие участки цилиндра, штока и механизма привода, подверженные износу, имеют слой из сплава системы Cr-Ni-Мо, полученный лазерной наплавкой. Этот высоколегированный слой имеет оптимальную мелкодисперсную структуру, высокую твердость и одновременно необходимую пластичность, что предотвращает развитие разрушений как на поверхности рабочих участков, так и в подповерхностной зоне, где осуществляется соединение слоя с поверхностью детали. Кроме того, за счет оптимальной толщины слоя, определяемой соотношением h≥кσρ, обеспечивается его необходимая несущая способность, исключается продавливание и отслоение материала поверхности при действии циклических высоких контактных нагрузок.
По п.2 технический результат обеспечивается тем, что в поршневом компрессоре рабочие участки цилиндра, штока, и механизма привода имеют фторполимерный, твердосмазочный, износостойкий слой оптимальной
толщины, полученный с использованием лазерного излучения. Лазерная обработка позволяет получить на рабочих участках бездефектный наружный слой, обладающий высокими адгезионными, триботехническими и коррозионными свойствами. Смазочные свойства слоя таковы, что рабочие участки могут работать практически без смазки или в условиях недостаточной смазки. Эти условия соответствуют переходным режимам эксплуатации компрессора и режимам масляного "голодания". При этом значения коэффициента трения даже без смазки соответствуют режиму жидкостного трения.
По п.3 технический результат обеспечивается тем, что рабочие участки цилиндра, штока и механизма привода, подверженные износу, имеют композиционный износостойкий слой, состоящий из двух слоев. Первый -нижний слой из высококачественного сплава системы Cr-Ni-Mo, полученный лазерной наплавкой, выполняет роль несущего слоя, воспринимающего высокие цикличные контактные нагрузки, вызванные знакопеременным характером нагружения и скольжением трущихся поверхностей. Второй - наружный слой из фторполимерного материала, обработанного лазером, выполняет роль твердой смазки, предотвращающей задиры и схватывание рабочих участков деталей компрессора в процессе трения. Наличие этого слоя также способствует снижению рабочих температур, уменьшению вибраций и повышению срока службы компрессора.
Пример 1.
Из анализа причин преждевременного выхода из строя поршневых компрессоров, в особенности при эксплуатации в агрессивных средах с большим содержанием сероводорода, следует, что разрушение и износ рабочих участков цилиндра, поршня, штока и механизма привода вызвано упруго-пластическими деформациями материала поверхностного слоя, обусловленными контактно-фрикционным воздействием трущихся деталей.
1
Механизм изнашивания и разрушения рабочих участков иллюстрируется фиг.5, где в поперечном разрезе показаны разрушения материала рабочих участков в процессе эксплуатации. Напряженное состояние поверхностного слоя на рабочих участках иллюстрируется фиг.6, где показаны эпюры рабочих напряжений 1 и эпюры 2, 3, характеризующие закономерности изменения свойств материала рабочих участков с расстоянием от поверхности. Видно, что при неоптимальных свойствах и толщинах поверхностного слоя (h) на его внутренней границе (точка А) действующие напряжения могут превышать уровень прочности основного материала детали. Это приводит возникновению описанных выше разрушений (см. фиг.5).
2
При оптимальной, с точки зрения контактной прочности, толщине несущего слоя, из высокопрочного сплава системы Cr-Ni-Mo, определяемой из условия глубинной контактной прочности ('h, точка В), нагрузки, вызванные условиями эксплуатации, не приводят к разрушению материала. При этом обеспечивается требуемая несущая способность деталей компрессора, и достигается наибольшая сопротивляемость изнашиванию. Таким образом, для повышения сопротивляемости изнашиванию в сложных условиях эксплуатации необходимо, чтобы поршневой компрессор был укомплектован базовыми деталями, имеющими на рабочих участках несущий лазерный поверхностный слой с оптимальными характеристиками. Толщина и физико-механические свойства несущего слоя должны определяться с учетом местоположения опасной зоны (см. фиг.4, точки А, В), где при действии эксплуатационных контактных нагрузок могут возникать очаги пластических деформаций и разрушений. Эта зона может быть найдена расчетным методом на основе анализа закономерностей распределения контактных напряжений и изменения свойств несущего поверхностного слоя, находящегося в зоне действия интенсивных контактных нагрузок. Выполненные нами расчеты по формулам, полученным на основе решений контактной задачи теории упругости, показали, что для предотвращения деформаций и разрушения несущего слоя деталей в
процессе контактно-фрикционного взаимодействия его толщина должна определяться из соотношения
При этом в поверхностном слое не должно быть дефектов в виде пор, несплошностей и других дефектов, снижающих контактную прочность и износостойкость. Экспериментальные исследования показали, что указанным требованиям полностью соответствует поверхностный слой из сплава системы Cr-Ni-Mo, полученный лазерной наплавкой.
Технический результат от реализации полезной модели был подтвержден экспериментальными исследованиями и испытаниями, выполненными как на образцах, так и на натуральном объекте - компрессоре КМ-2 импортного производства в условиях эксплуатации.
сл
Эксплуатационные характеристики несущего слоя, определяемые его толщиной (h) и требуемым распределением физико-механических свойств, на экспериментальных образцах испытанных деталей компрессора изменялись в пределах, соответствующих реальным условиям эксплуатации деталей поршневых компрессоров. Значения варьируемых параметров приведены в табл.1.
сл
Hmax
слопт
Результаты испытаний на контактную усталостную прочность приведены в табл.2. Видно, что оптимальными свойствами обладают детали, имеющие несущий поверхностный слой сплава системы Cr-Ni-Mo оптимальной толщины, полученный лазерной наплавкой. Разрушения при всех условиях испытаний не возникали при толщине слоя, найденный из условия h≥кσρ. При этом расчетная оптимальная толщина несущего слоя составляла h≥0,6 мм. В качестве примера, подтверждающего высокие свойства поверхностного слоя на рабочих участках деталей компрессора, приведены и основные характеристики структуры металла поверхностного слоя испытанных деталей (фиг.7).
Характеристики несущих поверхностных слоев деталей компрессоров, подверженных испытаниям
Таблица 1
№ п.п.
Наименование характеристики
Обозначение
Диапазон изменений
1
Толщина несущего слоя, мм.
h<sub>с</sub>
0,2-0,4
2
Твердость на поверхности, МПа
Н<sub>П</sub>
6200-10000
3
Твердость сердцевины, МПа
Н<sub>с</sub>
3000-4800
4
Глубина действия максимальных рабочих напряжений, мм.
Z
0-4,0
5
Величина рабочих напряжений, МПа
σ<sub>Н</sub>
1000-3500
6
Приведенный радиус кривизны рабочих поверхностей, мм.
ρ<sub>w</sub>
5-100
Из табл. 2 и фиг.7а видно, что несущий слой из сплава системы Cr-Ni-Mo, полученный лазерной наплавкой, не имеет дефектов, что предопределяет высокие эксплуатационные свойства штоков. Образцы деталей, конструкция которых соответствует полезной модели, разрушений не имели при всех условиях испытаний (см. табл.2). В то же время при реализации известных технических решений поверхностный слой имеет многочисленные дефекты и разрушения (см. фиг.7б).
Аналогичные результаты были получены при испытаниях на выносливость, результаты которых приведены на фиг.8. Видно, что наибольшей выносливостью обладают детали, имеющие несущий слой из сплава системы Cr-Ni-Mo оптимальной толщины (фиг.8, кривая 4). Для известных технических решений зависимость предела выносливости при различных условиях испытаний описываются зависимостями 1-5, фиг.8.
Таблица 2
Результаты испытаний деталей компрессора на контактную прочность
№ партии образцов
Наименование детали
Нагрузка σ<sub>Н</sub>, МПа
Характеристики несущего слоя
Число циклов испытаний до разрушения
Глубина разрушения, мм
Материал
Толщина слоя, мм
Пористость, %
Микротвердость, МПа
Поверхности
В зоне h<sub>min</sub>
Сердцевины
1
Шток
1000
Ni-Cr-Мо
0,2
4
6000
3500
3400
0,6
0,2
компрессора
1200
(напыление)
0,6
6
5500
3800
3400
0,8
0,35
КМ2
1200
1,0
7
5200
4000
3400
1,0
0,35
1200
1,5
7
5200
4500
3400
1,3
0,35
2
Шток
1200
Ni-Cr-Мо
0,2
1,5
6500
3600
3500
0,6
0,2
компрессора
1600
(плазма)
0,6
2,0
6000
3900
3500
1,0
0,4
КМ2
2000
1,0
2,0
5800
4200
3500
1,3
0,4
2200
1,5
2,0
5600
4800
3500
1,5
0,6
3
Шток
1500
Ni-Cr-Mo
0,6
0
6600
6500
3600
2,5
нет
компрессора
2500
(лазерный
1,0
0
6700
6700
3600
5,0
нет
КМ2
3000
сплав)
1,5
0
6700
6700
3600
8,0
нет
3500
2,0
0
6700
6700
3600
10,0
нет
Пример 2
Поршневой компрессор на рабочих участках высоконагруженных быстроизнашивающихся деталей имеет износостойкий, фторполимерный, твердосмазочный слой, полученный лазерной обработкой, толщина которого определяется соотношением
сл
max
h=(1,8-2,0)R,
max
где R - расстояние между максимальным выступом и впадиной микронеровностей на рабочем участке.
Для подтверждения эффектов, связанных с введением твердосмазочного слоя в качестве конструктивного элемента (третьего тела), разделяющего трущиеся быстроизнашивающиеся рабочие участки высоконагруженных деталей, были проведены комплексные триботехнические испытания.
Расположение твердосмазочного слоя на рабочей поверхности детали показано на фиг.3 и фиг.9. Толщина слоя 1 при испытаниях имела значения, указанные в табл.3. При испытаниях в режиме трения скольжения оценивали и интенсивность изнашивания трущихся поверхностей.
сл
max
Результаты испытаний представлены в табл.4. Из результатов испытаний следует, что оптимальные значения толщины твердосмазочного слоя на рабочих участках трущихся деталей находятся в пределах h=(1,8÷2,0)R.
Таблица 3
Значения толщины несущего слоя, полученные при испытаниях
№ п.п.
Соотношение толщины слоя и R<sub>max</sub>
Значения, мкм
1
без слоя
2
h<sub>сл</sub>=R<sub>max</sub>
5
3
h<sub>сл</sub>=1,5R<sub>max</sub>
7,5
4
h<sub>сл</sub>=1,8R<sub>max</sub>
9
5
h<sub>сл</sub>=2,0R<sub>max</sub>
10
6
h<sub>сл</sub>=2,2R<sub>max</sub>
11
Таблица 4
Результаты триботехнических испытаний
Номер варианта по табл.3
Длительность ускоренных модельных испытаний, мин.
Максимальная температура в зоне трения, °С.
Средние значения коэффициента трения.
Весовой износ после цикла испытаний, мг.
1
120
120
0,2
60
2
120
110
0,15
40
3
120
95
0,12
25
4
120
78
0,008
6
5
120
75
0,006
5
6
120
85
0,1
8
При меньших значениях эффективность введения твердосмазочного слоя снижается, т.к. из-за недостаточной его толщины возможен металлический контакт выступов микронеровностей трущихся поверхностей вследствие продавливания или частичного износа твердосмазочного слоя. Это приводит к росту коэффициента трения, задирам, увеличению температуры и скорости изнашивания. При больших толщинах твердосмазочного слоя не удается обеспечить требуемые адгезионные и физико-механические свойства. Поэтому при интенсивном трении "толстый слой" быстро изнашивается и в контакт вступают металлические участки, что интенсифицирует процесс изнашивания.
Пример 3
Поршневой компрессор на рабочих участках подвержен интенсивным нагрузкам и изнашиванию деталей, имеет два слоя - нижний несущий из сплава Cr-Ni-Mo, полученный лазерной обработкой, и верхний твердосмазочный, фторполимерный слой.
Испытаниями при трении в агрессивных средах выявлен эффект двухслойного покрытия который заключается в следующем. Верхний слой, так называемое третье тело, разделяет контактируемые рабочие участки поверхностей трущихся металлических деталей, работает как твердая смазка, препятствующая интенсивному изнашиванию в течении определенного периода эксплуатации. Кроме того, этот слой предохраняет нижний от схватывания и задиров пи эксплуатации. Контактные нагрузки воспринимает нижний слой, который является несущим. Эффективность твердосмазочного фторполимерного слоя определенной толщины, полученного лазерной обработкой подтверждена испытаниями (пример 2). В случае износа верхнего твердосмазочного слоя в работу вступает несущий слой из сплава Cr-Ni-Mo, который обладает высокой сопротивляемостью изнашиванию, что подтверждается результатами испытаний, приведенными в примере 1. Пример 3 является сочетанием эффектов, подтвержденными в примерах 1 и 2. Результаты испытаний на изнашивание деталей поршневого компрессора по примеру 3 приведены в табл.5.
Таблица 7
Износостойкость рабочих поверхностей
№ п.п.
Характеристики трущихся поверхностей
Длительность эксплуатации до предельного износа, часы
1
Без покрытия
5000
2
Один слой (пример 1)
12000
3
Один слой (пример 2)
8000
4
Два слоя (пример 3)
20000
Видно, что конструкция деталей поршневого компрессора, имеющего композиционный поверхностный слой на рабочих участках, обеспечивает четырехкратное увеличение износостойкости и ресурса.
Таким образом, результаты испытаний свидетельствуют о том, что при реализации полезной модели по п.1, 2, 3 значительно повышается технический уровень поршневого компрессора, повышается сопротивляемость изнашиванию и срок службы как компрессора в целом, так и его базовых дорогостоящих деталей.