Технологія лиття та складання блоків циліндрів для поршневих компресорів

Поршневі компресори служать основним енергетичним обладнанням у нафтовій, хімічній промисловості, транспортуванні природного газу, розділенні повітря та охолодженні. The Блок циліндрів є критично важливим компонентом, що витримує тиск, який безпосередньо підтримує тиск газу та охоплює об’єм стиснення. Чи може компресор працювати стабільно протягом тривалого часу, часто визначається якістю лиття та точністю збірки його блоку циліндрів.

Блок циліндрів має складну конструкцію, має різну товщину стінок і переплетені внутрішні порожнини. Він повинен не тільки витримувати змінні газові навантаження, але й забезпечувати надійне охолодження, змащування та ущільнення. Тому він широко визнаний як складний компонент як для лиття, так і для складання. У цій статті розглядаються основні технічні труднощі у виробництві блоку циліндрів і відповідні контрзаходи, розкриваючи досвід процесу, що стоїть за високоякісним блоком циліндрів.

1. Блок циліндрів: комплекс 'Ядро, що несуть тиск'

Блок циліндрів - це набагато більше, ніж проста оболонка. Всередині переплітаються численні функціональні порожнини, включаючи робочу камеру, кишені всмоктувального та нагнітального клапанів і газові канали, водяну сорочку охолодження, канали мастила та порожнини сальника. Багатоступеневі установки часто приймають диференціальну структуру з кількома циліндрами, з’єднаними послідовно. Міжнародні стандарти, такі як API 618 Поршневі компресори для нафтової, хімічної та газової промисловості, висувають суворі вимоги до матеріалів, стійкості до тиску та перевірки частин, що перебувають під тиском, наприклад циліндрів.

Ця конструктивна особливість «багатопорожнин в одному» передбачає, що виробництво блоків циліндрів повинно одночасно задовольняти трьом високим вимогам:

• Надійне утримання під тиском : стінки циліндрів і газові канали не повинні тріскатися або витікати під впливом змінного навантаження високого тиску.

• Газонепроникна цілісність : ливарний корпус не повинен мати наскрізних дефектів стінки, а всі поверхні з’єднання повинні бути надійно ущільнені.

• Зносостійка точність : отвір циліндра, який безпосередньо стирається об поршневі кільця, вимагає високої точності розмірів і якості поверхні.

2. Виклики лиття: боротьба зі складними внутрішніми порожнинами та контроль дефектів

2.1 Складна система серцевини та висока складність у позиціонуванні збірки серцевини

Водяна сорочка, газові канали та інші внутрішні порожнини блоку циліндрів повністю утворені сердечниками. Ядра численні і неправильної форми; деякі сердечники водяної сорочки мають дуже тонкі стінки — типова конструкція має товщину стінок лише близько 1,8 мм, що робить їх схильними до руйнування та деформації під час виготовлення та встановлення сердечника. Під час закриття прес-форми навіть незначні відхилення в позиціонуванні сердечника можуть призвести до нерівномірної товщини стінки на нижній стороні або прориву серцевини та брухту на важкій стороні.

2.2 Концентровані гарячі точки та високий ризик усадкової пористості та порожнин

Різкі зміни товщини стінок на стиках між стінками циліндра та клапанними кишенями, а також у коренях фланців створюють ізольовані гарячі точки. Після того, як канали подачі відрізані передчасно затверділими тонкими ділянками, усадка розплавленого металу в результаті затвердіння не може бути компенсована, що призводить до усадочних порожнин і пористості. Ці дефекти пористого типу не тільки послаблюють міцність лиття, але також служать «джерелом витоку» під час випробувань на герметичність.

2.3 Газова пористість і включення піску: ретельний контроль у процесі виробництва піску на основі смоли

Формування піску на основі смол забезпечує високу точність розмірів і хорошу якість поверхні, що робить його основним процесом для складних блоків циліндрів. Однак він надзвичайно чутливий до дисципліни процесу. Надмірне додавання смоли та затверджувача, заливка до того, як форма (сердечник) повністю затвердіє, погана вентиляція та надмірний вміст дрібних частинок або втрата під час займання у регенерованому піску – все це може спричинити газову пористість і включення піску. Включення піску — невеликі порожнини, утворені газом або домішками всередині або на поверхні виливка — коли вони з’являються на несучих стінках, часто означають руйнування всього блоку циліндрів.

2.4 Складне видалення піску з внутрішньої порожнини та суворий контроль над залишками піску

Водяна сорочка має кілька отворів для виходу піску, а канали звивисті, що ускладнює видалення залишків піску після заливки. Високоякісні блоки циліндрів накладають суворі обмеження на залишковий пісок усередині порожнин; для деяких продуктів вимога не перевищує 2,5 г. Для постійної відповідності цьому стандарту необхідні індивідуальні автоматизовані процеси дробеструйної обробки та контроль можливостей процесу.

3. Систематичні контрзаходи в процесі лиття

Для вирішення вищезазначених труднощів розвинене виробництво лиття блоків циліндрів встановило систематичний технологічний маршрут:

• Цифрове проектування процесу : Програмне забезпечення моделювання затвердіння та заповнення використовується для попереднього прогнозування гарячих точок і ризиків уловлювання газу, оптимізації литникових систем, стояків і охолодження, тим самим усуваючи дефекти на етапі проектування процесу.

• Ретельний контроль піску на основі смол : бажані смола та затверджувач вибираються з мінімальною кількістю додавання, забезпечуючи повне затвердіння форм (сердців) перед заливкою. Параметри регенерованого піску суворо контролюються, а покриття ретельно прожарюються перед закриттям форми.

• Стандартизовані процедури вентиляції та розливання : вентиляційні канали влаштовані належним чином, а температура та швидкість розливу дотримуються, щоб зменшити залучення газу та ерозію цвілі.

• Спеціальне очищення та подальша обробка : для закритих порожнин, таких як водяні сорочки та масляні канали, використовується комбінація дробеструйної обробки, вібраційного очищення та інших методів із кількісним вимірюванням залишкового піску.

Таблиця 1 Поширені дефекти лиття та заходи контролю для блоків циліндрів

Тип дефекту	Основні причини	Основні заходи контролю
Усадочні порожнини/пористість	Окремі гарячі точки, недостатнє годування	Оптимізовані для моделювання стояки та охолодження, дизайн спрямованого затвердіння
Газова пористість	Надмірне додавання смоли, погана вентиляція, незатверділі сердечники	Суворий контроль дозування смоли/затверджувача, повне затвердіння, посилена вентиляція
Включення піску/поверхневий пісок	Зламані сердечники, погане покриття, ерозія цвілі	Покращення міцності серцевини, запікання покриттів, плавне розливання
Надмірний залишковий пісок у порожнинах	Нечисленні виходи піску, звивисті ходи	Індивідуальне дробеструйне очищення, кількісне вимірювання залишкового піску

4. Труднощі складання: від точної обробки до ідеальної посадки

4.1 Прецизійна обробка отвору циліндра

Точність розмірів, округлість і шорсткість поверхні отвору циліндра безпосередньо впливають на ефективність ущільнення та термін служби поршневих кілець. Якщо після зносу різниця між максимальним і мінімальним діаметрами досягає 0,5 мм або більше, або якщо є подряпини глибше 0,5 мм, циліндр необхідно розточити для ремонту. Припуск на розточування зазвичай не повинен перевищувати 2 мм по діаметру; коли необхідно видалити 10–25 мм, необхідно встановити гільзу циліндра та виконати перевірку міцності. Нещодавно виготовлені блоки циліндрів дотримуються тієї ж логіки точності: операції чистового розточування та хонінгування взаємопов’язані, щоб гарантувати, що поверхня отвору утворює структуру плато хонінгування, що сприяє утриманню масла.

4.2 Посадка з натягом гільз циліндрів

У футерованих конструкціях вибір втручання є проблемою складання сердечника: надмірне втручання викликає концентрацію напруги та навіть розтріскування вкладиша та блоку; недостатнє втручання призводить до поганої посадки та погіршення теплопередачі. Порівняльні теоретичні розрахунки та моделювання кінцевих елементів показують, що інтерференція приблизно 0,05 мм є прийнятною; сегментований дизайн вкладиша також допомагає зменшити концентрацію стресу. На практиці, залежно від величини перешкод, можна вибрати такі методи, як пресування при кімнатній температурі, гаряче з’єднання шляхом нагрівання блоку або холодне з’єднання шляхом заморожування вкладиша, щоб забезпечити одноразове складання без пошкоджень сполучених поверхонь.

4.3 Збірка поршня та поршневих кілець

Якість збірки поршневих кілець безпосередньо впливає на ущільнення компресійного об'єму. Перед встановленням кільця кожне кільце має бути поміщено в циліндр для перевірки на герметичність: як правило, допускається не більше двох місць витоку, а витік не допускається в межах 30° від зазору кільця; кожна дуга витоку не повинна перевищувати 25°. Після установки в паз кільце повинно вільно ковзати, а його радіальна товщина повинна бути на 0,25-0,5 мм менше глибини паза. При складанні поршневого штока і поршня поверхні з'єднань повинні бути перевірені методом вороніння і, при необхідності, скоблені і відрегульовані. Після складання необхідно перевірити співвісність і перпендикулярність між поршнем і поршневим штоком; переробка потрібна, якщо виходить за межі допуску.

4.4 Монтаж клапанів, сальників і ущільнювальних поверхонь

Поверхні ущільнювачів сідла клапана та обмежувача підйому, кільця сальника в сальниковій коробці, пробки та ущільнювачі водяних і масляних каналів є потенційними місцями витоку. Перед складанням усі компоненти та канали мають бути ретельно очищені, а затягування має бути виконано відповідно до визначеного крутного моменту та послідовності, щоб запобігти потраплянню сторонніх предметів, неправильним деталям або неправильному складанню.

5. Суворе випробування: кожен блок циліндрів повинен витримати випробування

Готові блоки циліндрів повинні пройти ряд випробувань перед відправкою:

• Гідростатичне випробування : воно є обов’язковим і охоплює газові канали, водяні сорочки, порожнини ущільнення, трубопроводи та інші частини, що перебувають під тиском. Випробувальний тиск у 1,5 рази перевищує максимально допустимий робочий тиск компонента (з мінімальним манометричним тиском 1,5 бар для газових каналів циліндра). Під час витримки витік не допускається.

• Випробування на герметичність : виконується після успішного гідростатичного випробування з використанням сухого чистого повітря або азоту. Тиск поступово підвищують до заданого значення і витримують не менше 30 хвилин, потім знижують до розрахункового. Всі зварні шви і з’єднання перевіряють мильним розчином; відсутність витоку є прийнятною.

• Неруйнівний контроль : Ультразвуковий, магнітопорошковий або проникаючий контроль застосовують до критично оброблених поверхонь і підозрілих ділянок, щоб усунути тріщини, вкраплення та інші дефекти від прогресування до наступних операцій.

Висновок

Від піщинки до a Блок циліндрів – процес включає десятки послідовних етапів: проектування процесу, виготовлення та формування серцевини, плавлення та заливка, очищення та механічна обробка, точне складання та суворе випробування. Подолання кожного виклику зміцнює прихильність «надійності». Якість блоку циліндрів є першочерговою обіцянкою, яка дається замовнику з кожним компресором: кожна стінка, що несуть тиск, виконується майстерним способом і забезпечує кожну стабільну роботу завдяки точному монтажу.