劉 旭，張建云，李 寧，叢曉梅，董永強

(沈陽鼓風機集團往復機有限公司，遼寧 沈陽 110869)

1 引言

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

氣缸的缸體作為往復式壓縮機的重要組成部分，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相對來說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，氣密試驗方面很難完成，容易發(fā)生泄漏，進而多次返修；對于35#鍛件材料，倒是不存在上訴問題，但是本身的制造成本會大大增加。

本文對于鑄鋼材料的新型缸體結構，進行了有限元應力分析，直觀的反應了新型缸體結構的應力狀態(tài)和結構的合理性。

2 概況

氣缸材料的選擇與工作壓力和缸徑有關，伴隨著缸徑的增大，需要增加缸體壁厚來提升缸體的最高許用工作壓力。對于常用的鑄鐵材料，由于缸體壁厚的增加，會直接影響鑄造的質量，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，同時從鑄造特性上來講，更適合較高工作壓力對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，從其數值來看，鑄鋼材料的適用范圍相當廣泛。

表1

但是，鑄鋼材料的鑄造特性也有一定的局限性，對于結構復雜，流動性受限的結構，因為鑄鋼的流動性較差，會導致澆筑冒口過多，難以實現；而且局部轉角和末端提前冷卻，疏松、砂眼和夾雜等鑄造缺陷激增，甚至難以完成澆筑；同時在澆筑模擬過程中得到的結果不理想，難以確定澆筑方案等諸多問題，往往難以保證鑄造質量。在以往的生產制造過程中，因為氣缸缸體結構本身比較復雜，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，因為新型缸體結構的推出，在結構上進行了很大程度的優(yōu)化，以適合鑄鋼材料的鑄造特性，同時，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 模型建立與結構特點

本文分別建立了新型鑄鋼的缸體結構和同樣應用廣泛的羊角型鑄鐵缸體結構。通過對比可以看出，新型的缸體結構與羊角型結構的缸體，有明顯的結構區(qū)別。

(1)從直觀的角度觀察，羊角型結構的缸體外形變化較多，結構較為復雜，對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程中，流動性和可塑性較強，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，合金鑄鐵和球墨鑄鐵材料在以往的生產制造過程中應用廣泛，積累了相當成熟的鑄造工藝，也就是說羊角型結構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，較難實現。

然而，新型的缸體結構外形變化平順，缸體結構的外形，沿著缸體中心的軸線方向上基本不變，所以，這種新型的缸體結構，對于鑄造材料澆筑性能的要求更低，更有利于鑄造的澆筑過程，迎合了鑄鋼材料在澆筑過程中流動性差的特性，可以極大的減少可能出現的鑄造缺陷，進而提升產品的性能和質量。

(2)羊角型缸體的水腔部分幾乎覆蓋整個缸體的工作區(qū)域；新型缸體結構的水腔相對來說較小一些，缺少進排氣口方向的水腔，但是，考慮到材料本身的導熱性能良好，同時，可以通過增加水量的方式來增加傳熱效果，進而彌補水腔較小的問題。

(3)新型的缸體結構采用無缸座形式，減少后期的安裝、調試、檢修和維護等工作，可以有效的節(jié)約人力成本。

兩種結構的缸體具有各自鮮明的結構特征，同時也承載著不同的適用范圍，分別補充完善了不同工作壓力條件下，對于缸體在材料選擇方面的需求。

4 基本參數

新型結構的缸體選取ZG230-450鑄鋼材料，為保證機組的安全穩(wěn)定運行，對于缸體結構進行應力分析和疲勞分析。

缸體在額定工況下，具體的工作和設計參數可見表2。

表2 缸體工作和設計參數

根據相關的標準，ZG230-450缸體材料的力學性能參數可見表3。

表3 ZG230-450材料性能

5 網格劃分與邊界條件

因新型結構缸體為對稱結構，故而，選取缸體結構的1/2模型作為應力分析的對象，進行網格劃分和后續(xù)的運算分析，網格劃分的結構如圖1所示。

本文主要對于氣缸缸體所承受的工藝氣壓力載荷進行靜力分析，在缸體內部，受氣體壓力作用的工作面，施加設計狀態(tài)下的壓力載荷5.8 MPa；在缸體的缸座側施加軸向位移和徑向旋轉的約束；在缸蓋側施加等效拉應力-10.69 MPa來代替缸蓋的作用，如圖2所示。

圖2 邊界條件

6 應力結果分析

經過模擬計算，得到新缸體結構在設計壓力載荷作用下的等效應力云圖，如圖3～7所示。

圖3 缸體內側應力云圖

圖5 缸體壁厚

圖6 缸體端面

從應力云圖3～7可以看出，在設計壓力和設計溫度下，缸體的應力數值分布在0.77～306.28 MPa范圍內。主體結構的應力數值低于170.49 MPa；由于結構的不連續(xù)，注油棋子位置應力集中稍大如圖8，最大值為306.28 MPa。

圖8 注油棋子位置

對于工作壓力較高的缸體，在強度計算過程中，缸體壁厚大多參考圓筒理論公式來進行計算和確定[2]，所以同樣參考圓筒理論，對缸體各位置的應力類型進行劃分：缸體壁厚和缸蓋側端面、缸座側端面按一次應力考慮，其余應力集中位置按局部應力考慮，并進行應力評定。選取ZG230-450鑄鋼材料抗拉強度的70%作為材料的許用應力σt，具體應力評定的結果如表4所示。

從應力評定結果可以看出，新結構缸體在設計壓力和設計溫度下，應力水平都處于合格狀態(tài)，即從結構的受力和合理性方面來講，均滿足設計要求。

7 缸體的疲勞分析

參考文獻[3]中表明，通過對鑄鋼材料ZG230-450進行三點彎曲疲勞試驗，在給定應力幅水平下，鑄鋼材料ZG230-450疲勞壽命服從對數正態(tài)分布，其均值和存活概率(P)0.95—置信度(C)95%的S-N疲勞壽命數據見表5。

表5 ZG230-450鑄鋼均值和P-C=0.95-95%時S-N數據[3]

根據表5中的數據，以Basquin S-N關系回歸，可以得到材料ZG230-450的均值和P-C=0.95%～95%時的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%時的材料壽命，cycles

σa——材料的應力幅，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，并運用Goodman理論對S-N曲線進行平均應力修正，進行新結構缸體的疲勞分析。

在缸體相應的作用面，分別加載工作狀態(tài)下的進氣壓力和排氣壓力，得到最大的應力分別為94.35 MPa和277.79 MPa。按工作狀態(tài)下的應力結果修正應力幅比率，進而對新結構缸體進行疲勞分析，得到疲勞壽命云圖和安全系數云圖如圖9和圖10所示。

圖9 疲勞壽命云圖

圖10 安全系數云圖

從計算所得的云圖數據中可以看出，新結構缸體在工作載荷下的疲勞壽命，總體上可以循環(huán)1e9次，棋子應力集中部分壽命略微偏低，循環(huán)次數為2.243e7次，考慮到材料對于局部的應力集中有一定的自適應能力，而且該處并非主要的承壓受力結構，所以可以認為新結構缸體達到永久壽命，即滿足設計條件；關于疲勞的安全系數，最小安全數為1.1767>1，也滿足設計條件。

8 結論

從上述應力分析和疲勞分析的結果可以看出，采用ZG230-450材料的新型結構鑄鋼氣缸，各項應力和疲勞分析結果均合格，滿足工藝條件下對缸體的設計要求。

新型鑄鋼缸體著重于鑄造的可行性和產品的安全可靠性，在缸體結構方面進行了深度的優(yōu)化與改進，更為簡潔流暢，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量和合格率，進而提升了產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，新結構形式的鑄鋼氣缸最高許用工作壓力有很大提升，同時，填補了球磨鑄鐵缸體在較高壓力下，因小分子氣密試驗要求而多次返修的缺陷。

目前，新結構形式的鑄鋼缸體已經在產品中得到應用，并且在用戶現場的運行狀況良好。

鑄鋼材料與鍛件材料相比，在材料成本方面節(jié)約很多，而且該新型結構的缸體，同樣可以適用于鑄造不銹鋼材料，也就是說相較于不銹鋼鍛件，新型缸體結構的節(jié)約幅度更大，進而極大的提升企業(yè)在行業(yè)上的優(yōu)勢和競爭力。

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，對于往復式壓縮機的工藝要求、運行條件、產品質量、產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，相信新結構形式的鑄鋼氣缸將得到更為廣泛的應用。