Дефектация деталей шатунно- поршневой группы

Шатунно-поршневая группа является одним из ответственных узлов компрессора, детали которого (поршни, поршневые пальцы, шатуны, шатунные болты, штоки) подвергаются одновременному воздействию высоких давлений, температур, трения, абразива, паро-газового потока. Это вызывает ускоренное изнашивание указанных деталей и их повреждение. Кроме того, воздействие на ряд деталей знакопеременных циклических нагрузок вызывает появление усталостных трещин (особенно в резьбовой части што­ков, шатунных болтов), что приводит к разрушению штока, болта и выходу из строя всего компрессора. В процессе технического обслуживания и ремонта следует придерживаться установленной периодичности осмотров и контроля деталей этой группы с целью профилактики повреждения компрессора.

Поршни компрессора в процессе эксплуатации подвержены действию значительных динамических нагрузок. Наибольшему износу подвергаются внешние (в тронковой части) поверхности поршня, поверхности канавок под поршневые кольца и отверстия под поршневые пальцы. Результатом изнашивания этих поверх­ностей является уменьшение диаметра поршня, увеличение ши­рины канавок и диаметра отверстия под поршневой палец. На ус­коренное изнашивание поршня влияет также перекос поршня в цилиндре вследствие большой конусообразности шатунных шеек коленчатого вала и отверстий, образованных вкладышами подшипника скольжения. В результате уменьшения диаметра поршня и увеличения диаметра цилиндра (гильзы) вследствие износа обеих деталей увеличивается зазор между поршнем и гильзой. Это вызывает стук и повышение температуры компрес­сора. При эксплуатации компрессора задачей технического об­служивания является постоянный контроль зазора, который не должен превышать 2—2,5-кратной величины первоначального зазора. Первоначальный зазор устанавливается в зависимости от диаметра цилиндра (гильзы) и должен указываться в техниче­ских требованиях на дефектацию и ремонт компрессора дан­ного типа:

 

Диаметр цилиндра, мм  До 150 150…300 300…600 600…800
Зазор, мм.................................. 0,5         1…2        2,5          3

 

Контроль размеров поршня имеет целью определить величину износа. Износ направляющей (тронковой части) поршня не должен превышать величину D/750, где D — диаметр направляющей части (тронка) в милиметрах. Для определения износа диаметры поршня D₁, D₂, D₃ измеряют в трех сечениях (см. рисунок 2.12 а) микрометрической скобой с точностью измерения 0,01 мм. Отверстия под поршневые пальцы измеряют в двух взаимно перпендикулярных сечениях индикатором для внутренних измерений с точностью измерения 0,01 мм. Допускаемое отклонение диаметра по 7-му квалитету точности.

При работе компрессора в значительной степени изнашиваются верхние канавки под поршнем кольца. Это объясняется большим давлением поршневых колец на плоскости канавок и ухудше­нием смазывания в связи с увеличением температуры. При сильно изношенных поршневых канавках происходит интенсивное пере­качивание масла и переход его через кольцевое уплотнение вверх в полость сжатия. Этот процесс происходит непрерывно и назы­вается насосным действием колец. При нормальной работе ком­прессора унос масла должен составлять 5—10% залитого в картер объема масла за 6 мес. эксплуатации. В процессе технического обслуживания необходимо вести запись потребления масла ком­прессором и в случае повышенного уноса определить причину, устранить дефекты в деталях или узлах. Для этого необходимо в первую очередь измерить ширину канавок. Ширину канавок измеряют в нескольких точках по окружности штангенциркулем (ГОСТ 166—80) с ценой деления 0,05 мм. Допускается увеличение ширины канавки не более чем на 1% номинальной ширины. Поршни с канавками, изношенными больше допустимой величины, бракуют.

При наличии поршневых колец ремонтного размера канавки протачивают под ремонтный размер. Допускается протачивание не более одного раза и не более чем на 1 мм, так как при этом уменьшается толщина перемычек между ними.

У поршней горизонтальных крейцкопфных компрессоров ин­тенсивному изнашиванию подвергается рабочая поверхность баббитовых поясков D₁ (см. рисунок 2.12 б) дискового поршня, в результате чего нарушается соосность штока поршня, сальника и крейц­копфа

Значительному изнашиванию в поршне подвержены отверстия под поршневые пальцы, в результате чего появляется отклонение откруглости отверстий, превышающее допуск.

После ремонта отверстий под поршневой палец отклонение от перпендикулярности оси поршня к оси отверстий не должно превышать 0,02 мм на 100 мм длины. Отклонение от перпендику­лярности этих осей приводит к перекосу поршня в гильзе и расша­тыванию шатуна на коленчатом валу. Схема контроля приведена на рисунке 2.13(64). Отклонение от перпендикулярности ∆, опреде­ляется по формуле

,

где h₁ и  h₂ —  отклонения стрелки индикаторов 1 и 2, мм; l — рас­стояние между точками 1 и 2, мм.

Поршневые пальцы являются ответственными деталями в со­пряжении поршня с шатуном и работают в тяжелых условиях. Палец и поршень в процессе работы компрессора нагреваются, а так как коэффициенты линейного расширения материалов этих деталей различны, то и зазоры в этом сочетании изменяются. Это приводит к тому, что при знакопеременных нагрузках в де­талях этого узла возникают дополнительные ударные нагрузки. Ударные нагрузки могут достигать таких значений, при которых происходит отрыв шатунных болтов.

Пальцы изготовляют из сталей 20, 15Х, 20Х, 12ХНГА, 13ХН3А с цементацией на глубину 1,0—1,5 мм и закалкой до твердости 59—63 HRC.

Технологию ремонта поршневых пальцев определяют после осмотра и измерения их размеров, а также измерения сопрягаю­щихся с ними поверхностей отверстий втулок верхней головки шатуна и отверстий под поршневые пальцы. Палец заменяют новым, если отклонения формы на рабочих поверхностях превы­шают (d/1000) + 0,05 мм, где d — диаметр пальца. Диаметр ра­бочей части пальца измеряют в трех сечениях по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Разностенность допускается не более 0,5 мм для пальцев с наружным диаметром до 80 мм и не более 0,8 мм — с наружным диаметром более 80 мм. Разность твердостей на поверхности одного пальца не должна превышать 5—6 единиц.

При осмотре во время технического обслуживания и ремонта у некоторых машин поршневые пальцы не имеют фасок или имеют их с одной стороны. Это недопустимо. Наличие острых кромок может вызвать срезание отогнутых концов стопорных колец, фиксирующих палец в поршне. Это приводит к задирам на зеркале цилиндра и выходу пальца из бобышки поршня, что, в свою оче­редь, увеличивает повреждение зеркала цилиндра. Параметр шероховатости поверхности пальца должна быть не ниже Ra = 0,32 мкм. Риски, волосовины, забоины на рабочих поверхно­стях пальцев не допускаются. Острые кромки должны быть за­круглены, а заусенцы зачищены.

Шатунные болты относятся к самым ответственным деталям компрессора. В результате их разрыва происходят тяжелые аварии, так как сильные удары колена вращающегося вала по неподвижному после обрыва болтов шатуну вызывают его изгиб, повреждение вала, а иногда и разрушение корпусных деталей (блок-картеров и цилиндров), выход компрессора из строя.

Основной причиной обрыва шатунных болтов является уста­лость металла в результате действия переменных нагрузок при работе компрес­сора.  Причины усталости металла шатунных болтов следующие:

· большие зазоры в шатунных подшипниках, неравномерность и неодинаковость их по длине подшипника;

· увеличенная овальность шеек коленчатого вала;

· чрезмерная затяжка гаек;

· недостаточная или ослабленная затяжка гаек;

· перекос гайки и неправильное прилегание гайки и головок к контактирующим поверхностям;

· недостаточно чистая отделка отверстий под болты;

· чрезмерное удлинение болта.

Перечисленные выше дефекты болтового соединения возни­кают как при изготовлении шатунных болтов, так и при монтаже и эксплуатации. В связи с этим предъявляются высокие требова­ния к технологической дисциплине на этих этапах.

Болты вместе с гайками должны иметь маркировку с указа­нием марки стали и первоначальной длины болта, измеренной с точностью 0,01 мм. Нарезку болтов и гаек следует производить на одном станке. Переход от одного сечения к другому должен быть плавным. На резьбах не допускаются заусенцы, впадины резьбы не должны быть остроугольными. Предпочтительна мел­кая резьба, при которой прочность болта выше, чем при крупной резьбе. Резьбу следует выполнять с большим числом проходов резца с малыми подачами.

Гайку свободно, но без зазора навинчивают вручную. Стер­жень и галтели болта следует полировать. Незначительные под­резы и забоины очень сильно ухудшают усталостные характери­стики металла. Опорные поверхности головки болта и гайки, а также контактирующие с ними поверхности шатуна и его крышки должны быть перпендикулярны к оси болта. При затяжке болтов следует иметь в виду, что на прочность болта влияет поверхностное давление, возникающее в целом по стержню или в отдельных его местах при тугой посадке болта. Гайки должны затягиваться, как правило, одним человеком с определенным усилием на ключе в соответствии с инструкцией завода. На каждый болт необходим паспорт, в котором должны быть указаны первоначальная длина болта и его удлинение, установленное при ремонте. Удлинение болтов регла­ментируется заводом-изготовителем для компрессора определен­ного типа. Так, для поршневых компрессоров базы 5П завода «Борец» рекомендуется остаточное удлинение не более 0,3 мм. Для большинства компрессоров удлинение болтов допускается в пределах 0,06—0,15 мм в зависимости от паспортной длины болта.

В процессе технического обслуживания и ремонта производят контроль целостности тела болта и резьбы. Выявление рисок, забоин, острых переходов, подрезов осуществляется с помощью лупы 5-кратного увеличения. Мелкие трещины выявляют с по­мощью дефекто­скопического контроля магнитным, цветным или ультразвуковым методом.

Микротретщины выявляют с помощью керосина, раствора мела или краски «Судан IV», получивших наибольшее распро­странение при ремонтных работах. Для этого поверхность детали (болта) надо промыть бензином, вытереть насухо и нанести на нее кистью или пульверизатором слой подкрашенной жидкости. Красный раствор приготовляют из 15 г краски «Судан IV», размешанной в 1 л растворителя, состоящего из 80% керосина и 20% ски­пидара.

Через 8…10 мин жидкость под действием капиллярных сил проникнет во все даже самые мельчайшие трещины. После этого деталь промывают 5%- ным содовым раствором и вытирают насухо. Затем на сухую поверхность наносят тонкий слой белой краски, состоящей из 350 г мела, растворенного в 1 л жидкости (60% воды и 40% спирта). Там, где на белой поверхности появятся красные полоски, тонкие штрихи, находятся трещинки. Чувствительность метода высокая: уже на глубине одного зерна дефект металла определяется точно. Указанные материалы доступны, специальной подготовки ремонтного персонала не требуется. Способ прост и эффективен, в особенности в условиях единичного и мелкосерий­ного изготовления и ремонта деталей.

После контроля целостности материала болта проводят кон­троль перпендикулярности опорной поверхности головки болта к его оси. При­лега­ние гайки и головки болта к контактирующим поверхностям про­веряют щупом или краской. Определяют нара­ботку шатунного болта с момента установки. Исходя из опыта эксплуатации компрессоров, срок службы шатунных болтов в среднем установлен 45…50 тыс. ч. Однако для конкретных ком­прессоров он может быть установлен достаточно точно по ремонтной документации завода-изготовителя. Так, например, для поршневых компрессоров базы 5П — 60 тыс. ч. По истечении этого срока шатуны необходимо комплектно заменять.

Наработку определяют по данным журнала, который должен быть для каждого компрессора. В процессе технического обслу­живания в журнал вносят соответствующие данные по наработке.

Ремонт шатунов в большинстве случаев сводится к ремонту или замене подшипников верхней или нижней головок, замене болтов и в редких случаях к правке изогнутого стержня (рис. 2.14),

Перед правкой шатуна тело шатуна и нижнюю разъемную головку подвергают дефектоскопическому или визуальному кон­тролю на отсутствие дефектов (раковин, изломов, трещин). Затем производят правку в холодном или горячем состоянии, что зави­сит от прогиба: при стреле прогиба менее 10 мм правку проводят в холодном состоянии. Прогиб стрежня устраняют специальными оправками. Если стрела прогиба более 10 мм, то прогиб устраняют с подогревом при снятых подшипниках верхней и нижней голо­вок. В разъемных шатунах ремонту подлежат опорные части тела шатуна и нижней головки крышки шатуна (см. рисунок 2.?(65)). На этих поверхностях в результате ударных нагрузок может появиться наклеп. Наклеп устраняют опиливанием с последующим шабре­нием. Отклонение от перпендикулярности обрабатываемого торца к оси стержня шатуна не более 0,02 мм на 100 мм ширины торца. Контроль плоскостности осуществляется поверочной плитой «на краску». Пятна краски должны равномерно распределяться на проверяемых плоскостях с густотой не менее одного пятна на 1 см². Отклонение от параллельности плоскостей разъема и верхней образующей подшипника не должно превышать 0,02 мм на 100 мм длины. Схема контроля приведена на рисунке 2.15. Следует отметить, что такой ремонт шатуна осуществляется на месте эксплуатации, а также, в случае, если не представляется возможным получить шатуны в качестве запасной части или изготовление его центра­лизованно потребует много времени.

Как правило, шатуны как наиболее ответственные детали ком­прессора следует изготовлять централизованно. После ремонта всех деталей шатунно-поршневой группы производят сборку шатуна и контроль всех параметров узла в соответствии с техни­ческими условиями на сборку, которые не должны отличаться от требований на сборку узлов вновь изготовляемого компрессора.