路伟 郭殿文 安俊霖 丛雨飞

摘 要：通过试验的方法确定隔膜压缩机高压级和超高压级柱塞/缸套的材料、热处理方法和合理间隙值。

关键词：隔膜压缩机；柱塞；缸套；摩擦副；材料；间隙

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0086-02

0 前言

金属膜片的隔膜压缩机是由法国工程师Corblin于1916年发明的，1922年试制成功。隔膜压缩机膜头的密封结构是在缸盖和缸体间夹持特制的膜片，通过主螺栓紧固成为静密封形式，可保证气体不会泄漏（通常设计的泄漏率为10-7mbarl/s），在高压力时密封可靠，最高排气压力可达700MPa。在高压级和超高压级中，难以避免活塞环的严重磨损；或当活塞直径≤20mm，采用活塞环密封在制造上困难时，常采用不带活塞环的柱塞结构。柱塞的密封方式有两种：

（1）靠柱塞和气缸之间的微小间隙（在冷态下，相当于两级精度间隙配合），液压油充填在间隙内进行密封，另外柱塞上也可设若干环形槽；以使液压油均布，并起阻塞液体作用，用于直径较小的柱塞。（2）柱塞是光滑的圆柱体，液压油的密封完全靠微小间隙保证。柱塞工作表面应精磨，圆柱度要求很严（应在2级精度公差之半的范围内），其偏差应小于柱塞与气缸之间的间隙。

1 技术参数及基本要求

MD2.5-V-13/6-430型氮气/氦气隔膜压缩机的基本参数为：进气压力0.6MPa，排气压力43MPa，气量13Nm3/h，电机功率15kW，皮带传动，压缩机转速400r/min，采用两级压缩，一级活塞（活塞直径：φ52mm）为活塞环密封结构，二级活塞（活塞直径：φ18mm）为柱塞密封结构，柱塞结构如图1所示。本次试验选择二级活塞/缸套作为研究对象。

1.1 材料初选

由于柱塞/缸套承受交变载荷，摩擦副间隙较小磨损严重，因此要求材料强度高，耐磨性好。高碳轴承钢为隔膜压缩机柱塞副常用材料，在小型、高压场合使用效果良好，但其塑性和韧性较差，在大型、高压场合往往不能满足使用要求，为此选择塑性和韧性良好的优质合金结构钢与常规选择的高碳铬轴承钢进行对比试验。

1.1.1 高碳铬轴承钢

柱塞/缸套材料可选用高碳铬轴承钢，常用的有GCr15、GCr15SiMn等，为得到理想的硬度和耐磨性，零件需进行盐浴淬火+低温回火处理，处理后的显微组织应由隐晶、细小结晶或小针状马氏体、均匀分布的细小残留碳化物和少量残余奥氏体组成，热处理后硬度为58～62HRC。淬火和低温回火是决定轴承钢性能的最终热处理工序。淬火温度依钢的成分不同而不同，一般在800～850℃，温度太低，碳化物不能充分溶解到奥氏体，淬火后得不到理想的硬度、耐磨性和淬透层深度；温度过高，奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体组织变粗，又增加了残余奥氏体的数量，以致使钢的冲击韧性、疲劳强度急剧降低。淬火后应立即回火，回火温度为150～160℃，保温2～4h，目的是为了去除内应力，提高韧性和尺寸稳定性。

为保证零件尺寸的稳定性，减小变形，淬火后必须进行深冷处理，即零件淬火后冷却至室温。经清洗后，在液氮深冷保温箱内冷却至-60℃ ～-80℃（为避免应力集中和极冷产生微裂纹，深冷速度需控制在-2℃/min～-3℃/min）并保温1～1.5h，随保温箱恢复至室温后立即进行回火处理，中间停留时间不应超过4h；因零件的圆柱度和垂直度要求较高，精加工时零件不能过熱，要有充分的切削液，并在回火及磨削加工后，再在120～130℃进行10～20h尺寸稳定化处理（时效处理）；加工完后的零件应进行无损探伤检验，不允许有裂纹、夹渣等缺陷；最终的尺寸测量需在恒温室（23℃±5℃）内进行。

当奥氏体中含碳量增加至0.5%以上时，马氏体转变终止点Mf点便下降至室温以下，含碳量愈高，马氏体转变温度下降愈大，则残余奥氏体量也就愈多。奥氏体组织不稳定，在零件使用过程中，奥氏体逐渐向马氏体转变，随着马氏体的形成，同时还伴随着体积的膨胀，造成零件的变形。为了尽量减少钢中残余奥氏体，以获得最大数量的马氏体，从而提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢件的尺寸，零件淬火后应进行冷处理。显然，只有Mf点低于室温的钢冷处理才有效果，而且Mf点较室温越低，冷处理的作用就越大。

1.1.2 优质合金结构钢

由于高碳铬轴承的塑性和韧性较差，为保证柱塞和缸套的综合机械性能，柱塞材料可选用42CrMoE（调质处理+表面高频淬火）；缸套材料可选用38CrMoAlA（调质处理+离子辉光氮化）。在工厂里习惯地把淬火+高温回火（回火温度500～650℃）相结合的热处理称为调质处理。对淬火钢而言，当回火温度>450℃时，零件内部残余的内应力可以完全释放，也不存在残余奥氏体和马氏体，调质处理后得到回火索氏体组织。零件经调质处理后可获得强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能，但是其表面的硬度往往无法满足耐磨性的要求，通常需要根据零件化学成分的不同选择表面高频淬火、氮化、渗碳或碳氮共渗等措施提高耐磨性。

1.2 间隙初选

用于中国空气动力研究与发展中心的尖端科技大型2m激波风洞项目的超高压压缩机（三次机为隔膜式压缩机，进气压力100MPa，排气压力200MPa，供气量2Nm3/min，轴功率22kW）在国内首次确定了230MPa超高油压下油缸/柱塞的合力间隙值。柱塞/缸套间隙过大，则油泄漏量大，产生的油压过低，排气压力也过低。若间隙过小，则将发生柱塞在缸套内咬死的严重后果。最终确定间隙值为柱塞直径的0.1%～0.2%，被实践证明可行，超高压工况下取小值。

1.3 试验参数确定

通过1.1、1.2条材料和摩擦副间隙的选取原则，最终确定如下两组试验参数：

试验1：缸套材质选择38CrMoAlA（调质处理），摩擦表面氮化处理，硬化层深度0.30mm～0.50mm，硬度HV≥700；柱塞材质选择42CrMoE（调质处理），摩擦表面高频淬火处理，硬度HRC48～56；柱塞/缸套的配合间隙为0.018～0.036mm。

试验2：缸套、柱塞材质均选择GCr15（按GB/T18254《高碳铬轴承钢》标准的规定进行制造与验收），缸套、柱塞材料热处理后进行-130℃以下深冷处理，深冷到所需的温度后保温1h，并随炉回温到室温，柱塞/缸套的配合间隙为0.018～0.036mm。

2 试验过程

（1）按试验一的参数加工制造柱塞/缸套，压缩机满负荷运动4小时后进行2小时过热试验（机组膜头、气体冷却器、液压油冷却器不进行通水冷却），当机组过热试验进行到1小时40分鐘时，二级缸出现异常声响后停机，停机拆检发现柱塞与缸套“抱死”。“抱死”的原因是因为压缩机无任何冷却水系统，在运行过程中柱塞的温度逐渐升高，柱塞受热膨胀导致柱塞/缸套配合间隙减小，间隙持续减小后破坏柱塞/缸套摩擦副中的润滑油膜，导致柱塞和缸套局部干摩擦，干摩擦后摩擦副间的热量积聚升高，接触点金属粘结，从而产生柱塞/缸套“抱死”现象，当柱塞/缸套“抱死”后，产生的阻力非常大，十字头向上运动时无法推动柱塞运行，使柱塞下部弯曲从根部拉断，如图2所示，柱塞/缸套“抱死”后剖分内部状态见图3。（2）按试验二的参数加工制造柱塞/缸套，压缩机满负荷运动4小时后进行2小时过热试验（机组膜头、气体冷却器、液压油冷却器不进行通水冷却），过热试验结束后压缩机仍可稳定运行。

3 结语

通过试验发现，高碳铬轴承钢和优质合金结构钢均可作为隔膜压缩机高压级和超高压级柱塞/缸套的材料，在机组冷却可靠的前提下，柱塞/缸套的配合间隙按柱塞直径的0.1%～0.2%选取完全可行。由于优质合金结构钢的高温尺寸稳定性较差，为保证压缩机的长期可靠运行，同等规格的优质合金结构钢柱塞副的间隙值可在原有基础上增加0.1%柱塞直径，即柱塞/缸套的配合间隙按柱塞直径的0.2%～0.3%选取，间隙增大后摩擦副的密封性变差，不再适用于直径较小、压力较高的场合。

为了保证压缩机长期可靠运行，冷却水系统非常关键，严禁压缩机在无冷却状态下运行。在压力相对较低、柱塞直径较大的场合选用优质合金结构钢作为柱塞/缸套时，可以通过填料辅助密封来补偿密封间隙过大导致的泄漏。

参考文献

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