往復式壓縮機十字頭拆裝專用工具的設計與加工
——以4M50往復式壓縮機為例

張國杰，蘇興冶，董彥斌，薛 峰，夏 聰，李 靜，張夢成，由宏明

(1.沈陽工業大學，遼寧 遼陽 111003；2.中國石油遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003)

往復式壓縮機十字頭拆裝專用工具的設計與加工
——以4M50往復式壓縮機為例

張國杰1，蘇興冶1，董彥斌1，薛 峰1，夏 聰1，李 靜1，張夢成1，由宏明2

(1.沈陽工業大學，遼寧 遼陽 111003；2.中國石油遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003)

國內生產的往復式壓縮機大多未隨機配備十字頭專用拆裝工具，拆裝過程中十字頭容易掉落在滑道上，損傷十字頭、滑道和滑履，造成表面巴氏合金層的破損。為此設計了一套十字頭檢修專用拆裝工具，力求縮短檢修時間，提高安裝精度，保證檢修安全。同時，對其他類型往復式壓縮機十字頭的檢修也具有借鑒意義。

往復式壓縮機；十字頭；拆裝工具；設計加工

往復式壓縮機是用來提高氣體壓力和輸送氣體的機械，是石油化工、冶金、電力等過程工業的大型核心設備，其運行狀態直接影響企業的生產安全及經濟效益。因此，各企業都高度重視其日常維護和檢修質量。

十字頭作為臥式往復式壓縮機的關鍵部件，在滑道上作往復運動，起導向作用，它連接連桿和活塞桿并將曲軸的旋轉運動轉變為活塞桿的直線往復運動。化工生產中使用的往復式壓縮機十字頭多為雙側圓筒形分體組合式結構，十字頭體和上下兩個可拆卸的滑履采用榫槽定位，并借助螺釘連接成一體[1]。滑履與十字頭之間裝有墊片，檢修時可以調整。十字頭體材料一般為鑄鋼，上下滑履襯背材料為碳鋼，承壓表面掛有巴氏合金層，開有油槽以利于潤滑油均勻分布[2]。

十字頭的檢修是往復式壓縮機日常維護必不可少的部分之一，其檢修質量對整臺機組的穩定運行起著決定作用。

1 十字頭檢修過程中存在的問題

十字頭是連接活塞和連桿的零件，具有導向作用。4M50往復式壓縮機的十字頭結構如圖1所示。

十字頭的上下滑履表面屬于同一圓柱體的兩段弧面，滑履及滑道表面被均勻鍍上一層耐磨合金(通常為巴氏合金ZChSnSb11-6，價格昂貴)。工作時，上下滑履緊貼滑道并在一定潤滑條件下做往復運動。

圖1 十字頭結構簡圖

在往復式壓縮機的安裝、檢修過程中，其十字頭無法直接從滑道中取出，必須先將十字頭在滑道內繞其軸心旋轉一定角度，使滑履與滑道脫離，再將其取出。由于國內生產的往復式壓縮機組大多未隨機配備十字頭專用拆裝工具，檢修人員采用的拆裝方法大多不符合要求，拆卸過程中普遍采用最原始的方法--通過撬棍撬出十字頭使其脫離圓弧形滑道并取出。安裝時則是先將十字頭裝入滑道內，通過塞尺測量上下滑履與滑道之間的間隙，如不合格，再將十字頭取出，在其非承載面添加墊片并重復以上步驟，直至滑履與滑道間隙達到規定值為止。整個拆裝過程通常需要多人完成，不僅效率低下、勞動強度大，安裝精度難以保證，而且由于十字頭自重較大(約為15kg)，沒有著力點，在滑履與滑道脫離的瞬間，十字頭會失去支撐，稍有不慎就會掉落在滑道上，很容易損傷十字頭、滑道和滑履，造成其表面巴氏合金層的破損，導致不得不更換整個十字頭組件。由于巴氏合金層的加工成本較高，因此將給企業帶來重大經濟損失。

2 十字頭專用拆裝工具的設計與加工

針對往復式壓縮機檢修過程中十字頭拆裝存在的效率低、成本高、精度差、容易損壞設備等問題，通過對4M50往復式壓縮機的結構分析，設計出滿足機組安裝、檢修需要的十字頭專用拆裝工具。經結構設計、選材、強度校核、二維圖紙繪制及三維建模、編制加工工藝規程，最終完成專用拆裝工具的加工。工具具有結構簡單、安裝方便的特點，能滿足十字頭部件維修時拆裝的精度要求，可大幅度降低設備維修成本，提高檢修效率，消除檢修安全隱患，確保機組實現安全、穩定、長周期運行的目標。

2.1 專用工具的結構設計

十字頭專用拆裝工具主要用于解決4M50往復式壓縮機組檢修過程中十字頭組件拆裝時容易掉落、損傷設備的問題。經分析、研究和調整，作者總結出一套安全、成熟、快速的十字頭拆卸流程，并根據實際情況設計制作了專用拆裝工具，極大的降低了十字頭拆卸過程中可能對設備造成的損壞，縮短了的勞動時間，提高了勞動效率。設計的專用拆裝工具結構如圖2所示。

圖2 專用拆裝工具結構簡圖

在安裝十字頭時，需要格外注意兩個方面：

(1)十字頭與滑道的間隙；

(2)十字頭中心線與滑道中心線的同軸度。

十字頭與滑道允許的間隙值為滑道直徑的0.6/1000 - 0.8/1000，本十字頭滑道直徑為190mm，故其與滑道的允許間隙值為0.114～0.152mm，若十字頭與滑道間隙超標，會造成振動過大，加劇十字頭磨損。根據十字頭的受力規律，4M50往復式壓縮機十字頭分為上滑板受力或下滑板受力，若在安裝時將原本應該上滑板受力的十字頭，錯裝成下滑板受力，就會破壞十字頭的同軸度，使活塞桿運行時長期處于偏離中心的狀態，這將導致活塞桿、十字頭銷等零件的斷裂，造成不必要的損失。

考慮到機組檢修人員在安裝和檢修十字頭時可能遇到的上述問題，設計專用拆裝工具時，采用兩側對稱設計，在兩側圓盤中心固定一根承重軸，整個過程均在專用拆裝工具上完成，簡化了十字頭安裝時滑履與滑道的間隙調整過程，有效避免了重復勞動，提高了安裝時十字頭中心線與滑道中心線的同軸度，從而使十字頭工作更加可靠，具有較高的安全性。

在拆卸十字頭時，應十分注意對十字頭及滑道的保護。十字頭的上下滑履表面屬于同一圓柱體的兩段弧面，其表面澆鑄有巴氏合金層(ZChSnSb11-6)。耐磨巴氏合金層的澆鑄方法為：用鋼絲刷清除污垢和銹蝕后，再用酸、堿溶液反復清洗干凈。在清洗干凈的十字頭滑履表面立即掛一層錫底(厚度應均勻，一般為0.1-0.2mm左右，表面呈銀色)，掛錫合格后使用離心澆注機進行澆鑄。由于加工工序復雜，所需設備較多，因此澆鑄有巴氏合金層的十字頭組件價格昂貴[3]。為此，將專用拆裝工具設計為兩側圓盤，使十字頭在脫離滑道瞬間仍有支撐，從而避免損壞滑道和滑履表面的巴氏合金層(ZChSnSb11-6)，延長十字頭的使用壽命，極大的減輕勞動強度，提高企業效益。專用拆裝工具的安裝使用如圖3所示。

圖3 專用拆裝工具使用示意圖

2.2 專用工具的選材

選材首先要保證零件的使用性能和工藝性能，其次要考慮材料的經濟性。專用拆裝工具所選材料應具有較好的強度、硬度，材料容易獲得，價格便宜，加工方便。本工具主體兩側圓盤材料采用電木，中間承重軸材料采用45鋼。

兩側圓盤主要承受十字頭的重量和兩側的擠壓，要求材料具有一定的強度和硬度。大部分金屬材料都能滿足這一要求，若選用金屬材料作為制作原材料，會大大增加拆裝工具的重量，進而增加機組檢修人員的工作強度，因此決定在高分子材料中選取加工材料。

電木，又稱酚醛塑料，是以酚醛樹脂為基材的塑料。酚類和醛類化合物在酸性或堿性催化劑的作用下，經聚縮反應可制得酚醛樹脂。將酚醛樹脂和鋸木粉、滑石粉(填料)、烏洛托品(固化劑)、硬脂酸(潤滑劑)、顏料等充分混合，并在混煉機中加熱混煉，即得電木粉，將電木粉在模具中加熱壓制成型后得到熱固性酚醛塑料制品。電木材料的主要特性：機械強度良好，易于加工[4]。使用電木作為圓盤材料，既能減輕工具的重量，又能滿足強度要求。

中間承重軸主要承受的是十字頭組件的重量和兩側螺栓處的剪切，故材料應具有較高的強度和硬度。考慮到承重軸的兩端還需要加工螺紋，所以材料還需具有良好的加工性能。考慮到成本因素，采用45號鋼作為承重軸的材料。45號鋼是中碳結構鋼，冷熱加工性能、機械性能較好，且價格低、來源廣，因此廣泛用于機械零件的加工制造。材料經過調質后可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強度和韌性等綜合機械性能，淬火后表面硬度可達45～52HRC，具有良好的耐磨性。

2.3 專用工具的強度校核

以簡支梁(中間軸)的彎曲強度準則設計承重軸的直徑，以配合螺栓的剪切強度準則校核直徑。

中間軸簡化成簡支梁模型，如圖4所示。

圖4 中間承重軸的力學模型

建立A-x坐標系，以距A端坐標為X的任意界面為假想截面，設長度為L,列出左端梁的彎矩方程：

M(x)-qLXqx2=0

即M(x)=qLXqX2

彎矩圖如圖5所示。

圖5 彎矩圖

彎矩方程為X的一元二次方程，所以在對稱軸時取得最大值，即MMAX=qL2。

均布載荷q==672N/m，十字頭體L=223mm，十字頭體自重G=15kg，經計算MMAX=12.5Nom。

根據安全系數來確定，45鋼的許用應力120MPa。

計算出橫梁的直徑d10.4mm。

又活塞孔直徑32mm，故取d=20mm。

下面根據配合螺栓的剪切強度準則進行校核，查材料手冊45鋼的許用應力和安全系數得120MPa，十字頭體自重G=15kg。

d=20mm，滿足設計條件。

3.4 專用工具加工工藝

3.4.1 工具主體圓盤

(1)材料：電木。

(2)主體圓盤的加工方法。

圓盤的加工表面有端面、外圓、中心孔。加工方法如下：

圓盤左、右端面、D188.5的外圓面以及圓盤凸臺加工精度等級Ra0.8，加工方案為粗車-半精車-精車；中心孔加工精度等級Ra3.2，加工方案為粗車-半精車。

(3)加工工序：下料-車端面-粗車-半精車-精車-車端面-粗車-半精車-精車-檢驗。

(4)工藝路線：

(a)車端面：保證端面尺寸，鉆中心孔；掉頭車另一端面，鉆中心孔。

(b)車外圓：粗車d188.5的外圓，半精車d188.5外圓，保證圓盤厚度為35。

(c)凸臺加工：粗車d119的凸臺，半精車d119的凸臺，保證凸臺厚度為10mm。

(d)中心孔加工：鉆中心孔，粗車中心孔至d32。

3.4.2 工具中間承重軸：

(1)材料：45鋼。

(2)中間承重軸表面加工方法：加工表面有端面、外圓、外螺紋。加工方法如下：

D30的外圓面和D28的外圓面加工精度等級IT9，加工方案為粗車-半精車；軸左、右端面以及D30的外螺紋加工精度等級IT9，加工方案為粗車。

(3)加工工序：下料-車端面--粗車-半精車-車端面-粗車-半精車-檢驗，兩端均車削外螺紋。

(4)工藝路線

(a)車端面：保證端面尺寸，鉆中心孔；掉頭車另一端面，鉆中心孔。

(b)車外圓：粗車d30的外圓，半精車d30外圓，保證軸長為473mm。粗車d28的外圓，半精車d28外圓，保證所車長度為60mm。調頭以另一端面為基準，粗車d28的外圓，半精車d28外圓，保證所車長度為60mm。

(c)車外螺紋：在離端面60的位置車d30的外螺紋，長度為40mm。

(d)檢驗。

3 結論

設計加工的專用工具有效地解決了十字頭拆裝過程中遇到的問題，操作方便、制作簡單，可使機組檢修人員較方便地完成檢修任務，提高企業效益。

由于本工具的使用，在十字頭組件拆卸過程中，當十字頭脫離滑道的瞬間仍有圓盤支撐，因此不會損壞滑道和滑履表面，延長十字頭的使用壽命，減輕了勞動強度；簡化了十字頭安裝時滑履與滑道的間隙調整過程，提高了工作效率；可滿足十字頭安裝精度要求，消除安全隱患；由于采用了兩側對稱設計，有效提高了安裝時十字頭中心線與滑道中心線的同軸度要求，從而使十字頭工作更加可靠。

專用工具的設計原理可運用于其他型號的對稱平衡臥式往復壓縮機。

[1] 趙 旭.往復式壓縮機十字頭滑履表面合金層融化失效原因分析[J].內蒙古石油化工.2015(21)：71-72.

[2] 紀經偉.往復式壓縮機十字頭故障分析與處理[J]．廣東化工.2009，36卷(11)：164-165.

[3] 羅強武.巧焊巴氏合金[J].機械工人(熱加工),1992(12):26-27.

[4] 黃 旭,鄭興華,湯德平,等. CCTO-電木復合材料的制備、結構和介電性能[J].硅酸鹽通報,2012(1):33-36.

(本文文獻格式：張國杰，蘇興冶，董彥斌，等.往復式壓縮機十字頭拆裝專用工具的設計與加工——以4M50往復式壓縮機為例[J].山東化工，2017，46(08)：132-134.)

The Design and Process in Specialized Dismantling Device for Reciprocating Compressor Crosshead——Exampled with 4M50 Reciprocating Compressor

ZhangGuojie，SuXingye1，DongYanbin1，XueFeng1，XiaCong1，LiJing1，ZhangMengcheng1，YouHongming2

(1.Shenyang University of Technology, Liaoyang 111003,China;2.Petrochina Liaoyang Petrochemical Company, Liaoyang 111003, China )

The reciprocating compressor in china usually do not have the specialized dismantling device for installing and disassembling crosshead with the main equipment. Leading to the damage of the crosshead, slide rail and Babbitt metal layer, it is easy to have the crosshead fallen on the slide rail during the installation and disassembled. That is so necessary to design a pack of specialized device for crosshead maintain, in order to reduce the maintain duration, raise the installation accuracy, secured the maintain. Meanwhile, the design of this specialized tool is also full of mean to the other maintain and installation for the other compressors.

reciprocating compressor; crosshead; dismantling; design and process

2017-03-05

2016年遼寧省大學生校外實踐教育基地建設項目(項目序號：58)的部分研究成果

蘇興冶(1962—)，副教授，主要從事化工過程機械應用研究。

TH457

B

1008-021X(2017)08-0132-03