专利名称：锥形活塞及具有该锥形活塞的活塞压缩机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种活塞压缩机。更具体地讲，涉及一种具有增大的尺寸且布局 合理的筋板和通气孔的锥形活塞。
背景技术：
活塞是活塞式压缩机的一个主要零件，它与气缸配合形成压缩容积。活塞设计必 须有足够的强度和刚度，制造工艺性要好，活塞设计的好坏与压缩机的性能有很大关系。活 塞按作用方式分为单作用、双作用和级差式活塞，按结构方式分为整体式和组合式活塞，按 材料分为铸铁、铸铝、钢质或焊接活塞。焊接锥形活塞在运行过程中，承受了较大活塞力作用，在较高气体温度和机组的 频繁振动冲击工况条件下，活塞壁、筋板、活塞壳、活塞芯的焊接部位反复受到周期性的拉 伸、压缩的循环交变应力作用。由于焊接锥形活塞的焊接面、点较多，焊接时为保证筋板回转直径范围内均得到 良好焊接，往往造成一面端壁与筋板焊好后，另一面端壁与筋板的焊接受到锥形面的影响， 焊接空间受到限制，加大了焊接过程中不可避免的气孔、夹渣、裂纹等表面缺陷和焊接应力 集中的产生，焊接质量较差。在交变载荷作用下，活塞的各部件要发生局部滑移。随着循环次数的不断增加，滑 移线在局部区域内变粗形成滑移带，进而萌生了疲劳裂纹，活塞焊接过程中形成的缺陷或 热处理未消除应力集中，加速了疲劳裂纹的产生。经过疲劳裂纹的稳定扩展以及失稳扩展 后，活塞内筋板的功用不断丧失，活塞的强度和刚度不断降低，导致与筋板、端壁焊接联接 的活塞芯脱落，端壁裂纹，活塞彻底破坏，造成机组设备事故的发生。当前锥形活塞的设计存在以下方面的问题筋板布置不合理，使活塞的强度和刚度不足。活塞制造的强度和刚度不足，往往表 现在筋板的尺寸和布置方面不合理。活塞的筋板尺寸与活塞尺寸不匹配，筋板在活塞直径 方向的尺寸过小，在机组运行过程中大量的气体力作用在筋板以外的前后端壁区域，这部 分力又作用在应力集中的前、后端壁与活塞壳的焊接部位，导致前后端壁与活塞壳焊接处 产生疲劳裂纹并不断扩大，最终导致活塞解体。活塞解体后的部件表面不平整，在轴向方向 的位移尺寸超出活塞的向轴、向盖余隙，使机组发生撞缸事故。活塞的焊接质量差。活塞制造的加工质量存在问题。活塞制造时焊接部位的坡口 尺寸不符合要求，有的甚至没有打坡口，焊接质量差，焊口存在裂纹、夹渣、未焊透和未熔合 等缺陷，焊接接头产生残余应力和变形，同时造成活塞尺寸、形状的变化。焊接完后退火处 理不充分，退火的温度和保温、降温控制不好。退火后进入车削工序时，为找正和控制好形 位公差，简单的进行了车削，往往造成前后端壁和活塞壳的公称尺寸差得较多，减弱了焊接 部位的焊接强度和刚度。活塞在运行过程中受交变负荷作用，使裂纹产生于强度薄弱和存 在较大应力集中的焊接部位，最终导致活塞的解体损坏。活塞通气孔设置不合理。活塞在热处理和运行过程中，活塞通气孔设置不合理，活塞内部将产生较大的不平衡气流压力，引起活塞变形，产生应力，缩短活塞使用寿命。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种强度和刚度更高的活塞压缩机锥形 活塞。该活塞能增大强度和刚度，延长使用寿命，在活塞压缩机活塞的设计、制造、维修、使 用行业有较为重要的应用前景。解决上述技术问题，本实用新型提出了一种焊接锥形活塞，当气阀在缸盖上成倾 斜配置时，为与气缸盖相适应，活塞做成了锥形。锥形活塞所使用的技术方案是增大筋板 的尺寸；合理布局筋板数量；合理布局通气孔等。本实用新型提供了一种锥形活塞，该锥形活塞包括活塞壳、前活塞壁、后活塞壁、 筋板、活塞芯，筋板设置在前活塞壁和后活塞壁之间，并介于活塞壳与活塞芯的外壁之间， 其特征在于，还包括通气孔，形成在前活塞壁和后活塞壁中的一个上，并且筋板的尺寸被增 大使得筋板在前后活塞壁的直径方向上的尺寸分别达到前后活塞壁直径的71%以上。在活塞压缩机的运行过程中，50%以上的气体力作用在筋板与前后活塞壁焊接的 轴向投影面积上。所述锥形活塞的筋板的数量为6，筋板呈锥形。筋板的中间形成有孔。孔的形状为 椭圆形、圆形或者其它形状中的一种。筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活塞壁的直径方向上的尺寸可以分别达到前 后活塞壁直径的80%以上。在活塞压缩机的运行过程中，64%以上的气体力作用在筋板与 前后活塞壁焊接的轴向投影面积上。筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活塞壁的直径方向上的尺寸可以分别达到前 后活塞壁直径的85%以上。在活塞压缩机的运行过程中，72%以上的气体力作用在筋板与 前后活塞壁焊接的轴向投影面积上。筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活塞壁的直径方向上的尺寸可以分别达到前 后活塞壁直径的90%以上。在活塞压缩机的运行过程中，81%以上的气体力作用在筋板与 前后活塞壁焊接的轴向投影面积上。所述锥形活塞的通气孔可形成在靠近压缩机的轴中心的活塞壁的20%半径的范 围内。通气孔的直径为3mm。活塞壁的坯料厚度沿活塞的厚度方向应大于其设计厚度2 3mm。该活塞采用焊接形成。整体活塞焊接完后，在机加工前需要经过650 700°C的退 火处理。对活塞进行水压试验，试验压力可以为0. 2 0. 3Mpa,并保持15分钟。本实用新型还提供了一种活塞压缩机，其特征在于包括这样一种锥形活塞，该锥 形活塞包括活塞壳、前活塞壁、后活塞壁、筋板、活塞芯，筋板设置在前活塞壁和后活塞壁之 间，并介于活塞壳与活塞芯的外壁之间，其特征在于，还包括通气孔，形成在前活塞壁和后 活塞壁中的一个上，并且筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活塞壁的直径方向上的尺寸可 以分别达到的71%以上。本实用新型的有益效果是优化了活塞本体结构和安全性能，提高了活塞的强度 和刚度通气孔设置合理，减小了在活塞内部产生较大的不平衡气流压力，降低了活塞承受 的交变应力，延长了活塞的使用寿命，更好地促进压缩机的安全可靠运行，避免了活塞部件脱落、撞缸、裂纹、解体、变形等事故的发生。
图1A和图1B为现有活塞压缩机的锥形活塞的结构示意图。图2A和图2B为本实用新型活塞压缩机的锥形活塞的结构示意图。图3为本实用新型的活塞压缩机的锥形活塞的立体图。图中标记为活塞壳1、活塞壁2、活塞壁5、筋板3、活塞芯4、通气孔6。
具体实施方式
本实用新型中的锥形活塞包括活塞壳1、活塞壁2和5、筋板3、活塞芯4以及通气 孔6。活塞壳1可采用铸钢材质制造。用于连接活塞壁2和5。活塞壁2和5从正面看呈圆形，其坯料的厚度沿活塞的厚度方向(相当于活塞的 轴向)应大于设计厚度2 3mm，以留出机加工切削余量。活塞壁2和5的材料为Q235、 16Mn或45#钢等。从截面图看活塞外部成锥形，其锥形角度与汽缸的锥形角度相同，从截面图可知， 筋板也呈锥形，筋板设置在前活塞壁和后活塞壁之间，并介于活塞壳与活塞芯的外壁之间。 带有锥度的活塞由于筋板配置相对较难，合理选配筋板尺寸显得尤为重要。其锥形角度的 设计原则为为提高活塞的强度和刚度，在满足焊接工艺的前提下，应尽可能增大筋板在直 径方向的尺寸，使增大后的筋板在活塞壁2和活塞壁5的直径方向上的尺寸分别达到前后 活塞壁直径的71 %以上，根据压力和面积的公式可知，在机组运行过程中，50%以上的气体 力作用在筋板与前后端壁焊接的轴向投影面积(即，前后端壁区域与活塞壳的焊接部位是 剖面线相反处的接合面)上。优选地，筋板的尺寸还可以被增大到分别达到前后活塞壁直 径的80%以上，对此对应地，在活塞压缩机的运行过程中，64%以上的气体力作用在筋板与 前后活塞壁焊接的轴向投影面积上。当筋板的尺寸被增大到分别达到前后活塞壁直径的 85%以上时，72%以上的气体力作用在筋板与前后活塞壁焊接的轴向投影面积上。或者， 当增大后的筋板在活塞壁2和活塞壁5的直径方向上的尺寸分别达到前后活塞壁直径的 90%以上时，机组运行过程中81%以上的气体力作用在筋板与前后端壁焊接的轴向投影面 积上，这样，减少了气体力作用在应力集中的前、后端壁与活塞壳的焊接部位，避免撞缸事 故的发生。在本实用新型中，筋板3的材料与活塞壁的材料一致，筋板3的数量优选为6，均 勻地布置在锥形活塞中，并且以焊接的方式被固定，即，筋板与活塞壁2、活塞壁5和活塞芯 4之间以焊接的方式固定。筋板在与活塞壁2和5焊接的位置附近可呈平面，然后再形成锥 度。筋板的回转直径如前述确定。从附图中可知，可在筋板的中间形成椭圆形的孔，孔的形 状不限于椭圆形，还可以呈圆形或者其它形状，以消除活塞在热处理和运行过程中活塞内 部产生的较大不平衡气流压力，避免引起活塞变形而产生应力，延长活塞使用寿命。在增加 活塞筋板尺寸和重量后，活塞支撑环的比压不能超过0. 035MPa (无油润滑)、0. 07MPa (有油 润滑)。活塞芯的材料选为Q235、16Mn或45#钢等，与活塞壁、筋板有良好焊接性能的材质。[0032]空心活塞应能连续自身通气，当气缸压力下降时，活塞内部空间也能随之降压，所 以在活塞的活塞壁2或5的端表面上设置有一个通气孔6，形成在靠近轴中心的活塞壁2或 活塞壁5的20%半径的范围内。通气孔6的直径为3mm。下面将描述锥形活塞的制造方法。首先，加工制作活塞壁2、5，使活塞壁坯料的厚度应大于设计厚度2 3mm。接下来，加工制作筋板3。为提高活塞制造的强度和刚度，在满足焊接工艺的前提 下，使增大后筋板在活塞直径方向上的尺寸至少达到71%以上，使机组运行过程中50%以 上的气体力作用在前后端壁区域的筋板上，优选地，增大后筋板在活塞直径方向上的尺寸 分别至少达到80%、85%或者90%以上，在机组运行过程中，与上述尺寸分别对应的64%、 72%或者81%以上的气体力作用在前后端壁区域的筋板上，减少气体力作用在应力集中的 前、后端壁与活塞壳的焊接部位，避免撞缸事故的发生。然后，加工制作活塞芯4。活塞芯4的内壁相对于活塞中心留有3 5mm余量，以 方便活塞加工制作完成后上机床加工找正。接着，进行焊接作业。提高焊接质量的关键问题是制定合理焊接工艺，采用正确的 操作技术，只要保证焊缝质量并经检验合格，就可以促进活塞在高温、高压和冲击作用下， 仍保持活塞的良好使用性能。活塞组件各零部件焊接时，由于厚度和材质不同，在实际操 作中容易产生焊接缺陷，采用氩弧焊同手工电弧焊相结合的方法可大大减少焊接缺陷。开 坡口可以保证根部焊透，降低应力集中，避免裂纹产生。筋板与端板焊接为双面焊形式，筋 板坡口为双55°坡口，两等分坡口尺寸应占到筋板厚度的75%左右，焊高应与最厚钢板的 厚度一致。前端壁、后端壁与活塞壳焊接时，坡口均为30°，坡口尺寸应占到钢板厚度的 80%，以便为焊后的车削加工留有余量。焊接材料的选配以保证焊缝性能不低于母材为准， 为保证焊缝质量，焊接方法选用手工钨极氩弧焊封底和手工电弧焊填充、盖面，采用三层焊 满。选择中性火焰对活塞焊接面进行100 150°C加热，然后进行组装。为防止产生焊接变 形，用氩弧焊三点定位焊，焊接长度10 15mm。定位焊缝与正式焊接相同，起点和收尾应圆 滑，不能太陡。定位焊后，立刻进行正式焊接。中间层焊完，用干净的渣锤、钢刷和砂轮机将 渣清干净后盖面。盖面填满坡口，为防止咬边，焊条在两侧多停留，填满弧坑后再向前焊接， 收弧采用回焊20 30mm收弧，焊完立即对焊缝和焊缝两侧进行100 150°C加热，使焊接 接头缓冷。随后，加工通气孔6。通气方法是在靠近活塞端部，靠轴中心表面20 %半径范围内 钻直径为3mm的通气孔。接下来，进行热处理。整体活塞焊接完后，在机加工前需要经过650 700°C的退 火处理，以消除焊接应力。热处理后进行车削加工。对于铸造活塞和焊接活塞，一般每一加工面留有2mm以 上的切削余量，活塞直径越大，余量留得越大。在车削找正过程中，要特别注意切削量对加 工面厚度的影响，避免误差过大影响活塞的强度和刚度，焊接部位要采取小切削量中低转 速车削。然后，进行探伤。活塞车削完后，焊缝应做磁粉探伤和着色探伤或超声波探伤，以 促进活塞的安全运行。最后，进行试压。对活塞进行水压试验，根据活塞的使用环境状况，试验压力以0. 2 0. 3Mpa为宜，保持15分钟不得渗漏和潮湿。本实用新型的锥形活塞优化了活塞本体的结构和安全性能，提高了活塞的强度和 刚度，通气孔设置合理，减小了在活塞内部产生较大的不平衡气流压力，降低了活塞承受的 交变应力，延长了活塞的使用寿命，更好地促进压缩机的安全可靠运行，避免了活塞部件脱 落、撞缸、裂纹、解体、变形等事故的发生。虽然已经显示并描述了本实用新型的几个实施例，但是本领域技术人员应该理 解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的精神和原理的情况下，可以对这些实施 例进行改变。
权利要求一种锥形活塞，该锥形活塞包括活塞壳、前活塞壁、后活塞壁、筋板、活塞芯，筋板设置在前活塞壁和后活塞壁之间，并介于活塞壳与活塞芯的外壁之间，其特征在于，还包括通气孔，形成在前活塞壁和后活塞壁中的一个上，筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活塞壁的直径方向上的尺寸分别达到前后活塞壁直径的71％以上。
2.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，筋板的数量为6。
3.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，筋板呈锥形。
4.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，筋板的中间形成有孔。
5.如权利要求4所述的锥形活塞，其特征在于，孔的形状为椭圆形、圆形或者其它形状 中的一种。
6.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活 塞壁的直径方向上的尺寸分别达到前后活塞壁直径的80%以上。
7.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活 塞壁的直径方向上的尺寸分别达到前后活塞壁直径的85%以上。
8.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，筋板的尺寸被增大使得筋板在前后活 塞壁的直径方向上的尺寸分别达到前后活塞壁直径的90%以上。
9.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，所述通气孔形成在靠近压缩机的轴中 心的活塞壁的20%半径的范围内。
10.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，通气孔的直径为3mm。
11.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，活塞壁的坯料厚度沿活塞的厚度方向 应大于其设计厚度2 3mm。
12.如权利要求1所述的锥形活塞，其特征在于，该活塞采用焊接形成。
13.一种活塞压缩机，其特征在于包括如权利要求1所述的锥形活塞。
专利摘要本实用新型公开了一种包括锥形活塞的活塞压缩机，该活塞压缩机包括活塞壳、活塞壁、筋板、活塞芯，其特征在于，还包括通气孔，并且筋板的尺寸被增大使得筋板在活塞壁的直径方向上的尺寸达到的71％以上。在活塞压缩机的运行过程中，50％以上的气体力作用在筋板与前后活塞壁焊接的轴向投影面积上。
文档编号F04B39/00GK201599170SQ20092022072
公开日2010年10月6日 申请日期2009年11月2日 优先权日2009年11月2日
发明者张帮云, 虞明 申请人:攀钢集团攀枝花钢钒有限公司;攀钢集团钢铁钒钛股份有限公司