【壓縮機網(wǎng)】活塞裝在氣缸內，活塞上裝有多道活塞環(huán)，起密封活塞兩側氣體的作用。無油潤滑活塞上裝有一道自潤滑的活塞導向環(huán)，有油潤滑的活塞體，鑲有巴氏合金對活塞進行支撐，自身有導向作用?；钊h(huán)結構簡單，就是一個開有切口的圓環(huán)，裝在活塞上的環(huán)槽內，工作時外圓面與氣缸鏡面貼合，阻止氣體的泄漏通道，起密封作用。如果要用好它，就必須有一定的理論與實踐。

　　現(xiàn)在使用的活塞環(huán)有兩大類：一類是具有預緊彈力的鑄鐵活塞環(huán)，在自身外張彈力的作用下，與氣缸鏡面貼合，用于氣缸注油潤滑的壓縮機。另一類是無張力的工程塑料活塞環(huán)，如填充聚四氟乙烯活塞環(huán)，裝入氣缸內它的外圓面不可能與氣缸鏡面完全接觸，工作時在活塞環(huán)背壓作用下才與氣缸鏡面完全接觸起密封作用。壓縮機停機后，則與氣缸鏡面不能完全接觸，用于氣缸不注油的無油潤滑。

　　無論是氣缸注油潤滑的活塞環(huán)，還是無油潤滑的工程塑料活塞環(huán)，泄漏通道就是活塞環(huán)的切口。阻止氣體沿活塞環(huán)切口的泄漏，傳統(tǒng)方法是在裝配時每相鄰兩道活塞環(huán)的切口互相錯開180°。切口泄漏只能是減小，沒有徹底實現(xiàn)活塞環(huán)密封無泄漏。本文介紹活塞環(huán)密封無泄漏的技術方法并以活塞環(huán)密封無泄漏為基礎，闡述壓縮機氣缸的無油潤滑。

　　壓縮機的無油潤滑是指填料密封無油潤滑的氣缸的無油潤滑；壓縮機填料密封的無油潤滑是用無油潤滑的填充聚四氟乙烯來制造填料密封元件；氣缸的無油潤滑是用具有自潤滑特性的工程原料來制造活塞環(huán)和活塞導向環(huán)，不對氣缸和填料注油潤滑，取消注油器及注油管。目前，制造無油潤滑活塞環(huán)、導向環(huán)的材料，以碳纖維增強的填充聚四氟乙烯CFRP為好。高壓差活塞密封，可用銅基銅粉金塑復合材料制造活塞環(huán)和導向環(huán)，活塞用剖分式結構。

　　無油潤滑的優(yōu)點是節(jié)約潤滑油，壓縮氣體清潔，如合成氨廠用的氫氮壓縮機，輸送到合成塔的氣體不含油污，能確保合成催化劑使用壽命長而不易中毒。缺點是碳纖維增強聚四氟乙烯CFRP的熱膨脹系數(shù)大，約是鑄鐵的10倍，CFRP活塞環(huán)切口比鑄鐵活塞環(huán)的要大得多，約大9～10倍；若開切口小，活塞環(huán)工作熱脹后對氣缸貼得太緊，導致氣缸和活塞環(huán)磨損快；切口大，開始工作時，氣體沿切口泄漏大，活塞環(huán)開始工作后，只有達到工作溫度時，受熱膨脹使切口減小或切口相互貼合，泄漏才減小。切口大的活塞環(huán)對氣缸貼緊程度比切口小的活塞環(huán)小得多，氣缸和活塞環(huán)產生的磨損就要輕得多，CFRP活塞環(huán)切口的確定就顯得尤為重要。

　　1、活塞環(huán)的受力分析

　　活塞環(huán)的受力分析見圖1?；钊h(huán)工作時受到8個力的作用：周期性變化的往復慣性力F，氣缸的支承力N2，活塞環(huán)本身對氣缸的預緊彈力T（沒有外張彈力的工程塑料活塞環(huán)沒有此力），受力方向始終與運動方向相反的摩擦力M，低壓側活塞環(huán)槽的側面支承力N1，活塞環(huán)槽底背間隙內的氣體力P2，低壓一側的氣體力P3，高壓側的氣體力P1，還受到兩側軸向方向的力產生的彎矩的作用。

　　用自潤滑材料制造的活塞環(huán)，如果按照鑄鐵活塞環(huán)來開切口尺寸，或者切口偏小，當活塞環(huán)工作后，溫度上升，活塞環(huán)受熱膨脹使切口接觸后，溫度繼續(xù)上升，活塞環(huán)繼續(xù)熱脹，活塞環(huán)對氣缸熱脹力加大，氣缸的支承力N2相應的加大，造成活塞環(huán)對氣缸的磨損加快。合理設計活塞環(huán)的切口尺寸，可以減輕活塞環(huán)和氣缸的磨損?；钊h(huán)裝在環(huán)槽中，側間隙小了，工作時溫度上升后，會使活塞環(huán)抵緊環(huán)槽側面，造成活塞環(huán)和環(huán)槽側面的磨損加快。合理設計活塞環(huán)的軸向尺寸，可以減小活塞環(huán)側面和活塞環(huán)的磨損。在氣缸的工作溫度下，活塞環(huán)切口剛好為0，活塞側面與環(huán)槽剛好沒有間隙，或者側間隙為0，是活塞環(huán)工作理想的狀態(tài)。

　　規(guī)定活塞環(huán)受力與活塞桿受拉力的方向一致為正，活塞環(huán)受力與活塞桿受壓力的方向一致為負。當活塞環(huán)受力的合力為正時，活塞環(huán)貼合蓋側的環(huán)槽側面；當活塞環(huán)受力的合力為負時，活塞環(huán)貼合軸側的環(huán)槽側面，氣體不沿側間隙泄漏；當活塞環(huán)受力的合力為0時，活塞環(huán)從貼合環(huán)槽的軸側側面轉變?yōu)橘N合蓋的環(huán)槽側側面，或者說活塞環(huán)從貼合環(huán)槽的蓋側側面轉變?yōu)橘N合軸側的環(huán)槽側側面，氣體從活塞環(huán)與環(huán)槽的側間隙泄漏。

　　壓縮機帶負荷工作時，活塞環(huán)受力分析圖中，各道活塞環(huán)所受的力P1、P2、P3不同，其受力的合力也不同，每一道活塞環(huán)從貼合環(huán)槽的軸（蓋）側側面轉變?yōu)橘N合蓋（軸）側的環(huán)槽側側面的時間不同。只有在活塞上各道環(huán)從軸側貼合蓋側側面的時間點相同，或者從蓋側貼合軸側側面的時間點一樣，氣體才會從活塞環(huán)測間隙穿過活塞泄漏。所以，氣體從活塞上高壓側的第一道活塞環(huán)的側間隙泄漏后，進入高壓側的第二道活塞環(huán)，第二道活塞環(huán)的受力的合力不為0，氣體不會再沿第二道活塞環(huán)的側間隙泄漏。同理，第二道活塞環(huán)受力的合力為0時，第三道環(huán)的受力的合力也不為0，氣體不會沿第三道活塞環(huán)的側間隙泄漏。當活塞環(huán)受力分析圖中的預緊彈力T=0時，即活塞環(huán)沒有貼緊氣缸鏡面的預緊彈力，活塞環(huán)是工程塑料活塞環(huán)，或者是與氣缸為間隙配合的金屬活塞環(huán)。壓縮機停止活塞不工作時，工程塑料活塞環(huán)就脫離與氣缸鏡面貼合，沒有密封作用；活塞工作時，工程塑料活塞環(huán)就貼合氣缸鏡面起密封作用。

　　2、無外張彈力的活塞環(huán)密封原理

　　無預緊彈力的的活塞環(huán)開始貼合氣缸鏡面起密封作用的原理見圖2。假使活塞處在內止點和中點之間，啟動壓縮機，活塞開始向氣缸蓋側運動，活塞環(huán)就貼合軸側的環(huán)槽側面，活塞環(huán)外圓面與氣缸鏡面間的氣體，因有慣性與活塞運動方向相反，運動到活塞環(huán)的軸側，同時活塞環(huán)內圓面與環(huán)槽底背間隙內的氣體，因慣性由蓋側向軸側運動，使背間隙內軸側壓力升高，活塞環(huán)張開貼合氣缸鏡面起密封作用?；钊h(huán)因慣性已經(jīng)貼合環(huán)槽的軸側側面，阻止背間隙內氣體向環(huán)槽軸側側面泄漏，背間隙內的蓋側壓力降低，高壓側氣體從側間隙進入背間隙，活塞環(huán)密封的背壓在背間隙內形成?；钊^續(xù)運行，到氣缸中點之后，即速度最大和加速度為0之后，當受力的合力等于0時，活塞環(huán)從貼合軸側環(huán)槽的側面轉變?yōu)橘N合蓋側的環(huán)槽側面，由于慣性作用，背間隙內的氣體，因有慣性繼續(xù)還在從軸側向蓋側運動，并不立即從蓋側向軸側側間隙跑出來，不會使背壓力降低，活塞環(huán)不會脫離與氣缸鏡面的接觸。繼續(xù)運行，活塞環(huán)始終在背壓力作用下貼合氣缸鏡面，阻止氣體泄漏通道起密封作用。用鑄鐵制造的活塞環(huán)，工作時活塞環(huán)除了自身對氣缸的預緊力外，同樣受到背間隙內背壓力的作用。

　　這是沒有外張彈力的活塞環(huán)能起密封作用的原理，根據(jù)這個原理，無論活塞環(huán)尺寸大小，活塞在氣缸內作往復運動，活塞環(huán)就貼合氣缸鏡面起密封作用。這在壓縮機教科書中從未提到過。

　　2DZ5.5-1.8/285-320氮氫氣循環(huán)壓縮機的活塞環(huán)，是沒有預緊彈力的填充聚四氟乙烯活塞環(huán)，未設張力環(huán)，機器照樣正常運行。L3.3-17/320氮氫氣壓縮機、4M8-36/320氮氫氣壓縮機等壓縮機的氣缸無油潤滑改造，低壓段活塞環(huán)用填充聚四氟乙烯活塞環(huán)或碳纖維填充聚四氟乙烯活塞環(huán)，高壓段用銅基銅粉金塑復合材料制作活塞環(huán)，都未設置張力環(huán)，壓縮機也一樣運行得很好。2D6.5-8/150氮氫氣壓縮機的活塞環(huán)或L3.3-17/320氮氫氣壓縮機、4M8-36/320 氮氫氣壓縮機等壓縮機的氣缸無油潤滑改造，都是對無預緊彈力的活塞環(huán)貼合氣缸鏡面起密封作用原理的有力證明。

　　再結合活塞環(huán)的受力分析：氣缸的磨損是氣體背壓力P2與預緊彈力T作用于活塞環(huán)，使活塞環(huán)對氣缸鏡面壓緊，并不斷往復摩擦造成的。對于注油潤滑的壓縮機氣缸來說，減小活塞環(huán)的預緊彈力T，理論上可減小摩擦力M，減少壓縮機的摩擦功耗，提高壓縮機的效率，是有一定現(xiàn)實意義的。

　　3、活塞環(huán)密封泄漏原理

　　為了提高活塞環(huán)的密封效果和提高活塞式壓縮機的效率，還應該對活塞環(huán)的泄漏機理進行研究。圖3是活塞環(huán)的泄漏原理圖，活塞環(huán)高壓側氣體和背間隙內的氣體，都是沿切口泄漏到下一道活塞環(huán)的，切口是活塞環(huán)密封的泄漏通道。泄漏造成活塞式壓縮機的效率不是很高，降低氣體沿活塞環(huán)切口的泄漏，阻止氣體沿活塞環(huán)切口的泄漏，都可以提高壓縮機的效率。

　　減少氣體沿活塞環(huán)切口的泄漏，通常采用斜切口、搭接切口，也采用兩根活塞環(huán)切口互相錯開同裝在一個環(huán)槽中。阻止氣體沿活塞環(huán)切口泄漏，常規(guī)做法是讓活塞環(huán)工作熱脹后，切口間隙剛好貼合。因氣缸的排氣側工作溫度高，進氣側工作溫度低，氣缸工作溫度無法測準，只能測氣缸進氣溫度和排氣溫度，從而算出活塞或活塞環(huán)工作的平均溫度。氣缸的平均溫度可能不代表活塞的工作溫度，無法將活塞環(huán)切口的大小設計得恰到好處?；钊h(huán)在氣缸內工作，活塞環(huán)和氣缸都會磨損，磨損后活塞環(huán)切口間隙變大，切口泄漏也加大。阻止氣體沿活塞環(huán)切口泄漏的常規(guī)做法，不能從根本上解決阻止氣體沿活塞環(huán)切口泄漏的問題。

　　4、一槽三環(huán)活塞環(huán)密封不漏原理

　　依據(jù)活塞環(huán)泄漏的原理，建議采用一槽三環(huán)的活塞環(huán)密封，一槽三環(huán)的活塞環(huán)密封原理見圖4?；钊h(huán)的切口互相錯開約180°，活塞環(huán)與內環(huán)的切口互相錯開約90°。密封不漏的原理：活塞環(huán)切口的泄漏由兩根活塞環(huán)互相擋住，背間隙內氣體向活塞環(huán)切口的泄漏由內環(huán)擋住，內環(huán)處切口的泄漏由兩根活塞環(huán)擋住，運行過程中不會因為活塞環(huán)外圓和氣缸壁內圓磨損造成活塞環(huán)切口過大而漏氣，密封可靠，使用周期長?；钊h(huán)、內環(huán)都可用鑄鐵環(huán)，也都可用工程塑料環(huán)。

　　活塞環(huán)、內環(huán)材料可以任意搭配使用：鑄鐵活塞環(huán)配鑄鐵內環(huán)，鑄鐵活塞環(huán)配工程塑料內環(huán)，工程塑料的活塞環(huán)配鑄鐵內環(huán)，工程塑料的無油潤滑活塞環(huán)配工程塑料內環(huán)。

　　在壓縮機教科書中，一槽三環(huán)的活塞環(huán)密封提到過，說這種活塞環(huán)組合密封好，但第一道環(huán)的密封壓力最大，容易磨損。經(jīng)實際應用，不是這么回事。實際上，密封很好的一槽三環(huán)活塞環(huán)密封，切口泄漏已被擋住，活塞環(huán)與環(huán)槽的側間隙都會有很微量的泄漏，特別是在活塞環(huán)從貼合蓋（軸）的環(huán)槽側面轉變?yōu)橘N合軸（蓋）側的環(huán)槽側面時，背間隙內氣體就從側間隙泄漏到下一道活塞環(huán)，這種微量泄漏，使各道活塞環(huán)之間緩慢地建立一定的壓力平衡關系，不至于使第一道活塞環(huán)所承受的負荷過重，造成活塞環(huán)快速磨損而過早損壞。

　　一槽三環(huán)活塞環(huán)密封的不漏，活塞兩端的臟物不能進入中間破壞潤滑膜，有油潤滑的氣缸，潤滑膜是油膜，無油潤滑的氣缸，潤滑膜為填充聚四氟乙烯膜或其它的工程塑料潤滑膜。任意兩道環(huán)中間的潤滑油不能漏向活塞的兩端，因此活塞工作范圍內的氣缸鏡面很干凈，任意兩端活塞環(huán)之間的活塞部分也很干凈，注油到任意兩道活塞環(huán)的中間部位，使得兩端活塞環(huán)之間的壓力和兩端的工作壓力平衡，不會因為活塞環(huán)承受的壓差大而過早磨損，是理想的活塞環(huán)組合密封。

　　2002年下半年，4M8（3A）-36/320壓縮機的一、二級活塞環(huán)改為一槽三環(huán)的密封，活塞環(huán)槽不變，只設計制造好活塞環(huán)，把一、二級的每一道活塞環(huán)都更換為三根環(huán)，改后一入壓力從0.34MPa升高為0.36MPa，說明用一槽三環(huán)的密封改造活塞環(huán)密封，壓縮機的生產能力或容積流量提高。2003年，用同樣的方法改造6M25-180/314壓縮機的一至四級活塞環(huán)，改造前生產統(tǒng)計的臺時產碳銨量小于2.8噸/小時（與4M8壓縮機同開用，臺時產量折4M8壓縮機），改造后生產統(tǒng)計的臺時產量大于3.05噸/小時（與4M8壓縮機同開用，臺時產量折4M8壓縮機），生產能力提高（3.05-2.8）÷2.8=0.089=8.9%，節(jié)能降耗的效果十分明顯。證明一槽三環(huán)密封不漏，能提高活塞式壓縮的效率和生產能力。

　　5、一槽三環(huán)活塞環(huán)密封在有油潤滑壓縮機上應用的拆檢情況

　　2002年下半年，4M8（3A）-36/320壓縮機的一、二級活塞環(huán)改為一槽三環(huán)的密封，把一極活塞環(huán)改成了三根，活塞環(huán)槽不變，活塞環(huán)側間隙，活塞環(huán)槽底與活塞環(huán)內圓的間隙都沒有改變。2003年，用同樣的方法改造6M25-180/314壓縮機的一至四級活塞環(huán)。改造成一槽三環(huán)活塞環(huán)密封后，在檢修時對活塞環(huán)進行拆檢。拆檢活塞、氣缸密封的情況如圖5所示。

　　拆檢的情況是：各根活塞環(huán)完好且有油潤滑，至少說明活塞環(huán)密封良好，活塞兩端的臟物不能進入中間破壞潤滑膜，任意兩道環(huán)中間的潤滑油也不能漏向活塞的兩端，活塞工作范圍內的氣缸鏡面很干凈，兩端活塞環(huán)之間的活塞部分也很干凈。拆檢常規(guī)活塞環(huán)，即一個環(huán)槽裝一根活塞環(huán)的情況是：活塞環(huán)運行的范圍內，氣缸和活塞差不多一樣臟，且有很多污染物，看不到干凈的潤滑油。

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