【壓縮機網(wǎng)】本文對全無油往復(fù)活塞壓縮機進行介紹，并對全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計、船用壓縮機的特殊要求、全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機在船上的適應(yīng)性進行論述。
文/蔡偉生
引言
隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，全無油潤滑高壓氧氣壓縮機技術(shù)進步，船上制供氧使用全無油潤滑高壓壓縮機成為可選項。本文從安全性及可靠性出發(fā)，對全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機進行分析，闡述了全無油潤滑高壓氧氣壓縮機上船的可行性。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機介紹
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些工業(yè)工藝流程對介質(zhì)壓縮的潔凈度要求越來越高，全無油壓縮機應(yīng)運而生。
上世紀中期，新材料——自潤滑材料的出現(xiàn)，讓壓縮機的潤滑出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，即采用填充聚四氟乙烯——一種自潤滑材料，對壓縮機進行改造，使之對被壓縮介質(zhì)的含油純度影響降為零，從而擴展了傳統(tǒng)往復(fù)活塞壓縮機在當(dāng)今工業(yè)工藝領(lǐng)域的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的稀油潤滑往復(fù)壓活塞縮機，機體內(nèi)盛有稀油，依靠油泵或動力飛濺將稀油運送至各潤滑點，對壓縮機的旋轉(zhuǎn)運動及往復(fù)直線運動的對磨面進行潤滑。這種壓縮機的活塞環(huán)及填料密封環(huán)采用金屬材質(zhì)，在油膜的減磨作用下進行壓縮工作，油氣分子不可避免地混入被壓縮介質(zhì)，改變了被壓縮介質(zhì)的純度。這在一些高要求的工藝過程中是不允許的，迫使壓縮機改變潤滑方式以適應(yīng)要求。
例如，氦氣很貴，大多產(chǎn)于美國，資源稀少加之政治因素提價限售。為了提高氦氣利用率，國內(nèi)氦氣回收行業(yè)興起，即利用壓縮機將使用過的氦氣升壓，經(jīng)過分子篩進行純化處理，從而獲得高純氦氣。如果在回收壓縮過程中混入壓縮機油不經(jīng)處理直接進入分子篩，會導(dǎo)致分子篩發(fā)生油醉，喪失提純功能。
相似的，電力行業(yè)的保護氣六氟化硫，也因價格昂貴且對大氣層有破壞作用，從而被要求回收再利用。在回收的過程中六氟化硫氣若混入壓縮機油，也會給后續(xù)提純帶來較為嚴重的影響?；烊胗头肿拥牧蚧旌蠚馊糁苯幼⑷敫邏弘姽駜?nèi)，滅不了電弧，會燒毀高壓電器，造成事故。
在化工行業(yè)中，若參與反應(yīng)的氣體含油可能會導(dǎo)致催化劑中毒失效而使整個反應(yīng)過程中斷。所以，在工藝流程中的氣體壓縮升壓過程，要嚴格控制壓縮機油。
為了實現(xiàn)氣體無油壓縮，壓縮機設(shè)計者想出了諸多辦法，例如:
1. 水循環(huán)壓縮機。改油潤滑為水潤滑，水比油好去除。典型的壓縮機有水潤滑螺桿壓縮機、液環(huán)壓縮機等。
1969年，法國發(fā)明第一臺高密封高效率的水潤滑螺桿壓縮機，這種技術(shù)制造出的壓縮機被用于軍工技術(shù)在軍艦上使用，長期對發(fā)展中國家進行封鎖。
今天的壓縮機技術(shù)，完全干摩擦的、完全無油的螺桿壓縮機已經(jīng)設(shè)計制造出來，無油、無水壓縮，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了氣體的潔凈壓縮，只不過價格稍貴。
2. 隔膜壓縮機。采用特殊設(shè)計的膜片將被壓縮介質(zhì)與外界分隔，在小流量高壓力范圍內(nèi)實現(xiàn)潔凈壓縮。
上述兩類全無油潤滑壓縮機中，水潤滑及螺桿壓縮機壓力范圍是低壓段，至多做到中壓，做不到高壓力；隔膜能做高壓力，但須先升高油壓力再驅(qū)動膜片壓縮氣體介質(zhì)，機器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高。
3. 無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機。由于新材料——聚四氟乙烯的出現(xiàn)，往復(fù)活塞壓縮機由原來的金屬密封環(huán)改為非金屬環(huán)，實現(xiàn)潤滑方式的質(zhì)變，即氣缸及填料的潤滑不再需要潤滑油，產(chǎn)生了一種新的全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機，實現(xiàn)了氣體介質(zhì)的完全無油壓縮。
上世紀中期，設(shè)計制造出了全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機，該機器曲軸箱為干式結(jié)構(gòu)，其連桿大、小孔、曲軸前后主軸承均采用雙端口密封的含脂球軸承。由于在運行中，無潤滑油與被壓縮介質(zhì)接觸，因此排出的被壓縮介質(zhì)氣體不含油氣，是對往復(fù)活塞壓縮機技術(shù)的全新發(fā)掘，面世后受到用戶歡迎。
圖1是一種全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機曲軸箱組件圖，圖中曲軸箱為開放型，箱內(nèi)無潤滑用稀油。曲軸組件的曲軸兩端及連桿大頭軸承都采用密封的深溝球軸承。曲軸兩端的主軸承分別由軸承座及端蓋固定在曲軸箱內(nèi)，曲軸完全固定在曲軸箱內(nèi)無竄動，連桿大頭與曲柄銷采用緊配合且有隔圈及擋圈固定，連桿大頭與大頭軸承間采用過盈配合且加以鉚固，控制了連桿的自由度。連桿小頭軸承采用滾針軸承，兩端對外安裝密封圈，防止?jié)櫥囊绯觥?/p>
活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，活塞與氣缸間通過密封件與支承件之間進行接觸摩擦，這個摩擦的減磨措施是采用自潤滑材料，即采用填充聚四氟乙烯材料制造密封環(huán)及支承環(huán)，實踐證明，這種方法行之有效。
在氟塑料中，聚四氟乙烯消耗量最大，用途最廣，它是氟塑料中的一個重要品種。聚四氟乙烯別名鐵氟龍、F4、特氟龍等，英文縮寫PTFE。制造方法是由四氟乙烯經(jīng)自由基聚合而成。聚四氟乙烯材料有棒、板、管、薄膜及各種異型形狀，廣泛用于航天、國防軍工、原子能、化工、石油、電子、機械、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
聚四氟乙烯是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳之一，因此得塑料王之美稱。它具有高化學(xué)穩(wěn)定性和強耐化學(xué)腐蝕能力，耐強堿、強酸、強氧化劑等，幾乎不受任何化學(xué)試劑腐蝕；它不燃燒，對氧、紫外線均極穩(wěn)定，有突出的耐熱、耐寒及耐摩性，摩擦系數(shù)是塑料中最小的，是理想的無油潤滑材料；長期使用溫度范圍為-200～+250℃，可使用溫度范圍為-190～+260℃。
表1是摘錄的PTFE物性參數(shù)表。
表中顯示，PTFE的磨擦系數(shù)0.11，抗拉強度及彈性模量數(shù)值均較高。
研究發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯可通過增強、填充復(fù)配和共混等多種手段進行改性，以彌補材料某些方面的缺陷，開發(fā)出新的復(fù)合材料能更好的適應(yīng)于機械、電子、電氣、航空航天、汽車等行業(yè)零部件的制備需求。
聚四氟乙烯中加入填充劑，從而改善和克服聚四氟乙烯的耐磨性、耐壓性及冷卻性。這些填充料要求能經(jīng)受住PTFE的燒結(jié)溫度，不與PTFE反應(yīng)，另外具有一定的粒度并能改善PTFE的一些物化性能。目前，填充材料主要有：無機類有玻璃纖維、銅、石墨、二硫化鉬、碳纖維等等，有機類材料主要是有機纖維和高分子聚合物。
填充改性后的PTFE的耐磨度可增加500倍以上，耐蠕變性、抗冷流性、硬度及尺寸穩(wěn)定性都有較大程度的提高與改善。
共混改性PTFE材料，相較于原材料性能也有明顯改變，典型如聚酰亞胺（PI）、聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）等，應(yīng)用范圍很廣，但在往復(fù)活塞壓縮機上的應(yīng)用不及填充PTFE。如聚醚醚酮主要用于氣閥閥片及單螺桿壓縮機星輪等。
全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計
氧氣壓縮機要求無油、不燃燒。
無油、壓縮機結(jié)構(gòu)上，前文述及全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機結(jié)構(gòu)：曲軸箱為干式結(jié)構(gòu)，連桿大、小頭、曲軸前后主軸承均采用密封型滾動軸承，確保在壓縮機運行中無潤滑油與被壓縮介質(zhì)接觸。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機用于壓縮氧氣時，軸承采用全氟醚潤滑脂，是一種化學(xué)惰性潤滑脂，高純氧氣環(huán)境下不燃燒。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機的密封環(huán)、支承環(huán)，在壓縮機內(nèi)高速運動，采用填充聚四氟乙烯材料。填充聚四氟乙烯化學(xué)惰性，在高純氧氣的環(huán)境下不燃燒。
所以，雖然氧氣是強氧化劑，在壓縮升壓時可能與油及一些材料在溫度合適的時候會燃燒，但針對氧氣設(shè)計的全無油潤滑往復(fù)活塞氧氣壓縮機壓縮氧氣是安全的，不論高中低壓。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機也有缺點，比如密封于軸承內(nèi)的潤滑脂會在長期運轉(zhuǎn)中由于溫度升高而使?jié)櫥l(fā)生蒸發(fā)和氧化分解，脂中的稠化劑也會因變質(zhì)而失去稠化效果。由于潤滑脂性能的改變，使用效果急劇下降，如不及時添加新的潤滑脂或更換全新軸承，機器會出現(xiàn)故障不能正常使用。另外，潤滑脂也有一定的工作期限，運轉(zhuǎn)條件惡劣，這些都將影響潤滑脂的壽命。故全無油潤滑壓縮機在使用一段時間后，都應(yīng)考慮更換軸承或添加新的潤滑脂。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機的軸承與軸瓦兩瓣型的滑動軸承不同，是整圈型，更換軸承或添加新的潤滑脂有一定的難度。要更換軸承或添加新脂，操作者必須具備一定的專業(yè)知識與技能。
利用全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機的安全性優(yōu)點，規(guī)避其缺點，設(shè)計出用于充瓶的高壓氧氣壓縮機，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：
壓縮機采用雙拐二列四級立式結(jié)構(gòu)
立式壓縮機技術(shù)發(fā)展到上世紀中期鼎盛時期，中小型立式壓縮機在工藝流程中得到廣泛應(yīng)用。占地面積小是其突出的優(yōu)點，可以做到較佳的慣性力的平衡。采用優(yōu)良密封結(jié)構(gòu)，密封住高壓已不是問題。具體地：
1. 立式壓縮機氣缸中心線垂直于地面，故氣缸鏡面不承受活塞組件的重力，十字頭滑道也不承受十字頭組件的重力?？赡芪氲姆蹓m或磨屑微粒也勻布于活塞頂面或活塞與氣缸的間隙內(nèi)，因此和其它結(jié)構(gòu)型式相比，立式壓縮機的氣缸、活塞環(huán)及填料磨損最小而且均勻，氣體密封條件最佳，氣缸和氣密元件工作壽命最長；
2. 氣缸、中間接筒和機身的截面中心，與多氣缸中心線重合，故作用在機身或中間接筒上的氣體力，都不會使其壁面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，所以壁厚可較薄，既減輕重量又節(jié)省原材料，滿足壓縮機輕量化的要求；
3. 多列立式壓縮機可采用適當(dāng)?shù)那e角，并控制各列的往復(fù)質(zhì)量，使一階、二階的往復(fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)慣性力實現(xiàn)機內(nèi)平衡，壓縮機的振動烈度很小，滿足惡劣工況條件要求。取兩列180°曲柄錯角，使得壓縮機結(jié)構(gòu)較為簡單，更使得壓縮機動力平衡達到較好的效果。
4. 因制造原因?qū)е碌奈雌胶舛A往復(fù)慣性力，垂直作用于基礎(chǔ)，較比水平方向作用于基礎(chǔ)時，易被基礎(chǔ)承受。
5. 立式壓縮機占地小，滿足狹小空間的要求。
6. 與臥式壓縮機相比，立式壓縮機具有較高的抗基礎(chǔ)不均勻沉陷能力。在一定的傾斜度內(nèi)，立式壓縮機不致使零件產(chǎn)生附加變形應(yīng)力，壓縮機的性能更穩(wěn)定。
7. 采用圖2所示的氣缸結(jié)構(gòu)，A、C腔為級壓縮腔，B為平衡腔的結(jié)構(gòu)，部份列活塞力相互抵消，明顯減小軸承負荷，實現(xiàn)軸承壽命的長久性。
8. 采用極低轉(zhuǎn)速，大幅度減小旋轉(zhuǎn)不平衡力，F(xiàn)=m*r*ω2=m*
式中：ω為旋轉(zhuǎn)角速度，ν為旋轉(zhuǎn)線速度。
從公式中可以看出，離心力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所以轉(zhuǎn)速的變化對不平衡力的影響較為明顯。不平衡力變小了，不平衡力矩相應(yīng)地變小，壓縮機的振動就變小，壓縮機軸承等受力件承受的額外附加力減小，壓縮機性能得以提高。
取低轉(zhuǎn)速，還程使得密封環(huán)及支承環(huán)運行速度降低，摩擦損耗明顯減小，壓縮機性能得以保證。
9. 取兩列立式結(jié)構(gòu)，四級壓縮，四個氣缸集中在一起，更利于外加風(fēng)扇進行集中換熱，有利于機器外形緊湊，適合用于場地狹小的空間。如圖3所示，獨立配備的風(fēng)機不僅對換熱器吹風(fēng)換熱，同時也對所有氣缸吹風(fēng)散熱。
采取兩列立式結(jié)構(gòu)設(shè)計的全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機，能夠達到JB/T12950《全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機》的要求，該標準規(guī)定：
標準還規(guī)定，全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機年平均可用度不小于90%，船用壓縮機環(huán)境條件為(6級海況)：
1. 橫搖：±22.5°
2. 縱搖：±7.5°
3. 橫傾：±15°
4. 縱傾：±5°
5. 搖擺周期：10s
6. 環(huán)境溫度：5～50℃
7. 鹽霧環(huán)境，濕度95%
8. 中修期500小時
全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機在船上的適應(yīng)性
全無油潤滑往復(fù)活塞壓綜機適合船上使用，理由如下：
1. 船用壓縮機與陸用壓縮機最大區(qū)別就是船體搖擺，為了應(yīng)對搖擺，全無油潤滑壓縮機有著先天優(yōu)勢，即壓縮機本體內(nèi)無稀潤滑油，省去了油的晃動控制。
2. 壓縮機各零部件以能在搖擺的海況下工作。結(jié)合圖1，曲軸組件在曲軸箱上，左右兩端分別由軸承座及端蓋限制，只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，連桿大頭固定在曲軸上，也只有一個自由度，連桿小頭受小頭軸承及活塞的限制，也只有一個小角的的旋轉(zhuǎn)自由度，即所有機件均受控。
3. 壓縮機換熱有保證。合理地確定壓縮機的壓縮級數(shù)、換熱器換熱面積及風(fēng)機風(fēng)量計算確定，就能夠有效地解決壓縮過程中及排出氣溫度的問題。
4. 表征壓縮機性能的指標滿足要求。這在全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機標準中給出了全面的關(guān)于流量、壓力、功耗及易損件的數(shù)值，按標準設(shè)計制造，性能上無問題。
5. 滿足防鹽霧要求。全無油潤滑氧氣壓縮機用材上大量使用不銹鋼，加之采取針對性的表面噴涂處理，防鹽霧已不是問題，所以它適合海船上使用。
6. 使用注意事項。具體地，壓縮機海船上使用，要在壓縮機機座下加裝隔震器，隔斷壓縮機與船體間的震動傳遞。
7. 全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機在船上使用，還必須遵從《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》，經(jīng)船檢達到要求后方可上船使用，例如采用船用電機等。
結(jié)語
全無油潤滑往復(fù)活塞壓氧氣壓縮機，目前排氣壓力已做到30MPa，其在壓縮氧氣方面的安全性及可靠性已被眾多用戶所證實，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及良好的性能為其上船提供了必要的基礎(chǔ)，相信做好必須的相關(guān)工作，全無油潤滑高壓氧氣壓縮機能為航海事業(yè)做出貢獻。
參考文獻
《容積式壓縮機技術(shù)手冊》郁永章
GB/T12928《船用中壓活塞式空氣壓縮機》
GB/T12929《船用高壓活塞式空氣壓縮機》
GB/T12930《潛水裝具用高壓活塞式空氣壓縮機 技術(shù)條件》
GB/T12933《船用低壓活塞式壓縮機》
GB/T12934《船舶控制設(shè)備用無油空氣壓縮機 技術(shù)條件》
GB/T14359《船用應(yīng)急活塞式空氣壓縮機》
GB/T12950《全無油潤滑高壓往復(fù)活塞氧氣壓縮機》
《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》
來源：本站原創(chuàng)
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文/蔡偉生
引言
隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，全無油潤滑高壓氧氣壓縮機技術(shù)進步，船上制供氧使用全無油潤滑高壓壓縮機成為可選項。本文從安全性及可靠性出發(fā)，對全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機進行分析，闡述了全無油潤滑高壓氧氣壓縮機上船的可行性。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機介紹
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些工業(yè)工藝流程對介質(zhì)壓縮的潔凈度要求越來越高，全無油壓縮機應(yīng)運而生。
上世紀中期，新材料——自潤滑材料的出現(xiàn)，讓壓縮機的潤滑出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，即采用填充聚四氟乙烯——一種自潤滑材料，對壓縮機進行改造，使之對被壓縮介質(zhì)的含油純度影響降為零，從而擴展了傳統(tǒng)往復(fù)活塞壓縮機在當(dāng)今工業(yè)工藝領(lǐng)域的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的稀油潤滑往復(fù)壓活塞縮機，機體內(nèi)盛有稀油，依靠油泵或動力飛濺將稀油運送至各潤滑點，對壓縮機的旋轉(zhuǎn)運動及往復(fù)直線運動的對磨面進行潤滑。這種壓縮機的活塞環(huán)及填料密封環(huán)采用金屬材質(zhì)，在油膜的減磨作用下進行壓縮工作，油氣分子不可避免地混入被壓縮介質(zhì)，改變了被壓縮介質(zhì)的純度。這在一些高要求的工藝過程中是不允許的，迫使壓縮機改變潤滑方式以適應(yīng)要求。
例如，氦氣很貴，大多產(chǎn)于美國，資源稀少加之政治因素提價限售。為了提高氦氣利用率，國內(nèi)氦氣回收行業(yè)興起，即利用壓縮機將使用過的氦氣升壓，經(jīng)過分子篩進行純化處理，從而獲得高純氦氣。如果在回收壓縮過程中混入壓縮機油不經(jīng)處理直接進入分子篩，會導(dǎo)致分子篩發(fā)生油醉，喪失提純功能。
相似的，電力行業(yè)的保護氣六氟化硫，也因價格昂貴且對大氣層有破壞作用，從而被要求回收再利用。在回收的過程中六氟化硫氣若混入壓縮機油，也會給后續(xù)提純帶來較為嚴重的影響?；烊胗头肿拥牧蚧旌蠚馊糁苯幼⑷敫邏弘姽駜?nèi)，滅不了電弧，會燒毀高壓電器，造成事故。
在化工行業(yè)中，若參與反應(yīng)的氣體含油可能會導(dǎo)致催化劑中毒失效而使整個反應(yīng)過程中斷。所以，在工藝流程中的氣體壓縮升壓過程，要嚴格控制壓縮機油。
為了實現(xiàn)氣體無油壓縮，壓縮機設(shè)計者想出了諸多辦法，例如:
1. 水循環(huán)壓縮機。改油潤滑為水潤滑，水比油好去除。典型的壓縮機有水潤滑螺桿壓縮機、液環(huán)壓縮機等。
1969年，法國發(fā)明第一臺高密封高效率的水潤滑螺桿壓縮機，這種技術(shù)制造出的壓縮機被用于軍工技術(shù)在軍艦上使用，長期對發(fā)展中國家進行封鎖。
今天的壓縮機技術(shù)，完全干摩擦的、完全無油的螺桿壓縮機已經(jīng)設(shè)計制造出來，無油、無水壓縮，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了氣體的潔凈壓縮，只不過價格稍貴。
2. 隔膜壓縮機。采用特殊設(shè)計的膜片將被壓縮介質(zhì)與外界分隔，在小流量高壓力范圍內(nèi)實現(xiàn)潔凈壓縮。
上述兩類全無油潤滑壓縮機中，水潤滑及螺桿壓縮機壓力范圍是低壓段，至多做到中壓，做不到高壓力；隔膜能做高壓力，但須先升高油壓力再驅(qū)動膜片壓縮氣體介質(zhì)，機器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高。
3. 無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機。由于新材料——聚四氟乙烯的出現(xiàn)，往復(fù)活塞壓縮機由原來的金屬密封環(huán)改為非金屬環(huán)，實現(xiàn)潤滑方式的質(zhì)變，即氣缸及填料的潤滑不再需要潤滑油，產(chǎn)生了一種新的全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機，實現(xiàn)了氣體介質(zhì)的完全無油壓縮。
上世紀中期，設(shè)計制造出了全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機，該機器曲軸箱為干式結(jié)構(gòu)，其連桿大、小孔、曲軸前后主軸承均采用雙端口密封的含脂球軸承。由于在運行中，無潤滑油與被壓縮介質(zhì)接觸，因此排出的被壓縮介質(zhì)氣體不含油氣，是對往復(fù)活塞壓縮機技術(shù)的全新發(fā)掘，面世后受到用戶歡迎。
圖1是一種全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機曲軸箱組件圖，圖中曲軸箱為開放型，箱內(nèi)無潤滑用稀油。曲軸組件的曲軸兩端及連桿大頭軸承都采用密封的深溝球軸承。曲軸兩端的主軸承分別由軸承座及端蓋固定在曲軸箱內(nèi)，曲軸完全固定在曲軸箱內(nèi)無竄動，連桿大頭與曲柄銷采用緊配合且有隔圈及擋圈固定，連桿大頭與大頭軸承間采用過盈配合且加以鉚固，控制了連桿的自由度。連桿小頭軸承采用滾針軸承，兩端對外安裝密封圈，防止?jié)櫥囊绯觥?/p>
活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，活塞與氣缸間通過密封件與支承件之間進行接觸摩擦，這個摩擦的減磨措施是采用自潤滑材料，即采用填充聚四氟乙烯材料制造密封環(huán)及支承環(huán)，實踐證明，這種方法行之有效。
在氟塑料中，聚四氟乙烯消耗量最大，用途最廣，它是氟塑料中的一個重要品種。聚四氟乙烯別名鐵氟龍、F4、特氟龍等，英文縮寫PTFE。制造方法是由四氟乙烯經(jīng)自由基聚合而成。聚四氟乙烯材料有棒、板、管、薄膜及各種異型形狀，廣泛用于航天、國防軍工、原子能、化工、石油、電子、機械、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
聚四氟乙烯是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳之一，因此得塑料王之美稱。它具有高化學(xué)穩(wěn)定性和強耐化學(xué)腐蝕能力，耐強堿、強酸、強氧化劑等，幾乎不受任何化學(xué)試劑腐蝕；它不燃燒，對氧、紫外線均極穩(wěn)定，有突出的耐熱、耐寒及耐摩性，摩擦系數(shù)是塑料中最小的，是理想的無油潤滑材料；長期使用溫度范圍為-200～+250℃，可使用溫度范圍為-190～+260℃。
表1是摘錄的PTFE物性參數(shù)表。
表中顯示，PTFE的磨擦系數(shù)0.11，抗拉強度及彈性模量數(shù)值均較高。
研究發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯可通過增強、填充復(fù)配和共混等多種手段進行改性，以彌補材料某些方面的缺陷，開發(fā)出新的復(fù)合材料能更好的適應(yīng)于機械、電子、電氣、航空航天、汽車等行業(yè)零部件的制備需求。
聚四氟乙烯中加入填充劑，從而改善和克服聚四氟乙烯的耐磨性、耐壓性及冷卻性。這些填充料要求能經(jīng)受住PTFE的燒結(jié)溫度，不與PTFE反應(yīng)，另外具有一定的粒度并能改善PTFE的一些物化性能。目前，填充材料主要有：無機類有玻璃纖維、銅、石墨、二硫化鉬、碳纖維等等，有機類材料主要是有機纖維和高分子聚合物。
填充改性后的PTFE的耐磨度可增加500倍以上，耐蠕變性、抗冷流性、硬度及尺寸穩(wěn)定性都有較大程度的提高與改善。
共混改性PTFE材料，相較于原材料性能也有明顯改變，典型如聚酰亞胺（PI）、聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）等，應(yīng)用范圍很廣，但在往復(fù)活塞壓縮機上的應(yīng)用不及填充PTFE。如聚醚醚酮主要用于氣閥閥片及單螺桿壓縮機星輪等。
全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計
氧氣壓縮機要求無油、不燃燒。
無油、壓縮機結(jié)構(gòu)上，前文述及全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機結(jié)構(gòu)：曲軸箱為干式結(jié)構(gòu)，連桿大、小頭、曲軸前后主軸承均采用密封型滾動軸承，確保在壓縮機運行中無潤滑油與被壓縮介質(zhì)接觸。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機用于壓縮氧氣時，軸承采用全氟醚潤滑脂，是一種化學(xué)惰性潤滑脂，高純氧氣環(huán)境下不燃燒。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機的密封環(huán)、支承環(huán)，在壓縮機內(nèi)高速運動，采用填充聚四氟乙烯材料。填充聚四氟乙烯化學(xué)惰性，在高純氧氣的環(huán)境下不燃燒。
所以，雖然氧氣是強氧化劑，在壓縮升壓時可能與油及一些材料在溫度合適的時候會燃燒，但針對氧氣設(shè)計的全無油潤滑往復(fù)活塞氧氣壓縮機壓縮氧氣是安全的，不論高中低壓。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機也有缺點，比如密封于軸承內(nèi)的潤滑脂會在長期運轉(zhuǎn)中由于溫度升高而使?jié)櫥l(fā)生蒸發(fā)和氧化分解，脂中的稠化劑也會因變質(zhì)而失去稠化效果。由于潤滑脂性能的改變，使用效果急劇下降，如不及時添加新的潤滑脂或更換全新軸承，機器會出現(xiàn)故障不能正常使用。另外，潤滑脂也有一定的工作期限，運轉(zhuǎn)條件惡劣，這些都將影響潤滑脂的壽命。故全無油潤滑壓縮機在使用一段時間后，都應(yīng)考慮更換軸承或添加新的潤滑脂。
全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機的軸承與軸瓦兩瓣型的滑動軸承不同，是整圈型，更換軸承或添加新的潤滑脂有一定的難度。要更換軸承或添加新脂，操作者必須具備一定的專業(yè)知識與技能。
利用全無油潤滑往復(fù)活塞壓縮機的安全性優(yōu)點，規(guī)避其缺點，設(shè)計出用于充瓶的高壓氧氣壓縮機，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：
壓縮機采用雙拐二列四級立式結(jié)構(gòu)
立式壓縮機技術(shù)發(fā)展到上世紀中期鼎盛時期，中小型立式壓縮機在工藝流程中得到廣泛應(yīng)用。占地面積小是其突出的優(yōu)點，可以做到較佳的慣性力的平衡。采用優(yōu)良密封結(jié)構(gòu)，密封住高壓已不是問題。具體地：
1. 立式壓縮機氣缸中心線垂直于地面，故氣缸鏡面不承受活塞組件的重力，十字頭滑道也不承受十字頭組件的重力?？赡芪氲姆蹓m或磨屑微粒也勻布于活塞頂面或活塞與氣缸的間隙內(nèi)，因此和其它結(jié)構(gòu)型式相比，立式壓縮機的氣缸、活塞環(huán)及填料磨損最小而且均勻，氣體密封條件最佳，氣缸和氣密元件工作壽命最長；
2. 氣缸、中間接筒和機身的截面中心，與多氣缸中心線重合，故作用在機身或中間接筒上的氣體力，都不會使其壁面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，所以壁厚可較薄，既減輕重量又節(jié)省原材料，滿足壓縮機輕量化的要求；
3. 多列立式壓縮機可采用適當(dāng)?shù)那e角，并控制各列的往復(fù)質(zhì)量，使一階、二階的往復(fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)慣性力實現(xiàn)機內(nèi)平衡，壓縮機的振動烈度很小，滿足惡劣工況條件要求。取兩列180°曲柄錯角，使得壓縮機結(jié)構(gòu)較為簡單，更使得壓縮機動力平衡達到較好的效果。
4. 因制造原因?qū)е碌奈雌胶舛A往復(fù)慣性力，垂直作用于基礎(chǔ)，較比水平方向作用于基礎(chǔ)時，易被基礎(chǔ)承受。
5. 立式壓縮機占地小，滿足狹小空間的要求。
6. 與臥式壓縮機相比，立式壓縮機具有較高的抗基礎(chǔ)不均勻沉陷能力。在一定的傾斜度內(nèi)，立式壓縮機不致使零件產(chǎn)生附加變形應(yīng)力，壓縮機的性能更穩(wěn)定。
7. 采用圖2所示的氣缸結(jié)構(gòu)，A、C腔為級壓縮腔，B為平衡腔的結(jié)構(gòu)，部份列活塞力相互抵消，明顯減小軸承負荷，實現(xiàn)軸承壽命的長久性。
8. 采用極低轉(zhuǎn)速，大幅度減小旋轉(zhuǎn)不平衡力，F(xiàn)=m*r*ω2=m*
式中：ω為旋轉(zhuǎn)角速度，ν為旋轉(zhuǎn)線速度。
從公式中可以看出，離心力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所以轉(zhuǎn)速的變化對不平衡力的影響較為明顯。不平衡力變小了，不平衡力矩相應(yīng)地變小，壓縮機的振動就變小，壓縮機軸承等受力件承受的額外附加力減小，壓縮機性能得以提高。
取低轉(zhuǎn)速，還程使得密封環(huán)及支承環(huán)運行速度降低，摩擦損耗明顯減小，壓縮機性能得以保證。
9. 取兩列立式結(jié)構(gòu)，四級壓縮，四個氣缸集中在一起，更利于外加風(fēng)扇進行集中換熱，有利于機器外形緊湊，適合用于場地狹小的空間。如圖3所示，獨立配備的風(fēng)機不僅對換熱器吹風(fēng)換熱，同時也對所有氣缸吹風(fēng)散熱。
采取兩列立式結(jié)構(gòu)設(shè)計的全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機，能夠達到JB/T12950《全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機》的要求，該標準規(guī)定：
標準還規(guī)定，全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機年平均可用度不小于90%，船用壓縮機環(huán)境條件為(6級海況)：
1. 橫搖：±22.5°
2. 縱搖：±7.5°
3. 橫傾：±15°
4. 縱傾：±5°
5. 搖擺周期：10s
6. 環(huán)境溫度：5～50℃
7. 鹽霧環(huán)境，濕度95%
8. 中修期500小時
全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機在船上的適應(yīng)性
全無油潤滑往復(fù)活塞壓綜機適合船上使用，理由如下：
1. 船用壓縮機與陸用壓縮機最大區(qū)別就是船體搖擺，為了應(yīng)對搖擺，全無油潤滑壓縮機有著先天優(yōu)勢，即壓縮機本體內(nèi)無稀潤滑油，省去了油的晃動控制。
2. 壓縮機各零部件以能在搖擺的海況下工作。結(jié)合圖1，曲軸組件在曲軸箱上，左右兩端分別由軸承座及端蓋限制，只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，連桿大頭固定在曲軸上，也只有一個自由度，連桿小頭受小頭軸承及活塞的限制，也只有一個小角的的旋轉(zhuǎn)自由度，即所有機件均受控。
3. 壓縮機換熱有保證。合理地確定壓縮機的壓縮級數(shù)、換熱器換熱面積及風(fēng)機風(fēng)量計算確定，就能夠有效地解決壓縮過程中及排出氣溫度的問題。
4. 表征壓縮機性能的指標滿足要求。這在全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機標準中給出了全面的關(guān)于流量、壓力、功耗及易損件的數(shù)值，按標準設(shè)計制造，性能上無問題。
5. 滿足防鹽霧要求。全無油潤滑氧氣壓縮機用材上大量使用不銹鋼，加之采取針對性的表面噴涂處理，防鹽霧已不是問題，所以它適合海船上使用。
6. 使用注意事項。具體地，壓縮機海船上使用，要在壓縮機機座下加裝隔震器，隔斷壓縮機與船體間的震動傳遞。
7. 全無油潤滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機在船上使用，還必須遵從《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》，經(jīng)船檢達到要求后方可上船使用，例如采用船用電機等。
結(jié)語
全無油潤滑往復(fù)活塞壓氧氣壓縮機，目前排氣壓力已做到30MPa，其在壓縮氧氣方面的安全性及可靠性已被眾多用戶所證實，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及良好的性能為其上船提供了必要的基礎(chǔ)，相信做好必須的相關(guān)工作，全無油潤滑高壓氧氣壓縮機能為航海事業(yè)做出貢獻。
參考文獻
《容積式壓縮機技術(shù)手冊》郁永章
GB/T12928《船用中壓活塞式空氣壓縮機》
GB/T12929《船用高壓活塞式空氣壓縮機》
GB/T12930《潛水裝具用高壓活塞式空氣壓縮機 技術(shù)條件》
GB/T12933《船用低壓活塞式壓縮機》
GB/T12934《船舶控制設(shè)備用無油空氣壓縮機 技術(shù)條件》
GB/T14359《船用應(yīng)急活塞式空氣壓縮機》
GB/T12950《全無油潤滑高壓往復(fù)活塞氧氣壓縮機》
《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》
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