無油潤滑往復(fù)壓縮機關(guān)鍵技術(shù)分析

董 稹，王躍飛

（重慶氣體壓縮機廠有限責(zé)任公司，重慶 400037）

1 引言

由于對氣質(zhì)要求嚴格，在石油、化工、醫(yī)藥、食品及航空航天等部門使用的壓縮機都趨向采用無油潤滑技術(shù)，并且對其使用壽命的要求越來越高。壓縮氣體中所含的油來源于潤滑活塞環(huán)與缸或缸套間、填料密封元件和活塞桿間的摩擦所需的潤滑油，所以壓縮機實現(xiàn)無油潤滑的關(guān)鍵在于如何在無油潤滑的狀態(tài)下保證活塞環(huán)和填料密封的使用壽命。本文對自潤滑材料、密封壓差、冷卻條件、密封結(jié)構(gòu)及活塞平均速度等影響因素進行分析，根據(jù)結(jié)果對活塞環(huán)及填料密封的無油設(shè)計提出建議。

2 關(guān)鍵因素分析

實現(xiàn)壓縮機無油潤滑的核心在于活塞環(huán)和填料函密封部位，而影響活塞環(huán)和填料密封的關(guān)鍵因素包括自潤滑材料、密封壓差、冷卻條件、密封結(jié)構(gòu)及活塞平均速度。

2.1 自潤滑材料

自潤滑材料的質(zhì)量直接決定了密封元件的性能及可靠性。材料摩擦系數(shù)要小，并具有一定的剛性、強度、耐磨性和耐溫性，以滿足實際使用要求[1]。常用的自潤滑材料有聚四氟乙烯（PTFE），聚酰亞胺（PI）及聚醚醚酮（PEEK）等[1-3]。其中，最常用的是PTFE，但PTFE具有“冷流”特性，冷流是指塑料在高溫高壓條件變軟流入低壓側(cè)的縫隙中形成飛邊的現(xiàn)象，如圖1所示，所以實際應(yīng)用中常通過添加不同組分來改善PTFE的性能，以達到使用要求。

采用無油潤滑的某氮氫氣壓縮機高壓段氣缸，使用FH-1A金屬塑料的活塞環(huán)，在31 MPa的高壓下工作壽命達到了4000 h[4]。FH-1A是在燒結(jié)形成的多孔銅粉層中浸漬PTFE材料，使之既具有PTFE摩擦因數(shù)低的性能，又具有金屬材料傳熱性能好、熱膨脹系數(shù)小、熱強度好的優(yōu)點。碳纖維增強復(fù)合材料不僅機械性能優(yōu)良，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，可以很好的克服PTFE冷流的缺點。但是，該材料性脆，抗沖擊性和高溫抗氧化性差，而且原材料和制作成本較高。

2.2 密封壓差Δp

活塞環(huán)兩側(cè)的密封壓差隨實際工況不同而不同，主要取決于活塞環(huán)所分隔的兩側(cè)氣腔的壓力差。填料密封卻不同，因其密封的一側(cè)通常是大氣狀態(tài)，所以它所承受的壓力差取決于氣缸內(nèi)的排氣壓力，且密封壓差一般較大[5]。

壓縮機工作過程中，活塞環(huán)與填料環(huán)的受力情況如圖2所示，對于活塞環(huán)，雖然環(huán)內(nèi)表面緊貼在氣缸或缸套內(nèi)壁上，但二者之間依然有間隙，它的一端作用有壓力p1，另一端作用有壓力p3，假設(shè)壓力沿環(huán)高是直線分布的，則有

不考慮活塞環(huán)厚度的影響，且認為p2≈p1，可得活塞環(huán)與氣缸或缸套之間的比壓pa為

式中 p1——高壓側(cè)壓力，Pa

p3——低壓側(cè)壓力，Pa

p2——環(huán)槽內(nèi)壓力，Pa

pa——比壓，Pa

di——活塞環(huán)內(nèi)徑，m

do——活塞環(huán)外徑，m

h——活塞環(huán)高度，m

Δp——密封壓差，Pa

同理可得，填料密封環(huán)與活塞桿表面間的比壓pa為

壓縮機工作過程中，摩擦副（活塞環(huán)與氣缸或缸套，填料環(huán)與活塞桿）間的摩擦力F可由式（4）計算

式中 F——摩擦力，N

μ——摩擦系數(shù)

A——接觸面積，m2

壓縮機一個工作周期內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱Q可由式（2）計算

式中 Q——摩擦熱，J

S——行程，m

由式（1）至（5）可知，工作過程中摩擦副間的比壓pa隨著密封壓差Δp增加而增大，而摩擦熱與摩擦力成正比，摩擦力正比于比壓，所以密封壓差越大生成的摩擦熱量越多。

圖1 密封元件冷流失效

圖2 密封元件受力分析

2.3 冷卻條件

溫度是影響活塞環(huán)及填料密封元件壽命的最重要因素，所以摩擦熱的導(dǎo)出是關(guān)鍵，若摩擦熱不能及時導(dǎo)出，則摩擦部位溫度將急速上升，從而引起密封元件冷流失效。氣缸一般均設(shè)有冷卻水套，活塞環(huán)散熱條件相對較好，所以其使用壽命主要取決于自潤滑材料的性能。而填料密封即使有冷卻措施，大多數(shù)都只是在填料盒上通冷卻水，不能直接冷卻摩擦面（也有少數(shù)在活塞桿內(nèi)通冷卻液），散熱效果差。因此，在實現(xiàn)壓縮機無油潤滑時，填料密封的工作環(huán)境更為惡劣，問題更加突出，無油設(shè)計中應(yīng)改善密封元件間壓差分布不均的情況，以降低各組尤其是前幾組填料密封元件的密封壓差，從源頭上減少摩擦熱；同時對填料密封的冷卻結(jié)構(gòu)進行改進，使冷卻通道盡量靠近摩擦部位，提高冷卻效果，從而保證工作溫度不超標，延長填料密封使用壽命，提高可靠性。

2.4 密封結(jié)構(gòu)

在中、低壓壓縮機中，填料環(huán)的受力情況與活塞環(huán)相同，即壓差分布不均勻，靠近氣缸側(cè)的一組填料環(huán)承受大部分壓差，壽命最短，當其密封能力逐步降低后，再由下一套承受主要負荷，依此類推。但對于高壓壓縮機，其填料密封的工作壓差極高（如循環(huán)壓縮機，將承擔32 MPa的密封壓差），無法在較長時間內(nèi)由靠近氣缸側(cè)的填料環(huán)組單獨承擔主要負荷，而是氣體不斷的往下一組泄漏，當下一套填料腔中的氣體壓力逐步升高后，則第一套填料環(huán)前、后的壓力差就很小，這套填料環(huán)就基本上得到“解放”，以此類推，直至最后一套填料環(huán)的腔中壓力逐步升高后，它的后面就是大氣壓力，這套填料環(huán)的負荷無法再往后轉(zhuǎn)移，它將在很高的壓力差下工作，一直維持到它大量磨損，密封失效，再由它的前面一套填料環(huán)來頂替它的工作。

為了降低密封環(huán)的密封壓差，延長使用壽命，填料密封結(jié)構(gòu)可增加節(jié)流部分，同時在密封環(huán)組中加裝阻流環(huán)。工作時先通過節(jié)流環(huán)限制和控制泄漏的氣流，經(jīng)過2～3層節(jié)流，使氣體壓力降低，即降低了密封環(huán)組的密封壓差，以達到延長使用壽命的目的。節(jié)流環(huán)還有一個重要作用，是在進氣過程中阻止氣體快速膨脹返流回氣缸中。氣缸內(nèi)壓力隨著吸氣過程的進行而快速降至進氣壓力，填料盒中壓力高于缸內(nèi)壓力，氣體在壓差作用下有返流的趨勢，若沒有節(jié)流環(huán)，密封環(huán)將“爆開”，導(dǎo)致密封環(huán)過早失效和損壞[6]。低壓工況時，密封部分采用RT型密封環(huán)，如圖3（a）所示；在高壓工況下，采用RTB型密封環(huán)，如圖3（b）所示，即在背離氣缸工作腔一側(cè)的RT型密封環(huán)后加一個阻流環(huán)B型環(huán)，目的是在高壓情況下，防止T型環(huán)沿軸向出現(xiàn)冷流現(xiàn)象。

高壓無油工況下，填料密封環(huán)的使用壽命主要取決于阻流環(huán)。阻流環(huán)和活塞桿間應(yīng)保持一個均勻而極小的徑向間隙，才能使密封環(huán)在氣體壓力的作用下幾乎無縫可鉆，保持完整。間隙值的選擇十分重要，間隙過大，無法保證阻流作用；間隙太小，又存在拉毛活塞桿的隱患，即在活塞桿與氣缸的同心度較差或運轉(zhuǎn)中活塞桿有較大徑向跳動時，阻流環(huán)與活塞桿就有接觸的可能。

根據(jù)經(jīng)驗，阻流環(huán)內(nèi)徑與活塞桿間的間隙δ可由下式?jīng)Q定[7]

銅材質(zhì)的阻流環(huán)

δ=0.35%～0.4%d

尼龍材質(zhì)的阻流環(huán)

δ=0.25%～0.3%d

式中 δ——間隙值，m

d——活塞桿直徑，m

圖3 填料密封元件[6]

2.5 活塞平均速度

活塞的平均速度由轉(zhuǎn)速n和行程S決定

式中 vm——活塞平均速度，m/s

n——轉(zhuǎn)速，r/min

活塞的平均速度vm不宜過大。vm反映了活塞環(huán)及填料密封的磨損情況。當摩擦表面所受作用力大小相同時，vm值越高，則在單位時間內(nèi)受摩擦的距離越長，磨損越嚴重且產(chǎn)生更多的摩擦熱，相同條件下，溫升越大。此外，壓力和速度的乘積pv值是自潤滑材料工作條件的標志。每一種材料都有其本身的極限pv值和許用pv值。pv值在一定范圍內(nèi)與磨損成正比關(guān)系，超過此范圍，磨損就陡然增加，直至燒毀。對于無油潤滑壓縮機，應(yīng)合理選擇轉(zhuǎn)速和行程，使活塞的平均速度控制在3.5 m/s以下。

3 結(jié)論

摩擦熱的生成及導(dǎo)出是實現(xiàn)活塞環(huán)及填料密封無油潤滑的關(guān)鍵。摩擦熱量隨著密封壓差增大而增加，而工況條件和密封結(jié)構(gòu)決定了密封環(huán)間壓力分配，即確定了密封元件的密封壓差?；钊骄俣戎苯佑绊懩Σ翢岬纳伤俾?，活塞平均速度越快，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱量越多。摩擦熱能否及時導(dǎo)出關(guān)乎密封元件的使用壽命?；钊h(huán)散熱條件相對較好，所以其使用壽命主要取決于自潤滑材料的性能，但填料密封散熱效果差，為保證使用壽命應(yīng)特別關(guān)注自潤滑材料的耐高溫性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計上需改善密封環(huán)間壓差分配不均的情況，以降低各組密封環(huán)的密封壓差，并將活塞平均速度控制在合理范圍之內(nèi)。