微型無油壓縮機用活塞環(huán)改進設計

謝傳東， 劉志龍，曹斌，舒悅，劉曉明

（1.合肥通用機械研究院有限公司壓縮機技術國家重點實驗室；2.合肥通用環(huán)境控制技術有限責任公司，安徽 合肥 230031）

1 前言

微型無油壓縮機氣缸和曲軸箱內(nèi)均無液體潤滑油，所得壓縮介質無油污，具有環(huán)保、設備簡單、免維護等優(yōu)點。尤其在需要潔凈氣體品質的特殊領域，微型無油壓縮機具有無可替代的優(yōu)勢。隨著微型無油壓縮機應用領域的不斷拓展和相關工業(yè)技術的發(fā)展，微型無油壓縮機的技術要求也越來越高。微型無油壓縮機需要在保證一定效率的前提下適應更寬的環(huán)境溫度、愈加苛刻的進氣條件等要求，對微型無油壓縮機關鍵部件的性能提出了更高的要求?；钊h(huán)作為微型無油壓縮機的關鍵部件之一，其結構形式和設計參數(shù)對壓縮機性能有著重要的影響，因此，進行活塞環(huán)的結構優(yōu)化改進具有重要意義。

2 活塞環(huán)結構改進

活塞環(huán)在微型無油壓縮機氣缸內(nèi)主要起到密封作用。傳統(tǒng)微型無油壓縮機用活塞環(huán)為搭接口形式，采用填充聚四氟乙烯自潤滑材料 ，如圖1（a）所示。

由于考慮材料的熱膨脹和活塞環(huán)的裝配，活塞環(huán)必須保留一定開口間隙，間隙的存在使得活塞環(huán)下半部和氣缸鏡面間必然存在一個泄漏流道，泄漏流道的大小直接受開口間隙的影響，圖1（b）為泄漏流道處的剖面圖。

圖1 傳統(tǒng)活塞環(huán)結構

活塞環(huán)間隙直接影響壓縮機的泄漏量，通過對某額定排氣量為0.0008kg/s的微型無油壓縮機活塞環(huán)泄漏流道進行CFD數(shù)值仿真分析，計算域如圖2所示。最后，得到活塞環(huán)開口處的泄漏量與開口間隙的關系，如圖3所示?？芍钊h(huán)泄漏量與活塞環(huán)開口間隙呈線性變化關系，當開口間隙達到1mm時，泄漏量接近額定排氣量的一半，且相同開口間隙下，兩道活塞環(huán)開口重合布置下的泄漏量略高于錯口180°布置時泄漏量。

圖2 泄漏流道計算域

圖3 泄漏量隨開口間隙變化規(guī)律

由于活塞環(huán)材料線脹系數(shù)遠大于金屬的線脹系數(shù)，所以活塞環(huán)間隙受環(huán)境溫度影響顯著。通過建立活塞環(huán)熱固耦合分析模型，可得常溫時初始間隙為0.2mm條件下活塞環(huán)間隙隨溫度的變化關系，如圖4所示?？芍钊h(huán)間隙與環(huán)境溫度呈線性關系，溫度每降低20K，活塞環(huán)間隙增加約0.05mm，其次，活塞環(huán)本身處于動態(tài)磨損狀態(tài)，活塞環(huán)間隙會隨壓縮機服役時間的增加逐漸變大。由上述分析可知，由于活塞環(huán)開口間隙受溫度及磨損狀態(tài)影響明顯，活塞環(huán)間隙又直接影響泄漏量，要改善活塞環(huán)的密封性能，必須降低泄漏量對開口間隙的敏感性，以確保活塞環(huán)在較大的開口間隙下同樣具有較小的泄漏量。

圖4 活塞環(huán)開口間隙隨溫度變化規(guī)律

針對傳統(tǒng)搭接口形式活塞環(huán)密封結構的缺點，本文提出了一種改進活塞環(huán)結構，如圖5所示。

由圖可知，改進活塞環(huán)采用雙階梯型活塞環(huán)開口，新的開口形式基本消除了傳統(tǒng)搭接口活塞環(huán)存在的固有泄漏流道；同時，改進活塞環(huán)采用周向固定結構，使得相鄰兩道活塞環(huán)錯口180°布置，保證了最長泄漏路徑，可進一步降低泄漏。

圖5 改進活塞環(huán)結構

3 結語

本文對傳統(tǒng)形式的微型無油壓縮機用活塞環(huán)泄漏進行了建模分析，研究了泄漏量隨開口間隙的變化關系及開口間隙受環(huán)境溫度的影響規(guī)律，最后，提出了一種改進的活塞環(huán)結構。改進的活塞環(huán)結構基本消除了傳統(tǒng)結構存在的泄漏流道，同時，保證了最長泄漏路徑，最終可提高活塞環(huán)的密封性并能適應更寬的環(huán)境工況。