活塞式壓縮機 概 述 一、活塞式壓縮機的基本構(gòu)成 活塞式壓縮機主要由傳動機構(gòu)工作部件及機體組成。此外還有潤滑、冷卻、調(diào)節(jié)等輔助系統(tǒng)。 圖所示為一L型壓縮機。它的傳動機構(gòu)是曲柄連桿機構(gòu)，由電機通過皮帶輪帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，連桿大頭裝在曲軸的曲柄銷上，其小頭與十字頭相連。因此，曲柄通過連桿帶動十字頭在滑道內(nèi)作往復運動，再由十字頭帶動活塞組件(包括活塞及活塞桿等)在氣缸內(nèi)作往復運動。由一根連桿所對應(yīng)的氣缸活塞組為一列。本機有兩個連桿分別對應(yīng)著一列氣缸活塞組，該機共有兩列。 工作部件包括氣缸、氣閥組件、活塞組件及填料組件。氣缸的內(nèi)表面與活塞工作端面所形成的空間是實現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。氣閥裝在氣缸上，控制氣體作單向流動，即吸氣閥只從進氣管向工作腔吸氣，排氣閥只能從工作腔向排氣管排氣。氣閥的啟閉動作主要由缸內(nèi)外壓差及氣閥彈簧控制?；钊跉飧變?nèi)作往復運動時，工作腔的容積作周期性變化，它與吸排氣閥的啟閉動作相配合，實現(xiàn)有膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程的工作循環(huán)，從而不斷吸入低壓氣體、排出壓縮后的高壓氣體。本機為雙作用氣缸，即曲軸每轉(zhuǎn)一周，帶動活塞在缸內(nèi)往復一次，氣缸兩側(cè)各實現(xiàn)一次工作循環(huán)。圖示壓縮機兩缸的直徑相同，所以是一個雙缸雙作用單級壓縮機。 壓縮機的潤滑分兩個系統(tǒng)。一個供傳動機構(gòu)的潤滑，通常用機油潤滑，靠軸頭的齒輪油泵循環(huán)供油；另一個供氣缸內(nèi)工作部件的潤滑，采用壓縮機油，靠注油器注入氣缸。 冷卻系統(tǒng)有冷卻氣體的中間冷卻器、后冷卻器、潤滑油冷卻器及氣缸的水套冷卻等減荷閥、安全閥是該機的控制與安全系統(tǒng)。 二、活塞式壓縮機的特點 與離心壓縮機相比，活塞式壓縮機的優(yōu)點是： 1適用壓力范圍廣。這種機器依靠工作容積變化的原理工作，因而不論其流量大小，都能達到很高的工作壓力。目前工業(yè)上超高壓壓縮機的工作壓力已可達350MPa。 2熱力效率較高，功率消耗較其它型式壓縮機低。 3對介質(zhì)及排氣量的適應(yīng)性強?？捎糜谳^大的排氣量范圍，且排氣量受排氣壓力變化的影響較小。另外當介質(zhì)密度改變時，壓縮機的容積排量和排氣壓力的變化也較小。 其主要缺點是因往復慣性力大，使轉(zhuǎn)速不能太高，故機器較笨重，大排量者尤甚。結(jié)構(gòu)復雜、易損件多，使維修工作量大。此外，由于排氣不連續(xù)，造成氣流壓力脈動，易產(chǎn)生氣柱振動。 由于以上特點，活塞壓縮機主要適用于中、小流量而壓力較高的場合、目前國內(nèi)活塞式壓縮機的應(yīng)用仍最廣泛，在采礦、冶金、機械、建筑等部門用空壓機提供壓縮空氣作為動力；在石油化工廠中，用壓縮機輸送工藝氣休或動力氣體，在工藝流程中把介質(zhì)壓縮到反應(yīng)所需的壓力等。 目前活塞壓縮機在結(jié)構(gòu)參數(shù)上趨向適當?shù)母咿D(zhuǎn)速和適當?shù)亩绦谐?，使結(jié)構(gòu)更緊湊。小型壓縮機向快裝、無專門基礎(chǔ)的機組化方向發(fā)展。 由于近年來在壓縮機氣閥、氣流脈動和振動方面的研究取得不步進展，在延長易損件壽命方面也作了不少工作，從而改善了壓縮機的性能，提高了運轉(zhuǎn)率，這些都使活塞壓縮機克服其弱點，得以揚長避短，更好地發(fā)揮其節(jié)能特點。 優(yōu)化設(shè)計理論的發(fā)展和計算機的普遍應(yīng)用，為更合理地選取設(shè)計參數(shù)、提高節(jié)能效益開創(chuàng)了新的前景。 三、活塞式壓縮機的分類與型號 1分類 活塞式壓縮機可從不同角度分類，簡要敘述于表中。其結(jié)構(gòu)示意如圖： 2活塞壓縮機的型號 活塞壓縮機的使用范圍十分廣泛，為了選擇使用的方便；機械工業(yè)部標準(JB258986)規(guī)定了容積式壓縮機型號的編制方法，此標準適用于除制冷壓縮機外的容積式壓縮機。其型號命名如下：示例： (1)WWD-0810型空氣壓縮機 往復活塞式，w型，無潤滑，低噪聲罩式。公稱容積流量08mmin，公稱排氣表壓力10Pa。 (2)VY-67型空氣壓縮機 往復活塞式，V型，移動式，公稱容積流量6 mmin，公稱排氣表壓力7 Pa。 (3)L-227型空氣壓縮機 往復活塞式，L型，公稱容積流量22 mmin，公稱排氣表壓力7 Pa。 (4)P-3285-320型氮氫氣循環(huán)壓縮機 - 往復活塞式，臥式，公稱容積流量3 mmin，公稱吸氣表壓力285 Pa，公稱排氣表壓力320 Pa。 (5)H-140320型氮氨氣壓縮機往復活塞式，H型，公稱容積流量140 mmin，公稱排氣表壓力320 Pa。 活塞壓縮機的工作循環(huán) 一、理論工作循環(huán)1.理論工作循環(huán)指示圖 首先討論壓縮機一個級的理論循環(huán)。為了研究問題方便，先對壓縮機的工作過程作如下的簡化假設(shè)： (1)壓縮機氣缸沒有余隙容積，即排氣終了時缸內(nèi)氣體全部排盡； (2)吸、排氣過程無阻力損失，無壓力脈動，無熱交換。即在進、排氣過程中，氣體的溫度、壓力不變，并分別與進、排氣管內(nèi)狀態(tài)相同； (3)氣體壓縮的過程指數(shù)在全過程中為常數(shù)； (4)氣缸壓縮工作容積絕對嚴密，沒有氣體泄漏。 在上述假設(shè)前提下，壓縮機的工作循環(huán)可簡化為如圖4 31所示的三個過程的理論循環(huán)。 吸氣活塞自左向右移動時吸氣閥立即打開，氣體在壓力下進入氣缸，在圖中的41線所示； 壓縮活塞從內(nèi)止點向左移動，吸、排氣閥均關(guān)閉。由于活塞移動，缸內(nèi)容積變小，氣體被壓縮，壓力上升，直到缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓相等為止。圖中12線所示。 排氣活塞繼續(xù)向左移動，排氣閥打開，氣體在壓力下從氣缸排到排氣管內(nèi)。圖中23線所示。到外止點時缸內(nèi)氣體被排盡。 這樣完成了一個理論工作循環(huán)，缸內(nèi)瞬時壓力和容積作周期性變化，描述理論工作循環(huán)中的PV圖稱為理論指示圖?；钊麅?nèi)、外止點間的距離稱為行程，用S表示。 這里應(yīng)注意兩個問題：一是指示圖上的橫座標是氣缸容積V，而不是熱力學中所用的比容v，因為在進、排氣過程中氣體容積V是變化的，而比容并不變化(狀態(tài)不變)，由此看出，理論循環(huán)的三個過程中只有壓縮過程是真正的熱力過程，二是壓縮機的排氣壓力取決于排氣管道中的壓力，即壓縮機排氣閥后面系統(tǒng)中的壓力，也稱為背壓。壓縮機銘牌上所標的排氣壓力是該機可以長期工作的排氣壓力，機器的排氣量、功率及機件的強度都按此壓力設(shè)計。在生產(chǎn)過程中實際排氣壓力隨系統(tǒng)中用氣量和壓力的變化而變化。如果系統(tǒng)中用氣量很大，而壓縮機排氣量小于用氣量，則系統(tǒng)壓力建立不起來。實際生產(chǎn)中總是按壓縮機排氣量大于用氣量來設(shè)計和選用壓縮機，采取一定的調(diào)節(jié)措施，使用氣量與壓縮機排氣量相適應(yīng)并保持一定的壓力。如果不采用調(diào)節(jié)措施則系統(tǒng)中因氣體積累而使壓力不斷升高，壓縮機排氣壓力也隨之升高，會因壓縮機功率超載或機件受力超過強度極限而出現(xiàn)事故。線為AB。當缸內(nèi)壓力高于排氣管道內(nèi)壓力如并足以克服排氣閥阻力而頂開排氣閥時才開始排氣過程，排氣過程中壓力也是波動的，當活塞回到外止點時，排氣過程終了，如此完成了一個工作循環(huán)。二、實際工作循環(huán)實際壓縮機中，前述理論工作循環(huán)的簡化假設(shè)是不可能實現(xiàn)的。由于在壓縮機設(shè)計中為避免活塞與缸蓋相撞和滿足氣閥安裝的需要以及氣閥本身結(jié)構(gòu)等因素，造成排氣終了（活塞行至止點）時，氣缸與活塞端部仍然有一定空隙，稱為余隙容積，在余隙容積中的氣體無法排盡。此外在吸、排氣過程中存在阻力損失。氣體與缸壁有熱交換。這些因素使實際工況要比理論工況復雜的多。 圖4-3.2表示壓縮機一個單作用級的實際工作循環(huán)。排氣終了活塞行至外止點，由于余隙容積的存在，缸內(nèi)仍有殘留的排氣狀態(tài)的氣體，以C點表示。當活塞自外止點右行，工作容積增大，殘留氣體容積增大而壓力下降，進行膨脹過程，膨脹線為CD。由于氣閥主要依靠缸內(nèi)外氣體壓差控制啟閉，只有當缸內(nèi)壓力低于吸氣管內(nèi)壓力，并足以克服流動阻力時，才能頂開吸氣閥，如D點表示。吸氣過程中缸內(nèi)壓力有波動，活塞到內(nèi)止點A時吸氣終了，吸氣閥關(guān)閉，A點壓力仍低于?；钊詢?nèi)止點左行時，缸內(nèi)容積變小，氣體進行壓縮過程，在PV圖上表示的實際循環(huán)稱實際指示圖。用示功儀或用計算機可測出壓縮機的指示圖，指示圖上ABCDA所包圍面積代表壓縮機每個實際工作循環(huán)所需的指示功。 圖433是一臺空氣壓縮機一個缸的工作過程。曲線表明有膨脹過程且吸排氣過程有阻力損失。曲線看出吸排氣過程中有熱交換。由于冷卻及熱惰性關(guān)系，氣缸壁溫度約處于進排氣溫度的平均值。吸氣時壁溫高于進氣氣溫，吸入氣體不斷被加熱。排氣時壁溫低于排氣氣溫，排氣過程中氣體不斷放熱而降溫。壓縮和膨脹過程的變化更為復雜，膨脹過程開始缸內(nèi)氣溫高于壁溫，氣體放熱膨脹m>k，膨脹后期缸內(nèi)氣溫低于壁溫，氣體吸熱膨脹m<k，一般吸熱膨脹是主要的圖中cd線所示。壓縮過程則相反，開始壓雛時為吸艇縮m>k，壓縮過程后期為放熱壓縮m<k，一般放熱壓縮是主要的，圖中ab線所示。綜上所述，實際循環(huán)與理論循環(huán)的主要區(qū)別是： (1)由于存在余隙容積，實際工作循環(huán)由膨脹、吸氣、壓縮和排氣四個過程組成，而理論循環(huán)無膨脹過程。 變工況工作及排氣量調(diào)節(jié) 一、變工況工作 壓縮機在偏離原設(shè)計的條件下工作時，其熱力性能將與原設(shè)計不同，稱為變工況工作，下面介紹幾種常見的變工況條件。 1吸氣壓力改變 在高原上工作的壓縮機，由于當?shù)卮髿鈮毫Φ投箟嚎s機吸氣壓力降低，如圖4-61所示。若排氣壓力不變，對單級壓縮機，將導致壓力比升高，容積系數(shù)降低，排氣量將隨之有所減少。據(jù)試驗，在海拔4500m以下，海拔每升高1000m，大氣壓力約降低1012，容積系數(shù)約降低23。在多級壓縮機中總壓力比升高，各級壓力比改變，排氣量也會有所下降。指示功率的變化則由壓力比變化的大小而定，但單位供氣量消耗的功率要增加。 工藝過程中的輸氣壓縮機和循環(huán)壓縮機也會因操作條件的改變而引起吸氣壓力改變。 2排氣壓力改變 使用中當吸氣壓力不變而排氣壓力提高時，往往會因壓力比提高而使吸氣量略有減少，其功率多半是會有所增加。 3.被壓縮介質(zhì)改變或工藝混合氣的成分變化 介質(zhì)性質(zhì)和混合氣成分的變化，引起氣體的絕熱指數(shù)的變化，而絕熱指數(shù)k直接影響膨脹或壓縮過程指數(shù)，如圖。4-6.2所示。從而影響排氣量、功率及溫度。當其它條件不變時絕熱指數(shù)高的氣體，其膨脹和壓縮過程指數(shù)也高，則功率消耗也大。氣體密度大時，氣體流動阻力損失大，功耗就增加。導熱率高的氣體在吸入過程中易受熱膨脹，溫度系數(shù)較小，影響排氣量。 二、排氣量調(diào)節(jié) 用氣單位常常因生產(chǎn)條件的改變要求壓縮機的排氣量在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通常，用戶按最大用氣量來選用壓縮機。因此，排氣量的調(diào)節(jié)一般是指調(diào)節(jié)到低于額定的排氣量。 根據(jù)用戶的不同要求，排氣量調(diào)節(jié)可分為連續(xù)調(diào)節(jié)(排氣量連續(xù)改變)、間歇調(diào)節(jié)(只有排氣與不排氣兩種)和分級調(diào)節(jié)(如分為100%、75%、50%、25% 、0等檔次)。 排氣量調(diào)節(jié)的依據(jù)是排氣量的計算公式Q=，在缸徑和行程一定的條件下，利用改變排氣系數(shù)、轉(zhuǎn)速等方法來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)方式應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、經(jīng)濟性好的要求。下面介紹幾種調(diào)節(jié)方法。 1改變轉(zhuǎn)速和間歇停車 由可變速的驅(qū)動機驅(qū)動的壓縮機，可以連續(xù)改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排量，排氣量與轉(zhuǎn)速大小成正比。但由無變頻調(diào)速器的交流電動機驅(qū)動時，就不能無級調(diào)速，而采用聞歇停車的方法。停車后不消耗能量，但是頻繁的啟動與停車使機器的工作條件惡化，一般只適用于微型壓縮機或空壓機站多臺機器運行場合。 2切斷進氣停止吸入調(diào)節(jié) 圖4-6.3是通過壓力調(diào)節(jié)器控制減荷閥切斷進氣調(diào)節(jié)裝置。當儲氣罐內(nèi)壓力超過規(guī)定值時，高壓氣體將調(diào)節(jié)閥壓開，氣體經(jīng)調(diào)節(jié)閥進入減荷閥的活塞缸內(nèi)，將活塞往上推，并推動蝶形閥向上關(guān)閉進氣通道，使壓縮機進入空轉(zhuǎn)。這種停止吸氣后的指示圖如圖4-6.4中虛線所示。當儲氣罐中壓力低于規(guī)定值時，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，減荷閥活塞缸內(nèi)壓力將下降，彈簧又使蝶閥向下，打開進氣通道，機器正常工作。開車時可用手輪手動操作。 應(yīng)當注意，減荷閥切斷進氣后會使吸氣壓力降低，導致壓力比增大，排氣溫度短時升高，活塞力加大。由于缸內(nèi)出現(xiàn)真空度，所以此法不宜用于不允許有空氣混入氣體的壓縮機，同時對無十字頭的單作用壓縮機，為防止將潤滑油抽入氣缸，也不宜用此法。此法特點是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，故仍廣泛應(yīng)用于中、小型空氣壓縮機。 3旁路調(diào)節(jié) 將壓縮機的排氣管與進氣管用一旁路管連通，使已排出的氣體全部或部分引回一級入口，以此達到排氣量調(diào)節(jié)的目的。此法有自由連通和節(jié)流連通兩種。自由連通是旁路閥全開，排出氣體全部流回進氣管，不向外輸出氣體。為防止排氣系統(tǒng)氣體倒流，在排氣管上旁路接口后應(yīng)裝設(shè)止回閥。自由連通調(diào)節(jié)常在大型壓縮機起動時采用。其功耗主要用于克服氣閥及管路的阻力損失。 節(jié)流連通將旁路閥部分開啟，使部分高壓氣體節(jié)流后回到進氣管，可以連續(xù)調(diào)節(jié)。此法裝置簡單，操作方便，但浪費能量，很不經(jīng)濟。一般用于短期、不常調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)幅度不大的場合。 4頂開吸氣閥調(diào)節(jié) 此調(diào)節(jié)方法的原理是增加氣缸的外泄漏，即減小泄漏系數(shù)來調(diào)節(jié)氣量。根據(jù)頂開吸氣閥的程度不同，有完全頂開吸氣閥和部分行程頂開吸氣閥兩種。 圖4-6. 5是一種完全頂開吸氣閥裝置。當排氣量過剩時，排氣系統(tǒng)儲氣罐中壓力不斷上升，若罐中壓力超出規(guī)定值時，高壓氣體頂開調(diào)節(jié)閥進入小活塞4的上部，推動小活塞與壓叉2向下，將吸氣閥片頂離閥座，活塞運動時被吸入缸內(nèi)的氣體通過吸氣閥返回吸入系統(tǒng)，使氣缸排氣量接近于零。當氣罐中壓力下降到規(guī)定值時，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，切斷氣源，壓叉在彈簧3推動下升起，氣閥恢復正常工作，壓縮機正常排氣。圖4-66是完全頂開吸氣閥前后的指示圖，圖中帶斜線部份是頂開吸氣閥后的情況，其功耗用于克服氣閥阻力。這種方法經(jīng)濟性較好。 這種調(diào)節(jié)方法是間歇調(diào)節(jié)。若在雙作用氣缸的一側(cè)安裝頂開吸氣閥裝置，則可實現(xiàn)50氣量的調(diào)節(jié)要求。另一種是部分行程頂開吸氣閥的調(diào)節(jié)裝置。其原理是利用電磁、液壓、氣動或彈簧等裝置使吸氣閥在壓縮過程的一部分行程中處于頂離閥座狀態(tài)，這時缸內(nèi)氣體流回進氣管其余行程中吸氣閥關(guān)閉，缸中仍有部分氣體被壓縮、排出。圖467是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)前后的指示圖，帶斜線部分是調(diào)節(jié)后的指示圖。部分行程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)也較簡單方便，但閥片頻繁受壓叉沖擊，閥片壽命降低，所以一般只用于轉(zhuǎn)速較低的壓縮機。 5補充余隙容積調(diào)節(jié) 這種方法是人為地增加余隙容積，減小窖積系數(shù)來調(diào)節(jié)排氣量。在壓縮機氣缸頂部另設(shè)置一個容積，當需要調(diào)節(jié)時，將該容積與氣缸接通，成為補充余隙容積。用余隙閥直接接通一個不變的補充容積者稱固定容積式。若把補充容積做成有可移動活塞的圓筒，補充容積隨活塞移動而變，稱可變?nèi)莘e式。如圖4-68的(a)及(b)所示。補充余隙容積調(diào)節(jié)前后的指示圖如圖4-68(c)所示，其中有斜線部分是調(diào)節(jié)后的指示圖。 根據(jù)要求調(diào)節(jié)氣量的大小，可以選擇補充的余隙容積值。 若忽略、及的變化影響，機器轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)后排氣量與調(diào)節(jié)前排氣量的比值B只與調(diào)節(jié)前后的容積系數(shù)有關(guān)。 活塞壓縮機主要易損件 一、氣閥 氣閥是活塞壓縮機中的重要部件，也是一種易損件。它的工作特性直接影響到壓縮機的排氣量、功率消耗等性能，也影響到運轉(zhuǎn)的可靠性。因此需要掌握其工作原理，以便正確地使用與改進。 活塞式壓縮機一般采用“自動氣閥”，它的啟閉主要由閥片兩邊的壓力差與彈簧來實現(xiàn)，而沒有其它的機械控制機構(gòu)，這種氣閥結(jié)構(gòu)簡單，且能適應(yīng)壓縮機的變工況要求。 圖4-121是最常用的環(huán)狀閥。閥座1具有同心的環(huán)形或孔形氣體通道；閥片3是啟閑氣閥通道的主要運動元件；彈簧4則配臺氣流推力以控制氣閥的啟閉運動，升程限制器5用來限制閥片的升起的高度，并兼作彈簧支承座。此外還有連接螺栓2、螺母6和開口銷7等零件。不同型式的氣閥，其結(jié)構(gòu)各異，但大體也都包括以上幾種零件。下面以最常見的環(huán)狀閥為例來分析其工作原理。1.氣閥的工作過程以吸氣閥為例，將閥片啟閉過程列于表4-12.1中。通常把閥片所受的各種氣體力，等綜合稱為氣流頂推力，用表示，稱為氣流推力系數(shù)，可由試驗測得。由表4-121可見，氣閥的啟閉動作是由氣流頂推力與彈簧力之間的相配關(guān)系決定。開啟時，氣流頂推力是推動閥片開啟的力，彈簧力則起阻止、緩沖作用，可減小閥片對限制器的沖擊；反之，當關(guān)閉時，彈簧力推動閥片關(guān)閉，氣流頂推力則起阻止作用。氣流頂推力值隨活塞運動過程中缸內(nèi)壓力的變化而變化。 圖412.2表示閥片升程與活塞運動及缸內(nèi)指示圖間的對應(yīng)關(guān)系。橫座標表示曲柄轉(zhuǎn)角 或活塞位移。正常工作中，當氣流頂推力超過彈簧力時，閥片迅速開啟。當閥片與限制器相撞時產(chǎn)生了一個輕微的反彈，然后又在氣流頂推力的作用下全開。當彈簧力超過氣流頂推力時，閥片開始關(guān)閉，往往在關(guān)閉過程中，由于升程h變小而使壓降p增大，氣流頂推力又變大，超過彈簧力時出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，因此關(guān)閉過程較緩慢，且常有波動。正常情況下，希望活塞走到內(nèi)止點時，氣閥剛好全關(guān)閉。圖中面積abcdef稱為氣閥的時間截面。其大小反映了氣閥開啟的時間、氣流通過氣閥的阻力以及氣閥工作是否正常等情況。 從自動氣閥的工作原理出發(fā)，一個良好的氣閥應(yīng)符合以下要求： (1)及時開啟、及時關(guān)閉，即閥片的動作要與活塞運動匹配。若彈簧力較大，使氣閥不能及時打開，將使開啟時間短、時間截面小，吸氣量過小，圖4122(b)所示。同時該圖也表示活塞到達止點而氣閥還不能完全關(guān)閉的情況，稱為延遲關(guān)閉。由于活塞到達止點后立即返回，缸內(nèi)壓力上升，氣流就會從未關(guān)死的吸氣閥倒回吸氣管道而使實際吸氣量降低，而且此時氣體倒流而造成頂推力與彈簧力的方向一致，又將使閥片猛然關(guān)閉，在無緩沖力情況下撞到閥座上，降低閥片壽命。 (2)氣閥全開時要穩(wěn)定，不要大幅度跳動。圖4-12，2c表示由于彈簧力過大，閥片不能正常全開而來回跳動，稱顫振現(xiàn)象。其結(jié)果是使氣閥時間截面縮小，阻力增大，閥片撞擊次數(shù)多，壽命降低。 (3)氣閥的流通阻力損失要小。氣閥的阻力損失在整個壓縮機功率消耗中占有相當大的比例，應(yīng)設(shè)法減小。 （4）工作可靠，閥片及彈簧等易損件的壽命要長。此外還要求氣閥余隙容積??；氣閥關(guān)閉時的嚴密性好等。4氣閥壽命 氣閥的壽命主要取決于閥片和彈簧的壽命。壓縮機運轉(zhuǎn)時。閥片在閥座和升程限制器之間來回跳動，產(chǎn)生撞擊。雖然每次撞擊能量不大，但屬于小能量多次撞擊，易于形成疲勞裂紋而使閥片損壞。此外，閥片撞到升程限制器時，又會與彈簧發(fā)生撞擊，此時彈簧的變形量和變形速度都很大，會產(chǎn)生相當大的動應(yīng)力，導致彈簧極易損壞。根據(jù)使用經(jīng)驗，在很多情況下是由彈簧損壞，繼而導致閥片損壞。 為提高氣閥壽命，國內(nèi)外都進行了不少研究。主要有以下幾方面： (1)控制閥片升程，減少閥片傾側(cè)運動。閥片升程過大會使閥片撞擊速度增大，降低壽命。在滿足一定氣閥通道的條件下，希望升程盡量的小。在氣缸上軸向布置的氣閥，由于氣閥布置空間的限制，氣閥的一部分面積處于氣缸直徑以外的位置。處于氣缸工作腔部位的閥片受氣流推力大，偏置在氣缸直徑外的部位則由于氣流偏吹閥片受氣流推力小，從而造成閥片運動時的傾側(cè)現(xiàn)象。這又會使閥片受附加撞擊速度，工作條件惡化。實驗表明，降低閥片升程和減少氣閥布置的偏置程度將會減少閥片的傾倒程度。 (2)正確選材，保證制造質(zhì)量。疲勞破壞與局部應(yīng)力有關(guān)，表面損傷、銹蝕等均會促進疲勞破壞。因此，閥片及彈簧均應(yīng)正確選材，嚴格控制熱處理條件，不得有表面損傷。閥片材料要求強度高、韌性好、耐腐蝕。常用的閥片材料有30CrMnSiA及不銹鋼。彈簧則常用50CrVA及 4Crl3等。(3)增大彈簧的自振頻率。閥簧的工作是一種受迫振動，故應(yīng)盡量避免出現(xiàn)低階共振現(xiàn)象， 更要避免在共振條件下又出現(xiàn)閥片與彈簧間的撞擊。因此，彈簧的最佳設(shè)計是個尚未解決的難題，一般認為應(yīng)有較高自振頻率，有人建議要大于壓縮機轉(zhuǎn)速的三倍以上。增大自振頻率的有效措旋是減小彈簧圈徑，故現(xiàn)在國內(nèi)外有采用小彈簧趨向。 (4)改進結(jié)構(gòu)。由于閥片開啟時比關(guān)閉時速度快，有人認為撞擊限制器的速度約為撞擊閥座速度的三倍。因此在結(jié)構(gòu)上可采取措施，例如在升程限制器上嵌裝橡皮、采用氣墊閥等，以增加緩沖作用，取得了顯著效果。5氣閥的型式與結(jié)構(gòu) (1)環(huán)狀閥 環(huán)狀閥的結(jié)構(gòu)如圖412 .11所示，其主要工作元件是環(huán)狀閥片，閥片的數(shù)目可根據(jù)需要而定，有一片至多片不等，閥片厚度在2mm左右。閥片在啟閉過程中由升程限制器上的凸臺導向，閥片與導向塊之間為動配合。由于閥片運動時與導向塊有摩擦，故多用于有油潤滑壓縮機。若用于無油潤幫壓縮機，其凸臺需用自潤滑材料。閥座與限制器用螺栓連接，并在端部鉚死以防工作時松動，固緊螺栓也需要防松。整個氣閥組件用壓閥罩固定在氣缸上。圖41211的壓閥罩直接頂著閥座，限制器外緣與閥座不接觸，稱為開式結(jié)構(gòu)。圖41212是閉式結(jié)構(gòu)，壓閥罩將限制器和閥座同時壓緊在氣缸的閥孔內(nèi)，其優(yōu)點是氣閥螺栓僅起聯(lián)接作用而不受閥片撞擊限制器的作用力，螺栓直徑可較小，工作可靠。缺點是氣閥通道截面利用不充分，多用高壓級的氣閥。 氣墊閥也是一種環(huán)狀閥，如圖4-12.13所示。在限制器的環(huán)狀筋上加工出環(huán)形溝槽，槽寬度與閥片寬度成動配合。氣閥開 啟時，閥片進入槽內(nèi)，使封閉在槽內(nèi)的氣體來不及從彈簧座孔上的小孔排出，槽中氣體被壓縮形成氣墊，起到緩沖作用。這種結(jié)構(gòu)使閥片受沖擊力減小，可延長閥片壽命， 同時減少噪音。氣墊閥的閥片較普通閥片厚，以便閥片在關(guān)閉狀態(tài)時仍有一部分在 槽內(nèi)起導向作用。但閥的加工困難，適用寬通道，低轉(zhuǎn)速的場合。 (2)網(wǎng)狀閥 圖4-1214是一種無導向塊的網(wǎng)狀閥，其結(jié)構(gòu)與環(huán)狀閥類似，但閥片的各環(huán)間用筋條聯(lián)成一個整體呈網(wǎng)狀，如圖4-12.15所示。閥片中心為固定部分，被夾持在上、下兩墊塊之間，自中心數(shù)起第二圈上，將徑向筋條銑出一個斜切口，且在圖示彈性部分的弧段內(nèi)銑薄，這樣閥片具有一定彈性，便于上下運動，外圈是閥片的運動和密封部分。閥片的升程由墊塊的厚度控制，不設(shè)導向塊。在閥片與限制器間設(shè)有緩沖片。緩沖片的結(jié)構(gòu)與閥片類似，但開有供閥片彈簧穿過的孔。當氣流推力克服作用在閥片上的彈簧力及閥片的慣性力時，閾片即開啟。當閥片與緩沖片接觸后又要克服緩沖片慣性力與彈簧力，直至緩沖片與限制器接觸時氣閥全開。由此可見，氣閥全關(guān)時，只受閥片彈簧的作用，彈簧力較??；而氣閥全開時則閥片受閥片彈簧力、緩沖片彈簧力及閥片與緩沖片的變形反力之和，彈簧力就大，這種變剛性特點正符合氣閥工作的要求，這是網(wǎng)狀閥的一大優(yōu)點。同時網(wǎng)狀閥啟閉時各環(huán)片動作一致，這些特點正好克服了環(huán)狀閥的缺點。但網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)復雜，閥片加工困難，閥片的彈性部分易于產(chǎn)生應(yīng)力集中而斷裂，故在我國目前條件下主要用于無油潤滑壓縮機，以解決導向塊的磨損問題。此外，網(wǎng)狀閥也有中心導向的結(jié)構(gòu)。(3)直流閥 如圖4-1216所示。直流閥由閥座和閥片兩部分組成，相互間隔，夾持成一組。閥座一面銑有一定斜度的細長槽作為氣體通道，其背面銑有寬度較大的通長槽起升程限制器作用。閥片是用0.20.5mm的薄彈簧鋼片制成，即是閥片又是彈簧，是啟閉元件。閥片兩端銑有切口，氣閥關(guān)閉時，閥片緊靠在閥座上。開啟時，在氣流推力作用下，克服閥片的彈力，閥片中間部分產(chǎn)生彎曲變形，直至貼合在相鄰閥座的背部(限制器)。直流閥的外形較適于做成矩形狀，但也可做成圓形。 直流閥的主要優(yōu)點是氣流流經(jīng)氣閥時幾乎無轉(zhuǎn)折，因而阻力小，允許有較高的氣速，但閥片的密封性差，壽命不長，僅用于高轉(zhuǎn)速的低壓壓縮機。 此外，還要槽狀閥(圖412. 17)，閥片呈槽形，彈簧呈條形薄片，具有變剛性特點并能起緩沖作用。 圖4-1218是超高壓壓縮機吸、排氣組合閥，裝于氣缸頭部，利用斜孔作為氣體通道，其吸氣閥用球形密封元件，排氣閥用菌狀密封元件。 二、活塞環(huán) 活塞式壓縮機的活塞與氣缸間的間隙采用活塞環(huán)密封，根據(jù)活塞環(huán)材料及使用條件的不同，又有在有油潤滑狀態(tài)下使用的金屬活塞環(huán)和無油潤滑狀態(tài)下使用的非金屬活塞環(huán)。下面介紹其工作原理。 1.金屬活塞環(huán)的密封原理、環(huán)數(shù)及主要尺寸的確定 典型的活塞環(huán)是一具有彈力的開口環(huán)，如圖4-12.19所示。在自由狀態(tài)下，開口間隙為A，當裝入氣缸時，被迫合攏呈圓環(huán)狀，僅在切口處留有熱膨脹間隙。由于活塞環(huán)具有彈力，該彈力力圖使環(huán)恢復自由狀態(tài)，因受缸壁約束，故環(huán)緊貼缸壁，單位表面所受約束力稱初彈比壓，如圖4-12.19(b)及圖4-12. 20(a)所示。 當壓縮機工作時，缸內(nèi)氣體壓力又把活塞環(huán)推向環(huán)槽的一側(cè)，使之緊貼槽壁，如圖4-12.20(b)所示。由于活塞環(huán)緊貼缸壁和槽壁，使氣體流通受到阻塞。但由于金屬表面總還存在加工不平度造成的微小間隙，不可能完全阻塞氣流，而使氣體在密封面間隙中產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，壓力從降至，若認為壓力沿環(huán)高按直線分布，則環(huán)側(cè)面的平均壓力為。由于活塞環(huán)上側(cè)與環(huán)槽的間隙較大，可認為環(huán)內(nèi)側(cè)所受壓力，根據(jù)環(huán)的受力平衡，必然還作用一力使活塞環(huán)緊貼缸壁，稱密封力，單位表面所受的密封力稱密封比壓。越大，環(huán)與缸壁貼得越緊，密封性也越好。若把活塞環(huán)看成“均壓環(huán)”(即假設(shè)等壓分布)，則取環(huán)的徑向受力平衡如圖4-12.20（c），則得活塞環(huán)的材料活塞環(huán)的材料，應(yīng)保證足夠的硬度和耐磨性。最常用的是鑄鐵，要求金相組織以珠光體為基體，均勻分布有薄片狀或團狀石墨，要求硬度達HBl80-250，鑄鐵環(huán)硬度應(yīng)比缸套硬度高10-15%。中、高壓級活塞環(huán)可用合金鑄鐵（在普通鑄鐵中加入適量的鉻、鎳、銅、鉬等元素），并經(jīng)淬火、回火等熱處理，使珠光體基體變?yōu)樨愂象w和馬氏體的混合基體，韌性好，又耐磨。銅合金的韌性高，耐磨及耐腐蝕性好，常作成三、四瓣組合成活塞環(huán)，并在內(nèi)圈加彈力環(huán)?；钊h(huán)外圓面及軸向兩端面的粗糙度要小，以減小環(huán)與缸壁及環(huán)與活塞上環(huán)槽的間隙，增強保密性，一般粗糙度達Ra1.6左右。棱角要倒圓，以防擦傷氣缸，并利用潤滑油膜的形成與保持。 2無油潤滑的活塞密封無油潤滑壓縮機的活塞密封可分為接觸式與非接觸式兩種。 (1)非接觸式的活塞密封 非接觸式是指活塞與缸壁不接觸，保持較小的間隙值，典型的密封形式是迷宮式密封。圖4-12.24所示為一迷宮式壓縮機，這種機器沒有活塞環(huán)，活塞與缸壁保持0.070.08m的間隙，活塞上開有螺旋形迷宮槽，氣體沿間隙高速流過迷宮槽時，經(jīng)過不斷節(jié)流、膨脹、降壓而達到密封的要求，為防止活塞與缸壁發(fā)生摩擦，這種壓縮機對活塞與氣缸的制造裝配的同軸度要求非常高。在結(jié)構(gòu)上除用十字頭滑道外，還設(shè)有一導向軸承。 迷宮壓縮機可保持氣體介質(zhì)無油，且由于是非接觸式，其密封壽命長，適用于高轉(zhuǎn)速短行程的立式壓縮機。但由于結(jié)構(gòu)復雜，制造安裝困難，泄漏量較一般接觸式大，故國內(nèi)很少采用。 (2)接觸式活塞密封 其基本結(jié)構(gòu)仍采用活塞環(huán)，在無油潤滑壓縮機中關(guān)鍵是采用具有自潤滑性能的材料做活塞環(huán)。早期的自潤滑材料采用石墨，但因韌性差、易脆裂，現(xiàn)在主要采用填充聚四氟乙烯。 聚四氟乙烯簡稱PTFE。這種材料摩擦系數(shù)?。s為0.1），而且在與金屬對磨時，其表面分子能轉(zhuǎn)移到金屬表面而形成一層薄膜，因而具有良好的自潤滑性能。該材料化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕性優(yōu)良，耐溫到250左右。純聚四氟乙烯熱膨脹系數(shù)大，導熱性差，機械性能差，不耐磨，此外還有冷流性，冷流是指這種高分子化合物在長期外力作用下產(chǎn)生高分子轉(zhuǎn)移而變形。為克服這些弱點，常加入適量的填充劑以改善其性能。例如，加入青銅粉以提高耐磨性、改善導熱性和減少冷流；加入玻璃纖維以提高強度、增強耐磨性；加入二硫化鉬以提高自潤滑性等。為適應(yīng)不同操作條件和氣體介質(zhì)，應(yīng)選合適的配方比例，國內(nèi)外在這方面均進行了大量的研究。 聚酰胺通稱尼龍，如尼龍6、尼龍66等制品，也具有自潤滑性，其機械強度比聚四氟乙烯高，且無冷流性，但耐熱性差，在有負荷情況下只能用在100以下。 聚酰亞胺是六十年代發(fā)展起來的高分子材料，其機械強度高，耐熱性好，可長期使用于200-230，其主要缺點是摩擦系數(shù)較大。國內(nèi)有用聚酰亞胺為主，加入聚四氟乙烯、石墨等材料的填充聚酰亞胺，曾用作高溫、高壓差的無油潤滑密封材料。 近年來在聚四氟乙烯基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，采用粉末冶金的方法，制成多孔性的金屬骨架，在真空狀態(tài)下浸漬聚四氟乙烯而成的制品。該材料既具有金屬的強度高、膨脹系數(shù)小、導熱性好的優(yōu)點，又有聚四氟乙烯良好的自潤滑性。國內(nèi)在氮氫壓縮機的五、六級上使用，顯示出一定優(yōu)越性，但也還有冷流、斷裂、剝落等現(xiàn)象。各種自潤滑材料有著廣闊的發(fā)展前景。但目前工業(yè)上仍以填充聚四氟乙烯應(yīng)用最廣。填充聚四氟乙烯活塞環(huán)一般制成矩形截面的開口圓環(huán)。早期在使用中因塑料環(huán)彈力差，所以在塑料環(huán)內(nèi)襯金屬張力環(huán)，以造成必要的初彈力，建立起初始密封。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)張力環(huán)的彈力沿圓周并不均勻，切口處力大容易嵌入活塞環(huán)，使之磨損加快，易于斷裂，造成活塞環(huán)及氣缸鏡面的損壞。因此后來國內(nèi)外不少工廠在直徑不大的情況下(如立式<600、臥式<300)取消了張力環(huán)。 填充聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)大，需留有足夠的周向和軸向熱膨脹間隙。有的資料認為無張力環(huán)的PTFE環(huán)在軸向除考慮熱膨脹間隙外，還應(yīng)在環(huán)端面與環(huán)槽間再留約1%h的間隙，目的是使氣體通過槽軸向間隙的阻力損失小于氣體通過環(huán)外周間隙的阻力損失，即要使(見圖4-12. 20)，從而建立起正壓差。這樣，當活塞環(huán)工作時，由于內(nèi)周所受的力大于環(huán)外周所受的力，使活塞環(huán)向缸壁貼緊，進而使的差值更大，直至最后達到正常的密封壓力。由于PTFE環(huán)的剛性較小，易于變形，在不大的背壓下就易于緊貼缸壁，因此上述過程在很短的時間內(nèi)就可以完成而建立起正常密封。 由于PTFE環(huán)易于與氣缸鏡面貼臺，密封效果好，故壓力高時活塞環(huán)數(shù)可比相應(yīng)鑄鐵環(huán)略少。由于它的強度低，允許的表面比壓小，故環(huán)的斷面尺寸要比鑄鐵環(huán)大。一般取值為 塑料環(huán)： (D為氣缸直徑，以mm計)； 石墨環(huán)：；。 由于塑料強度低、耐磨性差，無油潤滑的活塞還必須裝設(shè)支承環(huán)，起支承活塞重力和定中心作用，圖412. 25所示為幾種支承環(huán)（也稱導向環(huán)）的形式。在立式壓縮機中只起定中心導向作用。支承環(huán)有分瓣結(jié)構(gòu)，也有整環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)外徑與氣缸間為動配合。開口式活塞環(huán)由于存在背壓，雖具有自緊作用的優(yōu)點，但壓差大時，塑料環(huán)極易磨損。為解決此矛盾，又發(fā)展了不少結(jié)構(gòu)型式。整體組合式活塞環(huán)是一種無背壓結(jié)構(gòu)，它是整圈(不開口）的填充PTFE環(huán)的內(nèi)側(cè)以一定過盈量壓進一個整圈金屬襯環(huán)，聚四氟乙烯環(huán)外周可加工成迷宮，見圖4-12. 26。由于這種復合結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯環(huán)在熱套裝配時受有預(yù)拉應(yīng)力，工作時熱膨脹量小，約接近金屬環(huán)。這樣，在操作時，兩環(huán)仍保持一定過盈，導熱性好，而且環(huán)與缸壁間的間隙可取得很小。通常在組合后再加工外徑和迷宮槽，要求與氣缸成動配合。此結(jié)構(gòu)避免了由于背壓造成活塞環(huán)的過快磨損，克服壽命短的缺點，又由于材料具有自潤滑性，同時制造裝配的要求不象迷宮活塞苛刻，國內(nèi)外立式壓縮機上均有應(yīng)用。 另有一種T型結(jié)構(gòu)，如圖4-12. 27，其活塞環(huán)為T型斷面直切口填充PTFE環(huán)，內(nèi)襯有金屬張力環(huán)，在張力環(huán)作用下，活塞環(huán)始終緊貼缸壁。工作初期環(huán)的磨損量能自動補償，補償量由環(huán)的凸肩和隔距環(huán)間的間隙所控制，使環(huán)的磨損不會繼續(xù)加大，從而延長了環(huán)的使用壽命。