直线往复压缩机连杆油封失效原因分析及对策.pdf

2 0 1 1 年 1 1 月 第 3 6卷 第 l 1期 润滑与密封 LUBRI C AT 1 0N ENGI NEERI NG NO V 2 0 1 1 Vo 1 3 6 No 1 1 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 1 1 0 2 6 直线往复压缩机连杆油封失效原 因分 析及对策 耿爱农 李辛沫 陈君立 阮勤江 1 五邑大学机电工程学院广东江门 5 2 9 0 2 0 2 浙江鸿友压缩机制造有限公司 浙江温岭 3 1 7 5 2 3 摘要 分析一种直线往复压缩机连杆油封在振动及摇摆环境下的密封失效原因 指出其故障根源来自于油封唇口 的椭圆应变以及往复迟滞行为 对此采取了相应的措施 设置刚性随动套以保证油封唇口的圆度周正 设置限移环片以 改善油封唇 口的跟随性 经试验证实 上述改进措施 明显提高了连杆油封 的密封效果 达到了预期的 目标 关键词 直线往复压缩机 连杆油封 密封失效分析 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 B 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 1 1 1 0 9 2 Th e Fa il ur e M e ch a n is ms a n d Co r r e ct iv e Act io n s f o r a Co n n e ct in g Ro d Oil S e a l o f S t r a ig h t Lin e Re cipr o ca t in g Co mp r e s s o r G e n g A i n o n g L i X i n mo C h e n J u n li R u a n Q i n j i a n g 1 S ch o o l o f M e ch a n i cal a n d E l e ct rica l E n g in e e rin g Wu y i U n i v e r s it y J i a n g m e n G u a n g d o n g 5 2 9 0 2 0 C h in a 2 Z h e j ia n g H o n g y o u A i r C o m p r e s s o r Ma n u f a ct u rin g C o L t d We n l i n g Z h e j ia n g 3 1 7 5 2 3 C h in a Ab s t r a ct T h e ca u s e s o f s e a l in g f a il u r e o f a co n n e ct in g r o d o il s e a l f o r a s t r a ig h t l i n e r e cip r o ca t i n g t y p e co mp r e s s o r we r e a n aly z e d it wa s p o in t e d t h a t t h e ma in f a il u r e r e a s o n s in v ib r a t in g a n d r o ck i ng co n d it io n s we r e o ce u e d f r o m t h e s e a l l ip S e l l ip t ica l s t r a in d e f o r ma t i o n a n d r e ci p r o ca t in g h y s t e r e s is b e h a v io r S o me a p p r o p ri a t e me a s u r e s we r e a d o p t e d t o s e t ri g i d fol l o we r s l e e v e t o e n s u r e t h e s e a l l ip r o u n d n e s s t o s e t t h e l i mit mo v i n g ri n g t o imp r o v e t h e s e a l ri n g l ip S f o l l o wi n g p e r f o rm a n ce Th e t e s t co n firm s t h a t t h e s e a l in g p r o p e r t y o f t h e o i l s e a l i s s ig n ifica n t l y in cr e a s e d b y u s in g a b o v e co r r e ct iv e a ct io n s a n d t h e e x p e ct e d g o a l s i s a ch ie v e d Ke y wo r d s s t r a ig h t l in e r e cip r o ca t in g co mp r e s s o r co n n e ct r o d s e a l an a l y s is t o s e alin g f a i l u r e 在医药 医疗 食品和电子的制造过程中 常常 需要不含油的压缩空气 其获得主要依赖压缩机 目 前使用最为广泛的压缩机乃往复活塞式压缩机 它被 分为有油润滑压缩机和无油润滑压缩机2种类型 由 于有油润滑往复压缩机中曲轴和连杆有足够的润滑油 来保证其润滑 因此压缩机的使用寿命较长 但若要 让其输出无油的压缩空气 则必须设法将曲轴箱内的 润滑油与气缸进行有效隔离 在传统的曲柄连杆式压 缩机当中 连杆相对于气缸存在有较大幅度的摆动运 动 给曲轴箱与气缸之间实施无油密封阻隔带来很大 困难 为此作 者开发 了一种基于滑管结构 的直线往 复 式无油空气压缩机 该机连杆基本上呈直线往复运动 的态势 由此给曲轴箱和气缸实施无油分隔创造了条 件 然而在最初的样机试验过程中 发现连杆上的油 封密封效果并不理想 而且使用寿命较短 经分析确 认 在压缩机的运行过程当中 连杆存在有很严重的 抖动现象 在此环境下传统的油封很容易失效 对此 基金项 目 广东省 自然科学基金项 目 0 4 0 1 1 7 5 7 0 5 1 0 7 3 9 7 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 1 0 作者简介 耿爱农 1 9 6 1 一 男 硕士 副教授 主要研究方 向为新型压缩机的理论及设计 E m a i l w y u 4 8 7 1 2 6 co m 有针对性地进行油封的改进设计 并经试验证实措施 有效 本文作者介绍了具体的改进思路和改进结构 1 传 统油封结构 失效 分析 本压缩机连杆上的油封最初直接借用发动机气门 杆油封 属于传统油封 参见图 1 其密封部位为唇 口与连杆的配合处 在无背压的情况下主要依赖匝紧 弹簧产生的收紧力以及过盈装配力来使得唇口贴合连 杆表面而形成密封 但在试验中发现 该类油封的密 封效果和使用寿命很不理想 是什么原因使得在发动 机上能持续使用 的油封却在本压缩机上如此快地失 效 经认真分析后发现 两者的使用工况有很大的不 同 其最主要的区别有两点 1 发动机拥有较长 的精密配合的气门导管 它极大地限制了气门杆的抖 动幅度 因此油封唇口与气门杆能保持良好的圆形环 抱接触 而本压缩机因结构原因不能使用长导管 致 使连杆在工作时存在剧烈的振动和摆动现象 结果油 封唇 口偏离轴心而产生椭圆应变 见图2 a 显 然在椭圆的长轴方向 一端压紧力增大而另一端压紧 力变小 不仅加剧了油封的疲劳进程而且还破坏了唇 口的接触力 接触面积和密封油膜 以上参数正是决 定油封密封性能的关键因素 尤其在贴合力较小的 1 1 0 润滑与密封 第 3 6卷 一 端极易出现泄漏 2 本压缩机所用的连杆有较 大往复行程 尽管气门杆与连杆的平均速度基本相当 发动机转速高于本压缩机 但是连杆的直线运动 依赖的是两活塞与气缸的约束 与发动机的气门导管 直线约束效果差距太大 以至于连杆存在较大的摆动 抖动 并 因油封弹性而形成往复迟滞效应 见图 2 b 致使油封唇口沿连杆杆身的长度方向出现错 位变形现象 资料表明 唇口的上述变形会削弱其 与连杆杆身表面的接触力 并会在连杆的往复运动下 形成泵油现象 座 图 1 传统连杆油封及密封原理示意图 F ig 1 Co n v e n t io na l s t r u ct u r e f o r co n n e ct r o d 8 s e a l a b 图2 传统连杆油封失效机制示意图 Fig 2 Fa il u r e me ch a n is ms f o r co n v e n t io n a l co n n e ct r o d s s e a l 2 新型油封结构介绍 基于上述分析 了解了直线往复压缩机中连杆油 封的失效原因 对此作者进行了针对性的改进 参见图3 主要改进之处有三点 1 在传统油封的 内部设置一个刚性的随动套 随动套与连杆的杆身滑 动配合 此时油封唇口相对于连杆杆身的径向变形幅 度被限制在随动套与连杆杆身的配合间隙范围内 由 此保证了油封唇 1 1 的圆度 2 在传统油封的外部 设置限移环片 限移环片浮动地安置在油封座的环槽 内 它限制了油封沿连杆杆身长度方向的迟滞性变形 幅度 换言之它改善了油封唇 口的跟随性 结果使得 唇 口沿杆身轴向的变形变小 3 为配合限移环片 以适应连杆的抖动 新油封上设置了密封环片 该密 封环片与油封弹性主体采用一体制作 它增加了油封 的适应性 片 图 3 新型连杆油封结构示意图 Fig 3 T h e s u ct u r e o f n e w t y p e co n n e ct r o d s s e al 经过实物样机的试验验证 上述结构改进使得油 封唇 口与连杆杆身的密封配合状况明显改善 虽然结 构稍微复杂 但毕竟有效地提高了油封的密封效果和 使用寿命 压缩机输出气体的含油率指标达到了国家 相关标准 油封的使用寿命亦达到了5 0 0 h以上 是 原油封寿命的一倍以上 达到了设计要求 为新型直 线往复无油压缩机的成功奠定了基础 3 结束语 在振动及摆动的环境下 往复运动的连杆会导致 与之配合的油封发生椭圆应变变形 并出现往复迟滞 现象 是导致密封失效的主要原因 采用随动套结构 能有效减少油封唇口的椭圆应变 采用限移环片结构 能改善油封的往复跟随性 采用浮动环片能适应连杆 的抖动运动 上述改进措施有效地减少了油封的泄漏 量并大幅度延长了油封的使用寿命 参考文献 1 李建国 丁玉梅 杨卫民 等 油封密封性能的有限元分析 J 润滑与密封 2 0 0 6 3 1 1 0 1 1 6 1 1 9 L i J i a n g u o Di n g Y u m e i Y a n g We i mi n e t a1 F i n i t e e l e me n t a n al y s i s o f t h e s e a l i n g p e r f o r m a n ce o f o i l s e a l J L u b rica t i o n E n g i n e e rin g 2 0 0 6 3 1 1 0 1 1 6 1 1 9 2 高群钦 陈安宇 景国玺 气门杆油封动态密封性能仿真研 究 J 内燃机学报 2 0 0 9 4 3 7 9 3 8 3 G a o Q u n q i n C h e n A n y u J i n g G u o x i S t u d y o n d y n a m i c s e a l i n g p e rf o r m a n ce o f v a l v e s t e m s e a l s J T r a n s a ct i o n s o f C S I C E 2 0 0 9 4 3 7 9 3 8 3 3 陈君立 阮勤江 耿爱农 一种压缩机往复油封结构 中国 2 0 1 0 1 0 2 7 9 6 2 2 4 P 2 0 1 0 0 9 1 3 4 李辛沫 耿爱农 耿葵花 等 旋转缸套式制冷压缩机减摩与 密封结构的探讨 J 润滑与密封 2 0 0 6 3 1 4 1 5 9 1 6 0 Li Xinmo Ge n g Ain o n g Ge n g Ku ih u a e t a1 Re s e a r ch o n t h e v a n e t y p e co m p r e s s o r w it h f rict io n r e d u ci n g f l y w e i g h t s J L u b rica t i o n E n g in e e rin g 2 0 0 6 3 1 4 1 5 9 1 6 0 5 李辛沫 耿爱农 具有飞块减摩装置的滑片