活塞压缩机课件

活塞式压缩机活塞式压缩机 概 述 一 活塞式压缩机的基本构成一 活塞式压缩机的基本构成 活塞式压缩机主要由传动机构 工作部件及机体组成 此外还有润滑 冷 却 调节等辅助系统 图所示为一 L 型压缩机 它的传动机构是曲柄连杆机构 由电机通过皮 带轮带动曲轴旋转 连杆大头装在曲轴的曲柄销上 其小头与十字头相连 因此 曲柄通过连杆带动十字头在滑道内作往复运动 再由十字头带动活塞 组件 包括活塞及活塞杆等 在气缸内作往复运动 由一根连杆所对应的气缸 活塞组为一列 本机有两个连杆分别对应着一列气缸活塞组 该机共有两列 工作部件包括气缸 气阀组件 活塞组件及填料组件 气缸的内表面与 活塞工作端面所形成的空间是实现气体压缩的工作腔 气阀装在气缸上 控 制气体作单向流动 即吸气阀只从进气管向工作腔吸气 排气阀只能从工作 腔向排气管排气 气阀的启闭动作主要由缸内外压差及气阀弹簧控制 活塞 在气缸内作往复运动时 工作腔的容积作周期性变化 它与吸排气阀的启闭 动作相配合 实现有膨胀 吸气 压缩 排气四个过程的工作循环 从而不 断吸入低压气体 排出压缩后的高压气体 本机为双作用气缸 即曲轴每转 一周 带动活塞在缸内往复一次 气缸两侧各实现一次工作循环 图示压缩 机两缸的直径相同 所以是一个双缸双作用单级压缩机 压缩机的润滑分两个系统 一个供传动机构的润滑 通常用机油润滑 靠轴头的齿轮油泵循环供油 另一个供气缸内工作部件的润滑 采用压缩机 油 靠注油器注入气缸 冷却系统有冷却气体的中间冷却器 后冷却器 润滑油冷却器及气缸的 水套冷却等减荷阀 安全阀是该机的控制与安全系统 二 活塞式压缩机的特点 与离心压缩机相比 活塞式压缩机的优点是 1 适用压力范围广 这种机器依靠工作容积变化的原理工作 因而不论 其流量大小 都能达到很高的工作压力 目前工业上超高压压缩机的工作压 力已可达 350MPa 2 热力效率较高 功率消耗较其它型式压缩机低 3 对介质及排气量的适应性强 可用于较大的排气量范围 且排气量受 排气压力变化的影响较小 另外当介质密度改变时 压缩机的容积排量和排 气压力的变化也较小 其主要缺点是因往复惯性力大 使转速不能太高 故机器较笨重 大排 量者尤甚 结构复杂 易损件多 使维修工作量大 此外 由于排气不连续 造成气流压力脉动 易产生气柱振动 由于以上特点 活塞压缩机主要适用于中 小流量而压力较高的场合 目前国内活塞式压缩机的应用仍最广泛 在采矿 冶金 机械 建筑等部门 用空压机提供压缩空气作为动力 在石油化工厂中 用压缩机输送工艺气休 或动力气体 在工艺流程中把介质压缩到反应所需的压力等 目前活塞压缩机在结构参数上趋向适当的高转速和适当的短行程 使结 构更紧凑 小型压缩机向快装 无专门基础的机组化方向发展 由于近年来在压缩机气阀 气流脉动和振动方面的研究取得不步进展 在延长易损件寿命方面也作了不少工作 从而改善了压缩机的性能 提高了 运转率 这些都使活塞压缩机克服其弱点 得以扬长避短 更好地发挥其节 能特点 优化设计理论的发展和计算机的普遍应用 为更合理地选取设计参数 提高节能效益开创了新的前景 三 活塞式压缩机的分类与型号三 活塞式压缩机的分类与型号 1 分类 活塞式压缩机可从不同角度分类 简要叙述于表中 其结构示意 如图 2 活塞压缩机的型号 活塞压缩机的使用范围十分广泛 为了选择使用的 方便 机械工业部标准 JB2589 86 规定了容积式压缩机型号的编制方法 此标准适用于除制冷压缩机外 的容积式压缩机 其型号命名如下 示例 1 WWD 0 8 10 型空气压缩机 往复活塞式 w 型 无润滑 低噪声罩式 公称容积流量 0 8m min 公称排气表压力 10 Pa 5 10 2 VY 6 7 型空气压缩机 往复活塞式 V 型 移动式 公称容积流量 6 m min 公称排气表压 力 7 Pa 5 10 3 L 22 7 型空气压缩机 往复活塞式 L 型 公称容积流量 22 m min 公称排气表压力 7 5 10 Pa 4 P 3 285 320 型氮氢气循环压缩机 往复活塞式 卧式 公称容积流量 3 m min 公称吸气表压力 285 Pa 公称排气表压力 320 Pa 5 10 5 10 5 H 140 320 型氮氨气压缩机 往复活塞式 H 型 公称容积流量 140 m min 公称排气表压力 320 Pa 5 10 活塞压缩机的工作循环 一 理论工作循环 1 理论工作循环指示图 首先讨论压缩机一个级的理论循环 为了研究问题方便 先对压缩机的 工作过程作如下的简化假设 1 压缩机气缸没有余隙容积 即排气终了时缸内气体全部排尽 2 吸 排气过程无阻力损失 无压力脉动 无热交换 即在进 排气 过程中 气体的温度 压力不变 并分别与进 排气管内状态相同 3 气体压缩的过程指数在全过程中为常数 4 气缸压缩工作容积绝对严密 没有气体泄漏 在上述假设前提下 压缩机的工作循环可简化为如图 4 3 1 所示的三个 过程的理论循环 吸气 活塞自 左向右移动时 吸气阀 立即打开 气体在压 s P 力下进入气缸 在图中 的 4 1 线所示 压缩 活塞从 内止点向左移动 吸 排气阀均关闭 由于活 塞移动 缸内容积变小 气体被压缩 压力上升 直到缸内压力与排气管 内压相等为止 图中 1 2 线所示 排气 活塞继续向左移动 排气阀打开 气体在压力下从气缸排到 d P 排气管内 图中 2 3 线所示 到外止点时缸内气体被排尽 这样完成了一个理论工作循环 缸内瞬时压力和容积作周期性变化 描 述理论工作循环中的 P V 图称为理论指示图 活塞内 外止点间的距离称 为行程 用 S 表示 这里应注意两个问题 一是指示图上的横座标是气缸容积 V 而不是热 力学中所用的比容 v 因为在进 排气过程中气体容积 V 是变化的 而比容 并不变化 状态不变 由此看出 理论循环的三个过程中只有压缩过程是真 正的热力过程 二是压缩机的排气压力取决于排气管道中的压力 即压缩 d P 机排气阀后面系统中的压力 也称为背压 压缩机铭牌上所标的排气压力是 该机可以长期工作的排气压力 机器的排气量 功率及机件的强度都按此压 力设计 在生产过程中实际排气压力随系统中用气量和压力的变化而变化 如果系统中用气量很大 而压缩机排气量小于用气量 则系统压力建立不起 来 实际生产中总是按压缩机排气量大于用气量来设计和选用压缩机 采取 一定的调节措施 使用气量与压缩机排气量相适应并保持一定的压力 如果 不采用调节措施则系统中因气体积累而使压力不断升高 压缩机排气压力也 随之升高 会因压缩机功率超载或机件受力超过强度极限而出现事故 线为 AB 当缸内压力高于排气管道内压力如并足以克服排气阀阻力而顶 开排气阀时才开始排气过程 排气过程中压力也是波动的 当活塞 回到外止点时 排气过程终了 如此完成了一个工作循环 二 实际工作循环二 实际工作循环 实际压缩机中 前述理论工作循环的简化假设是不可能实现的 由于在压缩机设计中为避免活塞与缸盖相撞和满足气阀安装的需要 以及气阀本身结构等因素 造成排气终了 活塞行至止点 时 气 缸与活塞端部仍然有一定空隙 称为余隙容积 在余隙容积中的气 体无法排尽 此外在吸 排气过程中存在阻力损失 气体与缸壁有 热交换 这些因素使实际工况要比理论工况复杂的多 图 4 3 2 表示压缩机一个单作用级的实际工作循环 排气终 了活塞行至外止点 由于余隙容积的存在 缸内仍有残留的排气状 态的气体 以 C 点表示 当活塞自外止点右行 工作容积增大 残 留气体容积增大而压力下降 进行膨胀过程 膨胀线为 CD 由于 气阀主要依靠缸内外气体压差控制启闭 只有当缸内压力低于吸气 管内压力 并足以克服流动阻力时 才能顶开吸气阀 如 D 点表 s P 示 吸气过程中缸内压力有波动 活塞到内止点 A 时吸气终了 吸 气阀关闭 A 点压力仍低于 活塞自内止点左行时 缸内容积变 s P 小 气体进行压缩过程 在 P V 图上表示的实际循环称实际指示图 用示功仪或用计算 机可测出压缩机的指示图 指示图上 ABCDA 所包围面积代表压缩 机每个实际工作循环所需的指示功 图 4 3 3 是一台空气压缩机一个缸的工作过程 曲线表p 明有膨胀过程且吸排气过程有阻力损失 曲线看出吸排气过程t 中有热交换 由于冷却及热惰性关系 气缸壁温度约处于进排气温 度的平均值 吸气时壁温高于进气气温 吸入气体不断被加热 排 气时壁温低于排气气温 排气过程中气体不断放热而降温 压缩和 膨胀过程的变化更为复杂 膨胀过程开始缸内气温高于壁温 气体 放热膨胀 m k 膨胀后期缸内气温低于壁温 气体吸热膨胀 m k 压缩过程后期为放热压缩 m k 一般放 热压缩是主要的 图中 ab 线所示 综上所述 实际循环与理论循环的主要区别是 1 由于存在余隙容积 实际工作循环由膨胀 吸气 压缩和排 气四个过程组成 而理论循环无膨胀过程 变工况工作及排气量调节变工况工作及排气量调节 一 变工况工作 压缩机在偏离原设计的条件下工作时 其热力性能将与原设计不同 称 为变工况工作 下面介绍几种常见的变工况条件 1 吸气压力改变 在高原上工作的压缩机 由于当地大气压力低而使压缩机吸气压力降低 如图 4 6 1 所示 若排气压力不变 对单级压缩机 将导致压力比升高 d P 容积系数降低 排气量将随之有所减少 据试验 在海拔 4500m 以下 海拔 每升高 1000m 大气压力约降低 10 12 容积系数约降低 2 3 在多级 压缩机中总压力比升高 各级压力比改变 排气量也会有所下降 指示功率 的变化则由压力比变化的大小而定 但单位供气量消耗的功率要增加 工艺过程中的输气压缩机和循环压缩机也会因操作条件的改变 而引起吸气压力改变 2 排气压力改变 使用中当吸气压力不变而排气压力提高时 往往会因压力比提 高而使吸气量略有减少 其功率多半是会有所增加 3 被压缩介质改变或工艺混合气的成分变化 介质性质和混合气成分的变化 引起气体的绝热指数的变化 而绝 热指数 k 直接影响膨胀或压缩过程指数 如图 4 6 2 所示 从而影响排 气量 功率及温度 当其它条件不变时绝热指数高的气体 其膨胀和压 缩过程指数也高 则功率消耗也大 气体密度大时 气体流动阻力损失大 功耗就增加 导热率高的气体在吸入过程中易受热膨胀 温度系数较小 影响排 气量 二 排气量调节二 排气量调节 用气单位常常因生产条件的改变要求压缩机的排气量在一定范围内 调节 通常 用户按最大用气量来选用压缩机 因此 排气量的调 节 一般是指调节到低于额定的排气量 根据用户的不同要求 排气量调节可分为连续调节 排气量连续改变 间歇调节 只有排气与不排气两种 和分级调节 如分为 100 75 50 25 0 等档次 排气量调节的依据是排气量的计算公式 Q 在缸径和行 vplTh nV 程一定的条件下 利用改变排气系数 转速等方法来实现 调节方式应 满足结构简单 工作可靠 经济性好的要求 下面介绍几种调节方法 1 改变转速和间歇停车 由可变速的驱动机驱动的压缩机 可以连续改变转速来调节排量 排气量与转速大小成正比 但由无变频调速器的交流电动机驱动时 就 不能无级调速 而采用闻歇停车的方法 停车后不消耗能量 但是频繁 的启动与停车使机器的工作条件恶化 一般只适用于微型压缩机或空压 机站多台机器运行场合 2 切断进气停止吸入调节 图 4 6 3 是通过压力调节 器控制减荷阀切断进气调节装 置 当储气罐内压力超过规定 值时 高压气体将调节阀压开 气体经调节阀进入减荷阀的活 塞缸内 将活塞往上推 并推 动蝶形阀向上关闭进气通道 使压缩机进入空转 这种停止 吸气后的指示图如图 4 6 4 中 虚线所示 当储气罐中压力低 于规定值时 调节阀关闭 减荷阀活塞缸内压力将下降 弹簧又使蝶阀 向下 打开进气通道 机器正常工作 开车时可用手轮手动操作 应当注意 减荷阀切断进气后会使吸气压力降低 导致 压力比增大 排气温度短时升高 活塞力加大 由于缸内出 现真空度 所以此法不宜用于不允许有空气混入气体的压缩机 同时对 无十字头的单作用压缩机 为防止将润滑油抽入气缸 也不宜用此法 此法特点是结构简单 工作可靠 故仍广泛应用于中 小型空气压缩机 3 旁路调节 将压缩机的排气管与进气管用一旁路管连通 使已排出的气体全部 或部分引回一级入口 以此达到排气量调节的目的 此法有自由连通和 节流连通两种 自由连通是旁路阀全开 排出气体全部流回进气管 不向外输出气 体 为防止排气系统气体倒流 在排气管上旁路接口后应装设止回阀 自由连通调节常在大型压缩机起动时采用 其功耗主要用于克服气阀及 管路的阻力损失 节流连通将旁路阀部分开启 使部分高压气体节流后回到进气管 可以连续调节 此法装置简单 操作方便 但浪费能量 很不经济 一 般用于短期 不常调节或调节幅度不大的场合 4 顶开吸气阀调节 此调节方法的原理是增加气缸的外泄漏 即减小泄漏系数 来调节 气量 根据顶开吸气阀的程度不同 有完全顶开吸气阀和部分行程顶开 吸气阀两种 图 4 6 5 是一种完全顶开吸气阀装置 当排气量过剩时 排气系统储气 罐中压力不断上升 若罐中压力超出规定值时 高压气体顶开调节阀进入小 活塞 4 的上部 推动小活塞与压叉 2 向下 将吸气阀片顶离阀座 活塞运动 时被吸入缸内的气体通过吸气阀返回吸入系统 使气缸排气量接近于零 当 气罐中压力下降到规定值时 调节阀关闭 切断气源 压叉在弹簧 3 推动下 升起 气阀恢复正常工作 压缩机正常排气 图 4 6 6 是完全顶开吸气阀前 后的指示图 图中带斜线部份是顶开吸气阀后的情况 其功耗用于克服气阀 阻力 这种方法经济性较好 这种调节方法是间歇 调节 若在双作用气缸的 一侧安装顶开吸气阀装置 则可实现 50 气量的调节 要求 另一种是部分行程顶开吸气阀的调节装置 其原理是利用电磁 液压 气动或弹簧等装置使吸气阀在压缩过程的一部分行程中处于顶离阀座状态 这时缸内气体流回进气管 其余行程中吸气阀关闭 缸中仍有部分气体被压 缩 排出 图 4 6 7 是调节结构及调节前后的指示图 带斜线部分是调节 后的指示图 部分行程顶开吸气阀调节也较简单方便 但阀片频繁受压叉冲击 阀片 寿命降低 所以一般只用于转速较低的压缩机 5 补充余隙容积调节 这种方法是人为地增加余隙容积 减小窖积系数来调节排气量 在压缩 v 机气缸顶部另设置一个容积 当需要调节时 将该容积与气缸接通 成为补 充余隙容积 用余隙阀直接接通一个不变的补充容积者称固定容积式 若把 补充容积做成有可移动活塞的圆筒 补充容积随活塞移动而变 称可变容积 式 如图 4 6 8 的 a 及 b 所示 补充余隙容积调节前后的指示图如图 4 6 8 c 所示 其中有斜线部分是 调节后的指示图 根据要求调节气量的大小 可以选择补充的余隙容积值 若忽略 及的变化影响 机器转速不变 调节后排气量与调节前 p T l 排气量的比值 B 只与调节前后的容积系数有关 活塞压缩机主要易损件活塞压缩机主要易损件 一 气阀 气阀是活塞压缩机中的重要部件 也是一种易损件 它的工作特性直接 影响到压缩机的排气量 功率消耗等性能 也影响到运转的可靠性 因 此 需要掌握其工作原理 以便正确地使用与改进 活塞式压缩机一般采用 自动气阀 它的启闭主要由阀片两边的压力差 与弹簧来实现 而没有其它的机械控制机构 这种气阀结构简单 且能适应 压缩机的变工况要求 图 4 12 1 是最常用的环状阀 阀座 1 具有同 心的环形或孔形气体通道 阀片 3 是启闲气阀通 道的主要运动元件 弹簧 4 则配台气流推力以控 制气阀的启闭运动 升程限制器 5 用来限制阀片 的升起的高度 并兼作弹簧支承座 此外还有连 接螺栓 2 螺母 6 和开口销 7 等零件 不同型式的 气阀 其结构各异 但大体也都包括以上几种零 件 下面以最常见的环状阀为例来分析其工作原 理 1 气阀的工作过程 以吸气阀为例 将阀片启闭过程列于表 4 12 1 中 通常把阀片所受的各种气体力 等综合称为气流顶推力 用 S p fpf v P 表示 称为气流推力系数 可由试验测得 由表 4 12 1 可见 气阀fp 的启闭动作是由气流顶推力与弹簧力之间的相配关系决定 开启时 气流顶 推力是推动阀片开启的力 弹簧力则起阻止 缓冲作用 可减小阀片对限制 器的冲击 反之 当关闭时 弹簧力推动阀片关闭 气流顶推力则起阻止作 用 气流顶推力值随活塞运动过程中缸内压力的变化而变化 图 4 12 2 表示阀片升程与活塞运动及缸内指示图间的对应关系 横座 标表示曲柄转角 或活塞位移 正常工作中 当气流顶推力超过弹簧力时 阀片迅速开启 当阀片与限制器相撞时产生了一个轻微的反弹 然后又在气 流顶推力的作用下全开 当弹簧力超过气流顶推力时 阀片开始关闭 往往 在关闭过程中 由于升程 h 变小而使压降 p 增大 气流顶推力又变大 超 过弹簧力时出现反弹现象 因此关闭过程较缓慢 且常有波动 正常情况下 希望活塞走到内止点时 气阀刚好全关闭 图中面积 abcdef 称为气阀的时间 截面 其大小反映了气阀开启的时间 气流通过气阀的阻力以及气阀工作是 否正常等情况 从自动气阀的工作原理出发 一个良好的气阀应符合以下要求 1 及时开启 及时关闭 即阀片的动作要与活塞运动匹配 若弹簧力较 大 使气阀不能及时打开 将使开启时间短 时间截面小 吸气量过小 图 4 12 2 b 所示 同时该图也表示活塞到达止点而气阀还不能完全关闭的情 况 称为延迟关闭 由于活塞到达止点后立即返回 缸内压力上升 气流就 会从未关死的吸气阀倒回吸气管道而使实际吸气量降低 而且此时气体倒流 而造成顶推力与弹簧力的方向一致 又将使阀片猛然关闭 在无缓冲力情况 下撞到阀座上 降低阀片寿命 2 气阀全开时要稳定 不要大幅度跳动 图 4 12 2c 表示由于弹簧力 过大 阀片不能正常全开而来回跳动 称颤振现象 其结果是使气阀时间截 面缩小 阻力增大 阀片撞击次数多 寿命降低 3 气阀的流通阻力损失要小 气阀的阻力损失在整个压缩机功率消耗中 占有相当大的 比例 应设法减小 4 工作可靠 阀片及弹簧等易损件的寿命要长 此外还要求气阀余隙 容积小 气阀关闭时的严密性好等 4 气阀寿命 气阀的寿命主要取决于阀片和弹簧的寿命 压缩机运转时 阀片在阀座 和升程限制器之间来回跳动 产生撞击 虽然每次撞击能量不大 但属于小 能量多次撞击 易于形成疲劳裂纹而使阀片损坏 此外 阀片撞到升程限制 器时 又会与弹簧发生撞击 此时弹簧的变形量和变形速度都很大 会产生 相当大的动应力 导致弹簧极易损坏 根据使用经验 在很多情况下是由弹 簧损坏 继而导致阀片损坏 为提高气阀寿命 国内外都进行了不少研究 主要有以下几方面 1 控制阀片升程 减少阀片倾侧运动 阀片升程过大会使阀片撞击速度 增大 降低寿命 在满足一定气阀通道的条件下 希望升程尽量的小 在气 缸上轴向布置的气阀 由于气阀布置空间的限制 气阀的一部分面积处于气 缸直径以外的位置 处于气缸工作腔部位的阀片受气流推力大 偏置在气缸 直径外的部位则由于气流偏吹 阀片受气流推力小 从而造成阀片运动时的 倾侧现象 这又会使阀片受附加撞击速度 工作条件恶化 实验表明 降低 阀片升程和减少气阀布置的偏置程度将会减少阀片的倾倒程度 2 正确选材 保证制造质量 疲劳破坏与局部应力有关 表面损伤 锈 蚀等均会促进疲劳破坏 因此 阀片及弹簧均应正确选材 严格控制热处理 条件 不得有表面损伤 阀片材料要求强度高 韧性好 耐腐蚀 常用的阀 片材料有 30CrMnSiA 及不锈钢 弹簧则常用 50CrVA 及 4Crl3 等 3 增大弹簧的自振频率 阀簧的工作是一种受迫振动 故应尽量避免出 现低阶共振现象 更要避免在共振条件下又出现阀片与弹簧间的撞击 因此 弹簧的最佳设计是个尚未解决的难题 一般认为应有较高自振频率 有人建 议要大于压缩机转速的三倍以上 增大自振频率的有效措旋是减小弹簧圈径 故现在国内外有采用小弹簧趋向 4 改进结构 由于阀片开启时比关闭时速度快 有人认为撞击限制器的 速度约为撞击阀座速度的三倍 因此在结构上可采取措施 例如在升程限制 器上嵌装橡皮 采用气垫阀等 以增加缓冲作用 取得了显著效果 5 气阀的型式与结构 1 环状阀 环状阀的结构如图 4 12 11 所示 其主要工作元件是环状 阀片 阀片的数目可根据需要而定 有一片至多片不等 阀片厚度在 2mm 左 右 阀片在启闭过程中由升程限制器上的凸台导向 阀片与导向块之间为动 配合 由于阀片运动时与导向块有摩擦 故多用于有油润滑压缩机 若用于 无油润帮压缩机 其凸台需用自润滑材料 阀座与限制器用螺栓连接 并在端部铆死以防工作时松动 固紧螺栓也 需要防松 整个气阀组件用压阀罩固定在气缸上 图 4 12 11 的压阀罩直 接顶着阀座 限制器外缘与阀座不接触 称为开式结构 图 4 12 12 是闭 式结构 压阀罩将限制器和阀座同时压紧在气缸的阀孔内 其优点是气阀螺 栓仅起联接作用而不受阀片撞击限制器的作用力 螺栓直径可较小 工作可 靠 缺点是气阀通道截面利用不充分 多用高压级的气阀 气垫阀也是一种环状阀 如图 4 12 13 所示 在限制器的环状筋上加工 出环形沟槽 槽宽度与阀片宽度成动配合 气阀开 启时 阀片进入槽内 使 封闭在槽内的气体来不及从弹簧座孔上的小孔排出 槽中气体被压缩形成气 垫 起到缓冲作用 这种结构使阀片受冲击力减小 可延长阀片寿命 同时 减少噪音 气垫阀的阀片较普通阀片厚 以便阀片在关闭状态时仍有一部分 在 槽内起导向作用 但阀的加工困难 适用宽通道 低转速的场合 2 网状阀 图 4 12 14 是一种无导向块的网状阀 其结构与环状阀类 似 但阀片的各环间用筋条联成一个整体呈网状 如图 4 12 15 所示 阀片中 心为固定部分 被夹持在上 下两垫块之间 自中心数起第二圈上 将径向 筋条铣出一个斜切口 且在图示弹性部分的弧段内铣薄 这样阀片具有一定 弹性 便于上下运动 外圈是阀片的运动和密封部分 阀片的升程由垫块的 厚度控制 不设导向块 在阀片与限制器间设有缓冲片 缓冲片的结构与阀 片类似 但开有供阀片弹簧穿过的孔 当气流推力克服作用在阀片上的弹簧 力及阀片的惯性力时 阈片即开启 当阀片与缓冲片接触后又要克服缓冲片 惯性力与弹簧力 直至缓冲片与限制器接触时气阀全开 由此可见 气阀全 关时 只受阀片弹簧的作用 弹簧力较小 而气阀全开时则阀片受阀片弹 簧力 缓冲片弹簧力及阀片与缓冲片的变形反力之和 弹簧力就大 这种变 刚性特点正符合气阀工作的要求 这是网状阀的一大优点 同时网状阀启闭 时各环片动作一致 这些特点正好克服了环状阀的缺点 但网状阀结构复杂 阀片加工困难 阀片的弹性部分易于产生应力集中而断裂 故在我国目前条 件下主要用于无油润滑压缩机 以解决导向块的磨损问题 此外 网状阀也 有中心导向的结构 3 直流阀 如图 4 12 16 所示 直流阀由阀座和阀片两部分组成 相互 间隔 夹持成一组 阀座一面铣有一定斜度的细长槽作为气体通道 其背面 铣有宽度较大的通长槽起升程限制器作用 阀片是用 0 2 0 5mm 的薄弹簧钢 片制成 即是阀片又是弹簧 是启闭元件 阀片两端铣有切口 气阀关闭时 阀片紧靠在阀座上 开启时 在气流推力作用下 克服阀片的弹力 阀片中 间部分产生弯曲变形 直至贴合在相邻阀座的背部 限制器 直流阀的外形 较适于做成矩形状 但也可做成圆形 直流阀的主要优点是气流流经气阀时几乎无 转折 因而阻力小 允许有较高的气速 但阀片 的密封性差 寿命不长 仅用于高转速的低压压 缩机 此外 还要槽状阀 图 4 12 17 阀片呈槽 形 弹簧呈条形薄片 具有变刚性特点并能起缓 冲作用 图 4 12 18 是超高压压缩机吸 排气组合阀 装于气缸头部 利用斜孔 作为气体通道 其吸气阀用球形密封元件 排气阀用菌状密封元件 二 活塞环 活塞式压缩机的活塞与气缸间的间隙采用活塞环密封 根据活塞环材料 及使用条件的不同 又有在有油润滑状态下使用的金属活塞环和无油润滑状 态下使用的非金属活塞环 下面介绍其工作原理 1 金属活塞环的密封原理 环数及主要尺寸的确定 典型的活塞环是一具有弹力的开口环 如图 4 12 19 所示 在 自由状态下 开口间隙为 A 当装入气缸时 被迫合拢呈圆环状 仅在切 口处留有热膨胀间隙 由于活塞环具有弹力 该弹力力图使环恢复自由状态 因受缸壁约束 故环紧贴缸壁 单位表面所受约束力称初弹比压 如图 4 k p 12 19 b 及图 4 12 20 a 所示 当压缩机工作时 缸内气体压力又把活塞环推向环槽的一侧 使之紧贴 1 p 槽壁 如图 4 12 20 b 所示 由于活塞环紧贴缸壁和槽壁 使气体流通受到阻 塞 但由于金属表面总还存在加工不平度造成的微小间隙 不可能完全阻塞 气流 而使气体在密封面间隙中产生节流效应 压力从降至 若认为压 1 p 3 p 力沿环高按直线分布 则环侧面的平均压力为 由于活塞环上侧与 13 1 2 pp 环槽的间隙较大 可认为环内侧所受压力 根据环的受力平衡 必然 21 pp 还作用 一力使活塞环紧贴缸壁 称密封力 单位表面所受的密封力称密封比压 d p 越大 环与缸壁贴得越紧 密封性也越好 若把活塞环看成 均压环 即 d p 假设等压分布 则取环的径向受力平衡如图 4 12 20 c 则得 活塞环的材料 活塞环的材料 应保证足够的硬度和耐磨性 最常用的是铸铁 要求金 相组织以珠光体为基体 均匀分布有薄片状或团状石墨 要求硬度达 HBl80 250 铸铁环硬度应比缸套硬度高 10 15 中 高压级活塞环可用合金铸铁 在普通铸铁中加入适量的铬 镍 铜 钼等元素 并经淬火 回火等热处 理 使珠光体基体变为贝氏体和马氏体的混合基体 韧性好 又耐磨 铜合 金的韧性高 耐磨及耐腐蚀性好 常作成三 四瓣组合成活塞环 并在内圈 加弹力环 活塞环外圆面及轴向两端面的粗糙度要小 以减 小环与缸壁及环与活塞上环槽的间隙 增强保密性 一般粗糙度达 Ra1 6 左右 棱角要倒圆 以防擦伤 气缸 并利用润滑油膜的形成与保持 2 无油润滑的活塞密封 无油润滑压缩机的活塞密封可分为接触式与非接 触式两种 1 非接触式的活塞密封 非接触式是指活塞与 缸壁不接触 保持较小的间隙值 典型的密封形式 是迷宫式密封 图 4 12 24 所示为一迷宫式压缩机 这种机器没有活塞环 活塞与缸壁保持 0 07 0 08m 的间隙 活塞上开有螺旋形迷宫槽 气体沿间隙高 速流过迷宫槽时 经过不断节流 膨胀 降压而达 到密封的要求 为防止活塞与缸壁发生摩擦 这种 压缩机对活塞与气缸的制造装配的同轴度要求非常高 在结构上除用十字头 滑道外 还设有一导向轴承 迷宫压缩机可保持气体介质无油 且由于是非接触式 其密封寿命长 适用于高转速短行程的立式压缩机 但由于结构复杂 制造安装困难 泄漏 量较一般接触式大 故国内很少采用 2 接触式活塞密封 其基本结构仍采用活塞环 在无油润滑压缩机中关 键是采用具有自润滑性能的材料做活塞环 早期的自润滑材料采用石墨 但 因韧性差 易脆裂 现在主要采用填充聚四氟乙烯 聚四氟乙烯简称 PTFE 这种材料摩擦系数小 约为 0 1 而且在与金属 对磨时 其表面分子能转移到金属表面而形成一层薄膜 因而具有良好的自 润滑性能 该材料化学稳定性好 耐腐蚀性优良 耐温到 250 左右 纯聚 四氟乙烯热膨胀系数大 导热性差 机械性能差 不耐磨 此外还有冷流性 冷流是指这种高分子化合物在长期外力作用下产生高分子转移而变形 为克 服这些弱点 常加入适量的填充剂以改善其性能 例如 加入青铜粉以提高 耐磨性 改善导热性和减少冷流 加入玻璃纤维以提高强度 增强耐磨性 加入二硫化钼以提高自润滑性等 为适应不同操作条件和气体介质 应选合 适的配方比例 国内外在这方面均进行了大量的研究 聚酰胺通称尼龙 如尼龙 6 尼龙 66 等制品 也具有自润滑性 其机械 强度比聚四氟乙烯高 且无冷流性 但耐热性差 在有负荷情况下只能用在 100 以下 聚酰亚胺是六十年代发展起来的高分子材料 其机械强度高 耐热性好 可长期使用于 200 230 其主要缺点是摩擦系数较大 国内有用聚酰亚胺 为主 加入聚四氟乙烯 石墨等材料的填充聚酰亚胺 曾用作高温 高压差 的无油润滑密封材料 近年来在聚四氟乙烯基础上进一步发展 采用粉末冶金的方法 制成多 孔性的金属骨架 在真空状态下