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　　6、根據(jù)活塞環(huán)貼合氣缸鏡面原理設(shè)計活塞導(dǎo)向環(huán)、活塞環(huán)

　　3000噸/年合成氨裝置用2D6.5-8/150氫氮氣壓縮機，一、二、三段用填充聚四氟乙烯制造活塞環(huán)和活塞導(dǎo)向環(huán)，四段用聚酰亞胺制造活塞環(huán)，2Z1.75-1.55/180-200循環(huán)壓縮機用尼龍或聚四氟乙烯制造活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)。導(dǎo)向環(huán)的軸向厚度比活塞環(huán)的軸向厚度大，在當(dāng)時算是實現(xiàn)了壓縮機的無油潤滑。無油潤滑的2D6.5-8/150氫氮氣壓縮機、2Z1.78-1.55/180-200循環(huán)壓縮機，以及氣缸注油潤滑的壓縮機，在壓縮機檢修更換活塞環(huán)時發(fā)現(xiàn)，磨損過的活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)都有一個共同現(xiàn)象：切口處徑向厚度最大，磨損得最小，與切口成約180°的位置徑向厚度最小，磨損得最大，見圖5所示。

　　為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？這與活塞環(huán)貼合氣缸鏡面起密封作用的原理相關(guān)聯(lián)。在切口處，由于氣體沿切口泄漏，切口處背壓最低，切口處活塞環(huán)對氣缸的背壓力就最小，磨損就輕?；钊h(huán)背間隙內(nèi)的氣體，也要從切口處漏向活塞環(huán)壓力低的一側(cè)，離切口越遠(yuǎn)的背間隙內(nèi)，形成的背壓越大，因此與活塞環(huán)切口約成180°的位置，活塞環(huán)磨損最大，徑向厚度最小。這就證明，沒有外張彈力的無油潤滑活塞環(huán)，是活塞環(huán)槽內(nèi)背壓力向外壓緊活塞環(huán)，活塞環(huán)又壓緊氣缸鏡面起密封作用的。

　　活塞導(dǎo)向環(huán)支撐著活塞，起著活塞在氣缸中往復(fù)運行的導(dǎo)向作用，不要求導(dǎo)向環(huán)起密封作用。如果導(dǎo)向環(huán)具有密封作用，那就必然形成背壓，導(dǎo)向環(huán)就起活塞環(huán)的作用，導(dǎo)向環(huán)的軸向厚度比活塞環(huán)的軸向厚度大，背壓所形成的力比活塞環(huán)的大，造成導(dǎo)向環(huán)過早磨損，讓導(dǎo)向環(huán)的導(dǎo)向作用削弱。為了不能讓導(dǎo)向環(huán)背間隙內(nèi)形成背壓而當(dāng)活塞環(huán)用，在導(dǎo)向環(huán)的兩端開徑向的均布槽，寬度3至8mm，深2至3mm，或更深一點，讓背間隙內(nèi)氣體沿這些徑向槽泄漏出來，使背壓無法形成；在外圓面上開多條軸向氣體通道，與端面上的徑向槽互相錯開，使導(dǎo)向環(huán)兩端沒有壓力差，讓導(dǎo)向環(huán)工作時不承受軸向負(fù)荷；導(dǎo)向環(huán)的兩端外圓倒角20°，長度為5mm或3mm不等，或者加工成一定的錐度（如1比10、1比20）；當(dāng)活塞向軸側(cè)或蓋側(cè)運行時，氣體從蓋側(cè)或軸側(cè)端面進入20°倒角之內(nèi)，或者進入錐度與氣缸之間，將導(dǎo)向環(huán)向內(nèi)圓收緊，抵消部分背壓而減少磨損。選3mm還是5mm，或用錐度的大小，根據(jù)實際情況來確定。由于活塞導(dǎo)向環(huán)不受負(fù)荷，只起活塞的導(dǎo)向作用，CFRP制造的活塞導(dǎo)向環(huán)，在高、中、低壓的壓縮機中都可以應(yīng)用。據(jù)有關(guān)資料，活塞環(huán)的徑向厚度（外圓半徑與內(nèi)圓半徑的差）為t，軸向厚度為h，切口為s，外徑為D?；钊麑?dǎo)向環(huán)的基本尺寸也這樣表達?；钊麑?dǎo)向環(huán)的尺寸確定見圖6。

　　活塞環(huán)與氣缸鏡面貼合起密封作用，CFRP活塞環(huán)的切口大，切口至少約是鑄鐵活塞環(huán)的8倍。用常規(guī)活塞環(huán)密封，壓縮機開始工作的一定時間內(nèi)，活塞環(huán)密封漏氣大。用一槽三環(huán)活塞環(huán)密封，就是活塞環(huán)切口大，照樣能完全阻止氣體的泄漏通道，又不至于讓CFRP活塞環(huán)和氣缸的磨損速度加大。

　　活塞環(huán)和活塞導(dǎo)向環(huán)切口尺寸的確定。氣缸無油潤滑，活塞環(huán)和導(dǎo)向環(huán)的材料多選用碳纖維增強填充聚四氟乙烯CFRP，其熱膨脹系數(shù)比聚四氟乙烯的略小。在25℃至250℃的使用環(huán)境下，聚四氟乙烯的線膨脹系數(shù)是10～12×1/100000/℃，約是鑄鐵的10倍。取CFRP的線膨脹系數(shù)為δ=10×1/100000/℃。氣缸最高排氣溫度為150℃左右，吸氣最高溫度為40℃，氣缸設(shè)有冷卻夾套對氣缸進行冷卻，若取氣缸的平均溫度作為活塞環(huán)、活塞導(dǎo)向環(huán)的工作溫度，應(yīng)該不會算低，也可取為活塞環(huán)的工作溫度，如取常溫為25℃，設(shè)活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)工作溫度為T，氣缸吸氣溫度為40℃，排氣溫度為150℃，則氣缸工作的平均溫度T=(150+40)÷2=95℃，活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)切口尺寸s=πDδ×(95-25)mm，就確定了活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)切口尺寸。

　　同理，設(shè)活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)的軸向間隙為c，則c=hδ(95-25)mm，取計算出的值為最大熱脹間隙。活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)軸向厚度尺寸公差也用此方法來進行確定，計算出活塞環(huán)的側(cè)間隙c，每一道活塞環(huán)槽的軸向?qū)挾葹閔，活塞環(huán)軸向厚度為h/2，以此值確定內(nèi)環(huán)和外環(huán)厚度的公差尺寸?；钊麑?dǎo)向環(huán)內(nèi)圓與環(huán)槽底的外徑并不相等，要留有徑向熱脹的軸向間隙，也利于導(dǎo)向環(huán)的裝配?；钊h(huán)的內(nèi)環(huán)內(nèi)圓直徑比活塞環(huán)槽底直徑大1至3mm，氣缸直徑大取大值，活塞環(huán)直徑小取小值，如直徑大于1100mm的活塞環(huán)，取內(nèi)圓比活塞環(huán)槽底直徑大3mm。活塞環(huán)外徑與氣缸直徑相等。確定好活塞導(dǎo)向環(huán)、活塞環(huán)的所有尺寸，畫出活塞導(dǎo)向環(huán)、活塞環(huán)的施工圖紙。

　　7、活塞環(huán)在氣缸內(nèi)的工作范圍

　　應(yīng)用一槽三環(huán)活塞環(huán)密封，導(dǎo)向環(huán)設(shè)在活塞的中間位置，活塞環(huán)置于導(dǎo)向環(huán)的兩端。活塞兩端密封壓差小的設(shè)置2道活塞環(huán)密封，軸側(cè)端和蓋測端各設(shè)置1道；兩端壓差大的活塞，在導(dǎo)向環(huán)的軸側(cè)和蓋側(cè)各設(shè)置2道活塞環(huán)密封。每一道活塞環(huán)在氣缸內(nèi)的工作范圍，是在從內(nèi)止點到外止點之間，也就在曲軸旋轉(zhuǎn)半徑的2倍的范圍。當(dāng)壓縮機工作活塞到達內(nèi)止點時，最靠近止內(nèi)止點端活塞環(huán)超出氣缸鏡面1～2mm；為了讓活塞環(huán)對氣缸的磨損均勻，規(guī)定了內(nèi)、外止點端的活塞環(huán)在內(nèi)、外止點端所能到達的位置。當(dāng)活塞運行到外止點時，活塞環(huán)超出氣缸鏡面也是1～2mm。如果氣缸上裝的是直筒形的氣缸套，活塞運行到內(nèi)止點時，軸側(cè)端活塞環(huán)距離內(nèi)止點端的進、排氣孔邊緣2～3mm；活塞運行到外止點時，蓋側(cè)端活塞環(huán)距離外止點端的進、排氣孔邊緣也是2～3mm。

　　8、高壓差的無油潤滑活塞環(huán)密封

　　活塞兩端壓差在6MPa以上，傳統(tǒng)上使用中、高壓活塞環(huán)密封。使用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)活塞環(huán)，活塞環(huán)尺寸偏小，活塞環(huán)背壓力大，使用過程中容易碎裂和折斷，運行壽命偏短。例如4M8-36/320壓縮機的六級活塞密封是高壓差活塞密封，原機設(shè)計活塞上裝有20道標(biāo)準(zhǔn)的活塞環(huán)，拆檢時活塞環(huán)有很多都碎斷了。用一槽三環(huán)活塞環(huán)密封，把氣缸活塞密封改為無油潤滑，用碳纖維增強四氟乙烯制造活塞環(huán)和內(nèi)環(huán)，活塞環(huán)加大尺寸，增加活塞環(huán)的機械強度。也可用銅基銅粉金塑復(fù)合復(fù)合材料FH-1A制造活塞環(huán)，用合金鑄鐵制造內(nèi)環(huán)。內(nèi)環(huán)有一定的外張彈力，將活塞環(huán)貼合在氣缸壁上。由于活塞環(huán)尺寸加大，裝配應(yīng)力也大，將會難以裝配，所以將活塞環(huán)設(shè)計為由兩半圓組成，內(nèi)環(huán)仍為單切口的活塞環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)設(shè)計成必須能順利裝入環(huán)槽，因此必須對內(nèi)環(huán)尺寸進行裝配應(yīng)力的校核。應(yīng)設(shè)置四道活塞環(huán)密封，新設(shè)計的高壓活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)見圖5，兩道活塞環(huán)的切口互相錯開約90°，內(nèi)環(huán)切口與活塞環(huán)切口互相錯開約45°。這對提高壓縮機高壓段活塞環(huán)的密封效果和延長高壓段的活塞使用壽命、提高機器效率、節(jié)能降耗都具有現(xiàn)實意義。

　　由兩個半圓組成的活塞環(huán)裝配，活塞環(huán)是兩個半圓環(huán)，裝在活塞環(huán)槽中容易脫落，更何況一個環(huán)槽里要裝2根活塞環(huán)和1根內(nèi)環(huán)，不能順利的裝進氣缸。因此要制作專用的活塞環(huán)裝配導(dǎo)向套工具來進行裝配，做一個直徑與氣缸直徑一樣大、能把活塞環(huán)全部套完的軸套，內(nèi)圓面的粗糙度要求比較高。如活塞組件裝入氣缸是從蓋側(cè)端裝入，則裝一道活塞環(huán)套一道進導(dǎo)套，裝二道活塞環(huán)套一道進導(dǎo)套，直到把導(dǎo)向環(huán)、活塞環(huán)都套在導(dǎo)套內(nèi)，從活塞蓋側(cè)頂端把活塞組件從蓋側(cè)推進氣缸，直到活塞環(huán)全部進氣缸，取出活塞環(huán)裝配導(dǎo)套。若是級差式氣缸，高壓活塞在在蓋側(cè)的氣缸內(nèi)，則先裝低壓活塞，將活塞環(huán)裝配導(dǎo)向套切成兩半圓導(dǎo)套，外圓焊接螺栓來固定或用橡皮筋捆住，把活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)一道一道地全部裝入導(dǎo)向套內(nèi)，再吊氣缸套上活塞，推氣缸套在活塞上，讓活塞環(huán)全部進入了氣缸，拆下活塞環(huán)裝配導(dǎo)向套。若是倒級差式活塞，則高壓氣缸在軸側(cè)，也用兩半圓的活塞環(huán)裝配導(dǎo)套來裝配。若不用活塞裝入氣缸的專用工具，只能是只有一個切口的活塞環(huán)能順利裝進氣缸。

　　9、活塞環(huán)裝配強度的校核

　　活塞環(huán)的徑向厚度為t，軸向厚度為h，切口為s，外圓直徑為D，材料的彈性模量為E，活塞環(huán)裝在活塞上的環(huán)槽里，再裝入氣缸內(nèi)，能裝進環(huán)槽的活塞環(huán)裝配應(yīng)力與軸向厚度h無關(guān)。內(nèi)環(huán)的尺寸也這樣表述。活塞環(huán)裝配強度的校核公式為：

　　式中：E為材料的彈性模量，鑄鐵的彈性模量是120GPa。一般鑄鐵活塞環(huán)（灰鑄鐵、合金鑄鐵），許用應(yīng)力根據(jù)直徑大小按下表選取。

　　有壓縮機資料介紹：當(dāng)把鑄鐵活塞環(huán)裝入環(huán)槽中時，將環(huán)張開，其許用應(yīng)力允許大10%。因為將環(huán)張開裝入環(huán)槽是瞬時的，不像裝入氣缸中那樣長期存在。填充聚四氟乙烯有良好的塑性，容易變形，應(yīng)力校核鑄鐵活塞環(huán)能夠順利裝配的，稍大一些的填充聚四氟乙烯的活塞環(huán)也一定能順利裝配。為了讓活塞環(huán)、內(nèi)環(huán)能夠順利裝配，校核裝配應(yīng)力是必要的。

　　壓縮機的活塞環(huán)密封不漏及氣缸與活塞的無油潤滑，是比較新的技術(shù)。只要我們認(rèn)真的去做，就能把這項技術(shù)用好。此技術(shù)的理論與在壓縮機上的應(yīng)用都證明，能夠提高壓縮機的容積流量，延長使用周期。若得以在壓縮機上普遍推廣應(yīng)用，就能實現(xiàn)活塞式壓縮機氣缸和活塞的長周期、安全穩(wěn)定和和高效節(jié)能運行。個人的力量十分有限，要做好一件好事并不容易，筆者愿與有志于壓縮機節(jié)能的有識之士一起，努力做好這項有意義的工作。

　　<注：本文連載完！>

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