大型往復式壓縮機連桿小頭瓦潤滑特性分析

焦文讓，葛廣新，閆成

（克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834003）

大型往復式壓縮機連桿小頭瓦潤滑特性分析

焦文讓，葛廣新，閆成

（克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834003）

從大型往復式壓縮機連桿小頭瓦的受力情況和運動特點出發，分析連桿小頭瓦與十字頭銷之間的潤滑特點，為大型往復式壓縮機的使用、維護保養和故障的處理提供經驗。

往復式壓縮機；連桿小頭瓦；十字頭銷；潤滑

0 前言

往復式壓縮機的潤滑系統，分為與壓縮氣體直接接觸的內部潤滑和與壓縮氣體不相接觸的外部潤滑兩種。內部潤滑系統主要指汽缸內部的潤滑、密封與防銹、防腐；外部潤滑系統則是運動部件的潤滑與冷卻。通常在大型往復式壓縮機的外部潤滑，也叫運動機構的潤滑，除了減少運動部件各軸承及十字頭導軌等摩擦表面的磨損與摩擦功率消耗外，還起到冷卻摩擦表面及帶走摩擦下來的金屬磨屑作用，是往復式壓縮機能夠正常運行的先決條件。所以，壓縮機外部潤滑情況是否良好是壓縮機正常運行關鍵。大型的往復式壓縮機，外部潤滑主要包括曲軸與支撐瓦、曲軸與連桿大頭瓦、十字頭銷與連桿小頭瓦、十字頭與滑道之間的潤滑。其中，曲軸與支撐瓦和連桿大頭瓦之間主要為回轉元件的潤滑，十字頭滑道則是平面潤滑，所以對于油膜的建立等都比較容易。而十字頭銷與連桿小頭瓦之間的運動并不像轉軸在軸瓦中單方向的連續旋轉運動，而是以連桿小頭中心為基準以某一角度周期性地上下擺動，而且承受不同方向的交變載荷，所以該部位的潤滑非常難以保證。因此，在大型的往復式壓縮機中也常常容易出現連桿小頭瓦燒損的情況。本文以DW、MW系列往復式壓縮機為例，結合日常檢修經驗，介紹連桿小頭瓦潤滑特點。

1 大型往復式壓縮機連桿小頭瓦潤滑方式

大型的往復式壓縮機組外部潤滑基本都采用強制潤滑，就是利用油泵增壓將潤滑油通過傳動部件上設置的油孔油路送到各潤滑點。潤滑油路系統主要由濾油器、潤滑油冷卻器、潤滑油泵（一般用齒輪泵）、油管、壓力表和壓力調節閥組成。潤滑油流動的路線是：油箱→粗濾油器→齒輪泵→油冷卻器→濾油器→曲軸中心孔→曲柄銷和連桿大頭瓦的配合面→連桿中心孔→連桿小頭瓦和十字銷配合面→十字頭滑軌→油箱，其油壓的大小可通過油壓調節閥來控制。強制潤滑最主要的就是要保證足夠的油壓，一般油壓都保證在0.2～0.4 MPa，同時還要保證各油路暢通，由于機組的油路比較復雜，不是完全通過油管線給各部位供油，潤滑油必須依次通過曲軸、連桿中設計的油孔再到十字頭，屬于串聯的潤滑形式，所以油路中的每個環節有問題對其他各部位的潤滑都會有很大的影響，因此要保證往復式壓縮機的良好潤滑，首先必須確保潤滑油壓穩定，油路暢通。

2 連桿小頭瓦的承載及運動特點

一般大型往復式壓縮機連桿小頭都選用的是滑動襯套，常見的有銅套瓦和鋼殼巴氏合金瓦，小頭瓦面分布有油槽，以保證小頭瓦與十字頭銷之間的潤滑。但是由于連桿小頭瓦與十字頭銷之間不是連續的回轉運動，所以又和常見的回轉式軸瓦有所區別。對于雙作用的往復式壓縮機，連桿小頭瓦和十字頭銷間的運動如圖1所示，該運動并不像轉軸在軸瓦中單方向的連續旋轉運動，而是以連桿小頭中心為基準以某一角度β周期性地上下擺動。從圖示的關系可以看出，擺動角β的大小取決于曲軸回轉半徑r和連桿長度l。曲軸旋轉一周，連桿小頭瓦和十字頭銷間的載荷大小、方向都在隨旋轉而發生變化。當連桿處于水平位置時小頭瓦A，B處受力最大。因此，可以將連桿小頭瓦和十字頭銷間的潤滑工況看成是動載作用下的擺動油膜軸承。

圖1 連桿小頭瓦運動狀況分析圖

根據雙作用往復式壓縮機的運行和做功的特點，連桿小頭瓦的承載方向主要是在擺動角范圍內進行周期性的變化，與十字頭與曲軸的相對位置有關，按照圖1所示位置關系，連桿小頭瓦承載方向基本都是在中心線以下的擺動角范圍內，相應的連桿小頭瓦與十字頭銷的相對旋轉方向也在周期性的變化，圖2所示是曲軸旋轉一周連桿小頭瓦承載及旋向的變化情況。其中，圖2a所示為壓縮機活塞向氣缸內止點壓縮做功的過程，連桿主要承受拉力，所以小頭瓦處受到十字頭銷的一個相反方向的力，力的方向沿連桿體方向隨連桿的運動而變化；圖2b所示為壓縮機活塞向氣缸外止點壓縮做功的過程，連桿主要承受壓力，小頭瓦處同樣會受到十字頭銷的一個反方向的力，力的方向沿連桿體方向隨連桿的運動而變化。另外，壓縮機運行過程中活塞經過內外止點時，由于運動方向發生改變，所以連桿小頭瓦處還會受到瞬間的沖擊作用。所以，不斷變化的載荷和旋轉方向以及不斷的沖擊作用，連桿小頭瓦處也就無法產生連續的油膜。所以每次載荷方向改變后需要重新迅速的建立起油膜才能保證良好的潤滑，而要保證油膜能夠迅速建立，就要通過調整瓦間隙來減小沖擊作用，同時也要保證潤滑油量油壓的穩定。因此，從這一點來分析，連桿小頭瓦的潤滑情況比普通的滑動軸承要復雜的多。

圖2 連桿小頭瓦各運動過程承載變化情況

3 連桿小頭瓦油膜的形成特點

對于大型往復式壓縮機，由于其轉速比較低，一般在300～400 r/min左右，再加上連桿小頭瓦處特殊的運動特點和周期性不斷變化的承載情況，所以連桿小頭瓦與十字頭銷之間的油膜非常難以建立。但是在實際運行中也會產生一些油膜，卻仍然避免不了連桿小頭瓦與十字頭銷直接接觸的情況。因此為了最大程度的減少連桿小頭瓦與十字頭銷之間的干摩擦，在設計中都會在小頭瓦表面分布一定數量的油槽，通過多道油槽，在十字頭銷和連桿小頭瓦表面建立多個小油楔，從而有助于油膜的形成。所以，連桿小頭瓦設計時應充分考慮其擺動角的大小來設置油槽的分布形式和分布數量，一般大型往復式壓縮機應在確保連桿小頭瓦本身結構強度的基礎上，在擺動角范圍及附近設置1～2道徑向油槽，這樣才有助于形成油膜。同時在連桿小頭瓦中間設置周向油槽來分布潤滑油，以保證各油槽都有足夠的潤滑油量，同時周向油槽也能將一個連續的油膜分解成兩個，這樣就能在一定程度上減輕連桿瓦與十字頭銷之間的間隙不均勻對油膜建立產生的不良影響，提高油膜建立的穩定性（圖3）。

另外，根據滑動軸承的油膜理論，油膜的強度與瓦的寬徑比B/d有很大關系，B/d越小，相應的軸瓦的端面的泄漏量就會增加，摩擦功耗和溫升下降，軸頸與軸瓦邊緣接觸減輕，但是瓦的承載能力卻會下降。所以一般高速輕載軸承，B/d應取小值，低速重載軸承，B/d應取大值。大型往復式壓縮機由于負荷都比較大，所以連桿小頭瓦處的寬徑比都比較大，因此確保連桿小頭瓦與十字頭銷之間各部分配合間隙相等，接觸點均勻致關重要。如果連桿小頭瓦與十字頭銷的間隙各處不是很均勻，那么壓縮機運行期間，連桿小頭瓦處將可能無法產生理想的油膜，也就起不到很好的承載作用，可能造成大面積的干摩擦，引起連桿瓦、十字頭銷燒損。4往復式壓縮機的潤滑油量

圖3 小頭瓦油槽分布對比

由于連桿小頭瓦承受非常大的交變載荷，所以在壓縮機運行過程中就會產生非常大的熱量，這就要求有足夠量的潤滑油量循環帶走摩擦產生的熱量。一般來說，壓縮機運轉過程中十字頭部位運動部件摩擦功率損失約為30%。據此，導去運動部件全部摩擦熱所需的循環油量Q0可計算如下。

式中Q0——循環油量，L/min

N——壓縮機軸功率，kW

ηm——壓縮機機械效率

ρ——潤滑油密度，kg/L

c——潤滑油比熱，J/kg·℃

Δt——潤滑油溫升，一般取Δt=15～20℃按照正常的情況，按式（1）由導去全部摩擦熱計算所需油量已足夠滿足潤滑的要求，但對于某些具有較多列數或較多潤滑部位的壓縮機，由于各部分阻力和間隙處泄漏的影響可能造成局部潤滑不足，這種情況下還應適當增加潤滑油的循環量。

5 結語

根據往復式壓縮機連桿小頭特殊的運動特點以及小頭瓦潤滑的特性，其連桿小頭瓦徑向間隙、軸向間隙以及小頭瓦油槽的合理布置是保證連桿小頭瓦正常潤滑的關鍵。連桿小頭瓦裝配時必須進行多點測量修配，保證各部間隙均勻；小頭瓦油槽分布也應充分考慮連桿擺動角的大小，保證擺動角范圍有1～2道油槽，以助于壓縮機運行過程中連桿小頭瓦油膜的建立。

在大型往復式壓縮機連桿小頭瓦的故障處理中如果能夠充分考慮上述的一些因素，就會對壓縮機的故障排除提供非常大的幫助。

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〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.43