無油潤滑往復壓縮機關鍵技術分析

董 稹，王躍飛

（重慶氣體壓縮機廠有限責任公司，重慶 400037）

1 引言

由于對氣質要求嚴格，在石油、化工、醫藥、食品及航空航天等部門使用的壓縮機都趨向采用無油潤滑技術，并且對其使用壽命的要求越來越高。壓縮氣體中所含的油來源于潤滑活塞環與缸或缸套間、填料密封元件和活塞桿間的摩擦所需的潤滑油，所以壓縮機實現無油潤滑的關鍵在于如何在無油潤滑的狀態下保證活塞環和填料密封的使用壽命。本文對自潤滑材料、密封壓差、冷卻條件、密封結構及活塞平均速度等影響因素進行分析，根據結果對活塞環及填料密封的無油設計提出建議。

2 關鍵因素分析

實現壓縮機無油潤滑的核心在于活塞環和填料函密封部位，而影響活塞環和填料密封的關鍵因素包括自潤滑材料、密封壓差、冷卻條件、密封結構及活塞平均速度。

2.1 自潤滑材料

自潤滑材料的質量直接決定了密封元件的性能及可靠性。材料摩擦系數要小，并具有一定的剛性、強度、耐磨性和耐溫性，以滿足實際使用要求[1]。常用的自潤滑材料有聚四氟乙烯（PTFE），聚酰亞胺（PI）及聚醚醚酮（PEEK）等[1-3]。其中，最常用的是PTFE，但PTFE具有“冷流”特性，冷流是指塑料在高溫高壓條件變軟流入低壓側的縫隙中形成飛邊的現象，如圖1所示，所以實際應用中常通過添加不同組分來改善PTFE的性能，以達到使用要求。

采用無油潤滑的某氮氫氣壓縮機高壓段氣缸，使用FH-1A金屬塑料的活塞環，在31 MPa的高壓下工作壽命達到了4000 h[4]。FH-1A是在燒結形成的多孔銅粉層中浸漬PTFE材料，使之既具有PTFE摩擦因數低的性能，又具有金屬材料傳熱性能好、熱膨脹系數小、熱強度好的優點。碳纖維增強復合材料不僅機械性能優良，而且結構設計靈活，可以很好的克服PTFE冷流的缺點。但是，該材料性脆，抗沖擊性和高溫抗氧化性差，而且原材料和制作成本較高。

2.2 密封壓差Δp

活塞環兩側的密封壓差隨實際工況不同而不同，主要取決于活塞環所分隔的兩側氣腔的壓力差。填料密封卻不同，因其密封的一側通常是大氣狀態，所以它所承受的壓力差取決于氣缸內的排氣壓力，且密封壓差一般較大[5]。

壓縮機工作過程中，活塞環與填料環的受力情況如圖2所示，對于活塞環，雖然環內表面緊貼在氣缸或缸套內壁上，但二者之間依然有間隙，它的一端作用有壓力p1，另一端作用有壓力p3，假設壓力沿環高是直線分布的，則有

不考慮活塞環厚度的影響，且認為p2≈p1，可得活塞環與氣缸或缸套之間的比壓pa為

式中 p1——高壓側壓力，Pa

p3——低壓側壓力，Pa

p2——環槽內壓力，Pa

pa——比壓，Pa

di——活塞環內徑，m

do——活塞環外徑，m

h——活塞環高度，m

Δp——密封壓差，Pa

同理可得，填料密封環與活塞桿表面間的比壓pa為

壓縮機工作過程中，摩擦副（活塞環與氣缸或缸套，填料環與活塞桿）間的摩擦力F可由式（4）計算

式中 F——摩擦力，N

μ——摩擦系數

A——接觸面積，m2

壓縮機一個工作周期內產生的摩擦熱Q可由式（2）計算

式中 Q——摩擦熱，J

S——行程，m

由式（1）至（5）可知，工作過程中摩擦副間的比壓pa隨著密封壓差Δp增加而增大，而摩擦熱與摩擦力成正比，摩擦力正比于比壓，所以密封壓差越大生成的摩擦熱量越多。

圖1 密封元件冷流失效

圖2 密封元件受力分析

2.3 冷卻條件

溫度是影響活塞環及填料密封元件壽命的最重要因素，所以摩擦熱的導出是關鍵，若摩擦熱不能及時導出，則摩擦部位溫度將急速上升，從而引起密封元件冷流失效。氣缸一般均設有冷卻水套，活塞環散熱條件相對較好，所以其使用壽命主要取決于自潤滑材料的性能。而填料密封即使有冷卻措施，大多數都只是在填料盒上通冷卻水，不能直接冷卻摩擦面（也有少數在活塞桿內通冷卻液），散熱效果差。因此，在實現壓縮機無油潤滑時，填料密封的工作環境更為惡劣，問題更加突出，無油設計中應改善密封元件間壓差分布不均的情況，以降低各組尤其是前幾組填料密封元件的密封壓差，從源頭上減少摩擦熱；同時對填料密封的冷卻結構進行改進，使冷卻通道盡量靠近摩擦部位，提高冷卻效果，從而保證工作溫度不超標，延長填料密封使用壽命，提高可靠性。

2.4 密封結構

在中、低壓壓縮機中，填料環的受力情況與活塞環相同，即壓差分布不均勻，靠近氣缸側的一組填料環承受大部分壓差，壽命最短，當其密封能力逐步降低后，再由下一套承受主要負荷，依此類推。但對于高壓壓縮機，其填料密封的工作壓差極高（如循環壓縮機，將承擔32 MPa的密封壓差），無法在較長時間內由靠近氣缸側的填料環組單獨承擔主要負荷，而是氣體不斷的往下一組泄漏，當下一套填料腔中的氣體壓力逐步升高后，則第一套填料環前、后的壓力差就很小，這套填料環就基本上得到“解放”，以此類推，直至最后一套填料環的腔中壓力逐步升高后，它的后面就是大氣壓力，這套填料環的負荷無法再往后轉移，它將在很高的壓力差下工作，一直維持到它大量磨損，密封失效，再由它的前面一套填料環來頂替它的工作。

為了降低密封環的密封壓差，延長使用壽命，填料密封結構可增加節流部分，同時在密封環組中加裝阻流環。工作時先通過節流環限制和控制泄漏的氣流，經過2～3層節流，使氣體壓力降低，即降低了密封環組的密封壓差，以達到延長使用壽命的目的。節流環還有一個重要作用，是在進氣過程中阻止氣體快速膨脹返流回氣缸中。氣缸內壓力隨著吸氣過程的進行而快速降至進氣壓力，填料盒中壓力高于缸內壓力，氣體在壓差作用下有返流的趨勢，若沒有節流環，密封環將“爆開”，導致密封環過早失效和損壞[6]。低壓工況時，密封部分采用RT型密封環，如圖3（a）所示；在高壓工況下，采用RTB型密封環，如圖3（b）所示，即在背離氣缸工作腔一側的RT型密封環后加一個阻流環B型環，目的是在高壓情況下，防止T型環沿軸向出現冷流現象。

高壓無油工況下，填料密封環的使用壽命主要取決于阻流環。阻流環和活塞桿間應保持一個均勻而極小的徑向間隙，才能使密封環在氣體壓力的作用下幾乎無縫可鉆，保持完整。間隙值的選擇十分重要，間隙過大，無法保證阻流作用；間隙太小，又存在拉毛活塞桿的隱患，即在活塞桿與氣缸的同心度較差或運轉中活塞桿有較大徑向跳動時，阻流環與活塞桿就有接觸的可能。

根據經驗，阻流環內徑與活塞桿間的間隙δ可由下式決定[7]

銅材質的阻流環

δ=0.35%～0.4%d

尼龍材質的阻流環

δ=0.25%～0.3%d

式中 δ——間隙值，m

d——活塞桿直徑，m

圖3 填料密封元件[6]

2.5 活塞平均速度

活塞的平均速度由轉速n和行程S決定

式中 vm——活塞平均速度，m/s

n——轉速，r/min

活塞的平均速度vm不宜過大。vm反映了活塞環及填料密封的磨損情況。當摩擦表面所受作用力大小相同時，vm值越高，則在單位時間內受摩擦的距離越長，磨損越嚴重且產生更多的摩擦熱，相同條件下，溫升越大。此外，壓力和速度的乘積pv值是自潤滑材料工作條件的標志。每一種材料都有其本身的極限pv值和許用pv值。pv值在一定范圍內與磨損成正比關系，超過此范圍，磨損就陡然增加，直至燒毀。對于無油潤滑壓縮機，應合理選擇轉速和行程，使活塞的平均速度控制在3.5 m/s以下。

3 結論

摩擦熱的生成及導出是實現活塞環及填料密封無油潤滑的關鍵。摩擦熱量隨著密封壓差增大而增加，而工況條件和密封結構決定了密封環間壓力分配，即確定了密封元件的密封壓差。活塞平均速度直接影響摩擦熱的生成速率，活塞平均速度越快，單位時間內產生的摩擦熱量越多。摩擦熱能否及時導出關乎密封元件的使用壽命。活塞環散熱條件相對較好，所以其使用壽命主要取決于自潤滑材料的性能，但填料密封散熱效果差，為保證使用壽命應特別關注自潤滑材料的耐高溫性能，結構設計上需改善密封環間壓差分配不均的情況，以降低各組密封環的密封壓差，并將活塞平均速度控制在合理范圍之內。