【壓縮機網(wǎng)】1、引言

 

　　風(fēng)冷有油潤滑活塞空壓機具有悠久的歷史，應(yīng)用范圍很廣，尤其在中高壓領(lǐng)域，優(yōu)勢明顯。這類壓縮機運行溫度較高，如若竄油，就滿足了生成結(jié)碳的物理條件。結(jié)碳形成后壓縮機就進入了惡性循環(huán)狀態(tài)：運行溫度與能耗均不斷升高，產(chǎn)氣量下降，結(jié)碳越來越嚴(yán)重，如不及時維修保養(yǎng)，就會導(dǎo)致機器的嚴(yán)重故障甚至損壞。所謂竄油，就是潤滑油越過活塞環(huán)，竄到活塞頂部壓縮腔內(nèi)進入氣閥，并進一步流入用戶管網(wǎng)進入用氣設(shè)備。由于閥頭溫度比較高，進入氣閥內(nèi)部的油最先碳化形成結(jié)碳，越結(jié)越多，甚至堵塞閥孔。為了解引起竄油的原因，通過各種試驗與研究，認識竄油的機理，有針對性地采取相應(yīng)措施防止竄油。
 

 

　　2、竄油的成因

 

　　壓縮機的竄油是由多種因素造成的。

 

　?。?）對于從大氣中吸取氣體的空壓機，一級吸氣腔在吸氣時產(chǎn)生負壓力（真空度），而曲軸箱內(nèi)（油池）是環(huán)境大氣壓（常壓）。壓力差推動潤滑油上竄，越過活塞環(huán)進入吸氣腔（活塞頂部）。

 

　　吸氣腔的負壓大小與吸氣閥的閥隙流速有關(guān)，氣流通過閥隙的能量損失與流速的平方成正比，故氣閥的閥隙流速增大，則氣流通過閥隙時壓力損失與能量損失均上升，導(dǎo)致吸氣腔負壓負得更嚴(yán)重，容積效率下降，溫度升高，引發(fā)竄油。為證實吸氣閥的閥隙流速與負壓竄油的關(guān)系，進行如下單因素試驗：用一臺W-1.6/10風(fēng)冷壓縮機，在主機額定轉(zhuǎn)速不變的前提下，改變吸氣閥的閥隙通流面積f并按如下公式計算閥隙理論流速。
 

 

　　滿載運行8h后，停機打開一級氣缸蓋觀察竄油情況：當(dāng)v≤24m/s時，活塞頂部無油的痕跡；當(dāng)v接近29m/s時，活塞頂有輕微的油跡；當(dāng)v≥32m/s時，手感活塞頂部的油跡明顯，因此將一級吸氣閥的閥隙理論流速設(shè)計在≤24m/s是合理的。但是，傳統(tǒng)氣閥片平面布置的回流式結(jié)構(gòu)氣閥，由于有效面積利用率f/F較低，對于小型空氣壓縮機，通常又無法采用多閥組徑向布置，因此要設(shè)計如此低的閥隙流速，幾乎是不可能的。直流式氣閥的閥片在立體空間分布，有效面積利用率遠高于回流式氣閥，為此研發(fā)成功多邊形管狀直流閥，將一級吸氣閥的理論閥隙流控制在21～22m/s理想范圍內(nèi)，不僅解決了負壓竄油現(xiàn)象，由于直流式氣閥的流阻低，效率高，工作壽命超長，使整機能耗和運行溫度有較大的下降，產(chǎn)氣量有較大的增加。

 

　?。?）活塞環(huán)泵油效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為解決竄油問題提供了新的理論與實踐。

 

　　在解決了一級吸氣閥由于閥隙流速高導(dǎo)至負壓竄油后，竄油現(xiàn)象仍未消失。在排除了因為氣缸缸徑失圓、活塞環(huán)（主要是刮油環(huán)） 制造缺陷引發(fā)竄油等業(yè)內(nèi)共識的因素外，通過試驗研究與分析發(fā)現(xiàn)，由于刮油環(huán)和活塞環(huán)與環(huán)槽存在裝配間隙（通常有0.03～0.05mm），以防止工作時活塞環(huán)卡死在環(huán)槽內(nèi)；這個間隙，使一級活塞往復(fù)運動時由于活塞環(huán)與氣缸工作面之間存在摩擦阻力，摩擦阻力的方向總是與活塞運動方向相反，使活塞環(huán)在間隙內(nèi)往返擺動，向活塞頂部泵油。我們將這一現(xiàn)象稱之為活塞環(huán)泵油效應(yīng)，用圖1說明這種泵油效應(yīng)的機理與過程。

 

　　圖1（a），活塞下行，在起始瞬間活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)相對上移，將上間隙內(nèi)的油部分向上推；同時刮油環(huán)刮下的油借助動壓從各環(huán)下方間隙流入活塞槽底的間隙里。槽底的間隙較大，充滿了從氣缸工作面上刮下的潤滑油。

 

　　圖1（b），活塞上行，各活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)相對下移，將下間隙內(nèi)的油部分向上推送，也有一部份從下方排出。如此往復(fù)循環(huán)，將潤滑油泵至活塞頂部，構(gòu)成了一個低效率的油泵。刮油環(huán)外圓為錐體，半錐角通常0.5°左右，下邊的棱邊形成刮油刃，裝配有方向性，下行依靠棱邊刮油，上行由錐面布油，是泵油效應(yīng)的主要執(zhí)行者。刮油環(huán)的軸向間隙越大，油泵效應(yīng)越強。因此，克服泵油效應(yīng)應(yīng)從減小刮油環(huán)與環(huán)槽配合間隙著手。為此，進行如下試驗（以下簡稱為拋油試驗）。

 

　　移除氣缸蓋、氣閥板，使活塞頂部目測可見。通常開機1.5～3.5min后，從活塞與氣缸配合面間隙處向外拋灑油滴。刮油環(huán)與活塞環(huán)槽配合間隙越大，從開機至開始拋油的延遲時間越短，拋油量越大。遲后拋油是因為上竄的油要先將活塞上部的徑向間隙填滿，溢出的油才能向外拋酒。這證明刮油環(huán)的軸向配合間隙大小與竄油量存在近似正比的關(guān)系。但是，如果將刮油環(huán)的軸向配合間隙設(shè)計得過小，不僅制造困難，而且在運行中容易卡死。因此只能將這種間隙控制在生產(chǎn)可以接受的范圍內(nèi)，而在刮油環(huán)的結(jié)構(gòu)上加以改進，消除這種間隙的有害影響。即將刮油環(huán)制成反扭曲型，實現(xiàn)縮小刮油環(huán)的軸向配合間隙，甚至間隙幾乎為零而不會卡死的理想狀態(tài)。刮油環(huán)的結(jié)構(gòu)多種多樣，這里僅以矩形錐面刮油環(huán)為例加以說明：

 

　　圖2（a）是非扭曲刮油環(huán)。外圓呈錐形，高檔刮油環(huán)錐體上鍍鉻，單邊錐角0.5°左右，大端的刮油刃經(jīng)研磨發(fā)亮，棱寬0.2mm左右，稱亮邊，裝配時亮邊向曲軸箱，環(huán)上端面打印標(biāo)記，便于識別安裝方向。

 

　　圖2（b）是反扭曲刮油環(huán)。在刮油環(huán)刮油刃端面內(nèi)孔口切除少許材料（切出倒角或沉孔），該平面的剛度被弱化。在工作狀態(tài)下，亮邊與氣缸壁接觸產(chǎn)生徑向壓力，使刮油環(huán)產(chǎn)生扭曲，其扭曲方向使錐角減小，稱反扭曲。反扭曲環(huán)的制造工藝將錐角適當(dāng)做大以彌補反扭曲后的工作錐角減小。扭曲環(huán)在自由狀態(tài)下不發(fā)生扭曲變形，只有在工作狀態(tài)下，環(huán)的刮油棱邊與氣缸工作面接觸產(chǎn)生徑向接觸應(yīng)力后才產(chǎn)生扭曲。
 

 

　　如圖3所示，反扭曲刮油環(huán)在氣缸中環(huán)和環(huán)槽的軸向間隙因扭曲而減小，甚至歸零。由于扭曲環(huán)具有彈性，工作中不會卡死。試驗證明，反扭曲比正扭曲刮油環(huán)的抗竄油效果好一些。因為反扭曲刮油環(huán)封閉了活塞環(huán)與環(huán)槽間隙的外口，此部位配件的尺寸精度高，封堵效果好。

 

　　活塞環(huán)泵油效應(yīng)主要發(fā)生在從環(huán)境大氣吸氣的一級氣缸活塞，二級以上的氣缸活塞吸進的是前級輸出的壓力氣體，抑制了活塞環(huán)在配合間隙內(nèi)的擺動，阻止了泵油效應(yīng)的形成。但也不能絕對排除活塞高速換向瞬間活塞環(huán)的擾動產(chǎn)生的泵油效應(yīng)；同時，為了配件的通用性，各級活塞、刮油環(huán)均采同樣的設(shè)計是可取的。況且，此舉不會增加制造成本。

 

　?。?）氣缸的珩磨品質(zhì)對竄油的影響不容忽視。

 

　　在拋油試驗中發(fā)現(xiàn)，同一活塞、活塞環(huán)組件與不同的氣缸作拋油試驗，有的氣缸不竄油，有的氣缸向外拋油嚴(yán)重。檢查這些氣缸的材質(zhì)與幾何精度都符合圖紙要求，分析研究判斷是珩磨品質(zhì)不良造成的。我公司采用深溝平頂網(wǎng)紋珩磨工藝，對網(wǎng)紋的深度、交叉角度及平頂?shù)拇植诙染袊?yán)格的要求。但配件生產(chǎn)廠家不十分理解，因為其他壓縮機生產(chǎn)廠家都要求細網(wǎng)紋，認為網(wǎng)紋細比粗的好。通過拋油試驗與分析研究，弄清了珩磨品質(zhì)（尤其是網(wǎng)紋品質(zhì)）影響竄油的機理。

 

　　所謂深溝平頂網(wǎng)紋珩磨工藝，就是先用較粗粒度的CBN（立方氮化硼）珩磨條粗珩拉網(wǎng)紋，網(wǎng)紋深度要達到8μm左右，缸徑珩至尺寸公差下限，網(wǎng)紋清晰，對稱交叉，角度在45～55°之間無斷紋、虛線紋、單邊紋；再用較細的中軟普通碳化矽砂條精珩磨（僅珩除2～3μm），使粗珩的氣缸表面微觀削峰（在顯微鏡下粗糙表面凸出的尖峰） 拋光，形成平頂，平頂粗糙度要達到Ra0.4。光滑的平頂對活塞環(huán)形成良好的支撐，有利于減輕活塞環(huán)特別是刮油環(huán)的摩擦磨損。為此，用粗珩未精珩削峰拋光的氣缸與經(jīng)過精珩的氣缸做24h對比拋油試驗，結(jié)果是：前者刮油環(huán)亮邊擴大一倍多，約占環(huán)軸向高的1/4；后者的亮邊無明顯變化。刮油環(huán)的棱刃磨損后寬度變大，對氣缸壁的壓強下降，刮油效果變差，當(dāng)棱邊寬度擴大到環(huán)的軸向高度2/3時，刮油能力幾乎喪失殆盡，這時必須更換活塞環(huán)，否則竄油嚴(yán)重。
 

　　網(wǎng)紋的溝槽與交叉結(jié)點內(nèi)儲存潤滑油，增加密封效果，減低摩擦磨損，大大延長了活塞環(huán)的工作壽命，同時有效抑制了竄油。

 

　　深溝平頂網(wǎng)紋抑制竄油機理，除了減少活塞環(huán)特別是刮油環(huán)的摩擦磨損，從而抑制竄油外，深溝吸油的機理，至今鮮為人知。有人總覺得油會順著深溝上竄，所以要求細網(wǎng)紋，這與試驗結(jié)果不符。在拋油試驗中，網(wǎng)紋過細的氣缸都竄油，重新珩磨拉粗網(wǎng)紋再試，竄油現(xiàn)象消失。這是因為活塞下行，刮油環(huán)刮油時，不僅刮除附著在氣缸壁表面的油，由于潤滑油表面張力作用，溝槽內(nèi)儲存的潤滑油也被刮走一部分；活塞上行布油時被溝槽回收，并且在錐面與速度作用下，形的較強的動壓，油被壓入溝槽使深溝的吸油作用得到增強，而溝槽過細的網(wǎng)紋這種吸油的功能弱化，深溝平頂網(wǎng)紋的吸油作用，有效抑制潤滑油上竄。

 

　　在大量生產(chǎn)中，如汽車發(fā)動機、柴油機的氣缸套的珩磨，采用高精度的有兩組珩磨砂條的可實現(xiàn)自動化的復(fù)合珩磨頭。粗珩時，粗珩條自動伸出，粗珩拉網(wǎng)紋，珩至缸徑尺寸公差下限值時自動切換，粗珩條退回，精珩條自動彈出，精珩，削峰拋光。珩磨機具有自動測量與自動控制功能，粗、精珩實現(xiàn)自動化。但是，壓縮機是中小批輪番生產(chǎn)，氣缸的珩磨不可能采用如此昂貴的設(shè)備。我們利用現(xiàn)有的設(shè)備，采取分批粗、精珩磨人工控制的傳統(tǒng)方法。即先用120#CBN珩條粗珩，拉網(wǎng)紋，缸徑珩至尺寸公差下限，這時網(wǎng)紋清晰，對稱交叉角45～55°，手感粗糙；再換精珩磨頭，珩磨砂條粒度為400#中軟碳化矽。新裝砂條的精珩磨頭，必須先預(yù)珩待砂條完全磨合后才能用于精珩。精珩時，手動加壓要輕柔，上下來回4次即可，珩切余量在直徑上約2～3μm。這時，缸面手感光滑似鏡面，網(wǎng)紋更清晰。為此，編制了珩磨操作要領(lǐng)，培訓(xùn)操作人員，保證了珩磨品質(zhì)的穩(wěn)定，確保每臺壓縮機的低油耗。

 

　?。?）活塞環(huán)（特別是刮油環(huán)）的品質(zhì)和配置，對竄油有直接影響。

 

　　采用高品質(zhì)微孔鍍鉻活塞環(huán)的高檔配置，是防止竄油的重要措施。對于從環(huán)境大氣吸氣的一級活塞，本公司采用配比為1：2：2。即：一道為鍍鉻桶狀氣環(huán)，起密封作用；2～3道是鍍鉻錐面反扭曲刮油環(huán)，用于精刮油兼具有密封功能；4～5道采用雙鋼帶組合刮油環(huán)，粗刮油效果良好。對壓力較高的壓縮級，按設(shè)計準(zhǔn)則計算，增加氣環(huán)的數(shù)量。這樣的高檔配置與前述的措施相結(jié)合，使油耗超常低。例如，W-1.6/10，實測油耗為1.9g/h；S-2.0/40中壓機，實測油耗2.5g/h；S-0.6/350高壓機，實測油耗2.8g/h。尚愛公司設(shè)計制造的各種小型機的實測油耗都約JB/T 10683-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許數(shù)值的5%，同時也延長了壓縮機的工作壽命。當(dāng)然，氣缸的材質(zhì)與耐磨性也很重要，一旦網(wǎng)紋磨損消失，失去儲油構(gòu)造，也會導(dǎo)致竄油。這在業(yè)內(nèi)早有共識，這里不再贅述。

 

　　3、結(jié)語

 

　　為解決小型風(fēng)冷卻有油潤滑空氣壓縮機竄油、結(jié)碳的問題，本文提出以克服竄油為突破口，尋找引起竄油的各種因素，通過單因素試驗與研究分析，弄清各種因素導(dǎo)致竄油的機理，采取相應(yīng)措施消除竄油問題。對于一級氣缸活塞負壓竄油現(xiàn)象，設(shè)計低閥隙流速，低流阻，高效節(jié)能的直流式氣閥，不僅克服了負壓竄油，還降低了能耗與溫升，提高了產(chǎn)氣量，一舉多得；對于活塞環(huán)軸向裝配間隙引發(fā)的泵油效應(yīng)，采用反扭曲刮油環(huán)，并適當(dāng)控制裝配間隙，封堵竄油通道，抑制了泵油效應(yīng)；深溝平頂網(wǎng)紋珩磨工藝的嚴(yán)格實施，解決了由于珩磨網(wǎng)紋品質(zhì)不穩(wěn)定引起的竄油，減少摩擦磨損，延長了配件使用壽命；采用高檔配置的活塞環(huán)組合，鞏固與發(fā)展了上述研究成果實用效果，全面提升了整機的性能。

 

　　高溫是結(jié)碳形成的物理條件，油是結(jié)碳生成的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，降低氣閥及整機運行溫度和能耗的措施，與防止竄油的設(shè)計相結(jié)合，兩者對高品質(zhì)的小型風(fēng)冷有油潤滑空氣壓縮機都是不可或缺的。在本公司設(shè)計制造的低、中、高壓系列小型風(fēng)冷有油潤滑壓縮機上，這些措施均已實現(xiàn)，高溫、竄油、結(jié)碳問題都已得到解決。但是，由于本文的重點是研究與克服竄油問題，對節(jié)能降溫未展開探討。