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　　6、根據活塞環貼合氣缸鏡面原理設計活塞導向環、活塞環

　　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和活塞導向環，四段用聚酰亞胺制造活塞環，2Z1.75-1.55/180-200循環壓縮機用尼龍或聚四氟乙烯制造活塞環、導向環。導向環的軸向厚度比活塞環的軸向厚度大，在當時算是實現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時發現，磨損過的活塞環、導向環都有一個共同現象：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。

　　為什么會出現這種現象？這與活塞環貼合氣缸鏡面起密封作用的原理相關聯。在切口處，由于氣體沿切口泄漏，切口處背壓最低，切口處活塞環對氣缸的背壓力就最小，磨損就輕。活塞環背間隙內的氣體，也要從切口處漏向活塞環壓力低的一側，離切口越遠的背間隙內，形成的背壓越大，因此與活塞環切口約成180°的位置，活塞環磨損最大，徑向厚度最小。這就證明，沒有外張彈力的無油潤滑活塞環，是活塞環槽內背壓力向外壓緊活塞環，活塞環又壓緊氣缸鏡面起密封作用的。

　　活塞導向環支撐著活塞，起著活塞在氣缸中往復運行的導向作用，不要求導向環起密封作用。如果導向環具有密封作用，那就必然形成背壓，導向環就起活塞環的作用，導向環的軸向厚度比活塞環的軸向厚度大，背壓所形成的力比活塞環的大，造成導向環過早磨損，讓導向環的導向作用削弱。為了不能讓導向環背間隙內形成背壓而當活塞環用，在導向環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，使導向環兩端沒有壓力差，讓導向環工作時不承受軸向負荷；導向環的兩端外圓倒角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）；當活塞向軸側或蓋側運行時，氣體從蓋側或軸側端面進入20°倒角之內，或者進入錐度與氣缸之間，將導向環向內圓收緊，抵消部分背壓而減少磨損。選3mm還是5mm，或用錐度的大小，根據實際情況來確定。由于活塞導向環不受負荷，只起活塞的導向作用，CFRP制造的活塞導向環，在高、中、低壓的壓縮機中都可以應用。據有關資料，活塞環的徑向厚度（外圓半徑與內圓半徑的差）為t，軸向厚度為h，切口為s，外徑為D?；钊麑颦h的基本尺寸也這樣表達?；钊麑颦h的尺寸確定見圖6。

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

　　活塞環和活塞導向環切口尺寸的確定。氣缸無油潤滑，活塞環和導向環的材料多選用碳纖維增強填充聚四氟乙烯CFRP，其熱膨脹系數比聚四氟乙烯的略小。在25℃至250℃的使用環境下，聚四氟乙烯的線膨脹系數是10～12×1/100000/℃，約是鑄鐵的10倍。取CFRP的線膨脹系數為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、活塞導向環的工作溫度，應該不會算低，也可取為活塞環的工作溫度，如取常溫為25℃，設活塞環、導向環工作溫度為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、導向環切口尺寸s=πDδ×(95-25)mm，就確定了活塞環、導向環切口尺寸。

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

　　7、活塞環在氣缸內的工作范圍

　　應用一槽三環活塞環密封，導向環設在活塞的中間位置，活塞環置于導向環的兩端。活塞兩端密封壓差小的設置2道活塞環密封，軸側端和蓋測端各設置1道；兩端壓差大的活塞，在導向環的軸側和蓋側各設置2道活塞環密封。每一道活塞環在氣缸內的工作范圍，是在從內止點到外止點之間，也就在曲軸旋轉半徑的2倍的范圍。當壓縮機工作活塞到達內止點時，最靠近止內止點端活塞環超出氣缸鏡面1～2mm；為了讓活塞環對氣缸的磨損均勻，規定了內、外止點端的活塞環在內、外止點端所能到達的位置。當活塞運行到外止點時，活塞環超出氣缸鏡面也是1～2mm。如果氣缸上裝的是直筒形的氣缸套，活塞運行到內止點時，軸側端活塞環距離內止點端的進、排氣孔邊緣2～3mm；活塞運行到外止點時，蓋側端活塞環距離外止點端的進、排氣孔邊緣也是2～3mm。

　　8、高壓差的無油潤滑活塞環密封

　　活塞兩端壓差在6MPa以上，傳統上使用中、高壓活塞環密封。使用常規標準活塞環，活塞環尺寸偏小，活塞環背壓力大，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，原機設計活塞上裝有20道標準的活塞環，拆檢時活塞環有很多都碎斷了。用一槽三環活塞環密封，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和內環，活塞環加大尺寸，增加活塞環的機械強度。也可用銅基銅粉金塑復合復合材料FH-1A制造活塞環，用合金鑄鐵制造內環。內環有一定的外張彈力，將活塞環貼合在氣缸壁上。由于活塞環尺寸加大，裝配應力也大，將會難以裝配，所以將活塞環設計為由兩半圓組成，內環仍為單切口的活塞環結構，內環設計成必須能順利裝入環槽，因此必須對內環尺寸進行裝配應力的校核。應設置四道活塞環密封，新設計的高壓活塞環密封結構見圖5，兩道活塞環的切口互相錯開約90°，內環切口與活塞環切口互相錯開約45°。這對提高壓縮機高壓段活塞環的密封效果和延長高壓段的活塞使用壽命、提高機器效率、節能降耗都具有現實意義。

　　由兩個半圓組成的活塞環裝配，活塞環是兩個半圓環，裝在活塞環槽中容易脫落，更何況一個環槽里要裝2根活塞環和1根內環，不能順利的裝進氣缸。因此要制作專用的活塞環裝配導向套工具來進行裝配，做一個直徑與氣缸直徑一樣大、能把活塞環全部套完的軸套，內圓面的粗糙度要求比較高。如活塞組件裝入氣缸是從蓋側端裝入，則裝一道活塞環套一道進導套，裝二道活塞環套一道進導套，直到把導向環、活塞環都套在導套內，從活塞蓋側頂端把活塞組件從蓋側推進氣缸，直到活塞環全部進氣缸，取出活塞環裝配導套。若是級差式氣缸，高壓活塞在在蓋側的氣缸內，則先裝低壓活塞，將活塞環裝配導向套切成兩半圓導套，外圓焊接螺栓來固定或用橡皮筋捆住，把活塞環、導向環一道一道地全部裝入導向套內，再吊氣缸套上活塞，推氣缸套在活塞上，讓活塞環全部進入了氣缸，拆下活塞環裝配導向套。若是倒級差式活塞，則高壓氣缸在軸側，也用兩半圓的活塞環裝配導套來裝配。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能順利裝進氣缸。

　　9、活塞環裝配強度的校核

　　活塞環的徑向厚度為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，活塞環裝在活塞上的環槽里，再裝入氣缸內，能裝進環槽的活塞環裝配應力與軸向厚度h無關。內環的尺寸也這樣表述?；钊h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（灰鑄鐵、合金鑄鐵），許用應力根據直徑大小按下表選取。

　　有壓縮機資料介紹：當把鑄鐵活塞環裝入環槽中時，將環張開，其許用應力允許大10%。因為將環張開裝入環槽是瞬時的，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，應力校核鑄鐵活塞環能夠順利裝配的，稍大一些的填充聚四氟乙烯的活塞環也一定能順利裝配。為了讓活塞環、內環能夠順利裝配，校核裝配應力是必要的。

　　壓縮機的活塞環密封不漏及氣缸與活塞的無油潤滑，是比較新的技術。只要我們認真的去做，就能把這項技術用好。此技術的理論與在壓縮機上的應用都證明，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用，就能實現活塞式壓縮機氣缸和活塞的長周期、安全穩定和和高效節能運行。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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