无油润滑压缩机活塞环的设计及计算

1、收稿日期:2000-06-20设计研究文章编号:1006-2971(200004-0003-02无油润滑压缩机活塞环的设计及计算张文祥,李延斌(沈阳工业大学,辽宁沈阳110023摘要:在分析无油润滑压缩机活塞环受力情况的基础上,提出了活塞环材料的选择方法,论述了无油润滑活塞环设计的基本要求及其各参数的确定。关键词:无油润滑;活塞环;设计中图分类号:TH457文献标识码:B1前言由于无油润滑技术的日趋成熟,使得一些有油润滑机械将被人们考虑是否用无油润滑机械所代替 。近年来,压缩机行业的专业技术人员进行了深入的探讨和尝试。实践证明,它不仅节省能源,简化工艺流程,而且也减少了设备的投资,提高了生产效

2、率。为了进一步提高无油润滑的效率,本文将对无油润滑压缩机活塞环的设计及其相关的材料选择、运动状况做一论述。2活塞环的受力分析活塞环在压缩及排气过程中的受力情况见图1a ;活塞环在膨胀及吸气过程中的受力情况见图1b 。图1活塞环受力图由图可知,在压缩过程中,由于背压作用,使活塞环贴紧在气缸壁上,在背压力和惯性力作用下,环的下侧紧贴环槽。此时,气缸壁压向活塞环的力,其轴向线性分布为p =(p 2-p 0/2当缸内压力逐渐升高到略大于p 2时,排气阀打开,排气结束后气缸压力仍为p 2。在膨胀过程中气缸内残存气体膨胀,活塞环承受的背压p =(p 1-p 2/2逐渐下降,当缸内气体下降到略低于吸气压力p

3、 1时,进气阀打开,此时的p =(p 0-p 1/2。由于密封背压的变化和运动惯性力的作用,活塞环出现瞬时悬浮。3活塞环的材料选择活塞环作为密封元件组装在活塞上,通过活塞的往复运动来实现压缩机吸、排气的过程。它将会引起粘着、疲劳、变形和腐蚀等多种形式的磨损。其磨损寿命除取决于工作介质、压力、速度、温度和环的结构等因素外,很大程度上还取决于材料的性质。所以,在设计时,必须根据这些因素选取相应性质的材料。目前,国内作为无油润滑活塞环的主要材料有填充聚四氟乙烯、填充聚酰亚胺、铸型尼龙和金属塑料等。对于它们的机械性质和摩擦磨损特性,因其基材、填料的不同和运转参数(介质、压力、速度、温度的变化有很大的差

4、异。所以,设计时需针对特定的工作条件或根据模拟、台架试验结果进行选材。4活塞环的设计活塞环设计包括结构设计,环数、尺寸和间隙的确定,导向环比压计算等。32000年第4期(总第162期压缩机技术411活塞环的结构无油润滑压缩机初期的导向环与普通的金属活塞环一样是开口型的,只是轴向宽度大些,这种结构的导向环性质较差。现在设计的大多数为整体套胀导向环,选用的材料需具有一定的延伸率,以防止热胀时被拉断。装配时,导向环与热胀工具一起加热。有时需重复加热预胀、复胀才能完成。套胀后的活塞及导向环再一起加热,以消除其应力。套胀前导向环内径的设计过盈量为活塞导向环槽底名义尺寸的2%3%为宜。若有松动,则可适当增

5、大过盈量。开口型活塞环见图2。从密封性能来看,c 最好,a 最差,b 次之;从机加工难易性来看,a 最易,c 最好,b 次之 。a 直切口b 斜切口c 搭切口图2活塞环的切口型式为了减轻活塞环的背压,有的采用T 型活塞环(图3。在背压作用下,当T 型环被磨损到间隙消失时,该活塞环与缸壁间形成迷宫密封。T 型环使用在密封压力为1916MPa (200kgf/cm 2的立式无油润滑压缩机上,其寿命可达8000h 以上。1气缸2T 型活塞环3弹力环4活塞图3T 型环剖面412活塞环的开口间隙开口间隙决定压缩机容积效率。间隙大则泄漏多,间隙太小,则容易卡死并加速磨损。其计算公式为L =D CP (t

6、2-t 1+d式中L 间隙,mm 材料的线胀系数,l/D CP 活塞环中径,mmt 2被压缩介质最高工作温度,t 1被压缩介质最低工作温度,d 工作预留间隙,一般取d =0110mm 413径向厚度和轴向宽度的确定高聚物活塞环的轴向宽度和径向厚度比金属环要大,轴向宽度增大是为了防止环的变形,径向厚度加大是为了延长寿命。环的径向磨损量一般规定为环厚度的1/3,而美国规定允许磨损量为环径厚度的50%,环的轴向宽度和环的内、外径关系见表1。表1活塞环内、外径与轴向宽度mm活塞环外径活塞环内径轴向宽度304020305457533636801556413981602751563661240060037

7、15701561086058077018414环数的确定无油润滑压缩机的活塞环数通过pV 值来初步确定。p 为有效平均背压,V 为活塞线速度,有效平均背压用p m 表示,计算公式p m =(k/k -1p 1(p 2/p 1(K-1/K式中K 被压缩介质绝热指数,空气和氮气的K =114p 1吸入压力,MPa p 2排出压力,MPaV =S N /30cm/s式中S 行程,cmN 转速,r/min填充聚四氟乙烯临界pV 值为98118MPa cm/s (10001200kgf/cm 2cm/s ,一般取其中1/51/6作为允许pV 值,即1916MPa cm/s (200kgf/cm 2cm/s ,则环数n =p m V /200。由于摩擦温度对活塞环的磨损影响也很大,pV 值并没有反映出温度的因素,即使环设计在pV 值的范围内,因温度变化也会影响寿命。所以,单纯由pV 值确