大型往复式压缩机连杆小头瓦润滑特性分析

焦文让，葛广新，闫成

（克拉玛依石化公司，新疆克拉玛依834003）

大型往复式压缩机连杆小头瓦润滑特性分析

焦文让，葛广新，闫成

（克拉玛依石化公司，新疆克拉玛依834003）

从大型往复式压缩机连杆小头瓦的受力情况和运动特点出发，分析连杆小头瓦与十字头销之间的润滑特点，为大型往复式压缩机的使用、维护保养和故障的处理提供经验。

往复式压缩机；连杆小头瓦；十字头销；润滑

0 前言

往复式压缩机的润滑系统，分为与压缩气体直接接触的内部润滑和与压缩气体不相接触的外部润滑两种。内部润滑系统主要指汽缸内部的润滑、密封与防锈、防腐；外部润滑系统则是运动部件的润滑与冷却。通常在大型往复式压缩机的外部润滑，也叫运动机构的润滑，除了减少运动部件各轴承及十字头导轨等摩擦表面的磨损与摩擦功率消耗外，还起到冷却摩擦表面及带走摩擦下来的金属磨屑作用，是往复式压缩机能够正常运行的先决条件。所以，压缩机外部润滑情况是否良好是压缩机正常运行关键。大型的往复式压缩机，外部润滑主要包括曲轴与支撑瓦、曲轴与连杆大头瓦、十字头销与连杆小头瓦、十字头与滑道之间的润滑。其中，曲轴与支撑瓦和连杆大头瓦之间主要为回转元件的润滑，十字头滑道则是平面润滑，所以对于油膜的建立等都比较容易。而十字头销与连杆小头瓦之间的运动并不像转轴在轴瓦中单方向的连续旋转运动，而是以连杆小头中心为基准以某一角度周期性地上下摆动，而且承受不同方向的交变载荷，所以该部位的润滑非常难以保证。因此，在大型的往复式压缩机中也常常容易出现连杆小头瓦烧损的情况。本文以DW、MW系列往复式压缩机为例，结合日常检修经验，介绍连杆小头瓦润滑特点。

1 大型往复式压缩机连杆小头瓦润滑方式

大型的往复式压缩机组外部润滑基本都采用强制润滑，就是利用油泵增压将润滑油通过传动部件上设置的油孔油路送到各润滑点。润滑油路系统主要由滤油器、润滑油冷却器、润滑油泵（一般用齿轮泵）、油管、压力表和压力调节阀组成。润滑油流动的路线是：油箱→粗滤油器→齿轮泵→油冷却器→滤油器→曲轴中心孔→曲柄销和连杆大头瓦的配合面→连杆中心孔→连杆小头瓦和十字销配合面→十字头滑轨→油箱，其油压的大小可通过油压调节阀来控制。强制润滑最主要的就是要保证足够的油压，一般油压都保证在0.2～0.4 MPa，同时还要保证各油路畅通，由于机组的油路比较复杂，不是完全通过油管线给各部位供油，润滑油必须依次通过曲轴、连杆中设计的油孔再到十字头，属于串联的润滑形式，所以油路中的每个环节有问题对其他各部位的润滑都会有很大的影响，因此要保证往复式压缩机的良好润滑，首先必须确保润滑油压稳定，油路畅通。

2 连杆小头瓦的承载及运动特点

一般大型往复式压缩机连杆小头都选用的是滑动衬套，常见的有铜套瓦和钢壳巴氏合金瓦，小头瓦面分布有油槽，以保证小头瓦与十字头销之间的润滑。但是由于连杆小头瓦与十字头销之间不是连续的回转运动，所以又和常见的回转式轴瓦有所区别。对于双作用的往复式压缩机，连杆小头瓦和十字头销间的运动如图1所示，该运动并不像转轴在轴瓦中单方向的连续旋转运动，而是以连杆小头中心为基准以某一角度β周期性地上下摆动。从图示的关系可以看出，摆动角β的大小取决于曲轴回转半径r和连杆长度l。曲轴旋转一周，连杆小头瓦和十字头销间的载荷大小、方向都在随旋转而发生变化。当连杆处于水平位置时小头瓦A，B处受力最大。因此，可以将连杆小头瓦和十字头销间的润滑工况看成是动载作用下的摆动油膜轴承。

图1 连杆小头瓦运动状况分析图

根据双作用往复式压缩机的运行和做功的特点，连杆小头瓦的承载方向主要是在摆动角范围内进行周期性的变化，与十字头与曲轴的相对位置有关，按照图1所示位置关系，连杆小头瓦承载方向基本都是在中心线以下的摆动角范围内，相应的连杆小头瓦与十字头销的相对旋转方向也在周期性的变化，图2所示是曲轴旋转一周连杆小头瓦承载及旋向的变化情况。其中，图2a所示为压缩机活塞向气缸内止点压缩做功的过程，连杆主要承受拉力，所以小头瓦处受到十字头销的一个相反方向的力，力的方向沿连杆体方向随连杆的运动而变化；图2b所示为压缩机活塞向气缸外止点压缩做功的过程，连杆主要承受压力，小头瓦处同样会受到十字头销的一个反方向的力，力的方向沿连杆体方向随连杆的运动而变化。另外，压缩机运行过程中活塞经过内外止点时，由于运动方向发生改变，所以连杆小头瓦处还会受到瞬间的冲击作用。所以，不断变化的载荷和旋转方向以及不断的冲击作用，连杆小头瓦处也就无法产生连续的油膜。所以每次载荷方向改变后需要重新迅速的建立起油膜才能保证良好的润滑，而要保证油膜能够迅速建立，就要通过调整瓦间隙来减小冲击作用，同时也要保证润滑油量油压的稳定。因此，从这一点来分析，连杆小头瓦的润滑情况比普通的滑动轴承要复杂的多。

图2 连杆小头瓦各运动过程承载变化情况

3 连杆小头瓦油膜的形成特点

对于大型往复式压缩机，由于其转速比较低，一般在300～400 r/min左右，再加上连杆小头瓦处特殊的运动特点和周期性不断变化的承载情况，所以连杆小头瓦与十字头销之间的油膜非常难以建立。但是在实际运行中也会产生一些油膜，却仍然避免不了连杆小头瓦与十字头销直接接触的情况。因此为了最大程度的减少连杆小头瓦与十字头销之间的干摩擦，在设计中都会在小头瓦表面分布一定数量的油槽，通过多道油槽，在十字头销和连杆小头瓦表面建立多个小油楔，从而有助于油膜的形成。所以，连杆小头瓦设计时应充分考虑其摆动角的大小来设置油槽的分布形式和分布数量，一般大型往复式压缩机应在确保连杆小头瓦本身结构强度的基础上，在摆动角范围及附近设置1～2道径向油槽，这样才有助于形成油膜。同时在连杆小头瓦中间设置周向油槽来分布润滑油，以保证各油槽都有足够的润滑油量，同时周向油槽也能将一个连续的油膜分解成两个，这样就能在一定程度上减轻连杆瓦与十字头销之间的间隙不均匀对油膜建立产生的不良影响，提高油膜建立的稳定性（图3）。

另外，根据滑动轴承的油膜理论，油膜的强度与瓦的宽径比B/d有很大关系，B/d越小，相应的轴瓦的端面的泄漏量就会增加，摩擦功耗和温升下降，轴颈与轴瓦边缘接触减轻，但是瓦的承载能力却会下降。所以一般高速轻载轴承，B/d应取小值，低速重载轴承，B/d应取大值。大型往复式压缩机由于负荷都比较大，所以连杆小头瓦处的宽径比都比较大，因此确保连杆小头瓦与十字头销之间各部分配合间隙相等，接触点均匀致关重要。如果连杆小头瓦与十字头销的间隙各处不是很均匀，那么压缩机运行期间，连杆小头瓦处将可能无法产生理想的油膜，也就起不到很好的承载作用，可能造成大面积的干摩擦，引起连杆瓦、十字头销烧损。4往复式压缩机的润滑油量

图3 小头瓦油槽分布对比

由于连杆小头瓦承受非常大的交变载荷，所以在压缩机运行过程中就会产生非常大的热量，这就要求有足够量的润滑油量循环带走摩擦产生的热量。一般来说，压缩机运转过程中十字头部位运动部件摩擦功率损失约为30%。据此，导去运动部件全部摩擦热所需的循环油量Q0可计算如下。

式中Q0——循环油量，L/min

N——压缩机轴功率，kW

ηm——压缩机机械效率

ρ——润滑油密度，kg/L

c——润滑油比热，J/kg·℃

Δt——润滑油温升，一般取Δt=15～20℃按照正常的情况，按式（1）由导去全部摩擦热计算所需油量已足够满足润滑的要求，但对于某些具有较多列数或较多润滑部位的压缩机，由于各部分阻力和间隙处泄漏的影响可能造成局部润滑不足，这种情况下还应适当增加润滑油的循环量。

5 结语

根据往复式压缩机连杆小头特殊的运动特点以及小头瓦润滑的特性，其连杆小头瓦径向间隙、轴向间隙以及小头瓦油槽的合理布置是保证连杆小头瓦正常润滑的关键。连杆小头瓦装配时必须进行多点测量修配，保证各部间隙均匀；小头瓦油槽分布也应充分考虑连杆摆动角的大小，保证摆动角范围有1～2道油槽，以助于压缩机运行过程中连杆小头瓦油膜的建立。

在大型往复式压缩机连杆小头瓦的故障处理中如果能够充分考虑上述的一些因素，就会对压缩机的故障排除提供非常大的帮助。

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〔编辑 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.43