无油润滑往复压缩机关键技术分析

董 稹，王跃飞

（重庆气体压缩机厂有限责任公司，重庆 400037）

1 引言

由于对气质要求严格，在石油、化工、医药、食品及航空航天等部门使用的压缩机都趋向采用无油润滑技术，并且对其使用寿命的要求越来越高。压缩气体中所含的油来源于润滑活塞环与缸或缸套间、填料密封元件和活塞杆间的摩擦所需的润滑油，所以压缩机实现无油润滑的关键在于如何在无油润滑的状态下保证活塞环和填料密封的使用寿命。本文对自润滑材料、密封压差、冷却条件、密封结构及活塞平均速度等影响因素进行分析，根据结果对活塞环及填料密封的无油设计提出建议。

2 关键因素分析

实现压缩机无油润滑的核心在于活塞环和填料函密封部位，而影响活塞环和填料密封的关键因素包括自润滑材料、密封压差、冷却条件、密封结构及活塞平均速度。

2.1 自润滑材料

自润滑材料的质量直接决定了密封元件的性能及可靠性。材料摩擦系数要小，并具有一定的刚性、强度、耐磨性和耐温性，以满足实际使用要求[1]。常用的自润滑材料有聚四氟乙烯（PTFE），聚酰亚胺（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，冷流是指塑料在高温高压条件变软流入低压侧的缝隙中形成飞边的现象，如图1所示，所以实际应用中常通过添加不同组分来改善PTFE的性能，以达到使用要求。

采用无油润滑的某氮氢气压缩机高压段气缸，使用FH-1A金属塑料的活塞环，在31 MPa的高压下工作寿命达到了4000 h[4]。FH-1A是在烧结形成的多孔铜粉层中浸渍PTFE材料，使之既具有PTFE摩擦因数低的性能，又具有金属材料传热性能好、热膨胀系数小、热强度好的优点。碳纤维增强复合材料不仅机械性能优良，而且结构设计灵活，可以很好的克服PTFE冷流的缺点。但是，该材料性脆，抗冲击性和高温抗氧化性差，而且原材料和制作成本较高。

2.2 密封压差Δp

活塞环两侧的密封压差随实际工况不同而不同，主要取决于活塞环所分隔的两侧气腔的压力差。填料密封却不同，因其密封的一侧通常是大气状态，所以它所承受的压力差取决于气缸内的排气压力，且密封压差一般较大[5]。

压缩机工作过程中，活塞环与填料环的受力情况如图2所示，对于活塞环，虽然环内表面紧贴在气缸或缸套内壁上，但二者之间依然有间隙，它的一端作用有压力p1，另一端作用有压力p3，假设压力沿环高是直线分布的，则有

不考虑活塞环厚度的影响，且认为p2≈p1，可得活塞环与气缸或缸套之间的比压pa为

式中 p1——高压侧压力，Pa

p3——低压侧压力，Pa

p2——环槽内压力，Pa

pa——比压，Pa

di——活塞环内径，m

do——活塞环外径，m

h——活塞环高度，m

Δp——密封压差，Pa

同理可得，填料密封环与活塞杆表面间的比压pa为

压缩机工作过程中，摩擦副（活塞环与气缸或缸套，填料环与活塞杆）间的摩擦力F可由式（4）计算

式中 F——摩擦力，N

μ——摩擦系数

A——接触面积，m2

压缩机一个工作周期内产生的摩擦热Q可由式（2）计算

式中 Q——摩擦热，J

S——行程，m

由式（1）至（5）可知，工作过程中摩擦副间的比压pa随着密封压差Δp增加而增大，而摩擦热与摩擦力成正比，摩擦力正比于比压，所以密封压差越大生成的摩擦热量越多。

图1 密封元件冷流失效

图2 密封元件受力分析

2.3 冷却条件

温度是影响活塞环及填料密封元件寿命的最重要因素，所以摩擦热的导出是关键，若摩擦热不能及时导出，则摩擦部位温度将急速上升，从而引起密封元件冷流失效。气缸一般均设有冷却水套，活塞环散热条件相对较好，所以其使用寿命主要取决于自润滑材料的性能。而填料密封即使有冷却措施，大多数都只是在填料盒上通冷却水，不能直接冷却摩擦面（也有少数在活塞杆内通冷却液），散热效果差。因此，在实现压缩机无油润滑时，填料密封的工作环境更为恶劣，问题更加突出，无油设计中应改善密封元件间压差分布不均的情况，以降低各组尤其是前几组填料密封元件的密封压差，从源头上减少摩擦热；同时对填料密封的冷却结构进行改进，使冷却通道尽量靠近摩擦部位，提高冷却效果，从而保证工作温度不超标，延长填料密封使用寿命，提高可靠性。

2.4 密封结构

在中、低压压缩机中，填料环的受力情况与活塞环相同，即压差分布不均匀，靠近气缸侧的一组填料环承受大部分压差，寿命最短，当其密封能力逐步降低后，再由下一套承受主要负荷，依此类推。但对于高压压缩机，其填料密封的工作压差极高（如循环压缩机，将承担32 MPa的密封压差），无法在较长时间内由靠近气缸侧的填料环组单独承担主要负荷，而是气体不断的往下一组泄漏，当下一套填料腔中的气体压力逐步升高后，则第一套填料环前、后的压力差就很小，这套填料环就基本上得到“解放”，以此类推，直至最后一套填料环的腔中压力逐步升高后，它的后面就是大气压力，这套填料环的负荷无法再往后转移，它将在很高的压力差下工作，一直维持到它大量磨损，密封失效，再由它的前面一套填料环来顶替它的工作。

为了降低密封环的密封压差，延长使用寿命，填料密封结构可增加节流部分，同时在密封环组中加装阻流环。工作时先通过节流环限制和控制泄漏的气流，经过2～3层节流，使气体压力降低，即降低了密封环组的密封压差，以达到延长使用寿命的目的。节流环还有一个重要作用，是在进气过程中阻止气体快速膨胀返流回气缸中。气缸内压力随着吸气过程的进行而快速降至进气压力，填料盒中压力高于缸内压力，气体在压差作用下有返流的趋势，若没有节流环，密封环将“爆开”，导致密封环过早失效和损坏[6]。低压工况时，密封部分采用RT型密封环，如图3（a）所示；在高压工况下，采用RTB型密封环，如图3（b）所示，即在背离气缸工作腔一侧的RT型密封环后加一个阻流环B型环，目的是在高压情况下，防止T型环沿轴向出现冷流现象。

高压无油工况下，填料密封环的使用寿命主要取决于阻流环。阻流环和活塞杆间应保持一个均匀而极小的径向间隙，才能使密封环在气体压力的作用下几乎无缝可钻，保持完整。间隙值的选择十分重要，间隙过大，无法保证阻流作用；间隙太小，又存在拉毛活塞杆的隐患，即在活塞杆与气缸的同心度较差或运转中活塞杆有较大径向跳动时，阻流环与活塞杆就有接触的可能。

根据经验，阻流环内径与活塞杆间的间隙δ可由下式决定[7]

铜材质的阻流环

δ=0.35%～0.4%d

尼龙材质的阻流环

δ=0.25%～0.3%d

式中 δ——间隙值，m

d——活塞杆直径，m

图3 填料密封元件[6]

2.5 活塞平均速度

活塞的平均速度由转速n和行程S决定

式中 vm——活塞平均速度，m/s

n——转速，r/min

活塞的平均速度vm不宜过大。vm反映了活塞环及填料密封的磨损情况。当摩擦表面所受作用力大小相同时，vm值越高，则在单位时间内受摩擦的距离越长，磨损越严重且产生更多的摩擦热，相同条件下，温升越大。此外，压力和速度的乘积pv值是自润滑材料工作条件的标志。每一种材料都有其本身的极限pv值和许用pv值。pv值在一定范围内与磨损成正比关系，超过此范围，磨损就陡然增加，直至烧毁。对于无油润滑压缩机，应合理选择转速和行程，使活塞的平均速度控制在3.5 m/s以下。

3 结论

摩擦热的生成及导出是实现活塞环及填料密封无油润滑的关键。摩擦热量随着密封压差增大而增加，而工况条件和密封结构决定了密封环间压力分配，即确定了密封元件的密封压差。活塞平均速度直接影响摩擦热的生成速率，活塞平均速度越快，单位时间内产生的摩擦热量越多。摩擦热能否及时导出关乎密封元件的使用寿命。活塞环散热条件相对较好，所以其使用寿命主要取决于自润滑材料的性能，但填料密封散热效果差，为保证使用寿命应特别关注自润滑材料的耐高温性能，结构设计上需改善密封环间压差分配不均的情况，以降低各组密封环的密封压差，并将活塞平均速度控制在合理范围之内。