微型无油压缩机用活塞环改进设计

谢传东， 刘志龙，曹斌，舒悦，刘晓明

（1.合肥通用机械研究院有限公司压缩机技术国家重点实验室；2.合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽 合肥 230031）

1 前言

微型无油压缩机气缸和曲轴箱内均无液体润滑油，所得压缩介质无油污，具有环保、设备简单、免维护等优点。尤其在需要洁净气体品质的特殊领域，微型无油压缩机具有无可替代的优势。随着微型无油压缩机应用领域的不断拓展和相关工业技术的发展，微型无油压缩机的技术要求也越来越高。微型无油压缩机需要在保证一定效率的前提下适应更宽的环境温度、愈加苛刻的进气条件等要求，对微型无油压缩机关键部件的性能提出了更高的要求。活塞环作为微型无油压缩机的关键部件之一，其结构形式和设计参数对压缩机性能有着重要的影响，因此，进行活塞环的结构优化改进具有重要意义。

2 活塞环结构改进

活塞环在微型无油压缩机气缸内主要起到密封作用。传统微型无油压缩机用活塞环为搭接口形式，采用填充聚四氟乙烯自润滑材料 ，如图1（a）所示。

由于考虑材料的热膨胀和活塞环的装配，活塞环必须保留一定开口间隙，间隙的存在使得活塞环下半部和气缸镜面间必然存在一个泄漏流道，泄漏流道的大小直接受开口间隙的影响，图1（b）为泄漏流道处的剖面图。

图1 传统活塞环结构

活塞环间隙直接影响压缩机的泄漏量，通过对某额定排气量为0.0008kg/s的微型无油压缩机活塞环泄漏流道进行CFD数值仿真分析，计算域如图2所示。最后，得到活塞环开口处的泄漏量与开口间隙的关系，如图3所示。可知活塞环泄漏量与活塞环开口间隙呈线性变化关系，当开口间隙达到1mm时，泄漏量接近额定排气量的一半，且相同开口间隙下，两道活塞环开口重合布置下的泄漏量略高于错口180°布置时泄漏量。

图2 泄漏流道计算域

图3 泄漏量随开口间隙变化规律

由于活塞环材料线胀系数远大于金属的线胀系数，所以活塞环间隙受环境温度影响显著。通过建立活塞环热固耦合分析模型，可得常温时初始间隙为0.2mm条件下活塞环间隙随温度的变化关系，如图4所示。可知活塞环间隙与环境温度呈线性关系，温度每降低20K，活塞环间隙增加约0.05mm，其次，活塞环本身处于动态磨损状态，活塞环间隙会随压缩机服役时间的增加逐渐变大。由上述分析可知，由于活塞环开口间隙受温度及磨损状态影响明显，活塞环间隙又直接影响泄漏量，要改善活塞环的密封性能，必须降低泄漏量对开口间隙的敏感性，以确保活塞环在较大的开口间隙下同样具有较小的泄漏量。

图4 活塞环开口间隙随温度变化规律

针对传统搭接口形式活塞环密封结构的缺点，本文提出了一种改进活塞环结构，如图5所示。

由图可知，改进活塞环采用双阶梯型活塞环开口，新的开口形式基本消除了传统搭接口活塞环存在的固有泄漏流道；同时，改进活塞环采用周向固定结构，使得相邻两道活塞环错口180°布置，保证了最长泄漏路径，可进一步降低泄漏。

图5 改进活塞环结构

3 结语

本文对传统形式的微型无油压缩机用活塞环泄漏进行了建模分析，研究了泄漏量随开口间隙的变化关系及开口间隙受环境温度的影响规律，最后，提出了一种改进的活塞环结构。改进的活塞环结构基本消除了传统结构存在的泄漏流道，同时，保证了最长泄漏路径，最终可提高活塞环的密封性并能适应更宽的环境工况。