往复式压缩机的基础知识.doc

职工技能培训教材

往复式活塞压缩机教案
编写 胡方柱

设备动力部

2014年5月8日

往复式压缩机的基础知识
一、活塞式压缩机简介
       1、按气缸的布置可将其分为：
    （1）立式压缩机，气缸均为竖立布置；（2）卧式压缩机，气缸均为横卧布置；（3）角式压缩机，气缸布置为V型、W型、L型、星型等不同角度；（4）对称平衡式压缩机，气缸横卧布置在曲轴两侧，相对两列气缸的曲拐错角为180℃，而且惯性力基本平衡。
    2、若按排气压力可分为：
    （1）低压压缩机，排气压力为0.3~1MPa表压）；（2）中压压缩机，排气压力为1~10 MPa（表压）；（3）高压压缩机，排气压力为10~100MPa（表压）；（4）超高压压缩机，排气压力＞100 MPa（表压）。
    3、若按排气量可分为：
    （1）微型压缩机，排气量＜0.017m³/s；（2）小型压缩机，排气量为0.017~0.17 m³/s；（3）中型压缩机，排气量为0.17~1.00 m³/s；（4）大型压缩机，排气量＞1.00 m³/s。
    4、若按气缸达到终压所需级数可分为：
    （1）单级压缩机，气体经一次压缩达到终压；（2）双级压缩机，气体经两级压缩达到终压；（3）多级压缩机，气体经三级以上压缩达到终压。
    5、若按活塞在气缸中的作用可分为：
    （1）单作用压缩机，气缸内仅一端进行压缩循环；（2）双作用压缩机，气缸内两端都进行同一级次的压缩循环；（3）级差式压缩机，气缸内一端或两端进行两个或两个以上不同级次的压缩循环。
    6、若按列数的不同可分为：
    （1）单列压缩机，气缸配置在机身一侧的一条中心线上；（2）双列压缩机，气缸配置在机身一侧或两侧的两条中心线上；（3）多列压缩机，气缸配置在机身一侧或两侧两条以上的中心线上。
    活塞式压缩机的种类虽然繁多，结构复杂，但其基本构造大致相同。对于无十字头的活塞式压缩机，主要零部件有机身、曲轴、连杆活塞、气缸、进排气阀等；对于有十字头的活塞式压缩机，除有上述零件外，还有十字头及滑道、活塞杆及填料函等。活塞式压缩机由曲柄连杆机构将驱动机的回转运动变成为活塞的往复运动，气缸和活塞共同组成压缩容积；活塞在气缸内做往复运动，使气体在气缸内完成进气、压缩、排气等过程，由进排气阀控制气体进入与排出气缸；在曲轴侧的气缸端部装置填料密封，以阻止气体外漏。活塞上的活塞环，阻止活塞两侧气缸容积内的气体互相窜漏。
二、活塞式压缩机主要零部件
    1、气缸
    气缸承受着气体的压力，故应具有足够的强度。工作压力小于5MPa（表压）的气缸，通常采用HT200或优质铸铁制造；压力低于20MPa（表压时，可用铸钢制造；对于更高压力的气缸，可用碳钢或合金钢锻制。但是，由于气缸结构的复杂程度和缸径大小不同，往往同等工作压力的气缸材质也不一定相同，因为在保证足够强度的同时，还要考虑制造的难易及造价问题。所以，检修气缸时，应根据“产品说明书”或取样分析来加以认定，不能随意改变气缸的材质。活塞在气缸内做往复运动，使缸内壁受摩擦，要求缸壁应具有良好的耐磨性和良好的润滑条件。高压级的铸钢或锻钢气缸，其耐摩擦性能不好，易产生将活塞咬死现象，故多数钢质气缸都镶有耐摩擦性能较好的铸铁缸套。缸套尽量采用高质量的珠光体铸铁，一般低压下采用HT200，中、高压下采用HT250、HT300或HT350等。
    气缸上的螺栓均受交变载荷作用，故螺栓应耐疲劳，常用40号优质钢或40Cr钢。
    2、活塞组件
    活塞组件包括活塞体、活塞环和活塞杆。活塞体是受压件，应有足够的强度和刚度。活塞的往复运动将产生惯性力，故质量以小为好，而对称平衡压缩机则要求惯性力对称平衡，为此，活塞体可根据实际需要选用铸铁、铝及铝合金、铸钢、锻钢或用钢板焊制。
    活塞环随活塞在缸中往复摩擦，要求活塞环应耐磨。通常要求活塞环的的硬度比缸面的硬度高10%~15%；与铸铁缸面或缸套相配合的活塞环采用铸铁HT200或HT250；与钢质缸套或碳化钨缸套配用的的是合金铸铁。对于高转速、高压力的压缩机，可采用铸铁环上镶填充四氟乙烯或镶青铜及紫铜，有的在活塞环的表面镀铬，以减少活塞环的磨损和拉缸。无油润滑压缩机的活塞环采用填充四氟乙烯、石墨、尼龙及其它自润滑材料。
    各种压缩机（除立式压缩机以外）的活塞大都支承在气缸工作面上，为减少缸面磨损，对大直径的活塞都专门用耐磨材料制成承压面。承压面的材料，有注油润滑活塞，常采用填充氟塑料、尼龙以及其它自润滑材料制成各种形式的支承环。
    活塞杆受活塞的压力和拉力交变作用，要求活塞杆要有韧性。在密封压力作用下，杆表面与填料还不断地往复摩擦，为防拉毛，要求杆的摩擦表面要硬，一般应在HRC50以上。常用材料有40号、45号优质碳钢及33CrMoAlA、38 CrMoAlA等。用40号、45号钢表面镀铬，可提高表面硬度和耐磨性，但镀层太厚易脱落，一般镀层磨削后应保持0.05~0.25mm为宜；此外，还可用高频淬火或渗碳处理，而35CrMoAlA和38 CrMoAlA合金钢常采用氮化处理。
    3、气阀
    气阀处于冲击载荷下工作，故应有足够的强度和刚度。低压的阀座和升程限制器，可用HT200铸铁制造，铸件应时效处理；高压的阀，可用35号、40号、45号优质碳钢或40Cr钢，阀座的密封面需经高频淬火硬化；对于有腐蚀性介质的氧气压缩机的阀座和升程限制器，常采用黄铜（HPb 59—1）和不锈钢（1Cr18Ni9Ti，Cr13）。阀片受重复冲击载荷和交变弯曲载荷的作用，阀片材料应具有强度高、韧性好、耐磨损、耐腐蚀等性能。对于无腐蚀性介质（如空气、氮气、氢气、石油气等）的压缩机，其阀片常用30CrMnSiA制造；对于有腐蚀性介质的压缩机（如二氧化碳压缩机、氧压机等），阀片常用1Cr13、2Cr13、3Cr13或1Cr18Ni9Ti等材料制造。阀片经淬火、回火处理后，其硬度应为HRC40~56。也有改用工程塑料制造阀片，既可节省合金钢，又可采用较大的阀片升程和较小的弹簧力，能使阻力下降。工程塑料耐腐蚀，对气体气质的适应性很广，但受耐温和强度的限制，目前多用于低压级吸气阀。
    4、曲轴
    曲轴受方向和大小均匀周期性变化很大的气体惯性力和由此产生的交变弯曲、扭转应力及由此产生的疲劳、振动；同时，曲轴颈还受到严重的摩擦磨损，故要求曲轴材料应具有耐疲劳、耐磨损和抗振等性能。曲轴常用40号、45号优质碳素钢锻造。随着我国铸造技术的改进和发展，中小型压缩机的曲轴逐步改用稀土—镁球墨铸铁，以解决铁代钢和铸代钢问题。
   5、连杆
    连杆由连杆体、大头瓦和小头瓦等组成。连杆体受拉、压交变应力的作用，故通常采用35号、40号、45号优良碳钢锻制。近年来，球墨铸铁连杆在中小型压缩机上得到广泛应用。大头瓦与曲轴相连承受旋转摩擦，故大头瓦的材料常用钢壳或黄铜壳衬巴氏合金；小头瓦与十字头销相连做往复运动，其材料常用锡青铜或磷青铜。
    开式连杆的缸头盖和大头座用连杆螺栓连接，故连杆螺栓受很大的交变载荷和几倍于活塞力的预紧力。连杆螺栓通常采用强度高、塑性好的40Cr、30CrNi、35CrMoA、40CrMoA等合金钢；螺母常采用35号、35Mn、20Cr等钢。
    6、十字头
    十字头由十字头体、滑板和十字头销等组成。十字头体与活塞杆相连接，承受活塞侧向力的作用。小型压缩机的十字头体，常用HT 21—40铸铁铸造；大中型压缩机的十字头体，常用ZG25、ZG35铸钢或40号钢锻造。十字头销与连杆小头相连，传递全部活塞力；其材料应具有较好的韧性、耐磨损和耐疲劳性能，常用20号钢制造，并经表面渗碳淬火，使其外硬内韧，既耐磨又耐疲劳；其表面硬度要求HRC=55~62。滑板在滑道上做往复运动，要求耐磨，常采用铸铁或铸钢滑板，并在摩擦面上浇注巴氏合金；可拆滑板，也有采用铜合金和铝合金制造的。
二、压缩机的工作过程
1.什么是压缩机工作过程?
往复式压缩机有气缸、活塞和气阀。压缩气体的工作过程可分成膨胀、吸入、压缩和排出四个阶段。
单吸式压缩机的气缸。这种压缩机只在气缸的一端有吸入气阀和排出气阀，活塞每往复一次只及一次气和排一次气。
单级式压缩机气缸
1一气缸;2一活塞;3一吸入气阀;4一排出气阀
(1)膨胀:当活塞2向左边移动时，活塞右边的缸容积增大，压力下降，原先残留在气缸中的余气不断膨胀。
(2)吸入:当压力降到稍小于迸气管中的气体压力时，进口管中的气体便推开吸入气阀3迸入气缸，随着活塞逐渐向左移动，气体持续迸入缸内，直到活塞移至左边的末端(又称左死点)为止。
(3)压缩:当活塞调转方向向右边移动时，工件的容积逐渐缩小，这样便开始了压缩气体的过程。由于吸入气阀有止逆作用，故缸内气体不能倒回进口管中，而出口管中的气体压力又高于气缸内部的气体压力，缸内的气体也元法从排出气阀4跑到缸外。出口管中的气体因排出气阀有止逆作用，也不能流入缸内。，因此缸内的气体质量保持一定，只因活塞继续向右移动，缩小了缸内的容气空间(容积)，使气体的压力不断升高。

(4)排出:随着活塞右移，压缩气体的压力升高到稍大于出口管的气体压力时，缸内气体便顶开排出气阀而进入出口管中，并不断排出，直到活塞移至右边的末端(又称右死点)为止。然后，活塞又开始向左移动，重复上述动作。活塞在缸内不断地来回运动，使气缸往复循环地吸入和排出气体。活塞的每一次来回称为一个工作循环，活塞每来或回一次所经过的距离叫做冲程。
一种双吸式压缩机的气缸。这种气缸的两端，都具有吸入气阀和排出气阀。其压缩过程与单吸式气缸相同，所不同的只是在同一时间内，元论活塞向哪一方向移动，都能在活塞的运动方向发生压缩作用，在活塞的后方进行吸气过程。也就是说，无论活塞向左移或向右移都能同时吸入和排出气体。
2·什么是压缩气体的三种热过程?
气体在压缩过程中的能量变化与气体状态(即温度、压力、体积等)有关。在压缩气体时产生大量的热，导致压缩后气体温度升高。气体受压缩的程度愈大，其受热的程度也愈大，温度也就升得愈高。压缩气体时所产生的热量，除了大部分留在气体中使气体温度升高外，还有一部分传给气缸使气缸温度升高，并有少部分热量通过缸壁散失于空气中。压缩气体所需的压缩功，决定于气体状态的改变。说通谷点，压缩机耗功的大小与除去压缩气体所产生的热量有直接关系。一般来说，压缩气体的过程有以下三种:
(1)等温压缩过程:在压缩过程中，把与压缩功相当的热量全部移去，使缸内气体的温度保持不变，这种压缩称为
等温压缩。在等温压缩过程中所消耗的压缩功最小。但这一过程是一种理想进程，实际生产中是很难办到的。
(2)绝热压缩过程:在压缩过程申，与外界没有丝毫的热交换，结果使缸内气体的温度升高。这种不向外界散热也不从外界吸热的压缩称为绝热压缩。这种压缩过程的耗功最大，也是一种理想过程。因为实际生产中，无论何种情况要漫完全避免热量的散失，都是很难做到的。
(3)多变压缩过程:在压缩气体过程中，既不完全等温，也不完全绝热的过程，称为多变压缩过程。这种过程介于等温过程和绝热过程之间。实际生产中气体的压缩过程均属多变压缩过程。
3·什么是多级压缩?
所谓多级压缩，即根据所需的压力，将压缩机的气缸分成若干级，逐级提高压力，并在每级压缩之后，设立中间冷却器，冷却每级压缩后的高温气体。这样，便能降低每级的排气温度。
4·为付么要多级压缩?
用单级压缩机将气体压到很高的压力，压缩比必然增大，压缩后的气体温度也会很高。气体压力升高比愈大，气体温度升得愈高。当压力比超过一定数值时，气体压缩后的终结温度就会超过一般压缩机润滑油的闪点D叨~240记)，润滑油会被烧成碳渣，造成润滑困难。
多级压缩机所消耗的功比单级的大为减少，级数愈多，省功愈多。同时，级数愈多，气体压缩后的温度也愈低，气缸所能吸入的气体的体积也愈大。往复式压缩机在吸气过程中，须待残留在气缸余隙容积(所渭余隙容积系指压缩机在排气终了，活塞处于死点位置时活塞与气缸之间的空间以及连接气阀和，气缸间的通道的空间)内的高压气体膨胀到压力稍低于迸气压力时，才能开始吸气。高压气体膨胀后占去一部分气缸容积，使气缸吸大气体的容积减少。显然，如果压力比愈高，余隙内残留的气体压力也愈高，余气膨胀后所占去的容积就愈大，压缩机的生产能力就显著降低。同时，压缩机机件的长度、厚度和直径都必须相应增大，不然，就不能适应其所承受的负荷，结果，不但使压缩机的造价增高，而且还会增加机件制造上的困难。因此，为了达到较高的终压，必须采用多级压缩机。但压缩机的级数也不应太多，因为级数每增加一级，就必须多一套气缸、气阀、活塞杆、连杆等机件，使压缩机结构复杂，并且大大增加设备费用。一般情况下，压缩机每二级压缩比不超过3-5。
5·什么是往复式压缩机的生产能力(排气量)?
单位时间内压缩机排出的气体，换算到最初吸入状态下的气体体积量，称为压缩机的生产能力，也称力压缩机的排气量。其单位为m3/h或m3/min。
6·影响往复式压缩机生产能力主要有哪几方面?
(1)余隙:当余隙较大时，在吸气时余隙内的高压气体产生膨胀而占去部分容积，致使吸入的气量减少，使压缩机生产能力降低。当然，余隙过小也不利，因为这样气缸中塞容易与气缸端盖发生撞击而损坏机器。所以压缩机的气余隙一定要调整适当。
(2)泄漏损失:压缩机的生产能力与活塞环、吸入气阀排出气阀以及气缸填料的气密程度有很大关系。活塞环套活塞上，其作用是密封活塞与气缸之间的空隙，以防止被上缩的气体窜漏到活塞的另一侧。因此，安装活塞环时，应吏它能自由胀缩，即能造成良好的密封，又不使活塞与气缸拘摩擦太大。如果活塞环安装得不好或与气缸摩擦造成磨损而不能完全密封时，被压缩的高压气体便有一部分不经排出气阀排出，而从活塞环不严之处漏到活塞的另一边。这样由于压出的气量减少，压缩机的生产能力也就随着降低。在实示生产中，由于活塞环磨损而漏气造成产量降低的情况经常发生。如果排出气阀不够严密，则在吸大过程中，出口管中的部分高压气体就会从气门不严之处漏回缸内。如果吸气阀不够严密，则在压缩期间也会有部分压缩气体自缸中漏回进口管。这两种情况都会使压缩机的生产能力降低。在实际操作，由于气阀的阀片经常受到气体的冲蚀或因质量不好而损坏，因此漏气造成减产的现象也会时常发生。在压缩机运转的过程中，出于气缸填料经常与活塞杆摩擦而发生磨损，或因安装质量不好，都会产生漏气现象。因此，气缸填料的漏气在实际生产中也会经常遇到。
(3)吸入气阀的阻力:压缩机的吸入气阀应在一定程度上具有抵抗气体压力的能力，并且只有在缸内的压力稍低于进口管中的气体压力时才开启。如果吸入气阀的阻力大于平常的阻力，开启速度就会迟缓，进入气缸的气量也会减少，压缩机的生产能力也由此降低。
(4)吸入气体温度:压缩机气缸的容积虽恒定不变，但如果吸入气体的温度高，则吸大缸内的气体密度就会减小，单位时间吸入气体的质量的减少，导致压缩机的生产能力降低。压缩机在夏天的生产能力总是比冬天低，就是这个原因。另外，在进口管中的气体温度虽然不高，但如果气缸冷却不好，使进入气阀室的气体温度过高，也会使气体的体积膨胀，密度减小，压缩机的生产能力也会因此降低。
7.为什么往复式压缩机气缸必须留有奈隙?
(1)压缩气体时，气体中可能有部分蒸气凝结下来。我们知道液体是不可压缩的，如果气缸中不留余隙，则压缩机不可避免地会遭到损坏。因此，在压缩机气缸中必须留有余隙。
(2)余隙存在以及残留在余隙容积内的气体可以起到气垫作用，也不会使活塞与气缸盖发生撞击而损坏。同时，为了装配和调节的需要，在气缸盖与处于死点位置的活塞之间也必须留有一定的余隙。
(3)压缩机上装有气阀，在气阀与气缸之间以及阀座身的气道上都会有活塞赶不尽的余气，这些余气可以减缓气体对进出口气阀的冲击作用，同时也减缓了阀片对阀座及升程限制器(阀盖)的冲击作用。
(4)由于金属的热膨胀，活塞杆、连杆在工作中，随着温度升高会发生膨胀而伸长。气缸中留有余隙就能给压缩机的装配、操作和安全使用带来很多好处，但余隙留得过大，不仅没有好处，反而对压缩机的工作带来不好的影响。
8·为什么往复式压缩机各级之间要有中间冷却器?
各级压缩后，由于温度升高，气缸的润滑油会降低粘度同时会分解出焦质的物质，在阀片等重要部位积聚，妨碍阀片正常运转。若气温高于润滑油的闪点，则具有引起爆炸的潜在危险。有时压缩的气体为碳氢化合物气体(如石油气等)，在高温下气体物理性质会发生变化，如产生聚合作用等。一般压缩机排气温度应低于润滑油闪点。在多级压缩机中，每级的压力比较低，而且有级间冷却器，每级排出气体冷却到接近第一级吸大前的温度(单靠在气缸套中的冷却是达不到的)，因此每一级气缸压缩终了时，气体的温度不会太高。
三、润滑系统
1、润滑的作用
润滑是压缩机中的重要问题之一，它不仅影响到压缩机的性能指标，而且跟压缩机的寿命、可靠性、安全性也直接相关。润滑的作用如下：
1)使摩擦表面即轴与轴承、活塞环与气缸壁等运动部件接触面)被油膜分隔，形成液体摩擦或半干摩擦，从而降低压缩机的摩擦功、摩擦热和零件的磨损，提高压缩机的机械效率，增加压缩机的可靠性和耐久性。
2)带走摩擦热，使摩擦表面温度不致过高。
3)润滑油充满活塞与气缸的间隙和轴封的摩擦表面，增强密封作用。
4)带走磨屑，改善摩擦表面的工作情况。
5)向能量调节装置供油。
2、润滑类别及润滑方法?
压缩机的润滑基本上可分成气缸润滑系统和运动机构润滑系统。
润滑气缸用的润滑油要有较高的粘度，在活塞环与气缸之间能起到良好的润滑和密封作用。其次还要求有较高的闪点和较高的稳定性，使油不易挥发、不易氧化，否则，易引起积炭(润滑油氧化后所形成的碳化物)，而积炭一旦燃烧会引起爆炸，此外积炭会加剧气缸、气阀的磨损，故在气缸中形成积炭对压缩机操作极为不利。所以，气缸润滑油是采用专门的压缩机油来润滑。
压缩机的气缸润滑油消耗量限制得比较严格。油量过多，既不经济而且会使导管和附属装置沾污，促使积炭形成。对于低压和中压压缩机来说，其中卧式压缩机每400m2的润滑表面润滑油消耗量平均为1g/min，立式压缩机每500m2的润滑表面润滑油消耗量平均为1g/min。高压压缩机由于在压缩机之后有冷却器和油分离器，润滑油消耗量就会提高，每200#气缸润滑表面润滑油消耗量平为1g/min，而每100m2的填料函活塞杆润滑表面润滑油消耗量3g/min。新压缩机试车运转时(跑合)，加油量为定额的两倍。
运动机构的润滑油量(循环量)视有无润滑冷却器而不同，有冷却器时润滑油量为0·075kg/min·kW，无冷却器为0.15kg/min.kW。润滑油的消耗量应根据实际情况而定，以上数字仅供参考。
压缩机气缸的润滑方法:
强制润滑法(压力润滑):气缸内金属之间及活塞杆与填料之间的润滑油用注油器加压强制注入。常用的注油器为单柱塞真空滴油式，此种注油器构造简单，技术先进，使用时可在不停机的情况下处理故障。此种注油器内安有小油乱每个油泵担负一个润滑点。
压缩机运动机构的润滑方法一般有两种:
(1)飞溅法:用回转机构将曲轴箱中的润滑油甩成油滴，当有些油滴落到轴承瓦)上的油孔中时，即可流到摩擦表面上。
(2)压力润滑法:用齿油泵进行循环润滑                 
运动机构润滑系统
在这种方法中，润滑油依次通过下列诸元件:油箱、油泵、过滤器、冷却器、运动机构各润润点，再 流入油箱。循环系统还装有调节润滑油压力的旁通阀和压力表。
四、冷却系统
冷却有两大系统，油冷系统和和水冷系统，油冷主要对循环使用的运转机构起润滑作用的润滑油进行冷却。气冷系统，主要对因压缩产生热量的气缸和气体进行冷却。
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