全无油压缩机活塞组件设计文档格式.docx
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明
作者简介：
彭宝成（1946-），男，汉族，河北曲阳人，机电工程系主任，教授，研究方向为过程装备与控制工程。
全无油压缩机是指气缸内和运动机构中都没有液体润滑油润滑的新型全封闭式压缩机。
全无油压缩机不但能提供洁净的压缩空气，使气路系统无油雾污染，也不会因有碳氢化合物存在而潜伏爆炸危险，而且具有节油、环保、操作方便、维修费少等优点。
随着纺织、医药、食品、化工、军工等工业部门对产品质量以及所有气动自控器件要求的进一步提高，随着环保意识增强，对洁净无油污的压缩空气的需求越来越大，全无油压缩机已成为近年来研究的热点之一。
活塞组件是实现全无油润滑的关键部件。
1活塞组件的合理设计
活塞组件的结构如图1所示。
在气缸中作往复运动的活塞上，设有两道活塞环和两道导向环，活塞环为一槽两环，搭接口结构，内衬一个弹力环。
导向环为一槽一环，C型开口结构，设有卸载孔，以使导向环不承受气体压力，只起导向支撑作用。
活塞环和导向环由机电工业部合肥所专业厂生产，配方为38%Cu+
52%F4+6%玻璃纤维+4%石墨的填充聚四氟乙烯
制成。
弹力环则用瑞典带钢制作，活塞销做成中空结构，以用来储存适量润滑油脂。
2活塞环的设计计算
整体无背压活塞环工作时，非金属环受热膨
胀，既要防止非金属环因过度膨胀而卡死在气缸内，又能起到良好的密封作用，应保证两者间有一个极小的热膨胀工作间隙C。
C的大小直接影响到压缩机的排气量、功耗等，必须严格控制，可按下式计算：
C=Dgαf（K-1）ΔTf
（1）
式中：
Dg为常温时气缸的内径，单位为m；
αf为非金属环材料的线热膨胀系数，K-1；
ΔTf为工作前后非金属环的温升，K；
K为非金
属环的热膨胀系数，建议取K=1.2~1.5。
整体开口型活塞环设计参数有：
活塞环数
N、内径Di、外径Do、径向厚度t、轴向高度h、
开口间隙δ等。
有关活塞环数N的计算式较多，有活塞环环数的图表法、公式法及pV值法和改进的pV值法等，在压力较低时各法所得结果并无差别；
当压力较高时用改进的pV值法较为适宜。
活塞
环数N可按下列公式计算：
N=1.1max姨
（2）
（Δp）max为活塞环两端最大压差，MPa。
改进的pV值法确定活塞环数的公式为：
N=0.01233nspdmax
［］
（3）
n为压缩机转速，r·
min-1；
s为活塞
行程，m；
pdmax为最高排气压力，MPa；
［pV］
为许用pV值，MPa·
m/s。
对填充PTFE环，一般资料建议取［pV］=
0.196MPa·
m·
s-1。
就应用实践看，如果以此值
计算活塞环环数，由于高压级的活塞环背压大，导致高压级的环数过多。
环数增加将使压缩机相应的气缸和活塞轴向长度增加，机器尺寸加大、零件数增多，机器重量和成本增加，不便于气缸和活塞的加工和装配，还会增加磨损功耗。
课题组经反复研究，确定了填充PTFE的推荐［pV］值：
（0.49~0.60）MPa·
m/s，实际应用效果较好。
径向厚度t按下式计算：
t=姨/1.5
（4）
t为活塞环径向厚度，mm；
Dg为气
缸直径，mm。
轴向高度h按下式计算：
h=（0.5~1.0）t
（5）开口热间隙δ按下式计算：
δ＝απDg（t2-t1）
（6）
t2为活塞环工作时的温度，通常取排气温度，℃；
t1为在校验尺寸δ时活塞环本身的温度，通常取室温20℃；
α为活塞环材料的线膨胀系数（1/℃）。
对于搭接口活塞环的搭接长度ΔL一般按经验选取，建议可按下式计算：
ΔL=（2~30）δ（7）
活塞环的外径Do一般取与气缸直径相等
Dg，即Do=Dg。
活塞环结构如图2所示。
3开口型导向环的设计
导向环镶嵌于活塞的导向环环槽中，不仅起
着导向定位作用，保证活塞在气缸内往复运动的
直线性和活塞与气缸的同心性，使活塞与气缸保持一定的工作间隙，防止活塞金属表面与气缸镜面直接接触而引起镜面磨损或拉伤，并使活塞受力均匀，使活塞环均匀磨损，提高活塞环的密封性能和运行寿命，而且具有支承活塞组件的重量
等载荷的作用。
因此，导向环是压缩机实现无油润滑的关键之一，它的性能好坏直接影响到压缩机运行的平稳性和使用寿命。
对于角度式压缩机，由于无十字头，综合活塞力通过连杆传递到活塞销，在活塞销处产生一个通过活塞垂直作用于气缸壁上的分力，即侧压力。
无润滑活塞环一般只起密封作用，而侧压力主要由导向环承受，导向环的存在改善了活塞环的工作条件，提高了活塞环的密封性能和使用寿命。
开口导向环结构如图3所示。
开口型导向环的主要设计参数有径向厚度
td、轴向宽度B、开口热膨胀间隙δd、自由外径Dd开口角度和卸荷槽角度等。
导向环的径向厚度td取决于允许的径向磨损量，还与其结构、材质、刚性和工作温度等有关。
厚度增加，可提高环的刚度，但过大时反而使环材料内部易疏松而不耐磨。
可按下式计算：
td=3×
（1+Dg/100）（8）
导向环须有足够的轴向宽度B来承受侧压
力等载荷，就目前所掌握的资料看，其设计计算公式均为：
B≥
G
（9）
G为导向环所承受的载荷，106N；
［k］为导向环承压表面许用比压，MPa；
b为承压表面投影宽度，一般取导向环外径底部120°
弧长在水平方向的投影，m。
由上式可知：
一般资料在对导向环的轴向宽度进行设计计算时，是以活塞和活塞杆等活塞组件的重量作为所承受的载荷为依据进行的，而实
图3
开口型导向环
彭宝成等：
9
石家庄理工职业学院学术研究2009年
际上，导向环所承受的载荷不仅仅是活塞组件的重量，还应包括侧压力，而对于角度式压缩机，侧压力往往是活塞组件重量的几倍乃至数十倍。
因此在对导向环的轴向宽度进行设计计算时，必须考虑侧压力的影响，则轴向宽度B的设计计算式应为：
B≥Nmax+G
b［k］
（10）
导向环承压表面许用比压［k］按下式计算：
［k］=σ/n
（11）
σ为导向环材料的抗压极限，MPa；
n为安全系数。
一般资料建议安全系数取5~6，对最常用的导向环材料填充聚四氟乙烯规定［k］≤
0.03MPa。
对于多级压缩，若按此值计算轴向宽
度，由于高压级的最大活塞力大，相应的最大侧压力大，计算所得的高压级的轴向宽度要比低压级的大得多，从而使得高压级的导向环过长，致使相应的活塞和气缸长度过大，机器尺寸加大，不便于活塞和气缸的加工与装配，压缩机变得笨重而不美观。
单级压缩时计算的轴向宽度也较大。
特别是在对有油压缩机进行无油润滑改造时，受气缸和活塞实际结构尺寸的限制，
［k］
的取值往往超过了一般资料规定的［k］≤
0.03MPa的控制值。
因此，课题组认为从减小高
压级导向环的轴向宽度的角度看，建议［k］≤（0.06~0.10）MPa，此时仍有足够的安全系数。
开口热膨胀间隙δd是导向环在常温下装入气缸后的开口间隙，其值的选取以保证它能起到补偿环的磨损和环工作时可自由热膨胀的作用为原则，按下式计算：
δd=απDgΔT+0.005Dg
（12）
α为导向环材料的线热膨胀系数，K-1；
ΔT为工作前后导向环的温升，K。
为便于装配，应使导向环的自由外径Dd略小于气缸内径Dg，建议Dd与Dg的基本尺寸相等，导向环与气缸间为间隙配合。
导向环的开口角度β和卸荷槽角度θ可通过理论计算公式获得，但较为复杂，一般按经验取值。
当B≤65mm时，β=30°
，θ=15°
；
当B＞
65mm时，β=20°
，θ=10°
。
依据以上所述，对WW-1.65/7型和SW-2.1/
7型等全无油润滑压缩机上的开口型导向环进行
了设计。
压缩机采用两级压缩，导向环采用填充
PTFE制造，一、二级活塞上均设2道导向环。
部分开口型导向环有关主要参数如表2所示。
所设计的导向环通过了运行试验，压缩机投入批量生产，经用户使用表明：
导向环寿命达
8000h以上。
4
弹力环设计
开口型活塞环的自密封作用是建立在活塞环
必须始终紧贴在气缸内壁的前提下的，活塞环在工作前必须具有一定的初弹力，否则，气体将直接穿过环外表面与气缸内壁之间的间隙泄漏，使活塞环失去自密封作用。
然而，在全无油压缩机中，活塞环是由非金属材料，如填充聚四氟乙烯（填充PTFE）等制成的，在常温下弹力极小，为确保活塞环在压缩机运转之前紧贴在气缸的内壁上，以达到预期的密封效果，人们常常在活塞环的内侧设置金属的弹力环以增加非金属活塞环的预弹力，如图4所示。
弹力环通常用瑞典带钢片或不锈钢钢带片制
成，钢片厚度为0.35~0.5mm，其长度比活塞环内圆周长大10mm~15mm即可。
安装时，将其弯成一个搭接圆，即为弹力环，把它和活塞环一起装入活塞环槽中，提高活塞环的初弹力，以实现活塞环的初始密封。
5活塞销设计
对于全无油润滑压缩机，由于需要全无油，
为减小活塞销间的相对运动时的摩擦和磨损，在连杆小头孔内加设滚针轴承，实际上活塞销是装在滚针轴承内圈孔内的。
为了弥补滚针轴承存脂量少的不足，将活塞销设计成中空的结构，如图
5所示
10
在空腔内注入润滑脂，同时也起到了减轻重量的作用。
在活塞销的一端加工一段螺纹，在此用丝堵来封装润滑脂。
沿周向均匀开设4个小孔，使空腔内预热后的油脂通过孔补充滚针轴承所需润滑脂。
活塞销中心孔径d0由下式确定：
d0=（0.4～0.6）d
（13）
d为活塞销的外径，m。
活塞销材料选用耐磨的合金材料GCr15。
活塞销的尺寸计算：
dl0叟P［2］
（14）
［k2］为活塞销许用比压，当活塞力始终作用在一个方向时，［k2］≤（12～15）MPa；
活塞力的方向有变化时，［k2］≤（15～25）MPa；
l0为连杆轴承长度，m，按下式计算：
l0＝（1.1～1.4）d（15）
6活塞设计
从结构上看，活塞一般分为筒形活塞、盘型
活塞和级差活塞。
对于小型、微型无十字头的压缩机，是通过活塞销与连杆直接连接的，因此本活塞组件选用筒形活塞。
当压缩机工作时，侧向力将活塞压向气缸表面，这样侧向力主要由活塞裙部承受。
为了防止活塞销附近的裙部局部扩张后可能磨坏，在活塞销座上设置加强筋。
活塞环槽是安装活塞环的空间，为减少切口处的泄漏，以提高环的密封性能，采用单槽双环结构，即在活塞环槽上放置两个环，使切口互相错开。
所以活塞环槽的宽度应为相应活塞环轴向高度的2倍，而其径向深度必须略大于活塞环的径向厚度。
为在其上安装导向环，活塞上开有导向环槽，槽的宽度和深度应与对应的导向环的尺寸相
适应。
活塞总高度H按下式确定：
H叟nh+mB（16）
n，m分别为活塞环数和导向环数；
h为活塞环轴向高度，m；
B为导向环的轴向高度，m。
为了避免活塞与气缸碰撞，应使取活塞的外径略小于气缸内径。
活塞顶面到第一道活塞环的距离C为：
C=（1.2～3）h
（17）活塞环之间距离C1取：
C1=（0.8～1.5）h
（18）
活塞销孔的位置一般资料取中心线到顶端的距离L为0.6倍活塞总高度H，致使相应气缸长度过大，机器尺寸加大，不便于活塞和气缸的加
工与装配，压缩机变得笨重而不美观。
本项目取
L≈0.4H，这样在保证压缩机所需的径长比要求
的前提下，可以使设计出的气缸轴向尺寸缩短，不仅便于气缸的加工和活塞组件的装配，降低制
造、加工和装配成本，而且使整机高度降低，结构紧凑、美观。
在选用活塞材料时，常可选用灰铸铁或铸铝。
铸铁造价低而重量大，而铸铝重量轻，而价格高。
一般应根据动平衡的需要而选择。
7结论
经过精确的设计与装配，活塞组件结构设计
合理，密封效果理想，应用于SW-2.5/7型全无油压缩机上，机器的反算输气系数高达0.835以上。
远远好于同类型其他全无油压缩机和半无油压缩机。
达到了有油润滑压缩机的活塞密封效果。
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