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第二节活塞式压缩机

1分类

1.1按排气压力分类

1.1.1低压压缩机0.2＜P＜0.98Mpa

1.1.2中压压缩机0.98～9.8Mpa

1.1.3高压压缩机9.8～98.0Mpa

1.1.4超高压压缩机＞98.0Mpa

1.2按消耗功率分类

1.2.1微型压缩机＜10KW

1.2.2小型压缩机10～100KW

1.2.3中型压缩机100～500KW

1.2.4大型压缩机＞500KW

1.3按排气量分类

1.3.1微型压缩机＜1m3/min

1.3.2小型压缩机1～10m3/min

1.3.3中型压缩机10～60m3/min

1.3.4大型压缩机＞60m3/min

1.4按气缸中心线的相对位置分类

1.4.1立式：

气缸中心线与地面垂直

1.4.2卧式：

气缸中心线与地面平行，其中一般包括卧式、对置式和对动式。

1.4.3角度式：

气缸中心线彼此成一定角度，其中包括L型、V型、W型、扇型和星型。

1.5按曲线连杆机构分类：

分为十字头压缩机和无十字头压缩机。

1.6按活塞在气缸内作用情况分类

1.6.1单作用式：

气缸内仅一端进行压缩循环。

1.6.2双作用式：

气缸内两端都进行同一级的压缩循环。

1.6.3级差式：

气缸内一端或二端进行二个或二个以上不同级次的压缩循环。

1.7按压缩机级数分类

1.7.1单级压缩机：

气体经一级压缩达到终压。

1.7.2两级压缩机：

气体经二级压缩达到终压。

1.7.3多级压缩机：

气体经三级以上压缩达到终压。

1.8按压缩机列数分类

1.8.1单列压缩机：

气缸配置在机身一侧的一条中心线上。

1.8.2双列压缩机：

气缸配置在机身一侧或二侧的两条中心线上。

1.8.3多列压缩机：

气缸配置在机身一侧或二侧的两条以上中心线上。

1.9按冷却方式分类：

可分为：

气（风）冷式压缩机和水冷式压缩机。

1.10按工作地点分类：

可分为固定式压缩机和移动式压缩机。

2活塞式压缩机的特点

2.1优点：

2.1.1工作压力的范围最广，从低压到高压都适用。

2.1.2热效率最高。

2.1.3适应性强，排气量可在较广泛的范围内变化。

2.1.4对制造压缩机的金属材料要求苛刻。

2.2缺点：

外形尺寸及重量大，结构复杂，易损件多，安装及基础工作量大，气流有脉动，运转中有振动等，一般适用于中、小流量及压力较高的情况。

3活塞式压缩机的主要参数

3.1排气量

3.1.1活塞式压缩机的排气量，通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值，常用的单位是m3/min或m3/h.

3.1.2压缩机的额定排气量（指压缩机铭牌上标注的排气量）是指特定的进口状态时的排气量。

3.2排气压力

活塞式压缩机的排气压力通常是指最终排出压缩机的气体压力。

3.3转速

指活塞式压缩机曲轴的转速，常用r/min的表示，它是表征活塞式压缩机的主要结构参数。

3.4活塞力

活塞力为曲轴处于任意的转角时，气体力和往复惯性力的合力，它作用于活塞杆或活塞销上。

3.5活塞行程

活塞行程指活塞式压缩机在运转中，活塞从一端止点到另一端止点所走的距离。

当活塞距离曲轴中心最远的位置时称为外止点；

当活塞距离曲轴中心最近的位置时称为内止点；

3.6功率

活塞式压缩机消耗的功，一部分直接用于压缩气体，称为指示功，另一部分用于克服机械摩擦，称为摩擦功，主轴需要的总功为二者之和，称为轴功。

单位时间消耗的功称为功率，单位为W或KW。

压缩机的轴功率为指示功率和摩擦功率之和。

3.7压缩比

活塞式压缩机的压缩比ε指压缩机排气终了时的终压力P2（绝压）与吸气终了时的初压力P1（绝压）之比，即ε=P2/P1

4基本构成

由三大部分组成：

运动机构（曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器）、工作机构（气缸、活塞、气阀）与机身。

此外还有辅助系统，即润滑系统、冷却系统、调节系统和保安系统等。

4.1运动机构：

是一种曲柄连杆机构，把曲轴的旋转运动变动十字头的往复运动。

4.1.1曲轴：

是往复活塞式压缩机的重要运动部件，外界输入的转矩要通过曲轴传给连杆、十字头，从而推动活塞作往复运动。

4.1.1.1曲轴的基本结构:

每个曲轴由主轴颈（安装主轴承部位）、曲轴销（与连杆大头相连的部位）、曲柄及平衡铁所组成。

平衡铁

主轴颈

曲柄曲柄销

图1.曲拐轴示意图

主轴颈是曲轴的旋转中心部分，它支承在机座的轴瓦上。

曲轴销是带动连杆大头作旋转运动的曲拐部分。

曲柄是主轴颈与曲轴销的连接部分。

曲柄半径：

曲轴的主轴颈的中心线与曲柄的中心线距离。

它是活塞行程的一半。

平衡铁：

由于曲轴的曲柄、曲轴销以及连杆的部分，都是以一定的半径围绕主轴颈的中心线作高速旋转，这些旋转部分就会对轴瓦产生很大的离心力，使得压缩机产生振动。

为了消除此离心力，在曲轴的曲柄销反方向上用螺栓连接一适当质量的平衡铁。

4.1.1.2曲轴的型式:

有两种即曲拐轴和曲柄轴。

①曲拐轴：

它的每一个拐由二个曲柄夹一个曲轴销而成，它的材料受力情况比较好，目前大多为这种型式。

②曲柄轴：

它的每一个拐由一个曲柄连接一个悬臂式曲柄俏而成。

曲柄轴只适用于安装大头是整体的连杆，但比较少用。

③曲轴的润滑：

曲轴运转中，主轴颈与轴瓦、曲轴销与连杆大头间由于相对运动而产生磨损，应有良好的润滑。

所需的润滑油油道，多在曲轴内钻成。

由油泵将压力润滑油分别送至主轴瓦和曲柄销处。

4.1.2连杆：

是将曲轴的旋转运动转换为十字头或活塞的往复运动，并将曲轴传来的切向力转换为活塞对气体的轴向压缩力。

4.1.2.1结构：

包括大头、小头、杆体三部分。

①大头：

有大头瓦与曲轴销连接。

大头常用剖分结构，装配时用连杆螺栓固紧。

②小头：

有小头瓦与十字头销（或活塞销）相连。

③杆体：

是连接大头与小头的直杆部分，杆体截面形状有圆体、矩形和工字型几种。

4.1.2.2润滑：

小头所需的润滑油大多来自于连杆大头瓦处，故杆身中钻有油孔。

4.1.3十字头：

是连接活塞杆与连杆的部件，它的作用是对活塞杆的轴向往复运动起导向作用。

4.1.3.1型式：

①闭式十字头：

连杆小头放在十字头内，大量采用。

②开式十字头：

少量采用的与叉形连杆相配的开式十字头。

4.1.3.2构造：

由十字头体和设置在十字头上、下面滑履二大部分组成。

在十字头体的靠气缸的一端，有用来安装活塞杆的孔，通常这一部分是突出在十字头体的一端，故也称之为“十字头颈”。

①十字头与活塞杆的连接型式分为螺纹连接、联接器连接、法兰连接、销连接。

②十字头与连杆的连接由十字头销来完成。

4.2工作机构：

是实现压缩机工作原理的主要部件。

气缸是圆筒形，两端均装有若干吸气阀与排气阀，活塞在气缸中间作往复运动。

4.2.1气缸

4.2.1.1基本要求

①应具有足够的强度与钢度。

②应具有良好的冷却、润滑及耐磨性。

③应尽可能地减少余隙容积和气体阻力。

④应有利于制造和便于检修。

⑤应符合系列化、通用化、标准化的“三化”要求，便于互换。

4.2.1.2镜面：

与活塞外圆相配合的气缸（或缸套）的内壁表面称为工作表面（镜面）。

为增加气缸的耐磨性和密封性，工作表面的加工要求较高，一般表面粗糙度Ra≯0.4um；

中等直径（D≤600mm）Ra=0.4～0.8um；

大直径（D＞600mm）Ra≯1.6um。

4.2.1.3气缸冷却方式

①风冷：

靠气缸外所铸环向或纵向散热片强化散热，一般用于小型移动式压缩机，结构简单、重量轻。

②水冷：

铸铁气缸可铸成有冷却水道的双层壁式或三层壁结构。

4.2.1.4气阀在气缸上的布置方式对气缸结构有很大的影响。

①布置气阀的主要要求是：

通道截面大；

余隙容积小；

安装和修理方便。

②布置方式：

共三种。

轴向或斜向位置：

气阀在气缸盖上，其轴线与气缸轴线平行或成角度。

径向布置：

气阀配置在气缸体上，气阀轴线与气缸轴线相垂直。

混合布置：

常用于双作用气缸，盖侧气缸采用轴向布置，轴侧气阀采用径向或斜向布置，以减少余隙容积和气缸长度。

4.2.2气阀：

是往复活塞式压缩机的重要部件，也是易损件之一，它的好坏直接影响压缩机的排气量、功率消耗及运转的可靠性。

一般都采用自动阀，就是气阀的开启与关阀是依靠阀片两边的压力差实现的，没有其它的驱动机构。

4.2.2.1气阀结构：

阀座、阀片、弹簧及升程限制器等零件组成。

①阀座是气阀的静止密封元件，气体通道二侧有很窄的密封突台，此突台与起落元件阀件形成密封面。

②阀片是气阀的起落密封元件。

③升程限制器作用有三：

限制开启时最大升程；

对阀片的起落起导向作用，限制阀片，只允许其垂直于阀片的起落运动；

作为安置弹簧的底座。

④弹簧的作用：

吸气（排气）结束后，阀片回落到阀座上形成密封，防止气体倒流；

产生预紧力，形成背压差；

减轻阀片开启时对升程限制器的冲击力。

4.2.2.2气阀工作原理：

①以进气阀为例，进气过程中，活塞向内止点运动，使气缸中气体膨胀，压力不断降低，当缸内压力低于进气管内压力，阀片上的压差足以克服弹簧力及阀片的惯性力，阀片便离开阀座开启，气体进入气缸。

当活塞快接近内止点时活塞速度和气流急剧变小，阀片上的压差也减小，直到压差不足以克服弹簧力，阀片就离开升程限制器回到阀座上，气阀关闭，完成一次吸气过程。

②以排气阀为例，排气过程中，活塞向外止点运动，使气缸中气体压缩，压力不断升高，当缸内压力高于排气管内压力，阀片上的压差足以克服弹簧力及阀片的惯性力，阀片便离开阀座开启，气体排出气缸。

当活塞快接近外止点时活塞速度和气流急剧变小，阀片上的压差也减小，直到压差不足以克服弹簧力，阀片就离开升程限制器回到阀座上，气阀关闭，完成一次排气过程。

4.2.2.3从气阀的工作原理来看，气阀工作性能将直接影响压缩机气缸的工作，因此对气阀有如下要求：

①阻力损失小。

气阀阻力损失大小与气流的阀隙速度及弹簧力大小有关，气速越高，能量损失越大，弹簧力过大，阻力损失也大。

②气阀关闭及时、迅速，关闭时不漏气，以提高机器的效率，延长使用期。

③寿命长，工作可靠。

限制气阀寿命的主要因素是阀片及弹簧质量，一般对长期连续运转的压缩机，希望寿命达8000h以上。

④形成的余隙容积要小。

⑤噪声小。

此外还要求气阀装配、安装、维修方便，加工容易等。

4.2.2.4气阀类型

①环状阀：

采用环形阀片作为起落密封元件的自动式气阀。

②网状阀：

将环状阀的各环状阀片连在一起成为一整块的蜘蛛网状的阀片，具有这种网状阀片的气阀称之为网状阀。

③条状阀

④蝶状阀

⑤组合阀：

吸气阀与排气阀组装成为一个整体。

4.2.3活塞

4.2.3.1作用：

活塞是在气缸中作往复运动，与气缸及缸盖之间形成可变的供吸气压缩和排气的工作容积。

4.2.3.2类型

①筒形活塞：

常为单作用活塞，用于小型无十字头的压缩机，通过活塞销与连杆相连。

　　　　　活塞顶部-----承受缸内压力。

　　　　　活塞环部上方----活塞环，保证密封。

　　　　　裙部下方装一至二道利油环，承受侧向力。

　　　②盘形活塞：

用于中低压双作用气缸，盘形活塞通过活塞杆与十字头相连，不承受侧向力。

4.2.4活塞环：

包括密封环和刮油环。

　　双作用---只装有密封环。

　　单作用---密封环、刮油环均装有。

　⑴.密封环：

对气缸起密封作用，将气缸壁上注入的润滑油均匀涂布于缸壁。

　　①作用：

表面上，高温的活塞通过活塞环向缸壁四周的冷却水散热降热。

　　②切口形式：

直切口、搭接切口和斜切口三种。

　⑵.刮油环：

将悬挂在缸壁上的多余的润滑油刮掉，让它流回曲轴箱。

　⑶.无油润滑

　　①气缸无油润滑压缩机：

对于有十字头的双作用压缩机取消其注入气缸内的润滑油，使活塞及活塞环在气缸壁上作无润滑油的干摩擦状态下滑行。

　　②取消注入气缸内滑油的原因：

　　制冷机：

注入油、降低换热效果

　　工艺上的特殊要求重整装置

　O2

　　省油

维护和检修的角度

去掉了注油器，减轻了检修工作量

③无油润滑活塞环的材料---自润滑材料

聚四氟乙烯、石墨、尼龙等

4.2.5填料

⑴.作用：

防止气体泄漏。

　⑵.原理：

靠气体压力使填料紧抱活塞杆，阻止气体泄漏。

　⑶.密封元件：

　　①平面填料。

②锥面填料。

4.3机身

机身供放置曲轴、连杆、十字头等零件以及其它辅助设备，它一端连接气缸，另一端固结于基础或底座上。

机身一般由中体和曲轴箱二部分组成。

4.4辅助系统

4.4.1润滑系统：

此系统分为气缸润滑系统和运动机构润滑系统。

4.4.1.1气缸润滑系统

　　①.气缸润滑油的选择要考虑被压缩介质、压力和温度。

对于化学性能不太活泼的气体，如氮、氢、CO2等都可以使用各种牌号的润滑油，而对一些氧化能力等化学性能极活泼的气体，如O2、H2S、Cl2等以及不允许有污染的气体如乙烯等，现在趋向于使用气缸无润滑油压缩机。

如制氢循环机机-401/1.2。

②.按照润滑油达及气缸镜面的方式，气缸润滑可分为飞溅式润滑、喷雾式润滑和压力润滑三种。

飞溅润滑一般用于单作用式压缩机，当活塞接近上止点时，曲轴箱中飞溅的油雾及油滴落于气缸未被遮盖的镜面，并在活塞下一循环中进入活塞环槽中，再由活塞环布至需要润滑的表面。

它的优点是简单，缺点是耗油量难以控制。

喷雾润滑是在气缸进气接管处喷入一定量的润滑油，油和气体混合一起进入气缸，然后一部分粘附在气缸镜面上供气缸润滑。

压力润滑的供油注油器常由一些独立的柱塞油泵组成，每一油泵供给一个注油点。

气缸注油器可以由压缩机曲轴通过棘轮机构或蜗轮杆减速机构驱动，也可由电动机通过减速器驱动。

4.4.1.2运动机构润滑系统：

是指主轴承、曲轴销、十字头销和十字头滑道等摩擦表面处的润滑。

润滑的目的除了减少摩擦功降低磨损外，还有冷却摩擦表面以及带走摩擦下来的金属小颗粒等作用。

运动机构润滑方式有飞溅润滑和压力润滑两种。

①飞溅润滑：

用于无十字头的小型压缩机。

润滑油是依靠连杆大头上装设的油勺或棒，在曲轴旋转时打击曲轴箱中的润滑油，使飞溅起并飞至那些需要润滑之处。

②压力润滑：

广泛用于中、大型压缩机。

将润滑油以一定的压力输送到运动机构的各润滑表面，而且可以进行专门的过滤和冷却等处理。

润滑系统一般由集油箱、油泵、过滤器、冷却器等组成。

压力表在细滤器前后各装一个，以便及时反映过滤器工作情况好坏。

4.4.2冷却系统：

冷却水用于冷却气缸、缸盖、填料及润滑油，另多级压缩机还要进行级间冷却。

4.4.3正压通风：

目的是：

①吹扫电机刷部位摩擦而产生的杂质。

②保持电机能产生火花的部位有正压而不致与可燃性气体直接接触。

③带走电机运转时所产生的热量。

4.4.4安全保护系统。

①安全阀

②仪表报警、联锁。

5压缩机的调节

5.1转速调节

5.2管路调节

5.2.1节流进气调节

在压缩机进气管路上装有节流阀，经济性差。

5.2.2停止进气调节

5.2.3进气管连通。

5.3气阀调节

5.3.1全行程压开进气阀。

5.3.2部分行程压开进气阀。

6操作与维护

6.1操作

6.1.1启动程序

6.1.1.1辅助系统投入运行。

6.1.1.2盘车。

6.1.1.3启动。

6.1.1.4带负荷运行。

6.1.2停车程序

6.1.2.1关出口阀，开旁路。

6.1.2.2停主机。

6.1.2.3关入口阀。

6.2维护

6.2.1润滑油系统。

6.2.2安全设施。

7故障判断与处理

一般机组的故障大都从三个方面加以判断：

温度、压力、声音。

7.1吸入压力降低

原因：

①入口过滤器堵塞；

②吸气阀被异物堵塞或卡住；

③气源系统压力低。

处理：

①检查清理；

②检查更换；

③消除降低原因。

7.2吸气温度升高

①气源温度升高；

②前一段冷却器冷却效果不良。

处理：

①降低气源温度；

②修理冷却器。

7.3中间排气压力升高

①后一级气阀损坏；

②本级排气阀至后一级进气阀之间系统阻力增加；

③后一级排气阀损坏；

④第一级吸入压力太高。

①修理后一级进气阀；

②清除阻力；

③修理后一级排气阀；

④降低第一级吸入压力。

7.4最终排气压力升高

①排气阀被子异物卡住；

②吸入温度过高；

③出口逆止阀损坏或局部污物堵塞；

④出口截止阀损坏或局部污物堵塞；

⑤背压系统升高。

①检查气阀；

②检查段间冷却器；

③修理或清洗逆止阀；

④修理或清洗截止阀；

⑤降低背压。

7.5排出压力降低

①活塞环大量泄漏；

②气阀内漏；

①检查更换活塞环；

②检查修理阀门；

7.6级间压力降低

①第一级吸排气阀不良，活塞环漏气；

②前一级排出后或后一级吸入前有外漏。

③冷却器冷却效果不良。

①检查气阀，更换零件；

②检查泄漏；

③提高冷却水量，使管道畅通。

7.7排气温度升高

①吸入温度高；

②吸气阀损坏；

③排气阀损坏。

④循环阀、安全阀漏气；

⑤压缩比增高；

⑥冷却水量不足；

⑦冷却系统不良。

①检查冷却器冷却水管是否畅通，降低吸气温度；

②修理吸气阀；

③修理排气阀；

④修理循环阀、安全阀；

⑤消除压缩比增高原因；

⑥增加水量；

⑦排除冷却水系统。

7.8气量不足

①气阀泄漏，特别是低压气阀；

②填料泄漏；

③第一级余隙小。

①检查低压阀.

②检查填料，必要时更换零件；

③调整余隙。

7.9功率消耗增大

①气阀阻力太大；

②吸气压力过低；

③级间内漏。

①检查气阀弹簧和通道面积；

②检查冷却器和管道阻力；

③检查进.出口压力和温。

.

7.10油压力降低

原因：

①油泵损坏，漏油；

②吸油泵不严密，管内有空气；

③油管接头松开或油管破裂；

④油箱内油少；

⑤油过滤器阻塞；

⑥油冷却器阻塞；

⑦润滑油粘度降低；

⑧油安全阀泄放压力降低。

①修理或更换油泵；

②排出空气；

③紧固接头或更换油管；

④加油；

⑤清洗过滤器械；

⑥清洗油冷却器；

⑦更换润滑油；

⑧修理或更换安全阀。

7.11油耗过大

①刮油器损坏；

②无十字头压缩机中刮油器环，活塞环损坏；

③无十字头压缩机气缸拉毛或不圆；

①修理刮油器；

②修理或更换零件；

③修理气缸。

7.12连杆螺栓拉断

①预紧力过大；

②紧固时产生偏斜或螺栓松动，承受过大冲击和不均匀负荷；

③轴承发热，活塞咬死，超负荷运行连杆承受过大应力。

①调整预紧力；

②螺母端面与连杆合面应紧紧贴切合，定期检查锁紧螺母和开口销；

③做相应的检查，不得超负荷运行。

7.13活塞卡住或咬死

①气缸与曲柄连杆同轴度偏差太大；

②气缸与活塞间隙过小或落入金属碎块等异物。

①调整同轴度.；

②清除异物，调整间隙。

7.14轴承发热

①轴瓦与轴颈贴合不均匀或间隙过小；

②轴承偏斜或轴弯曲；

③润滑油不足或油品变质，油压低；

④十字头瓦过热。

①刮瓦或调整间隙；

②适当调整配合间隙；

③检查油路、油质、补充或更换油质；

④检查十字头。

7.15活塞杆、填料过热

①活塞杆与填料间隙不合适；

②润滑冷却油供应不足或污垢；

③组装填料时进入灰尘。

①检查调整间隙；

②更换润滑油；

③重新清洗填料。

7.16齿轮油泵不上压

①过滤网堵塞；

②油箱内液面过；

③管道破裂，接头漏油，气体吸入；

④油压调节阀调节不良。

①清洗；

②补充新油；

③消除漏气点；

④重新调节油压调节阀。

7.17气缸发热

①冷却水供应不足或中断；

②气缸与滑道同轴度偏差太大；

③活塞环装配不当或断裂；

④注油量减少或中断；

⑤气体脏或气缸进入异物；

⑥气缸拉毛。

①调整水量，检查水系统；

②调整同轴度；

③修理或更换活塞环；

④修理注油系统.

⑤清洁气体，排除异物；

⑥修理气缸。

7.18阀片发热

①弹簧太软，阀片损坏；

②阀上受的负荷太大或不均匀。

①更换弹簧阀片；

②减小负荷或使阀负荷趋向均匀。

7.19填料漏气

①油、气太脏；

②因断油活塞杆拉毛；

③回气管不通；

④填料装配不良。

①换油，除脏；

②修活塞杆或更换；

③疏通回气管；

④重装。

7.20传动机构有撞击声

①连杆大头松动；