DW-107/7-X型活塞压缩机活塞环磨损过快原因分析与处理

DW-107/7-X型活塞压缩机活塞环磨损过快原因分析与处理

夏旭

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南，株洲　412002）

摘要：本文对DW-107/7-X型压缩机在日常运行中出现的活塞环磨损过快问题逐一进行分析，提出相应的处理措施，并对改造前后的设备运行状况进行了对比，经现场试运行，设备使用寿命达到了预期目标，有效减少易损件及人工成本投入。

关键词：DW-107/7-X型压缩机活塞环磨损分析处理

一 引言

我单位某气源站共配置有4台DW-107/7-X型活塞式压缩机组（站内编号：1#～4#），由无锡压缩机股份有限公司生产制造。该型压缩机主要由机身、曲柄连杆机构、活塞、气缸、进、排气缓冲器及冷却器等部件构成。两个气缸分置在机身两侧，中间冷却器置于一、二级气缸上，进、排气缓冲器置于气缸下方。后冷却器布置在储气罐前。活塞通过活塞杆、十字头、连杆与曲轴的曲柄销相连接，电机直接带动曲轴旋转。电机启动后，压缩机通过曲柄连杆机构，将曲轴的旋转运动变为活塞在气缸中的往复直线运动，由气缸、活塞以及气阀所组成的容积的周期性变化，使气体在缸内周而复始地完成膨胀，吸气、压缩和排气四个过程。工作原理见图1。

图1  往复式活塞压缩机工作原理图

二 故障现象

该压缩机活塞的润滑是通过自润滑性能的非金属活塞环（材质：填充式聚四氟乙烯）实现的，故活塞环就成为压缩机中的关键部件之一，也是易损件之一，直接影响压缩机的气量、密封性和可靠性等，4台机组于2002年投入使用，压缩机原维保周期为2000小时，目前，按照设备检修保养规程及以往的保修经验，单台机组累计运行时间约500小时就需更换活塞环，不仅加大了易损件及人工维保的投入，同时也影响单位正常生产，每年用于备品备件的采购费接近30W。

三 原因分析

1. 活塞环的密封原理

活塞环为一开口的圆环，在自由状态下，其外径大于气缸内径，活塞环装入气缸后，由于活塞环的弹性作用，活塞环将缩小，仅在切口处留下一个热膨胀的间隙，并对气缸壁产生预紧压力。密封原理见图2。

图2  活塞环密封原理图

设活塞作压缩行程，气缸工作容积缩小，气体压力上升，活塞两侧压力存在差异。高压气体通过气环工作间隙产生节流，压力由P1降至P2，由于压力差作用，活塞环被推向了低压P2方，阻止气体由环槽端面间隙泄漏。此时，环内表面上作用的气体压力可近似等于P1，外环表面压力近似等于1/2（P1+P2），若近似认为内、外环表面积相同，均为A，于是在内、外环表面形成的压差作用力为：

       （1）

在此压差作用下，使环压向气缸工作表面，阻止气体沿气缸壁泄漏。

2. 活塞环过度磨损原因分析

根据上述原理可知，机组在正常运行过程中，将不可避免地出现活塞环磨损现象，特别是第一道环因其压差大，磨损也大，以下因素有可能导致活塞环使用寿命降低：

2.1 气缸内壁磨损严重

由于我单位科研试验用气为间断性用气，每次供气需重新启动压缩机组，而机组在启动过程中容易对气缸等部件造成轻微的磨损，致使气缸内部粗糙，甚至磨出台阶。经对1#活塞式压缩机组进行检查，检验结果见表1.

表1  检验结果

在对1#活塞式压缩机组进行检查时，气缸底部存在明显拉痕。从表1检查数据可知：1#活塞式压缩机组一级气缸及二级气缸磨损严重，气缸圆度误差已超出正常范围。

2.2 活塞环设计不合理

活塞环宽度校核

较大宽度的活塞环有利于增加环的强度，可有效防止断环。但也不宜过大，否则会导致背压下降，密封不严的后果，还将加大与气缸工作面的接触面积，从而增加压缩机功耗，导致摩擦热增多，排气温度上升。较小宽度的活塞环将导致所受的负荷超过规定值，同时，间隙过大，活塞环将在槽中旋转，加快磨损。

根据API618-2007《石油化工和工业用往复式压缩机》中的相关要求，对于无油润滑卧式气缸、非金属支撑环所受的负荷应不超过0.035N/mm2。计算公式如下：

        （2）

其中：——活塞组件的重量（N）；

MR——活塞杆的重量（N）；

D——气缸内径（mm）；

W——支撑环总宽度（mm）。

经查阅DW-107/7-X型空压机使用说明书及图纸，各零部件相关信息统计见表2。

表2  各零部件相关信息统计

由此计算可得，一级、二级活塞环所承受的负荷分别为：0.095 N/mm2、0.15 N/mm2，均大于0.035N/mm2。

活塞环厚度校核

活塞环的径向厚度取决于允许的径向磨损量，根据经验公式，活塞环径向厚度t=

，而允许的径向磨损量一般为原始径向厚度的1/3～1/2,由表2可知，活塞环径向厚度满足要求。

活塞环材质选用不当

无油润滑活塞机上的活塞环材质一般为CRPTFE，具有优异的物理、耐磨及自润滑性能。该材质是由聚四氟乙烯为基体材料并添加碳纤维、玻璃纤维、石墨、三氧化二铝、青铜、二硫化钼等组成的混合物，材质组成及配比选择是影响活塞环使用寿命及使用性能的关键因素之一。但在高温环境中，PTFE材质将变软，当温度达到150℃时，PTFE材质活塞环的磨损系数将显著增加，当温度达到180℃时，磨损系数将急剧上升，因此，降低活塞环的工作温度能有效提高非金属活塞环使用寿命。由于夏季进气温度升高，目前，部分活塞式压缩机组二级排气温度已经超过150℃。

2.3 活塞环工作过高

气缸温度过高

无油润滑活塞机的活塞环与气缸壁间属于干摩擦，无法像有油机那样通过润滑油带走部分摩擦热，且非金属活塞环导热性能远低于金属环，致使气缸内工作温度较高。

冷却不充分

主要包括：冷却水压力低、流量供应不足，或冷却水管路堵塞泄漏，或断水；换热表面（或气缸水套表面）积垢，影响换热效率。

四处理措施

1 气缸返厂维修

对气缸内壁进行珩磨，使气缸内壁表面粗糙度达到Ra0.8，圆度误差在表1要求范围内，维修后尺寸见表3。

表3维修后尺寸

2 重新定制活塞环及活塞

委托设备制造厂家根据修复后的气缸及活塞的尺寸，重新设计制作活塞环，并重新校核相关结构尺寸，在确保各尺寸满足结构、强度及可靠性要求同时，将活塞材质改为Zl104，，根据计算公式（2），分别将一级、二级活塞组件的重量减少至357Kg、352.5Kg，从而有效减少支撑环所受的负荷。

3 更换活塞环材质

委托设备制造厂家将活塞环制作材料由PTFE更换为PTWFE，并对成分配比进行优化，提高使用寿命及使用性能，使其正常使用时长增加至1000小时以上。

4 检查及清洗

检查各循环水进回水管路是否通畅，并查看冷却水进水压力大于0.15MPa，水温小于32℃，检查注油器至气缸供油管路是否通畅。

清洗气体冷却器及气缸水套，用高压水枪对冷却器及气缸水套进行冲洗，再利用专用管刷对管束内壁进行清洗。

五总结

经现场实测，改造后的活塞环使用寿命由最初的不足500小时提升至1500以上，有效降低了易损件及人工成本的投入。活塞环作为实现活塞与气缸间无油润滑的关键部件、易损件，通过选用更优异的自润滑材质、优化结构尺寸、降低活塞环工作温度等措施，减少活塞环的磨损，提高其使用寿命，从而提高整机运行的经济性和可靠性。

参考文献：

[1]API618-2007，石油化工和工业用往复式压缩机[S].

[2]DW-107/7-X型压缩机使用维护说明书［M］．无锡压缩机股份有限公司.2002．

[3]程艳霞，铁占续，等.往复式压缩机故障诊断方法研究综述[J].仪器仪表用户，2006，（05）.