活塞式压缩机的主要零部件解析

活塞式压缩机的结构形式虽然繁多，但其主要组成部分基本相同。一台完整的压缩机组包括两大部分，一为主机，一为辅机。主机包括机身、中体、气缸组件、传动部件、活塞组件、气阀和密封组件以及驱动机等；辅机包括润滑油系统、级间冷却系统、辅助管路系统等。下面就压缩机的主要零部件作一个简单的介绍。

（一）气缸

气缸是构成压缩容积实现气体压缩的主要部件。为了能承受气体压力，应有足够的强度；由于活塞在其中运动，内壁承受摩擦，应有良好的内润滑及耐磨性；为了逸散气缸中进行功热转换时所产生的热量，应有良好的冷却措施；为了减少气流阻力，提高效率，吸排气阀要合理布置。总之，气缸结构复杂，材质和加工要求较高。

气缸通常采用水作为冷却介质。它是由环形的缸体、缸盖及缸座组成；吸、排气阀配置在缸盖与缸座上；缸体有三层壁，除了构成工质容积的一层壁外，还有构成水道及气道的两层壁；缸体上设置润滑油接管；气缸轴侧设置防止泄漏的填料函；缸盖上设置调节气量装置。

气缸水隔套的作用是供冷却水带走压缩过程中产生的热量，改善气缸壁的润滑条件和气阀的工作条件，并使气缸壁温度均匀，减少气缸变形。水套的布置除了冷却缸壁、填料函等处外，还要冷却气阀。为了避免在水套内形成死角和气隙，以提高传热效果，冷却水一般是从气缸一端的最下部进入水套，从气缸另一端的最高点引出。另外为了清洗水套内部的泥芯，在缸体上有时还开设了一些手孔。

（二）曲轴-连杆机构

1.曲轴

曲轴结构如图2-3所示，是活塞式压缩机中重要运动部件之一。它在工作中接受驱动机（一般以转矩形式）输入的动力，并把它转变为活塞的往复作用力，压缩气体而做功。它周期性地承受着气体压力和惯性力，因而产生交变的弯曲应力和转矩应力。它不仅应该具有足够的疲劳强度，而且还应该具有足够的刚性和耐磨性。

图2-3 曲轴结构

1—主轴颈（连接油泵 ）2—平衡块 3—曲柄 4—曲柄销 5—油孔 6—轴颈（连接轴封处）

一根曲轴至少具有三个部分，即主轴颈、曲柄和曲柄销。曲柄和曲柄销构成的弯曲部分称为曲拐。根据需要一根曲轴可以由一个或几个曲拐所组成。

曲轴运转中所需的润滑油通常是从轴承处通过主轴颈加入的，并通过曲轴内部加工的孔道引至曲拐销。孔道一般开有斜油孔和直油孔两种。直油孔的优点是在经过圆角过渡部分时，不影响该处的强度，但一般情况下加工比较复杂，清洗油孔也不方便。斜油孔加工清洗方便，但削弱了曲轴强度。

图2-4 连杆结构

1—连杆小端 2—连杆体 3—连杆大端

2.连杆

连杆结构如图2-4所示。连杆是连接曲轴与十字头（活塞）的部件，它将曲轴的旋转运动转换成活塞的往复运动。其一端与曲轴相连，称为连杆大端，作旋转运动；另一端与十字头销（或活塞销）相连，称为连杆小端，作往复运动；中间部分称为连杆体，作摆动。

连杆的形式有开式连杆、闭式连杆、叉形连杆和主副连杆。目前应用较多的是开式连杆。

（1）连杆体 连杆体连接着连杆大端和连杆小端，其截面一般有圆形、扁形及工字形等，通常采用工字形。连杆体的截面尺寸沿其长度直线变化，接近大端处最大，接近小端处最小。

为了能将大端瓦处的润滑油引向小端瓦，连杆体内部钻有油孔，个别设计也有用旁设润滑油管的办法来导油。

由于连杆体在连杆力及横向惯性力的作用下承受着交变的拉、压应力及横向弯曲应力的作用，因此要求其具有足够的强度和稳定性。

（2）连杆大端 连杆大端通过螺栓与曲柄锁连接，传递动力。连杆大端衬耐磨的轴瓦。轴瓦用巴氏合金浇铸而成。过去通常采用巴氏合金厚壁瓦，近年来国内外趋向于采用薄壁瓦。由于薄壁瓦与大端孔内径装配时有一定的过盈量，装入大端孔后，在螺栓的压紧力下使它紧贴于连杆大端上，其贴合度应大于70%，因而它的承受能力比厚壁瓦大。

（3）连杆小端 连杆小端与十字头销相配合。小端孔内衬有耐磨的小端瓦，近年来小端瓦趋向于采用多油槽的整体铜套，材料为铸造锡青铜。连杆大小孔中心线应平行，其平行度误差在100mm长度上不大于0.03mm。

（4）连杆螺栓 连杆螺栓是压缩机中最重要的零件之一。它承受很大的交变载荷和几倍于活塞力的预紧力。它的断裂将造成严重事故。因此连杆螺栓不仅要求有足够的静强度，更重要的是要有较高的耐疲劳断裂能力。连杆螺栓一般为单头螺栓，螺栓头原支承面必须严格垂直于螺栓中心线。为降低刚度，增加螺栓的弹性，减少螺栓体内应力变化的幅度，螺栓体要做得比其螺纹部分细些。

3.十字头

十字头是连接活塞杆与连杆的部件。它在中体导轨里作往复运动，并将连杆的动力传递给活塞部件。对十字头的基本要求是质量轻、耐磨，并具有足够的强度。

（1）十字头与连杆的连接 十字头与连杆的连接方式多采用闭式。在闭式结构中，连杆小端放在十字头内，刚性好，与连杆、活塞杆的连接较为简单。该连接由十字头销完成。十字头销分为浮动销与固定销两种。浮动销为一圆柱体，制造简单，能在销座及连杆小端内缓缓转动，磨损均匀，但浮动销冲击较大；固定销靠锥度压紧在十字头体中，该销的中段为圆柱体，两端具有1/10～1/20的锥度，用螺钉与压板压紧。

十字头销为一重要零件，它传递全部连杆力，要求韧性好、耐磨和耐疲劳。它的材料常用20钢，进行表面渗碳、淬火。

（2）十字头与活塞杆的连接 十字头与活塞杆的连接主要有螺纹连接、连接器连接以及法兰连接等。各种连接方式均应采取防松措施，以保证连接的可靠性。目前大中型压缩机常采用螺纹连接。

（3）十字头滑板 十字头滑板用来承受侧向力。滑板可与十字头体做成一体，称为整体十字头；也可做成分开的，称为分开式十字头。整体十字头制造简单，质量轻，近年来由于加工和材料质量的提高，在中、小型压缩机组中，广泛采用整体十字头。它的缺点是磨损后间隙无法调整，只能更换十字头。大型压缩机的十字头体和滑板一般都分开，以便调整滑板和导轨间的间隙，并在滑板上浇铸巴氏合金。当巴金合金磨损后，可在滑板与十字头体的结合面之间用增加垫片的方法来补偿间隙，待巴氏合金磨损得完全不能使用时，再拆下重新浇铸。

（三）活塞组件

活塞组件包括活塞、活塞杆及活塞环等。它们在气缸中作往复运动，起着压缩气体的作用。

1.活塞

活塞的结构形式很多，常用的有以下几种：筒形活塞、盘形活塞、级差式活塞、组合活塞、柱塞等。

盘形活塞适用于有十字头的双作用气缸，形状如圆盘形，材料为铸铁或铸铝。为了减轻质量，活塞常做成中空结构；为了加强端面的刚性与结构长度，在活塞两端面设置数根加筋板把两个端面连接起来。活塞的圆柱面上开有活塞环槽。卧式压缩机中，直径较大的盘形活塞，在下部90°～120°范围内为承压面。承压面用巴氏合金浇制而成。在承压面的端部开有2°～3°的坡度，其两边也应稍许锉去一些，有利于形成润滑油层。为防止热膨胀时活塞与气缸加剧磨损，活塞的外圆与气缸内圆间应留有1～2mm的间隙（承压面除外）。在无油润滑压缩机中，通常用填充氟塑料等耐磨材料制成各种形式的支承环作为活塞的承压面。

2.活塞杆

活塞杆将活塞与十字头连接起来，传递作用在活塞上的力，带动活塞运动。它与活塞通过螺纹联接、凸肩和卡箍连接或锥面连接。活塞杆、十字头的连接端车有螺纹。由于活塞杆承受交变载荷，应尽可能减少应力集中影响，因此，联接螺栓采用细牙螺纹，且根部圆弧半径要大一些。

图2-5 活塞环

a）气环 b）油环

3.活塞环

活塞与气缸之间存在相对滑动，必须留有一定的间隙，活塞环如图2-5所示，有气环和油环两种。它的主要作用是密封气缸与活塞之间的间隙，防止气体从压缩容积的一侧漏向另一侧，此外还有均布润滑油的作用。活塞环为一开口环，在自由状态下，其外径大于气缸的直径，装入气缸后，环径缩小，仅在切口处留下一个热膨胀间隙。

活塞环依靠节流与阻塞来密封，其密封原理如图2-6所示。

图2-6 活塞环密封原理

图2-6所示，当活塞环随活塞装入气缸后，由于环的弹性作用使环紧贴在气缸壁上，若活塞环前的压力为p₁，环后的压力为p₃，环内缘的压力为p₂，而活塞环外缘虽说紧贴气缸，但两者之间仍有一层气体分子或油分子，它的一端作用有压力p₁，另一端作用有压力p₃，可以认为压力沿环高是成直线分布的，其平均值近为(www.xing528.com)

因此活塞环作用在气缸镜面上的平均压力为p_m

式中 d_i——活塞环内径；

d_a——活塞环外径。

若略去活塞环厚度的影响，并近似地以p₂≈p₁，则式（2-4）便成为

一般p_m要比活塞环本身弹力大得多，它使活塞环紧紧地压向气缸镜面达到密封作用，同时成为活塞环和气缸镜面磨损的主要原因。显然，压力差越大，p_m越大，即在速度相同时造成的磨损越大。所以在压缩机中第一道环最先磨损。同理在轴向的（p₁-p₃）压力差，把环紧压在环槽侧面上起到密封作用。气缸内压力越大，密封压紧力也越大，表明活塞环具有自紧密封的特点。在活塞与气缸相互运动的工作面间，完全地阻止泄漏是不可能的。普通的活塞环都有切口，气体能通过切口泄漏。此外，气缸和活塞环的圆度和圆柱度误差及环槽和环的端面平面度误差也是造成泄漏的因素。所以通常采用多个活塞环，经多次节流阻塞，便可达到密封要求。有研究表明，气体经过第一道活塞环阻流密封作用后，在流经切口间隙之际，由于节流作用，此时压力约降至气缸内气体压力的26%；经第二道环的密封作用后，气体压力约为原压力的10%；到第三道环后约为7.6%。因此活塞环的密封作用主要靠前面三道环所承担。但在实际使用中，尤其是在高压级中，第一道环所承受的压力差的绝对值比低压级时为大，磨损也快。第一道环磨损后使切口增大，泄漏量大大增加，即失去密封作用，这时主要压力差便由第二道环承受。第二道环即起到第一道环作用，其磨损也将加剧，依次类推。因此通常采用较多的活塞环，以延长更换时间。活塞环通常在每个环槽内放置一道，其结构一般制成具有切口的整体式环。活塞环的切口有直切口、搭切口和斜切口三种，如图2-7所示。

图2-7 活塞环的切口形式

a）直切口 b）搭切口 c）斜切口

直切口制造简单，泄漏量与切口的泄漏截面面积成正比。斜切口制造也简单，因泄漏截面应为垂直截面，故在相同切口宽度时它比直切口要小，从而减少了泄漏量。一般斜切倾角为45°～60°。搭切口制造较为复杂，因其切口呈阶梯形，工作时互相搭接，故气体不能直接地通过切口而需经过两次曲折，所以泄漏量能大大减少。

（四）密封组件

为了密封住活塞杆穿出气缸处的间隙，通常用一组密封填料来实现密封。填料是压缩机中易损件之一。对填料的主要要求是：密封性好、耐磨性好、使用寿命长、结构简单、成本低、标准化、通用化程度高。

压缩机中的填料都是借助于密封前后的气体压力差来获得自紧密封。根据密封前后气体的压力差、气体的性质、对密封要求，可选用不同的填料密封结构形式。图2-8为填料函结构。常用的填料形式有适用于中、低压的平面填料和适用于高压的锥形填料两种。

图2-8 填料函结构

a）卧式 b）立式

填料函的每个密封室主要由密封盒、闭锁环、密封圈和镯形弹簧等零件组成。靠气缸侧的环是闭锁环，是三瓣的；另外一侧是密封圈，是六瓣的。三瓣环的作用是轴向地遮住六瓣环的切口并让高压气体通过本身的切口流入小室；起主要作用的是六瓣环，其密封原理和活塞环的密封相似。在安装时，三瓣环靠近气缸处，六瓣环放在三瓣环外边，否则不起密封作用。

（五）气阀组件

气阀的作用是控制气缸中的气体的吸入和排出。压缩机上的气阀都是自动气阀。即气阀的启闭不是用专门的控制机构，而是靠气阀两侧的压力差来自动实现及时启闭。气阀是重要的易损件之一，它直接关系到压缩机运转的可靠性和经济性。

对气阀的主要要求是：

1）开闭及时，关闭时严密不漏气。

2）气流通过气阀时，阻力损失小。

3）使用寿命长。

4）形成的余隙容积小。

5）噪声小。

目前，气阀的结构形式很多，最常使用的为环状阀，一般由四部分组成：

1）阀座。它具有能被阀片覆盖的气体通道，是与阀片一起闭锁进气（或排气）通道，并承受气缸内外压力差的零件。

2）启闭元件。它是交替地开启与关闭阀座通道的零件，通常制成片状者称阀片。

3）弹簧。是关闭时推动阀片落向阀座的元件，并在开启时抑制阀片撞击升程限制器。

4）升程限制器。是限制阀片的升程并往往作为弹簧承座的零件。

阀座与升程限制器上都有环形通道供气体通过。阀片与阀座上的密封口贴合形成密封，并靠阀片的启闭来控制气体的吸入与排出。为保证阀片启闭时不偏斜，在升程限制器上加工成几个同心圈的凸台，对阀片起导向作用。阀片的升起高度（即升程h）由导向凸台的高度来控制。升程限制器上装有弹簧，当阀片处于关闭状态时，把阀片压紧在阀座上；当阀片开启时起缓冲作用。阀座与升程限制器用螺栓拧紧，并需加防松措施。吸排气阀工作时，气阀是在阀片两边的压力差作用下启闭的，完成吸排气过程。如在吸气过程中，当气缸内的压力低于吸入管道中的压力时，当两者所造成的压力差ΔP足以克服弹簧压紧力P_s与阀片及部分弹簧的运动质量惯性力P_m之和时，阀片被顶开，气体开始吸入；随后阀片继续开启并贴到升程限制器上，气体继续进入气缸，直至活塞到达止点附近时，活塞速度急剧下降，气体的速度也随之降低，于是作用在阀片上的气流动压力也变小；当弹簧力大于气体推力及阀片弹簧的惯性力时，弹簧随即把阀片顶回，阀片开始关闭并最终重新落在阀座上，吸气阀阀片关闭而完成吸气过程，排气亦然。

网状阀结构基本上和环状阀相同，但各环阀片以筋条联成一体，略呈网状故称网状阀。这种阀片本身具有弹性，在阀片从中心数起的第二圈上，将径向筋条铣出一个斜切口，同时在很长一段弧内铣薄，使之具有弹性。这样，当阀片中心圈被夹紧，而外缘四圈作为阀片时，不需要导向块便能上下运动。网状阀片各环起落一致，且没有摩擦，对气缸无油润滑压缩机特别适用。有时也采用中心导向的网状阀结构，其阀片没有固定部分和弹性部分。这种网状阀避免了弹性部分易于断裂的可能性，又扩大了通道数目；如果中心导向块采用自润滑材料，同样可以适用于气缸无油润滑压缩机。

网状阀中既可采用圆柱形弹簧，又可用片形弹簧，并采用缓冲片以缓和阀片对升程限制器的冲击。

（六）飞轮及盘车机构

在压缩机的运转过程中，曲轴受驱动力矩和阻力矩的作用。在曲轴旋转一周之中，阻力矩所消耗的功和驱动机所供给的功是相等的。然而，曲轴的阻力矩是一个随曲轴旋转角速度而变化的力矩，驱动力矩则基本上是一个定值，所以这两者在旋转一周之中的瞬间值经常是不平衡的，这就会引起曲轴的加速、减速现象。即：

式中 M_d、M_k——驱动力矩和阻力矩；

J——压缩机组中的全部旋转质量的转动惯量；

ε——压缩机曲轴的瞬时角加速度，加速时为正，减速时为负。

在压缩机运转时，总不希望角速度有很大的波动，因此设计时可以人为地用加飞轮的办法来提高转动惯量J，以降低瞬时角加速度ε。如果人为地增加转动机构的质量，亦即增加其转动惯量J，则在同样的转矩差值下，转轴的角加速度ε就可以减小，这就可以促使压缩机的运转趋向平稳。飞轮是一个具有较大转动惯量的部件。在压缩机转轴上增设飞轮，其目的就在于使压缩机转速均匀化。

在压缩机的运转中飞轮起着转换能量和储、放能量的作用，而其本身并不消耗功。当M_d＞M_k即有盈功存在时，飞轮和转子一起加速运转，盈功转化为飞轮的动能储存在飞轮内，防止转子作更大的加速；当M_d＜M_k时，亏功使飞轮减速，飞轮即释放出动能以弥补驱动功的不足，从而避免转子更大的减速。飞轮就是如此通过储放能量（动能）来调节压缩机在旋转一周中的角速度，使转速均匀化的。

压缩机具有运动部件的盘车机构。在压缩机的安装和检修等情况下必须盘车，以检查装配的正确性或压缩机运动部件在要求位置上定位的正确性。此外，在长期停车后，压缩机开车前必须盘车，使所有需要润滑的表面配油；在吹扫压缩机气道时也要盘车。

盘车机构有手动和电动两种。中小型压缩机可采用手动盘车机构；大型压缩机采用电动盘车机构。电动盘车机构可装在压缩机内，用齿轮或蜗杆运动副使曲轴旋转。盘车电动机驱动蜗杆，并通过它转动蜗轮、圆柱形齿轮副，使套装在曲轴端的齿轮旋转，带动曲轴转动而达到盘车的目的。盘车机构必须设置切换手柄，当需要盘车时，转动手柄，借此拨动与手柄相连的沿双键滑动的齿轮，使其与盘车齿轮相啮合，才可盘车。当压缩机具有敞开的飞轮或带齿冠的专用圆盘时，可采用杠杆式盘车器。盘车机构一般设置在压缩机气缸与电动机中间。在飞轮上加工出齿冠，盘车电动机与一盘车小齿轮相连，当需要盘车时，起动盘车电动机底盘的气垫导轨或扳动盘车杠杆使盘车器齿轮与飞轮齿轮相啮合，即可盘车。

压缩机应在无负荷的情况下盘车，此时盘车机构产生的最大转矩值是按压缩机及电动机的摩擦力来确定的，一般只为有负荷的情况下压缩机平均反力矩的8%～12%。转动后，在摩擦表面磨合过程中，反作用力矩则急剧下降。