【壓縮機(jī)網(wǎng)】本文對(duì)全無(wú)油往復(fù)活塞壓縮機(jī)進(jìn)行介紹，并對(duì)全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、船用壓縮機(jī)的特殊要求、全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)在船上的適應(yīng)性進(jìn)行論述。

　　文/蔡偉生

　　引言

　　隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，全無(wú)油潤(rùn)滑高壓氧氣壓縮機(jī)技術(shù)進(jìn)步，船上制供氧使用全無(wú)油潤(rùn)滑高壓壓縮機(jī)成為可選項(xiàng)。本文從安全性及可靠性出發(fā)，對(duì)全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)進(jìn)行分析，闡述了全無(wú)油潤(rùn)滑高壓氧氣壓縮機(jī)上船的可行性。

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)介紹

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些工業(yè)工藝流程對(duì)介質(zhì)壓縮的潔凈度要求越來(lái)越高，全無(wú)油壓縮機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

　　上世紀(jì)中期，新材料——自潤(rùn)滑材料的出現(xiàn)，讓壓縮機(jī)的潤(rùn)滑出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，即采用填充聚四氟乙烯——一種自潤(rùn)滑材料，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行改造，使之對(duì)被壓縮介質(zhì)的含油純度影響降為零，從而擴(kuò)展了傳統(tǒng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)在當(dāng)今工業(yè)工藝領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　傳統(tǒng)的稀油潤(rùn)滑往復(fù)壓活塞縮機(jī)，機(jī)體內(nèi)盛有稀油，依靠油泵或動(dòng)力飛濺將稀油運(yùn)送至各潤(rùn)滑點(diǎn)，對(duì)壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的對(duì)磨面進(jìn)行潤(rùn)滑。這種壓縮機(jī)的活塞環(huán)及填料密封環(huán)采用金屬材質(zhì)，在油膜的減磨作用下進(jìn)行壓縮工作，油氣分子不可避免地混入被壓縮介質(zhì)，改變了被壓縮介質(zhì)的純度。這在一些高要求的工藝過(guò)程中是不允許的，迫使壓縮機(jī)改變潤(rùn)滑方式以適應(yīng)要求。

　　例如，氦氣很貴，大多產(chǎn)于美國(guó)，資源稀少加之政治因素提價(jià)限售。為了提高氦氣利用率，國(guó)內(nèi)氦氣回收行業(yè)興起，即利用壓縮機(jī)將使用過(guò)的氦氣升壓，經(jīng)過(guò)分子篩進(jìn)行純化處理，從而獲得高純氦氣。如果在回收壓縮過(guò)程中混入壓縮機(jī)油不經(jīng)處理直接進(jìn)入分子篩，會(huì)導(dǎo)致分子篩發(fā)生油醉，喪失提純功能。

　　相似的，電力行業(yè)的保護(hù)氣六氟化硫，也因價(jià)格昂貴且對(duì)大氣層有破壞作用，從而被要求回收再利用。在回收的過(guò)程中六氟化硫氣若混入壓縮機(jī)油，也會(huì)給后續(xù)提純帶來(lái)較為嚴(yán)重的影響。混入油分子的六氟化硫混合氣若直接注入高壓電柜內(nèi)，滅不了電弧，會(huì)燒毀高壓電器，造成事故。

　　在化工行業(yè)中，若參與反應(yīng)的氣體含油可能會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒失效而使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中斷。所以，在工藝流程中的氣體壓縮升壓過(guò)程，要嚴(yán)格控制壓縮機(jī)油。

　　為了實(shí)現(xiàn)氣體無(wú)油壓縮，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)者想出了諸多辦法，例如:

　　1. 水循環(huán)壓縮機(jī)。改油潤(rùn)滑為水潤(rùn)滑，水比油好去除。典型的壓縮機(jī)有水潤(rùn)滑螺桿壓縮機(jī)、液環(huán)壓縮機(jī)等。

　　1969年，法國(guó)發(fā)明第一臺(tái)高密封高效率的水潤(rùn)滑螺桿壓縮機(jī)，這種技術(shù)制造出的壓縮機(jī)被用于軍工技術(shù)在軍艦上使用，長(zhǎng)期對(duì)發(fā)展中國(guó)家進(jìn)行封鎖。

　　今天的壓縮機(jī)技術(shù)，完全干摩擦的、完全無(wú)油的螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出來(lái)，無(wú)油、無(wú)水壓縮，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了氣體的潔凈壓縮，只不過(guò)價(jià)格稍貴。

　　2. 隔膜壓縮機(jī)。采用特殊設(shè)計(jì)的膜片將被壓縮介質(zhì)與外界分隔，在小流量高壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)潔凈壓縮。

　　上述兩類全無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)中，水潤(rùn)滑及螺桿壓縮機(jī)壓力范圍是低壓段，至多做到中壓，做不到高壓力；隔膜能做高壓力，但須先升高油壓力再驅(qū)動(dòng)膜片壓縮氣體介質(zhì)，機(jī)器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高。

　　3. 無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)。由于新材料——聚四氟乙烯的出現(xiàn)，往復(fù)活塞壓縮機(jī)由原來(lái)的金屬密封環(huán)改為非金屬環(huán)，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑方式的質(zhì)變，即氣缸及填料的潤(rùn)滑不再需要潤(rùn)滑油，產(chǎn)生了一種新的全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氣體介質(zhì)的完全無(wú)油壓縮。

　　上世紀(jì)中期，設(shè)計(jì)制造出了全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)，該機(jī)器曲軸箱為干式結(jié)構(gòu)，其連桿大、小孔、曲軸前后主軸承均采用雙端口密封的含脂球軸承。由于在運(yùn)行中，無(wú)潤(rùn)滑油與被壓縮介質(zhì)接觸，因此排出的被壓縮介質(zhì)氣體不含油氣，是對(duì)往復(fù)活塞壓縮機(jī)技術(shù)的全新發(fā)掘，面世后受到用戶歡迎。

　　圖1是一種全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)曲軸箱組件圖，圖中曲軸箱為開放型，箱內(nèi)無(wú)潤(rùn)滑用稀油。曲軸組件的曲軸兩端及連桿大頭軸承都采用密封的深溝球軸承。曲軸兩端的主軸承分別由軸承座及端蓋固定在曲軸箱內(nèi)，曲軸完全固定在曲軸箱內(nèi)無(wú)竄動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷采用緊配合且有隔圈及擋圈固定，連桿大頭與大頭軸承間采用過(guò)盈配合且加以鉚固，控制了連桿的自由度。連桿小頭軸承采用滾針軸承，兩端對(duì)外安裝密封圈，防止?jié)櫥囊绯觥?/p>

　　活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞與氣缸間通過(guò)密封件與支承件之間進(jìn)行接觸摩擦，這個(gè)摩擦的減磨措施是采用自潤(rùn)滑材料，即采用填充聚四氟乙烯材料制造密封環(huán)及支承環(huán)，實(shí)踐證明，這種方法行之有效。

　　在氟塑料中，聚四氟乙烯消耗量最大，用途最廣，它是氟塑料中的一個(gè)重要品種。聚四氟乙烯別名鐵氟龍、F4、特氟龍等，英文縮寫PTFE。制造方法是由四氟乙烯經(jīng)自由基聚合而成。聚四氟乙烯材料有棒、板、管、薄膜及各種異型形狀，廣泛用于航天、國(guó)防軍工、原子能、化工、石油、電子、機(jī)械、醫(yī)藥等領(lǐng)域。

　　聚四氟乙烯是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳之一，因此得塑料王之美稱。它具有高化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)耐化學(xué)腐蝕能力，耐強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化劑等，幾乎不受任何化學(xué)試劑腐蝕；它不燃燒，對(duì)氧、紫外線均極穩(wěn)定，有突出的耐熱、耐寒及耐摩性，摩擦系數(shù)是塑料中最小的，是理想的無(wú)油潤(rùn)滑材料；長(zhǎng)期使用溫度范圍為-200～+250℃，可使用溫度范圍為-190～+260℃。

　　表1是摘錄的PTFE物性參數(shù)表。

　　表中顯示，PTFE的磨擦系數(shù)0.11，抗拉強(qiáng)度及彈性模量數(shù)值均較高。

　　研究發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯可通過(guò)增強(qiáng)、填充復(fù)配和共混等多種手段進(jìn)行改性，以彌補(bǔ)材料某些方面的缺陷，開發(fā)出新的復(fù)合材料能更好的適應(yīng)于機(jī)械、電子、電氣、航空航天、汽車等行業(yè)零部件的制備需求。

　　聚四氟乙烯中加入填充劑，從而改善和克服聚四氟乙烯的耐磨性、耐壓性及冷卻性。這些填充料要求能經(jīng)受住PTFE的燒結(jié)溫度，不與PTFE反應(yīng)，另外具有一定的粒度并能改善PTFE的一些物化性能。目前，填充材料主要有：無(wú)機(jī)類有玻璃纖維、銅、石墨、二硫化鉬、碳纖維等等，有機(jī)類材料主要是有機(jī)纖維和高分子聚合物。

　　填充改性后的PTFE的耐磨度可增加500倍以上，耐蠕變性、抗冷流性、硬度及尺寸穩(wěn)定性都有較大程度的提高與改善。

　　共混改性PTFE材料，相較于原材料性能也有明顯改變，典型如聚酰亞胺（PI）、聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）等，應(yīng)用范圍很廣，但在往復(fù)活塞壓縮機(jī)上的應(yīng)用不及填充PTFE。如聚醚醚酮主要用于氣閥閥片及單螺桿壓縮機(jī)星輪等。

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　氧氣壓縮機(jī)要求無(wú)油、不燃燒。

　　無(wú)油、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)上，前文述及全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)：曲軸箱為干式結(jié)構(gòu)，連桿大、小頭、曲軸前后主軸承均采用密封型滾動(dòng)軸承，確保在壓縮機(jī)運(yùn)行中無(wú)潤(rùn)滑油與被壓縮介質(zhì)接觸。

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)用于壓縮氧氣時(shí)，軸承采用全氟醚潤(rùn)滑脂，是一種化學(xué)惰性潤(rùn)滑脂，高純氧氣環(huán)境下不燃燒。

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)的密封環(huán)、支承環(huán)，在壓縮機(jī)內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，采用填充聚四氟乙烯材料。填充聚四氟乙烯化學(xué)惰性，在高純氧氣的環(huán)境下不燃燒。

　　所以，雖然氧氣是強(qiáng)氧化劑，在壓縮升壓時(shí)可能與油及一些材料在溫度合適的時(shí)候會(huì)燃燒，但針對(duì)氧氣設(shè)計(jì)的全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞氧氣壓縮機(jī)壓縮氧氣是安全的，不論高中低壓。

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)也有缺點(diǎn)，比如密封于軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂會(huì)在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中由于溫度升高而使?jié)櫥l(fā)生蒸發(fā)和氧化分解，脂中的稠化劑也會(huì)因變質(zhì)而失去稠化效果。由于潤(rùn)滑脂性能的改變，使用效果急劇下降，如不及時(shí)添加新的潤(rùn)滑脂或更換全新軸承，機(jī)器會(huì)出現(xiàn)故障不能正常使用。另外，潤(rùn)滑脂也有一定的工作期限，運(yùn)轉(zhuǎn)條件惡劣，這些都將影響潤(rùn)滑脂的壽命。故全無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)在使用一段時(shí)間后，都應(yīng)考慮更換軸承或添加新的潤(rùn)滑脂。

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)的軸承與軸瓦兩瓣型的滑動(dòng)軸承不同，是整圈型，更換軸承或添加新的潤(rùn)滑脂有一定的難度。要更換軸承或添加新脂，操作者必須具備一定的專業(yè)知識(shí)與技能。

　　利用全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓縮機(jī)的安全性優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出用于充瓶的高壓氧氣壓縮機(jī)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　壓縮機(jī)采用雙拐二列四級(jí)立式結(jié)構(gòu)

　　立式壓縮機(jī)技術(shù)發(fā)展到上世紀(jì)中期鼎盛時(shí)期，中小型立式壓縮機(jī)在工藝流程中得到廣泛應(yīng)用。占地面積小是其突出的優(yōu)點(diǎn)，可以做到較佳的慣性力的平衡。采用優(yōu)良密封結(jié)構(gòu)，密封住高壓已不是問(wèn)題。具體地：

　　1. 立式壓縮機(jī)氣缸中心線垂直于地面，故氣缸鏡面不承受活塞組件的重力，十字頭滑道也不承受十字頭組件的重力?？赡芪氲姆蹓m或磨屑微粒也勻布于活塞頂面或活塞與氣缸的間隙內(nèi)，因此和其它結(jié)構(gòu)型式相比，立式壓縮機(jī)的氣缸、活塞環(huán)及填料磨損最小而且均勻，氣體密封條件最佳，氣缸和氣密元件工作壽命最長(zhǎng)；

　　2. 氣缸、中間接筒和機(jī)身的截面中心，與多氣缸中心線重合，故作用在機(jī)身或中間接筒上的氣體力，都不會(huì)使其壁面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，所以壁厚可較薄，既減輕重量又節(jié)省原材料，滿足壓縮機(jī)輕量化的要求；

　　3. 多列立式壓縮機(jī)可采用適當(dāng)?shù)那e(cuò)角，并控制各列的往復(fù)質(zhì)量，使一階、二階的往復(fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)慣性力實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)平衡，壓縮機(jī)的振動(dòng)烈度很小，滿足惡劣工況條件要求。取兩列180°曲柄錯(cuò)角，使得壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，更使得壓縮機(jī)動(dòng)力平衡達(dá)到較好的效果。

　　4. 因制造原因?qū)е碌奈雌胶舛A往復(fù)慣性力，垂直作用于基礎(chǔ)，較比水平方向作用于基礎(chǔ)時(shí)，易被基礎(chǔ)承受。

　　5. 立式壓縮機(jī)占地小，滿足狹小空間的要求。

　　6. 與臥式壓縮機(jī)相比，立式壓縮機(jī)具有較高的抗基礎(chǔ)不均勻沉陷能力。在一定的傾斜度內(nèi)，立式壓縮機(jī)不致使零件產(chǎn)生附加變形應(yīng)力，壓縮機(jī)的性能更穩(wěn)定。

　　7. 采用圖2所示的氣缸結(jié)構(gòu)，A、C腔為級(jí)壓縮腔，B為平衡腔的結(jié)構(gòu)，部份列活塞力相互抵消，明顯減小軸承負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)軸承壽命的長(zhǎng)久性。

　　8. 采用極低轉(zhuǎn)速，大幅度減小旋轉(zhuǎn)不平衡力，F(xiàn)=m*r*ω2=m*

　　式中：ω為旋轉(zhuǎn)角速度，ν為旋轉(zhuǎn)線速度。

　　從公式中可以看出，離心力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所以轉(zhuǎn)速的變化對(duì)不平衡力的影響較為明顯。不平衡力變小了，不平衡力矩相應(yīng)地變小，壓縮機(jī)的振動(dòng)就變小，壓縮機(jī)軸承等受力件承受的額外附加力減小，壓縮機(jī)性能得以提高。

　　取低轉(zhuǎn)速，還程使得密封環(huán)及支承環(huán)運(yùn)行速度降低，摩擦損耗明顯減小，壓縮機(jī)性能得以保證。

　　9. 取兩列立式結(jié)構(gòu)，四級(jí)壓縮，四個(gè)氣缸集中在一起，更利于外加風(fēng)扇進(jìn)行集中換熱，有利于機(jī)器外形緊湊，適合用于場(chǎng)地狹小的空間。如圖3所示，獨(dú)立配備的風(fēng)機(jī)不僅對(duì)換熱器吹風(fēng)換熱，同時(shí)也對(duì)所有氣缸吹風(fēng)散熱。

　　采取兩列立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)，能夠達(dá)到JB/T12950《全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)》的要求，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

　　標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)年平均可用度不小于90%，船用壓縮機(jī)環(huán)境條件為(6級(jí)海況)：

　　1. 橫搖：±22.5°

　　2. 縱搖：±7.5°

　　3. 橫傾：±15°

　　4. 縱傾：±5°

　　5. 搖擺周期：10s

　　6. 環(huán)境溫度：5～50℃

　　7. 鹽霧環(huán)境，濕度95%

　　8. 中修期500小時(shí)

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)在船上的適應(yīng)性

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓綜機(jī)適合船上使用，理由如下：

　　1. 船用壓縮機(jī)與陸用壓縮機(jī)最大區(qū)別就是船體搖擺，為了應(yīng)對(duì)搖擺，全無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)有著先天優(yōu)勢(shì)，即壓縮機(jī)本體內(nèi)無(wú)稀潤(rùn)滑油，省去了油的晃動(dòng)控制。

　　2. 壓縮機(jī)各零部件以能在搖擺的海況下工作。結(jié)合圖1，曲軸組件在曲軸箱上，左右兩端分別由軸承座及端蓋限制，只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，連桿大頭固定在曲軸上，也只有一個(gè)自由度，連桿小頭受小頭軸承及活塞的限制，也只有一個(gè)小角的的旋轉(zhuǎn)自由度，即所有機(jī)件均受控。

　　3. 壓縮機(jī)換熱有保證。合理地確定壓縮機(jī)的壓縮級(jí)數(shù)、換熱器換熱面積及風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算確定，就能夠有效地解決壓縮過(guò)程中及排出氣溫度的問(wèn)題。

　　4. 表征壓縮機(jī)性能的指標(biāo)滿足要求。這在全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中給出了全面的關(guān)于流量、壓力、功耗及易損件的數(shù)值，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，性能上無(wú)問(wèn)題。

　　5. 滿足防鹽霧要求。全無(wú)油潤(rùn)滑氧氣壓縮機(jī)用材上大量使用不銹鋼，加之采取針對(duì)性的表面噴涂處理，防鹽霧已不是問(wèn)題，所以它適合海船上使用。

　　6. 使用注意事項(xiàng)。具體地，壓縮機(jī)海船上使用，要在壓縮機(jī)機(jī)座下加裝隔震器，隔斷壓縮機(jī)與船體間的震動(dòng)傳遞。

　　7. 全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞高壓氧氣壓縮機(jī)在船上使用，還必須遵從《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》，經(jīng)船檢達(dá)到要求后方可上船使用，例如采用船用電機(jī)等。

　　結(jié)語(yǔ)

　　全無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞壓氧氣壓縮機(jī)，目前排氣壓力已做到30MPa，其在壓縮氧氣方面的安全性及可靠性已被眾多用戶所證實(shí)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)及良好的性能為其上船提供了必要的基礎(chǔ)，相信做好必須的相關(guān)工作，全無(wú)油潤(rùn)滑高壓氧氣壓縮機(jī)能為航海事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)》郁永章

　　GB/T12928《船用中壓活塞式空氣壓縮機(jī)》

　　GB/T12929《船用高壓活塞式空氣壓縮機(jī)》

　　GB/T12930《潛水裝具用高壓活塞式空氣壓縮機(jī) 技術(shù)條件》

　　GB/T12933《船用低壓活塞式壓縮機(jī)》

　　GB/T12934《船舶控制設(shè)備用無(wú)油空氣壓縮機(jī) 技術(shù)條件》

　　GB/T14359《船用應(yīng)急活塞式空氣壓縮機(jī)》

　　GB/T12950《全無(wú)油潤(rùn)滑高壓往復(fù)活塞氧氣壓縮機(jī)》

　　《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》

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