微小型空压机的窜油量控制研究

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微型和小型往复压缩机主要用于工业仪表控制，喷漆，吹除、轮胎充气，家庭气源和大型汽车车辆的刹车制动，舰船的启动等方面，它们共同的特点是结构简单、重量轻、成本低、使用方便、在市场上有着及其广泛的用途。这种微小型压缩机都是连杆直接驱动活塞的单作用结构，特别在汽车行业，对润滑油向气缸的窜油控制很严格，-台 2.2 kW的空压机的耗油量应该控制在1 g/h以下。而我国这种汽车空压机的产量大约每年在300万台以上。例如我公司的汽车空压机的年产量就达到了 30万台左右 ，因为如果较多的润滑油随压缩气体输出，-方面造成润滑油的浪费，同时润滑油对用气对象 (例如仪器仪表、干燥器)造成污染，如果汽车使用了含油的压缩空气，会造成环境污染，-些管路附件因油污造成故障报废。

另外，对与汽车发动机气缸的活塞环，也同样涉及润滑油向燃气工作容积的泄漏，这种泄漏，收稿 13期：2012-10-10 2013年02期(总第238期)不但能使润滑油短时间耗尽，更重要的是造成大气环境污染，我们经常在马路上看见的汽车吐黑烟，其多数属于活塞窜漏润滑油，发生润滑油燃烧所致。由此看来，研究如何减少活塞的窜油，其意义重大。

国内外对汽车空压机和发动机活塞的润滑油窜流问题十分重视，-直作为压缩机和汽车制造行业的热点课题开展研究。不断的有许多重要成果推出，如广泛应用的锥面环和扭曲环就是重要成果之-。 根据我公司的实践，这些扭曲环使用初期刮油效果尚好，但数百小时运行后，磨损掉了锥面部分，而失去了刮油效果。我们公司近30年来在控制活塞窜油科研工作中，与西安交通大学压缩机研究所合作，深入探讨了活塞窜油的复杂机理和影响因素，积累了-套行之有效的控制措施，能对微小型往复空压机窜油量控制技术提供有益的参考。

2 窜油的机理分析我公司每年生产的汽车空压机主要供给潍柴、上柴、锡柴等企业的发动机配套。实践表明，绝大多数空压机都能很好地满足主机厂的窜油指标。

也就是说 ，多数空压机活塞和气缸 ，按照我们设计的结构和工艺技术，能实现机油的有效控制，而有很少量空压机在-开始就出现窜油 ，还有-部分产品经过-段时间运行才出现窜油现象。我们通过理论分析和产品的试验，归纳出了窜油的多个因素 ：(1)正常工作的压缩机或者发动机，都或多或少的出现耗油。按照文献 [1-3]的研究结果，活塞环在经过磨合期之后，其磨滑面会形成如图 1所示的。

环截面轮廓 ，这种磨滑面的形成机理如下 ：图 1 活塞环的磨滑面活塞在气缸中的倾侧摆动；活塞环的自行转动；活塞和气缸的热膨胀与锥状磨损；活塞环自身的扭曲运动；以及加工零件的尺寸误差和形位公差。

这些因素总体上使得活塞环相对于气缸壁面发生倾斜，使得环的上下两侧被磨损，形成中间凸起，两边缘处下塌的形状。按照流体动力润滑理论，这种形状对减少磨损和形成油膜十分必要。

(2)如图 l所示的活塞环磨滑面，它上下行程时的布油作用是不-样的，在向上压缩气体时，环槽内的高压力将活塞环推向气缸壁面，使向上行程的油膜减小 ；在向下行程的吸气阶段 ，环槽内的低压气体对活塞环的推力很小，经过活塞环布在压缩腔缸壁上的油膜层增厚，在下-个向上压缩行程中，活塞环将润滑油刮到了压缩气体中，这样周而复始，形成活塞环的油膜增减泵油作用。

但是这种磨滑面在活塞环向上行程时、属于贫油润滑，气缸壁面上的附着油层薄，活塞下行时，曲轴箱侧供给较多的润滑油 ，属于富油润滑，留在气缸壁面上的油膜层较厚，这也成为活塞环24 瓣窜油的因素之-。

活塞环上下行程时穿过环面的油膜可以按如下方法来计算，根据活塞环的流体动力润滑方程有： (v- )-h-y U (1)h式中 --沿活塞轴向的坐标，m- - 时间坐标 ，sl- 滑油的动力粘度，Pa·sp--环轮廓面上任意-点的压力，Pa广 沿活塞环径向任意-点的坐标，m- - 环与汽缸之间的最小油膜厚度，m7--活塞环的运动速度，m/s采用上述方程 ，按照汽车空压机及其活塞环的结构参数和运行工况参数，可以计算出如图2所示的油膜厚度～图2中的横坐标分成若干等分，再用向轴行程的油膜厚度值减去同-位置的向盖行程油膜厚度，该油膜厚度差值与等分宽度乘积进行累加，从而得到了在-个往复行程中穿过活塞环流向气缸侧的滑油流量为0.12 g/h。应注意，这个窜油量只是理想情况下由于油膜变化所引起的窜油量。

(3)从图 3还可以看出，活塞环下行时，环紧靠环槽的上侧，滑油会通过环与环槽的下部间隙，被挤入环槽内，而在活塞环上行时，高压气体力使活塞环紧靠环槽下侧，而润滑油依靠活塞的往复惯性力被推出环槽，进入压缩容积。这种窜油作用属于惯性力泵油，现在还没有合理的方法进行计算。

360 270b，二级环(8-0，H5mm)图 2 Z2-10厂7型空压机活塞环的油膜厚度(4)活塞环的另-个泵油作用来自吸气压力与大气压力差值。当活塞向下进行吸气行程时，由于吸气过程气阀的阻力，使活塞环上部的压力比活塞环下部 (曲轴箱内)的压力低，活塞环下的气体卷着滑油通过活塞环的接口处的泄漏通道，漏进了气缸工作容积内，与压缩气体-通压缩排出。根据我们的试验 ，当吸气腔的吸气压力从2013年02期(总第238期)-使用Service&O.96 bar降到O.8 bar时，压缩机的窜油量从0.3 g/h增加到 2 g/h左右。

P。 活塞顼部 P。 活塞顶部P2 P2图3 通过环槽间隙的窜油过程(5)刮油环的比压与侧面间隙对控制滑油影响明显。刮油环在活塞上的安装如图 4所示 ，刮油环的圆度，滑油环的接口间隙，刮油环对气缸的比压，刮油环与活塞环槽的侧面间隙等对窜油量都有显著影响。这些数值要求过紧，会造成环的卡死；如果这些尺寸过松，则会加大窜油量。

压缩机的制造者往往会认为，如果刮油环的效果太好，会造成密封气体的活塞环缺油，实际这不是问题。在发动机中，刮油环的接触比压达到 10bar以上，且气缸中在反复发生高温燃烧，润滑油比空压机中要消耗得快，但发动机活塞环润滑也可以得到保证。在空压机的活塞环中，气缸内没有高温的燃烧，情况要好得多，即空压机中保证活塞环的润滑是充分的。

(6)活塞与气缸之间的间隙对窜油量影响明显。两者间隙越大，越容易发生窜油；但是过小的间隙又可能使活塞涨死在气缸中。因为气缸为铸铁材料，又有外部的冷却，膨胀量较小些；而活塞是铝合金材料其膨胀系数大，并且，活塞的热量不易散出，引起活塞的膨胀量大。因此 ，应该慎重选取两者之间的间隙。

(7)多年的实践表明，压缩机各个零件的加工精度，安装精度等对窜油也有很大影响。所有这些尺寸的精度都会造成活塞对气缸的歪斜。在上个世纪 8O-90年代，我们采用通用设备制造空压机的曲轴箱、气缸、曲轴、连杆和活塞等，结果发生窜油机器的比例比现在要大得多，自从我们安装了加工中心之后，各零件的精度大幅度提高，发生窜油机器的比例就显著降低。

(8)曲轴箱中的油位适当且稳定，击油杆或者机油环的击油的状态对润滑和窜油都有影响。

-2013年02期(总第238期)过去认为击油机构-定要把油击打到气缸内，经过多年的实践，击油机构只要能够击起足够的油润滑连杆大小头 ，这时，进入气缸壁面的油量已经足够。

顶 部环： 、、 、 · 、、、、、部 I、r 十1 1.I -'-l.-、 ～、 、 、、 、 、。 . 、 、 、 、 v 、 、 裙 IJ ～、 、 Ijf、 、 、、、、 、 、 、 、 、 Y、、.、l- ·-。

部 ：I! 毫 ◆I----：1.活塞环 2、7.刮油环 3.活塞 4.衬套5.挡圈6.活塞销图4 简型活塞组件3 控制空压机窜油的措施(1)对于中间突起，两侧对称塌下的活塞环磨滑面 (图5(a))，每-个往复行程中总会把油刮送到气缸的压缩腔。如果采取特殊的措施，使得活塞环在工作中形成不对称的下塌磨滑面，即中间突起部分向活塞裙部偏移，如图6所示。活塞话在向下移动时行程的油膜薄，向上行程时尽管密封压力高，也能行程较厚的油膜。这样-来，被刮向压缩容积的油量就会减少。实际上，锥面坏和扭曲环就是最典型、最极端的刮油型磨滑面(图 5(d)、(e))。然而，这种认为加工的锥面环 ，经过数百小时，锥面高出部分就被磨掉，仍然行程如图 1所示的接近对称的磨滑面，失去刮油能力。根据我们的试验和测量，最大下塌量与下塌长度量的比值约为 1/200到 1/500时刮油效果和润滑效果较好。如果下塌量过大或过小，就起不到向上布油和向下刮油的效果。

(2)刮油环是减少润滑油耗量的关键机构之-， 刮油环需要有适当大的弹力才能保证良好的刮油效果。但是过大的弹力会引起环和气缸的磨损，还会增加功耗。另外刮油环与刮油环槽轴向间隙十分重要，对于活塞直径为 100 mm左右的刮油环，其端面平面度应要求在0.02 mm之内，它与环槽之间的端面间隙应在 0.06～0.08 mm之间。

这样可以最大限度的减少通过环槽端面间隙的泵油。但是，需要指出，环与环槽之间的间隙不能太小，以免刮油环被卡死。

曲轴侧图 5 5种磨滑面的模型曲轴侧图 6 几种磨滑面在往复循环中的油膜差值(3)减续气阀的流动阻力损失是控制活塞环窜油量的有效手段。这就要求最大限度的增加进气阀的流通面积，选认大的阀片升程，选取较小的弹簧力。气阀的设计需要通过气阀运动规律分析和模拟，特别在发动机转速大幅度改变的的条件下，要求阀片适应性广。

(4)曲轴箱、曲轴、连杆，活塞销、活塞等零件的多数尺寸都影响活塞对气缸的同心度。因此治理活塞的窜油 ，实际上要提高整个压缩机的加工精度，减少各个零部件的热变形和受力变形。

例如我们厂原来某种空压机气缸的结构如图7(a)所示，我们发现缸头上的法兰较薄，在空压机工作过程中，缸盖受力较大，连接缸盖的法兰容易被拉变形，也是造成气缸与活塞间隙不均匀的因素，所以，我们明显地增加了缸体上连接缸盖的法兰厚度 (图7b)，收到了良好的控制窜油量的效果。

(5)在以往的设计手册和教科书上，固定在连杆大头盖上的击油棒还带有勺状的特征，至少也是以平扁的迎击面来打击下部的油面。最近这26 瓣几年 ，我们通过试验 ，击油棒可以设计为机翼型的，以甚小的迎击面来击油，仍然可以为气缸润滑提供足够的油量。为了保证曲轴箱内润滑油面的稳定，我们-方面通过发动机的机油泵向曲轴箱内输油；另-方面，又设置较大的回油孔，将多余的油回到发动机的齿轮箱中去，保持了曲轴箱内十分稳定的油位，由此来限制向活塞和气缸壁面的溅油。但需要注意：供给活塞销的油量应足以将连杆与销柱的摩擦热带走。

f((a)原有的薄法兰 (b)增厚的法兰图7 气缸盖上法兰结构4 结论减少小型空压机的窜油技术涉及压缩机全部零部件的加工精度和和配合间隙，以及及其在运行中磨损状况。除此之外，选择弹力适当的刮油环和活塞环，选择适当的环槽与环的端面配合间隙，(活塞环为 0.10～0.15 mm，刮油环为 0.O5～0.08 mm)，选择适当的活塞与气缸的配合间隙(0.10～0.16 mm)，锥面环和扭曲环在使用初期具有良好的刮油效果，但经过 100多小时的运行，拱起的锥面被磨平，失去刮油效果。为了形成长期的锥面刮油效果，需要将活塞环的磨滑面靠近下端部位，进行硬化处理，而上端部分保持较软的原始状态，使得活塞环的磨滑面在工作过程中自动形成永久的锥面环形状。