【壓縮機網】本文對全無油往復活塞壓縮機進行介紹，并對全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機結構設計、船用壓縮機的特殊要求、全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機在船上的適應性進行論述。

　　文/蔡偉生

　　引言

　　隨著船舶工業的發展，全無油潤滑高壓氧氣壓縮機技術進步，船上制供氧使用全無油潤滑高壓壓縮機成為可選項。本文從安全性及可靠性出發，對全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機進行分析，闡述了全無油潤滑高壓氧氣壓縮機上船的可行性。

　　全無油潤滑往復活塞壓縮機介紹

　　隨著現代工業技術的迅猛發展，一些工業工藝流程對介質壓縮的潔凈度要求越來越高，全無油壓縮機應運而生。

　　上世紀中期，新材料——自潤滑材料的出現，讓壓縮機的潤滑出現了新的發展方向，即采用填充聚四氟乙烯——一種自潤滑材料，對壓縮機進行改造，使之對被壓縮介質的含油純度影響降為零，從而擴展了傳統往復活塞壓縮機在當今工業工藝領域的應用。

　　傳統的稀油潤滑往復壓活塞縮機，機體內盛有稀油，依靠油泵或動力飛濺將稀油運送至各潤滑點，對壓縮機的旋轉運動及往復直線運動的對磨面進行潤滑。這種壓縮機的活塞環及填料密封環采用金屬材質，在油膜的減磨作用下進行壓縮工作，油氣分子不可避免地混入被壓縮介質，改變了被壓縮介質的純度。這在一些高要求的工藝過程中是不允許的，迫使壓縮機改變潤滑方式以適應要求。

　　例如，氦氣很貴，大多產于美國，資源稀少加之政治因素提價限售。為了提高氦氣利用率，國內氦氣回收行業興起，即利用壓縮機將使用過的氦氣升壓，經過分子篩進行純化處理，從而獲得高純氦氣。如果在回收壓縮過程中混入壓縮機油不經處理直接進入分子篩，會導致分子篩發生油醉，喪失提純功能。

　　相似的，電力行業的保護氣六氟化硫，也因價格昂貴且對大氣層有破壞作用，從而被要求回收再利用。在回收的過程中六氟化硫氣若混入壓縮機油，也會給后續提純帶來較為嚴重的影響。混入油分子的六氟化硫混合氣若直接注入高壓電柜內，滅不了電弧，會燒毀高壓電器，造成事故。

　　在化工行業中，若參與反應的氣體含油可能會導致催化劑中毒失效而使整個反應過程中斷。所以，在工藝流程中的氣體壓縮升壓過程，要嚴格控制壓縮機油。

　　為了實現氣體無油壓縮，壓縮機設計者想出了諸多辦法，例如:

　　1. 水循環壓縮機。改油潤滑為水潤滑，水比油好去除。典型的壓縮機有水潤滑螺桿壓縮機、液環壓縮機等。

　　1969年，法國發明第一臺高密封高效率的水潤滑螺桿壓縮機，這種技術制造出的壓縮機被用于軍工技術在軍艦上使用，長期對發展中國家進行封鎖。

　　今天的壓縮機技術，完全干摩擦的、完全無油的螺桿壓縮機已經設計制造出來，無油、無水壓縮，在一定范圍內實現了氣體的潔凈壓縮，只不過價格稍貴。

　　2. 隔膜壓縮機。采用特殊設計的膜片將被壓縮介質與外界分隔，在小流量高壓力范圍內實現潔凈壓縮。

　　上述兩類全無油潤滑壓縮機中，水潤滑及螺桿壓縮機壓力范圍是低壓段，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動膜片壓縮氣體介質，機器結構較為復雜，成本較高。

　　3. 無油潤滑往復活塞壓縮機。由于新材料——聚四氟乙烯的出現，往復活塞壓縮機由原來的金屬密封環改為非金屬環，實現潤滑方式的質變，即氣缸及填料的潤滑不再需要潤滑油，產生了一種新的全無油潤滑往復活塞壓縮機，實現了氣體介質的完全無油壓縮。

　　上世紀中期，設計制造出了全無油潤滑往復活塞壓縮機，該機器曲軸箱為干式結構，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。由于在運行中，無潤滑油與被壓縮介質接觸，因此排出的被壓縮介質氣體不含油氣，是對往復活塞壓縮機技術的全新發掘，面世后受到用戶歡迎。

　　圖1是一種全無油潤滑往復活塞壓縮機曲軸箱組件圖，圖中曲軸箱為開放型，箱內無潤滑用稀油。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，曲軸完全固定在曲軸箱內無竄動，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，兩端對外安裝密封圈，防止潤滑脂的溢出。

　　活塞在氣缸內作往復直線運動，活塞與氣缸間通過密封件與支承件之間進行接觸摩擦，這個摩擦的減磨措施是采用自潤滑材料，即采用填充聚四氟乙烯材料制造密封環及支承環，實踐證明，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、國防軍工、原子能、化工、石油、電子、機械、醫藥等領域。

　　聚四氟乙烯是當今世界上耐腐蝕性能最佳之一，因此得塑料王之美稱。它具有高化學穩定性和強耐化學腐蝕能力，耐強堿、強酸、強氧化劑等，幾乎不受任何化學試劑腐蝕；它不燃燒，對氧、紫外線均極穩定，有突出的耐熱、耐寒及耐摩性，摩擦系數是塑料中最小的，是理想的無油潤滑材料；長期使用溫度范圍為-200～+250℃，可使用溫度范圍為-190～+260℃。

　　表1是摘錄的PTFE物性參數表。

　　表中顯示，PTFE的磨擦系數0.11，抗拉強度及彈性模量數值均較高。

　　研究發現，聚四氟乙烯可通過增強、填充復配和共混等多種手段進行改性，以彌補材料某些方面的缺陷，開發出新的復合材料能更好的適應于機械、電子、電氣、航空航天、汽車等行業零部件的制備需求。

　　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受住PTFE的燒結溫度，不與PTFE反應，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：無機類有玻璃纖維、銅、石墨、二硫化鉬、碳纖維等等，有機類材料主要是有機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，應用范圍很廣，但在往復活塞壓縮機上的應用不及填充PTFE。如聚醚醚酮主要用于氣閥閥片及單螺桿壓縮機星輪等。

　　全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機結構設計

　　氧氣壓縮機要求無油、不燃燒。

　　無油、壓縮機結構上，前文述及全無油潤滑往復活塞壓縮機結構：曲軸箱為干式結構，連桿大、小頭、曲軸前后主軸承均采用密封型滾動軸承，確保在壓縮機運行中無潤滑油與被壓縮介質接觸。

　　全無油潤滑往復活塞壓縮機用于壓縮氧氣時，軸承采用全氟醚潤滑脂，是一種化學惰性潤滑脂，高純氧氣環境下不燃燒。

　　全無油潤滑往復活塞壓縮機的密封環、支承環，在壓縮機內高速運動，采用填充聚四氟乙烯材料。填充聚四氟乙烯化學惰性，在高純氧氣的環境下不燃燒。

　　所以，雖然氧氣是強氧化劑，在壓縮升壓時可能與油及一些材料在溫度合適的時候會燃燒，但針對氧氣設計的全無油潤滑往復活塞氧氣壓縮機壓縮氧氣是安全的，不論高中低壓。

　　全無油潤滑往復活塞壓縮機也有缺點，比如密封于軸承內的潤滑脂會在長期運轉中由于溫度升高而使潤滑脂發生蒸發和氧化分解，脂中的稠化劑也會因變質而失去稠化效果。由于潤滑脂性能的改變，使用效果急劇下降，如不及時添加新的潤滑脂或更換全新軸承，機器會出現故障不能正常使用。另外，潤滑脂也有一定的工作期限，運轉條件惡劣，這些都將影響潤滑脂的壽命。故全無油潤滑壓縮機在使用一段時間后，都應考慮更換軸承或添加新的潤滑脂。

　　全無油潤滑往復活塞壓縮機的軸承與軸瓦兩瓣型的滑動軸承不同，是整圈型，更換軸承或添加新的潤滑脂有一定的難度。要更換軸承或添加新脂，操作者必須具備一定的專業知識與技能。

　　利用全無油潤滑往復活塞壓縮機的安全性優點，規避其缺點，設計出用于充瓶的高壓氧氣壓縮機，其具體結構如圖2所示：

　　壓縮機采用雙拐二列四級立式結構

　　立式壓縮機技術發展到上世紀中期鼎盛時期，中小型立式壓縮機在工藝流程中得到廣泛應用。占地面積小是其突出的優點，可以做到較佳的慣性力的平衡。采用優良密封結構，密封住高壓已不是問題。具體地：

　　1. 立式壓縮機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。可能吸入的粉塵或磨屑微粒也勻布于活塞頂面或活塞與氣缸的間隙內，因此和其它結構型式相比，立式壓縮機的氣缸、活塞環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；

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

　　3. 多列立式壓縮機可采用適當的曲柄錯角，并控制各列的往復質量，使一階、二階的往復慣性力及旋轉慣性力實現機內平衡，壓縮機的振動烈度很小，滿足惡劣工況條件要求。取兩列180°曲柄錯角，使得壓縮機結構較為簡單，更使得壓縮機動力平衡達到較好的效果。

　　4. 因制造原因導致的未平衡二階往復慣性力，垂直作用于基礎，較比水平方向作用于基礎時，易被基礎承受。

　　5. 立式壓縮機占地小，滿足狹小空間的要求。

　　6. 與臥式壓縮機相比，立式壓縮機具有較高的抗基礎不均勻沉陷能力。在一定的傾斜度內，立式壓縮機不致使零件產生附加變形應力，壓縮機的性能更穩定。

　　7. 采用圖2所示的氣缸結構，A、C腔為級壓縮腔，B為平衡腔的結構，部份列活塞力相互抵消，明顯減小軸承負荷，實現軸承壽命的長久性。

　　8. 采用極低轉速，大幅度減小旋轉不平衡力，F=m*r*ω2=m*

　　式中：ω為旋轉角速度，ν為旋轉線速度。

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

　　取低轉速，還程使得密封環及支承環運行速度降低，摩擦損耗明顯減小，壓縮機性能得以保證。

　　9. 取兩列立式結構，四級壓縮，四個氣缸集中在一起，更利于外加風扇進行集中換熱，有利于機器外形緊湊，適合用于場地狹小的空間。如圖3所示，獨立配備的風機不僅對換熱器吹風換熱，同時也對所有氣缸吹風散熱。

　　采取兩列立式結構設計的全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機，能夠達到JB/T12950《全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機》的要求，該標準規定：

　　標準還規定，全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機年平均可用度不小于90%，船用壓縮機環境條件為(6級海況)：

　　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. 環境溫度：5～50℃

　　7. 鹽霧環境，濕度95%

　　8. 中修期500小時

　　全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機在船上的適應性

　　全無油潤滑往復活塞壓綜機適合船上使用，理由如下：

　　1. 船用壓縮機與陸用壓縮機最大區別就是船體搖擺，為了應對搖擺，全無油潤滑壓縮機有著先天優勢，即壓縮機本體內無稀潤滑油，省去了油的晃動控制。

　　2. 壓縮機各零部件以能在搖擺的海況下工作。結合圖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，只有一個旋轉自由度，連桿大頭固定在曲軸上，也只有一個自由度，連桿小頭受小頭軸承及活塞的限制，也只有一個小角的的旋轉自由度，即所有機件均受控。

　　3. 壓縮機換熱有保證。合理地確定壓縮機的壓縮級數、換熱器換熱面積及風機風量計算確定，就能夠有效地解決壓縮過程中及排出氣溫度的問題。

　　4. 表征壓縮機性能的指標滿足要求。這在全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機標準中給出了全面的關于流量、壓力、功耗及易損件的數值，按標準設計制造，性能上無問題。

　　5. 滿足防鹽霧要求。全無油潤滑氧氣壓縮機用材上大量使用不銹鋼，加之采取針對性的表面噴涂處理，防鹽霧已不是問題，所以它適合海船上使用。

　　6. 使用注意事項。具體地，壓縮機海船上使用，要在壓縮機機座下加裝隔震器，隔斷壓縮機與船體間的震動傳遞。

　　7. 全無油潤滑往復活塞高壓氧氣壓縮機在船上使用，還必須遵從《鋼質海船入級規范》，經船檢達到要求后方可上船使用，例如采用船用電機等。

　　結語

　　全無油潤滑往復活塞壓氧氣壓縮機，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，其結構優勢及良好的性能為其上船提供了必要的基礎，相信做好必須的相關工作，全無油潤滑高壓氧氣壓縮機能為航海事業做出貢獻。

　　參考文獻

　　《容積式壓縮機技術手冊》郁永章

　　GB/T12928《船用中壓活塞式空氣壓縮機》

　　GB/T12929《船用高壓活塞式空氣壓縮機》

　　GB/T12930《潛水裝具用高壓活塞式空氣壓縮機 技術條件》

　　GB/T12933《船用低壓活塞式壓縮機》

　　GB/T12934《船舶控制設備用無油空氣壓縮機 技術條件》

　　GB/T14359《船用應急活塞式空氣壓縮機》

　　GB/T12950《全無油潤滑高壓往復活塞氧氣壓縮機》

　　《鋼質海船入級規范》

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