压缩机常见故障分析

压缩机常见故障分析

中文摘要

本文针对气阀和活塞环两个易损坏部件导致压缩机产生故障的原因和危害，论述

了采用改进阀片形状, 采用新材料加工阀片等有效的故障处理措施，可延长易损件的使用寿命，提高压缩机运行的安全性和经济性。

关键词: 活塞式压缩机，气阀，活塞环，易损件

Compressor Common Faults

Abstract

Some common troubles of piston compressor are analyzed. Based on these faults and reasons of these destroyed air - valve and piston ring,some methods of improving valveshape , employing new material and so on are given. Prolong the operating life of wearing parts ,increase the security and production quantity of compressor.

Key words : piston compressor，air – valve，piston ring，vulnerable part

作为提高压力和输送气体介质的动力源，活塞式压缩机在制冷领域被广泛应用， 并且是生产工艺过程的主要运转设备， 能否长周期安全运行, 关系着企业的经济效益。由于活塞式压缩机结构复杂，零部件多。在长期工作在强烈冲击、高温、高压等恶劣的工况条件下， 维护管理要求高， 容易发生压缩机异响、窜气、窜油、被迫停机等设备故障。下面仅就气阀、活塞环两种易损坏部件进行研究。

1．气阀故障

气阀是一种机械自动阀门, 是往复活塞式压缩机的重要部件， 也是容易损坏的

部件。其作用主要是控制气体及时地吸入(吸气阀) 与排出(排气阀) 气缸。气阀故障约占压缩机故障总数的60 %以上[1]。在使用过程中， 气阀常出现的故障有两种，

1.1 阀片故障

气阀阀片与未经过充分处理的工作介质接触， 从而引发阀片黏附杂物、阀片腐

蚀等问题或者是气阀阀片启闭时， 与升程限制器和阀座发生强烈的周期性碰撞， 引发阀片出现微裂纹、变形甚至断裂[2]。下面仅就上述前两种故障进行讨论。

1.1.1 阀片端面集有杂物

为了保障压缩机各部件的正常运转， 减轻摩擦表面的磨损， 各运动副之间靠润

滑油润滑。这些润滑油不可避免地要渗入气缸， 并在高温、高压条件下氧化形成碳化物， 集聚在阀片端面。积碳的存在影响气阀的散热效率，使热量积蓄，最终导致 阀片卡滞，气阀及管路堵塞以及气阀开关不灵、关闭不严造成压缩机产生异响等[4,5]。也有部分固体颗粒经过进排气阀时黏附在阀片上， 把阀片垫高。使阀片的密封性能降低，造成气体泄漏。对于这类问题，要尽量提高工作介质的过滤精度，防止润滑油的用量过大，降低其在高温下的积碳量。此外还要定期检查，及时清理阀片上的杂物。

1.1.2 介质造成阀片损坏

固体杂质颗粒在压缩机高压气流推动下猛烈地撞击阀片， 导致阀片损坏； 阀片

和升程限制器之间夹有杂物，也能使气阀很快失效； 含有腐蚀性气体、水分等的工作介质没经充分过滤， 进入气阀, 这些腐蚀性的气体就会在高温高压条件下与金属阀片发生化学反应， 从而腐蚀阀片，最终造成阀片密封不严。另外， 由于液滴具有不可压缩性，进入气缸后， 在高压环境下容易对压缩机气阀、活塞、缸盖等产生液击， 严重时发生冲缸现象。为降低此种故障出现的可能性，根据工作介质所含腐蚀性气体的类型及其含量的多少选用相应材质的抗腐蚀性阀片[6]。

1.1.3 阀片断裂

这主要是因为压缩机在工作过程中，阀片与升程限制器在升程限制器的凸起处发

生周期性碰撞，并在此处形成很高的应力集中，不断产生周期性疲劳作用力， 最终形成微裂纹，并在此周期性作用力下，微裂纹逐渐扩展， 最终导致阀片断裂。 或者气流在流经进排气腔时， 由于阻力的影响在气流通道内产生气流脉动， 使阀片运动不平衡，加快了阀片外缘与升程限制器的撞击速度和加大了撞击次数，从而导致阀片过早断裂[7]。为了延长阀片的使用寿命， 可以对升程限制器进行改造，加大阀片与升程限制器碰撞时的接触面积， 使它们之间由原来的点接触碰撞变为面接触碰撞， 从而极大地降低应力集中或者在阀片和升程限制器之间垫橡皮。 还可以换用那些抗拉伸、抗弯曲强度更高的非金属材料制作阀片[8]。

1.2 气阀弹簧故障

气阀弹簧一般总处于周期性的被压缩或伸长状态， 弹簧在升程中具有缓冲阀片

与升程限制器的撞击作用， 在回程中有辅助阀片自动复位并保证密封的作用。压缩机曲轴每旋转一周，弹簧承受的载荷便由气阀全闭时的预压紧力变化到气阀全开时的最大压缩力， 在这种脉动循环载荷作用下弹簧也是极易损坏的。在实际使用中，经常遇到弹簧与升程限制器的导向面配合过松或过紧的问题。过松配合引起弹簧的径向跳动和周向旋转； 配合过紧会导致弹簧卡死或折断，严重时会致使阀片断裂， 甚至拉缸。下面仅就弹簧表面质量、弹簧力选择和吸，排气气阀弹簧的区别三个方面导致气阀弹簧产生故障进行论述。

1.2.1 弹簧表面质量下降

弹簧表面质量对弹簧的抗疲劳性能的影响也很大，尤其是应力比较大的排气阀弹

簧。 其表面即使受到微小的磨损， 也会因此而产生很大的应力集中， 导致弹簧疲劳寿命降低。因此， 当弹簧的表面出现损伤时，损伤处就会很容易产生很高的应力集中， 形成断裂源。同时， 高温蠕变和渗碳作用也会使弹簧发生金相组织的脆性改变，加速弹簧断裂。此外，弹簧的选用过程也很重要。 选用弹簧时， 首先要保证弹簧材质符合要求，从源头上杜绝产生缺陷的根源；其次在加工制造方面更要严格把关，从原材料、机械加工到热处理等各环节均应按照技术要求进行。

1.2.2 弹簧力选择过大或过小

弹簧力直接影响气阀开启、闭合时的准确性。若弹簧弹力选择过小， 阀片在

关闭时，一方面会使阀片停留在升程限制器上的时间延长， 阀片将在活塞更接近止点的位置，气流达到更低一些的速度时才开始关闭。以致活塞到达止点位置时阀片来不及落回阀座，出现滞后关闭的现象。（如图1 所示）延迟关闭会造成一部分气体回窜出去而使排气量减少，导致压缩机效率下降；另一方面， 阀片在关闭时， 阀片是在弹簧力和窜出气流推力的共同作用下撞向阀座， 故能造成更加严重的敲击。敲击会使阀片应力增加，阀片和阀座的磨损加剧， 并导致气阀过早损坏。 若弹簧弹力选择过大， 阀门开启时， 气流推力不足以克服弹簧力而使阀片不能紧贴在升程限制器上。 这会造成阀片在阀座和升程限制器之间来回跳动的振颤现象。（如图2 所示）此时，阻力损失增加，且阀片来回撞击升程限制器和阀座，致使阀片过早损坏[9]。

过片使致 , 座阀

图１ 阀片关闭滞后

图２ 阀片颤振

1.2.3 吸、排气气阀弹簧的区分

一般来说，它们大小一样。但排气气阀弹簧弹性较大，较硬；吸气气阀弹簧弹性

较小，较弱。在气阀弹簧断裂或丧失弹性时，即应更新弹簧，为了保持同一阀片上弹簧力的均匀，更换时应把同一阀片上的弹簧全部更换装于阀座上各弹簧顶面应平整，不允许有歪斜[10]。

2 活塞环故障

活塞环密封原理：活塞环是一个带开口的圆环，在自由状态下，其外径大于气缸

直径。装入气缸后直径变小，仅在切口处留下一定的热膨胀间隙， 靠环的弹力使其外圆面与气缸表面贴合产生一定的预压力。活塞环的密封原理是靠多个活塞环所形成的曲折流道，对经过它的泄漏气体产生多次节流阻塞和旋涡滞阻作用。在有少量漏气的情况下, 形成很大的阻力降来实现密封的。活塞环工作时的密封压力是由气体压力自己产生的, 而且气缸内压力越大, 密封压紧力也越大。这表明此时的活塞环具有自紧密封的特点[11]。本文仅以下面六种导致活塞环产生故障的情况进行论述。

2.1 活塞环的磨损

由于活塞环工作在极其苛刻的环境中，所以，它的磨损现象是错综复杂的。随着

发动机转速的提高、功率的增大、新材料的应用、燃料和添加剂的改进等因素的增加， 磨损的因素也随之多样化。尤其是低质燃料对活塞环及其配对摩擦副的磨损显著增大。对活塞环而言，磨损的种类有了：熔着磨损、磨料磨损、点蚀磨损、摩擦磨损和电解磨损等。 其磨损的机理是： 由于活塞环在上下止点之间做往复运动，其速度从静止状态变化到最高速度30m/s左右，如此反复地做大幅度的变化。活塞做往复运动时，在工作循环的进气、压缩、膨胀做功和排气行程中，汽缸压力变化很大。一般来说，导致活塞环磨损的主要因素有摩擦速度、负荷的大小、有无润滑剂、润滑剂的质和量、温度以及周围介质的变化情况等等。此外，摩擦面的实际接触状态，有无从进气系统中混入杂质等对磨损也有影响。因为受燃烧行程的影响，活塞环的运动经常是在高温状态下进行的。这种高温和由燃烧生成物所产生的化学作用，使活塞环处在高速、高压之下，造成运动摩擦副间的油膜破裂，使其很难实现完全润滑，引起临界润滑状态[12]。以上这些因素会给活塞环的运转产生一系列的问题, 下面仅以窜( 漏) 气和窜油予以阐述。

2.1.1 窜气

内燃发动机中的燃烧气体通过活塞环间隙窜入曲轴箱的现象， 称为窜气。随着

活塞的运动规律，活塞环在环槽内做拍击型轴向运动，其侧隙会逐渐磨大。由于多种因素的影响，环的径向厚度被磨薄，环的弹力随之下降，使得环的外圆与汽缸壁间的密封性能下降，高温高压的燃气由此向下漏出。漏气量的大小可表明活塞环、活塞和汽缸套这组摩擦副的技术状况和磨损程度。漏气严重时，会引起质的变化，而成为窜气。窜气后不仅使发动机的功率下降, 而且破坏了摩擦副间的油膜，促使机油变质，成为活塞环和汽缸异常磨损的直接原因。甚至可能导致环与活塞及汽缸烧损，这是严重窜气引起的后果。

2.1.1 窜油

活塞在气缸内运动时，环与环槽间充满机油。当活塞左右摆动时，如果环与环槽

的端面间隙不发生变化，其间隙中的机油就不会被挤出和更新。当柴油机熄火、活塞冷却时，环槽的端面间隙并不改变，环槽中的沉积物就容易结胶而将环粘住，下次启动时活塞环就不能灵活动作而容易卡死或折断。因此，活塞环大都设计成梯形断面，

当活塞冷却时活塞的直径将缩小，环槽也随着向活塞的中心移动， 而活塞环由于弹性作用仍然与缸壁贴在一起，并不随活塞环槽向中心衫动。所以环与环槽的间隙反而会增大一些，而环槽内的机油并没增加，故不易将环粘住。这就保证了下次启动时活塞环能灵活动作。若活塞环因磨损造成断面形状改变、环与环槽的间隙增大、环的弹性和强度降低而使密封性降低，当窜机油现象加剧时就会出现结胶而导致环被卡死和折断。

要防止生窜( 漏) 气、窜油要注意三个方面：

1. 活塞环和侧面贴合不好。此时虽然其侧隙未超过标准值，但由于环的平面度

超差， 环的平面产生波形。环槽密封面被破坏，使润滑油的间隙通道处于半敞口或全敞口状态。

2. 活塞环和汽缸壁贴合不良。有可能是环的漏光度超差，也可能是汽缸在热状

态时失圆，产生热变形。当汽缸的变形超过某一限度时， 活塞环就不能与之相适应。还有可能是新环尚未与缸壁完成磨合，或发动机超负荷运转, 使汽缸内的油膜破裂。

3. 锥面环( 第二道活塞环) 方向装反，或油环组件因配合尺寸不当，使自身的弹

性丧失，造成密封和刮油能力下降[13]。

2.2 活塞环口“对口”

在发动机的保养、维修中， 时而发现各道或部分活塞环日处在一条直线位置上， 而不是相互交错，上下相邻两环的开口位置呈左右分布。这种现象称作活塞环口“对口”故障。

活塞环口“ 对口” 后，会使气缸内高压高温的气体从环口窜出量增多，降低气

体压力，使发动机的动力性和经济性下降油底壳的机油易从对口处窜入燃烧室, 机油消耗量增大，积炭增多。磨损加剧气缸中的高温气体从环口窜出冲刷活塞裙部并窜人油底壳，使活塞裙部润滑恶化。甚至产生拉缸高温气体进人曲轴箱而加速机油老化变质，加速零件的磨损。所以，必须注意防上活塞环口出现“对口”故障。首先，要防止活塞环“对口”需在维修或更换活塞环时，注意活塞环的安装位置。其次装配前应检查活塞环在环槽内的边间隙和开日间隙，并符合该机的技术要求[14,15]。

2.3 活塞环开口间隙过小

在活塞环的设计过程中, 活塞环的开口间隙不是任意选取的, 它是按活塞环在

压缩温度下, 沿圆周方向的伸缩量来确定的。如果活塞环的开口间隙过小, 活塞环受

热膨胀后, 开口完全封闭。随着膨胀量的增大, 活塞环就会沿径向延伸造成活塞环径向涨, 一旦活塞环在气缸内涨死后, 活塞环圆周面与气缸接触面的压力将大大增加, 引起活塞环和气缸内壁的接触温度急剧升高, 产生过热现象, 使气缸壁面的油膜遭到破坏, 润滑条件恶化, 导致拉缸甚至引发活塞环断裂。严重时使活塞环和气缸胀死在一起, 产生电机超载, 被迫停车, 或造成烧坏电机、气缸破裂等重大事故。

2.4 活塞环与槽边间隙过大或过小

对于单作用活塞式压缩机, 一般是紧靠气缸的活塞环侧面间隙较大, 其余活塞

环的侧面间隙相应地逐次变小。这是由于第一道活塞环紧接着高温高压的气缸工作腔, 此活塞环受热膨胀后较其他活塞环的膨胀量大, 所以其边间隙相应地要留大点。如果边间隙过小, 活塞环受热膨胀后, 便会卡死在环槽内; 边间隙过大, 会使活塞环在环槽内的左右移动的幅度加大, 环与环槽的撞击力度增大, 造成活塞环的轴向端面与环槽侧面磨损加剧, 最终导致活塞环密封失效, 引发漏气。此外, 活塞环背隙的大小也要适当, 背隙过大容易造成气缸漏气; 背隙过小, 又易使活塞环与环槽底部碰磨或卡死。

2.5 活塞与活塞环的磨损[16]

2.5.1 活塞与活塞环的结构设计不合理

对磨损活塞环的分析后得知, 原因为其设计缺陷, 活塞环的端面上未开泄压槽, 活塞在经过吸气、压缩、膨胀做功和排气几个工作过程中, 活塞环承受背压太高或受力不均, 不能及时泄压, 而促使活塞环发生偏磨。又因惯性力的作用使活塞环在运行时旋转, 导致活塞环与活塞直接磨损。

2.5.2 工艺系统不完善

工艺中再生塔生产出来的干气有一部分回到压缩机二级级间, 因塔中原来的分

子筛强度太低, 易破损, 破损后的粉尘碎粒被干气带入压缩机级间, 进入二级压缩缸, 造成活塞环与活塞的磨损。

2.6 活塞环弹力的影响

活塞环的弹力是保证气缸密封性的主要条件之一。其受到活塞环自由开口宽度、开口热间隙、高宽比及应力等条件的制约。

活塞环的弹力是建立背压的首要条件, 也是保证气缸密封性的必要条件。弹力过

大使环的磨损加剧; 弹力过弱, 气缸密封性能变差, 燃料消耗增加, 积炭严重[17]。因

此在选用活塞环时要首先检查活塞环的弹力是否符合要求。

3 总结

经过一个星期的大量阅读和查询，我对气阀, 活塞环等易损坏部件的结构，功能

及导致压缩机产生故障的原因和解决措施有了初步的认识。

1. 气阀结构中的阀片，弹簧和活塞环因自身的磨损、断裂、刚度下降等和外界

的固体颗粒的阻碍，润滑油的泄露，腐蚀气体等同样能导致压缩机产生各种故障．因此为延长阀片的使用寿命可选择那些抗拉伸、抗弯曲强度更高的非金属材料制作阀片。或根据工作的具体情况来选择特定的阀片，如根据工作介质所含腐蚀性气体的类型及其含量的多少选用相应材质的抗腐蚀性阀片。

2. 活塞环在使用中首先要在压缩温度下, 沿圆周方向的伸缩量来确定合适的开

口间隙，其次要注意它的安装，防止出现对口和与槽边间隙过大或过小等现象。同时要注意活塞环自身和活塞的磨损。

3. 由于压缩机的工作特性：强烈冲击、高温、高压等各易损部件很容易产生老

化和失效。所以对压缩机要定期进行检查和维护，以保持其正常，有效地运行。

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