大型往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭瓦潤(rùn)滑特性分析

焦文讓，葛廣新，閆成

（克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834003）

大型往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭瓦潤(rùn)滑特性分析

焦文讓，葛廣新，閆成

（克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834003）

從大型往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭瓦的受力情況和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，分析連桿小頭瓦與十字頭銷之間的潤(rùn)滑特點(diǎn)，為大型往復(fù)式壓縮機(jī)的使用、維護(hù)保養(yǎng)和故障的處理提供經(jīng)驗(yàn)。

往復(fù)式壓縮機(jī)；連桿小頭瓦；十字頭銷；潤(rùn)滑

0 前言

往復(fù)式壓縮機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，分為與壓縮氣體直接接觸的內(nèi)部潤(rùn)滑和與壓縮氣體不相接觸的外部潤(rùn)滑兩種。內(nèi)部潤(rùn)滑系統(tǒng)主要指汽缸內(nèi)部的潤(rùn)滑、密封與防銹、防腐；外部潤(rùn)滑系統(tǒng)則是運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑與冷卻。通常在大型往復(fù)式壓縮機(jī)的外部潤(rùn)滑，也叫運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑，除了減少運(yùn)動(dòng)部件各軸承及十字頭導(dǎo)軌等摩擦表面的磨損與摩擦功率消耗外，還起到冷卻摩擦表面及帶走摩擦下來的金屬磨屑作用，是往復(fù)式壓縮機(jī)能夠正常運(yùn)行的先決條件。所以，壓縮機(jī)外部潤(rùn)滑情況是否良好是壓縮機(jī)正常運(yùn)行關(guān)鍵。大型的往復(fù)式壓縮機(jī)，外部潤(rùn)滑主要包括曲軸與支撐瓦、曲軸與連桿大頭瓦、十字頭銷與連桿小頭瓦、十字頭與滑道之間的潤(rùn)滑。其中，曲軸與支撐瓦和連桿大頭瓦之間主要為回轉(zhuǎn)元件的潤(rùn)滑，十字頭滑道則是平面潤(rùn)滑，所以對(duì)于油膜的建立等都比較容易。而十字頭銷與連桿小頭瓦之間的運(yùn)動(dòng)并不像轉(zhuǎn)軸在軸瓦中單方向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是以連桿小頭中心為基準(zhǔn)以某一角度周期性地上下擺動(dòng)，而且承受不同方向的交變載荷，所以該部位的潤(rùn)滑非常難以保證。因此，在大型的往復(fù)式壓縮機(jī)中也常常容易出現(xiàn)連桿小頭瓦燒損的情況。本文以DW、MW系列往復(fù)式壓縮機(jī)為例，結(jié)合日常檢修經(jīng)驗(yàn)，介紹連桿小頭瓦潤(rùn)滑特點(diǎn)。

1 大型往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭瓦潤(rùn)滑方式

大型的往復(fù)式壓縮機(jī)組外部潤(rùn)滑基本都采用強(qiáng)制潤(rùn)滑，就是利用油泵增壓將潤(rùn)滑油通過傳動(dòng)部件上設(shè)置的油孔油路送到各潤(rùn)滑點(diǎn)。潤(rùn)滑油路系統(tǒng)主要由濾油器、潤(rùn)滑油冷卻器、潤(rùn)滑油泵（一般用齒輪泵）、油管、壓力表和壓力調(diào)節(jié)閥組成。潤(rùn)滑油流動(dòng)的路線是：油箱→粗濾油器→齒輪泵→油冷卻器→濾油器→曲軸中心孔→曲柄銷和連桿大頭瓦的配合面→連桿中心孔→連桿小頭瓦和十字銷配合面→十字頭滑軌→油箱，其油壓的大小可通過油壓調(diào)節(jié)閥來控制。強(qiáng)制潤(rùn)滑最主要的就是要保證足夠的油壓，一般油壓都保證在0.2～0.4 MPa，同時(shí)還要保證各油路暢通，由于機(jī)組的油路比較復(fù)雜，不是完全通過油管線給各部位供油，潤(rùn)滑油必須依次通過曲軸、連桿中設(shè)計(jì)的油孔再到十字頭，屬于串聯(lián)的潤(rùn)滑形式，所以油路中的每個(gè)環(huán)節(jié)有問題對(duì)其他各部位的潤(rùn)滑都會(huì)有很大的影響，因此要保證往復(fù)式壓縮機(jī)的良好潤(rùn)滑，首先必須確保潤(rùn)滑油壓穩(wěn)定，油路暢通。

2 連桿小頭瓦的承載及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

一般大型往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭都選用的是滑動(dòng)襯套，常見的有銅套瓦和鋼殼巴氏合金瓦，小頭瓦面分布有油槽，以保證小頭瓦與十字頭銷之間的潤(rùn)滑。但是由于連桿小頭瓦與十字頭銷之間不是連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以又和常見的回轉(zhuǎn)式軸瓦有所區(qū)別。對(duì)于雙作用的往復(fù)式壓縮機(jī)，連桿小頭瓦和十字頭銷間的運(yùn)動(dòng)如圖1所示，該運(yùn)動(dòng)并不像轉(zhuǎn)軸在軸瓦中單方向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是以連桿小頭中心為基準(zhǔn)以某一角度β周期性地上下擺動(dòng)。從圖示的關(guān)系可以看出，擺動(dòng)角β的大小取決于曲軸回轉(zhuǎn)半徑r和連桿長(zhǎng)度l。曲軸旋轉(zhuǎn)一周，連桿小頭瓦和十字頭銷間的載荷大小、方向都在隨旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。當(dāng)連桿處于水平位置時(shí)小頭瓦A，B處受力最大。因此，可以將連桿小頭瓦和十字頭銷間的潤(rùn)滑工況看成是動(dòng)載作用下的擺動(dòng)油膜軸承。

圖1 連桿小頭瓦運(yùn)動(dòng)狀況分析圖

根據(jù)雙作用往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行和做功的特點(diǎn)，連桿小頭瓦的承載方向主要是在擺動(dòng)角范圍內(nèi)進(jìn)行周期性的變化，與十字頭與曲軸的相對(duì)位置有關(guān)，按照?qǐng)D1所示位置關(guān)系，連桿小頭瓦承載方向基本都是在中心線以下的擺動(dòng)角范圍內(nèi)，相應(yīng)的連桿小頭瓦與十字頭銷的相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向也在周期性的變化，圖2所示是曲軸旋轉(zhuǎn)一周連桿小頭瓦承載及旋向的變化情況。其中，圖2a所示為壓縮機(jī)活塞向氣缸內(nèi)止點(diǎn)壓縮做功的過程，連桿主要承受拉力，所以小頭瓦處受到十字頭銷的一個(gè)相反方向的力，力的方向沿連桿體方向隨連桿的運(yùn)動(dòng)而變化；圖2b所示為壓縮機(jī)活塞向氣缸外止點(diǎn)壓縮做功的過程，連桿主要承受壓力，小頭瓦處同樣會(huì)受到十字頭銷的一個(gè)反方向的力，力的方向沿連桿體方向隨連桿的運(yùn)動(dòng)而變化。另外，壓縮機(jī)運(yùn)行過程中活塞經(jīng)過內(nèi)外止點(diǎn)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，所以連桿小頭瓦處還會(huì)受到瞬間的沖擊作用。所以，不斷變化的載荷和旋轉(zhuǎn)方向以及不斷的沖擊作用，連桿小頭瓦處也就無法產(chǎn)生連續(xù)的油膜。所以每次載荷方向改變后需要重新迅速的建立起油膜才能保證良好的潤(rùn)滑，而要保證油膜能夠迅速建立，就要通過調(diào)整瓦間隙來減小沖擊作用，同時(shí)也要保證潤(rùn)滑油量油壓的穩(wěn)定。因此，從這一點(diǎn)來分析，連桿小頭瓦的潤(rùn)滑情況比普通的滑動(dòng)軸承要復(fù)雜的多。

圖2 連桿小頭瓦各運(yùn)動(dòng)過程承載變化情況

3 連桿小頭瓦油膜的形成特點(diǎn)

對(duì)于大型往復(fù)式壓縮機(jī)，由于其轉(zhuǎn)速比較低，一般在300～400 r/min左右，再加上連桿小頭瓦處特殊的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和周期性不斷變化的承載情況，所以連桿小頭瓦與十字頭銷之間的油膜非常難以建立。但是在實(shí)際運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生一些油膜，卻仍然避免不了連桿小頭瓦與十字頭銷直接接觸的情況。因此為了最大程度的減少連桿小頭瓦與十字頭銷之間的干摩擦，在設(shè)計(jì)中都會(huì)在小頭瓦表面分布一定數(shù)量的油槽，通過多道油槽，在十字頭銷和連桿小頭瓦表面建立多個(gè)小油楔，從而有助于油膜的形成。所以，連桿小頭瓦設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其擺動(dòng)角的大小來設(shè)置油槽的分布形式和分布數(shù)量，一般大型往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)在確保連桿小頭瓦本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在擺動(dòng)角范圍及附近設(shè)置1～2道徑向油槽，這樣才有助于形成油膜。同時(shí)在連桿小頭瓦中間設(shè)置周向油槽來分布潤(rùn)滑油，以保證各油槽都有足夠的潤(rùn)滑油量，同時(shí)周向油槽也能將一個(gè)連續(xù)的油膜分解成兩個(gè)，這樣就能在一定程度上減輕連桿瓦與十字頭銷之間的間隙不均勻?qū)τ湍そa(chǎn)生的不良影響，提高油膜建立的穩(wěn)定性（圖3）。

另外，根據(jù)滑動(dòng)軸承的油膜理論，油膜的強(qiáng)度與瓦的寬徑比B/d有很大關(guān)系，B/d越小，相應(yīng)的軸瓦的端面的泄漏量就會(huì)增加，摩擦功耗和溫升下降，軸頸與軸瓦邊緣接觸減輕，但是瓦的承載能力卻會(huì)下降。所以一般高速輕載軸承，B/d應(yīng)取小值，低速重載軸承，B/d應(yīng)取大值。大型往復(fù)式壓縮機(jī)由于負(fù)荷都比較大，所以連桿小頭瓦處的寬徑比都比較大，因此確保連桿小頭瓦與十字頭銷之間各部分配合間隙相等，接觸點(diǎn)均勻致關(guān)重要。如果連桿小頭瓦與十字頭銷的間隙各處不是很均勻，那么壓縮機(jī)運(yùn)行期間，連桿小頭瓦處將可能無法產(chǎn)生理想的油膜，也就起不到很好的承載作用，可能造成大面積的干摩擦，引起連桿瓦、十字頭銷燒損。4往復(fù)式壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油量

圖3 小頭瓦油槽分布對(duì)比

由于連桿小頭瓦承受非常大的交變載荷，所以在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中就會(huì)產(chǎn)生非常大的熱量，這就要求有足夠量的潤(rùn)滑油量循環(huán)帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。一般來說，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中十字頭部位運(yùn)動(dòng)部件摩擦功率損失約為30%。據(jù)此，導(dǎo)去運(yùn)動(dòng)部件全部摩擦熱所需的循環(huán)油量Q0可計(jì)算如下。

式中Q0——循環(huán)油量，L/min

N——壓縮機(jī)軸功率，kW

ηm——壓縮機(jī)機(jī)械效率

ρ——潤(rùn)滑油密度，kg/L

c——潤(rùn)滑油比熱，J/kg·℃

Δt——潤(rùn)滑油溫升，一般取Δt=15～20℃按照正常的情況，按式（1）由導(dǎo)去全部摩擦熱計(jì)算所需油量已足夠滿足潤(rùn)滑的要求，但對(duì)于某些具有較多列數(shù)或較多潤(rùn)滑部位的壓縮機(jī)，由于各部分阻力和間隙處泄漏的影響可能造成局部潤(rùn)滑不足，這種情況下還應(yīng)適當(dāng)增加潤(rùn)滑油的循環(huán)量。

5 結(jié)語

根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭特殊的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及小頭瓦潤(rùn)滑的特性，其連桿小頭瓦徑向間隙、軸向間隙以及小頭瓦油槽的合理布置是保證連桿小頭瓦正常潤(rùn)滑的關(guān)鍵。連桿小頭瓦裝配時(shí)必須進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量修配，保證各部間隙均勻；小頭瓦油槽分布也應(yīng)充分考慮連桿擺動(dòng)角的大小，保證擺動(dòng)角范圍有1～2道油槽，以助于壓縮機(jī)運(yùn)行過程中連桿小頭瓦油膜的建立。

在大型往復(fù)式壓縮機(jī)連桿小頭瓦的故障處理中如果能夠充分考慮上述的一些因素，就會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的故障排除提供非常大的幫助。

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〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.43