論提高填料使用壽命的冷卻措施

戴安俊，凌永驤，盧 云

（1.上海交通大學(xué)，上海 201101；2.托格（上海）壓縮機(jī)有限公司，上海 200949；3.沈陽(yáng)空氣壓縮機(jī)制造有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 引言

填料是阻止氣缸內(nèi)氣體自活塞桿與氣缸之間泄漏的組件，對(duì)填料的基本要求是密封性能良好、并耐用。

填料的密封原理：是利用阻塞和節(jié)流兩種作用的組合，是動(dòng)密封。填料元件由內(nèi)緣和活塞桿相配合阻塞氣流軸向泄漏。填料與活塞桿表面的接觸處，應(yīng)有初始力，此力由填料外緣彈簧緊箍著，在工作過(guò)程中，填料的外緣面上有從氣缸泄漏來(lái)的有壓介質(zhì)作用，從而給活塞桿表面產(chǎn)生壓力。

填料的結(jié)構(gòu)分為：它緊式和自緊式。即它緊式填料當(dāng)磨損后，需人工擰緊壓板，使其再次貼緊活塞桿；自緊式填料磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償。填料主要有平面（見(jiàn)圖2） 和錐面（見(jiàn)圖3） 兩類(lèi)。

筆下簡(jiǎn)述平面填料密封機(jī)理：平面填料是由2塊平面元件構(gòu)成，其與填料盒組成一組密封組件，氣缸一側(cè)的一塊由3瓣組成，背離氣缸一塊由6瓣組成，每一塊外緣繞有螺旋彈簧，僅起預(yù)緊的作用，3瓣縛于活塞桿上時(shí)切口仍留有間隙，3瓣的徑向切口需與6瓣的切口相錯(cuò)開(kāi)，利用3瓣的填料從軸向擋住6瓣的徑向切口，阻止氣體軸向的泄漏。3瓣填料元件徑向切口，由6瓣所蓋住，以阻止氣體沿徑向泄漏，3、6瓣的徑向切口都具有一定的間隙，以便內(nèi)緣磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償。

2 數(shù)學(xué)表達(dá)式

填料泄漏量可用下式表示：

圖1

式中 δ——密封件內(nèi)表面與活塞桿的徑向間，m

d——活塞桿直徑，m

Δp——密封件前后氣體壓力差，Pa

η——?dú)怏w的動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s

L——密封件長(zhǎng)度，cm

上式表明：

（1） 填料的泄漏量與δ2成正比例，δ值是影響氣體泄漏的主要因素；

（2）氣體的動(dòng)力粘度系數(shù)η值增大，泄漏量降低，故填料注油時(shí)減少泄漏是有益的；

（3） 減少密封件前后氣體壓力差，則使泄漏量下降；故在填料組件前增設(shè)均壓環(huán)（節(jié)流環(huán)）能有效的減少壓力差，并穩(wěn)定氣流流動(dòng)。

3 冷卻措施

為了改善填料的工作條件，提高壽命，填料需要良好的冷卻，以導(dǎo)走密封元件和活塞桿的摩擦熱及氣體帶來(lái)的熱量，無(wú)注油點(diǎn)填料塑料件的冷卻更為重要。

眾所周知，在有十字頭的往復(fù)壓縮機(jī)中，填料是易損件之一，它與活塞環(huán)、氣閥等易損件一樣，決定了壓縮機(jī)的使用投資，是不可或缺的因素之一。其他諸如油耗、電耗、維護(hù)暫不論述，僅就提高填料的使用壽命冷卻措施論述如下：

圖2

圖3

各種填料在使用時(shí)都有一種預(yù)緊過(guò)程，即填料緊貼活塞桿表面。因此填料與活塞桿之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，進(jìn)而先熱，此熱量必須及時(shí)導(dǎo)出，否則高熱量會(huì)導(dǎo)致活塞桿表面及填料損壞，喪失功能而停機(jī)，這些是人們必須設(shè)法避免的。填料的冷卻技術(shù)，隨著社會(huì)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，其冷卻措施有一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，如低壓的動(dòng)力用空壓機(jī)，其填料為金屬（或鐵基粉末冶金） 材料制成，且無(wú)填料盒，只在氣缸座上設(shè)置有填料腔，供裝填料用，在填料腔壁的外則與冷卻水腔的水相接（見(jiàn)圖 4）。

圖4

對(duì)中壓及以上密封壓力填料和自潤(rùn)滑材料制成的填料，由上述方法來(lái)冷卻填料，深感不足，即在填料盒上軸向打孔，用專(zhuān)用冷卻水來(lái)冷卻填料，低溫的冷卻水由填料壓蓋下方引入，通過(guò)填料盒底部靠近氣缸壓縮腔（圖5）軸向折回?cái)?shù)次，最后由填料壓蓋上部流出，此冷卻水的溫差不大，僅僅幾攝氏度。現(xiàn)其冷卻效果仍不明顯，人們?nèi)杂袑?duì)冷卻措施的追求，這就是發(fā)展到的第3代冷卻措施，如圖6所示。

圖5

縱觀第1、2代的冷卻措施，其冷卻處都在填料熱源點(diǎn)的遠(yuǎn)郊，冷卻不得要領(lǐng)，效果不佳，如圖7所示。

圖6

圖7

在填料和被水冷卻的填料盒之間存在間隙δ、δ1和Δ，其間充滿(mǎn)有壓的熱氣，此氣的導(dǎo)熱性極差，故冷卻不到填料，冷卻效果不佳，至于活塞桿和填料摩擦的熱源冷卻，可用活塞桿內(nèi)冷卻來(lái)解決，這不是填料的冷卻措施，因活塞桿的內(nèi)冷卻（油冷卻） 與填料冷卻時(shí)，各行其道，在此不論述。

第3代的填料冷卻措施見(jiàn)圖7。圖示隔板與前一盒中的填料接觸，此時(shí)隔板受其右側(cè)室中冷卻劑冷卻，冷卻劑的進(jìn)口溫度最佳時(shí)為小于35℃，其溫升預(yù)計(jì)可達(dá)10℃以上，顯而易見(jiàn)冷卻的位置在關(guān)鍵點(diǎn)上，故冷卻效果是明顯的，所以能冷卻填料。環(huán)形室中的冷卻劑（水） 還能冷卻由氣缸壓縮容積串出來(lái)的有壓高溫介質(zhì)。另外，將活塞桿內(nèi)冷和本節(jié)第3代填料冷卻措施并用，定會(huì)取得更佳的提高填料使用壽命的效果。

綜上所述，該填料的冷卻措施將大大降低填料的熱負(fù)荷，以達(dá)到追求的目的之一。

4 填料組數(shù)選取

在填料的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常根據(jù)活塞環(huán)直徑的大小及密封介質(zhì)壓力的高低，選取一定數(shù)量的填料，按填料盒裝一組填料元件計(jì)，填料盒（組數(shù)）數(shù)宜少不宜多，從其密封機(jī)理看，選定的填料數(shù)，并非同時(shí)起密封作用，而是前3組填料起到密封80%以上介質(zhì)壓力。后面組數(shù)填料作為替補(bǔ)者，已達(dá)到整個(gè)填料的使用壽命，寧可在填料的前端，靠近氣缸壓縮容積處設(shè)置均壓圈來(lái)減少填料承受過(guò)大的壓力脈沖，比多設(shè)置填料組數(shù)來(lái)的效果大。如果密封壓力為常數(shù)，則會(huì)較快泄壓，不能密封了，但此壓力的變化值又不能過(guò)大，否則造成填料在填料盒中的跳動(dòng)。這就是均壓圈存在的必要性，否則將喪失。

填料盒組數(shù)越多其產(chǎn)生的摩擦熱量（力） 也就越大，這給組填料的冷卻帶來(lái)更大的難度，任何情況下，以填料組數(shù)不超過(guò)7組或7個(gè)填料盒為宜，但是如果冷卻措施得當(dāng)，則填料盒數(shù)在8～9盒組為極值。所提高的使用壽命與其結(jié)構(gòu)的實(shí)施有一個(gè)最佳平衡點(diǎn)，否則將得不償失（圖8）。

圖8

圖9

圖9壓力由p1降為p0（圖示不按比例），p0約等于環(huán)境壓力或稍高些（可按放空管路）。作用于活塞桿表面上力pi，在填料區(qū)內(nèi)則產(chǎn)生摩擦力，從而產(chǎn)生熱量，這是本文的特別關(guān)注點(diǎn)。填料盒越多則產(chǎn)生熱量越大，其長(zhǎng)度應(yīng)小于、等于行程長(zhǎng)度最佳。但是高壓填料較難滿(mǎn)足這一要求，但可在其中段充入低溫的該級(jí)吸氣壓力來(lái)減少pi與p0的壓差，此時(shí)還能降低填料內(nèi)的溫度，將改善該填料的惡劣工況。當(dāng)小于行程長(zhǎng)度時(shí)，活塞桿上有一段會(huì)伸入氣缸內(nèi)和均壓區(qū)內(nèi)，受吸氣過(guò)程較低溫度介質(zhì)冷卻作用而降溫，這有利于填料冷卻劑導(dǎo)出熱負(fù)荷的減少，特別是非金屬（塑料） 材質(zhì)填料元件的溫升降低，而不致發(fā)生“冷流”現(xiàn)象，這也就提高了填料的使用壽命。

在填料區(qū)內(nèi)，如圖9所示，當(dāng)靠均壓圈的幾組填料失效后，pi見(jiàn)虛線(xiàn)所示至L點(diǎn)，如在此處，充入較低溫的該級(jí)吸氣壓力，（如圖中網(wǎng)線(xiàn)區(qū)），則L點(diǎn)將不再繼續(xù)右移，此時(shí)的本填料即為上一級(jí)填料同樣的密封壓力，則此可不計(jì)入高壓填料了，問(wèn)題可好解決的多，即將高壓填料演化成中低壓填料了，其壽命會(huì)大大提高。

鑒于上所述，填料所泄漏的介質(zhì)為“內(nèi)漏”，只是重新返回吸氣口在壓縮，不是浪費(fèi)介質(zhì)或排入大氣，污染環(huán)境。

第3代填料，經(jīng)對(duì)填料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新后，將適用于中低壓密封填料（<10 MPa） 成功地應(yīng)用在密封25 MPa的CNG加氣站用增壓壓縮機(jī)上，實(shí)踐證明僅用了7組密封盒（填料），填料材質(zhì)為非金屬材質(zhì)，從而打破了高壓密封需采用“T”型填料的歷史，并論證了平面填料在低、中、高壓密封場(chǎng)合是有條件適用的。由此可見(jiàn)，對(duì)填料進(jìn)行充分冷卻，是提高填料使用壽命的關(guān)鍵所在。

5 結(jié)語(yǔ)

填料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用等諸多環(huán)節(jié)串接在一起時(shí)，可以論述成一門(mén)藝術(shù)，在一定的時(shí)間段，不可能一勞永逸，應(yīng)不斷的追求更高的目標(biāo)。

[1] 郁永章.往復(fù)活塞壓縮機(jī)技術(shù)講座[R].西安交通大學(xué).

[2]“活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)”編寫(xiě)組.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)[M].西安：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3] 郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].西安：機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 壓縮機(jī)教研室編.活塞式壓縮機(jī)[M].西安：西安交通大學(xué).