摘　要：解決竄油與結碳及殘油汙染，必須首先解決竄油問題。通過各種試驗與研究發現，有多種因素造成壓縮機竄油。從研究各種導致竄油因素的機理入手，找出防止（zhǐ）竄油措施，徹底解決了（le）這一（yī）業內難題。
　　1　引言
　　風冷有油潤滑活塞空壓機具有悠久的曆（lì）史，應用範圍（wéi）很廣，尤其在中高壓領域，優勢明顯。這（zhè）類壓縮（suō）機運行溫（wēn）度（dù）較高，如若竄油，就滿足了生成結碳的物理條件。結碳形成後壓縮機就進入了惡性循環狀態：運（yùn）行溫度與能耗均不斷升高，產（chǎn）氣量下降，結碳越來越嚴重，如不及時維修保養，就會導致機（jī）器的嚴重故障甚（shèn）至損壞。所謂竄油，就是潤滑油越過活塞環，竄（cuàn）到活塞頂（dǐng）部壓縮腔內進入氣閥，並進（jìn）一（yī）步流入用戶管網進（jìn）入用氣設備。由於閥頭溫度比較高，進（jìn）入氣閥內部的油Z先碳化形成結（jié）碳，越結越多，甚至堵塞閥孔。為了解（jiě）引起竄油的原（yuán）因，通過（guò）各種試驗與研究，認識竄油的機理，有針對性（xìng）地采取相應措施防止竄油。
　　2　竄油的成因
　　壓縮機（jī）的（de）竄油是由多種因素造成的。
　　（1）對於從大氣中吸取氣體的（de）空壓機（jī），一級吸氣腔在吸氣時產（chǎn）生負壓力（真空度（dù）），而曲軸箱內（油池）是環境大氣壓（常（cháng）壓（yā））。壓力差推動潤滑油上竄（cuàn），越過活塞環進（jìn）入吸氣腔（活塞頂部）。
　　吸氣（qì）腔的負壓大小與吸氣閥的（de）閥隙流速有關，氣流通（tōng）過閥隙的能量損失（shī）與流速的平方（fāng）成正比，故氣閥的（de）閥隙流速增大，則氣流通（tōng）過閥隙（xì）時壓力損失與能量損失均上升，導致吸氣腔負壓（yā）負得更嚴重，容積效率下降，溫度升高，引發竄油。為（wéi）證實吸氣閥的閥隙（xì）流速與（yǔ）負壓竄油的關係，進行如下單因素試（shì）驗：用一台W-1.6/10風冷壓縮機，在主機（jī）額定轉速不變的前提（tí）下，改（gǎi）變吸氣閥的閥隙通流麵積f並按如下公式計算閥隙理（lǐ）論流速： 　　滿載運行8h後，停機打開一級氣缸蓋觀察竄油情況：當v≤24m/s時，活塞頂部無油（yóu）的痕跡；當v接近29m/s時，活塞頂有輕微的油跡（jì）；當v≥32m/s時，手感活塞頂部的油跡明顯，因此將一級吸氣閥的閥隙理論流（liú）速（sù）設（shè）計（jì）在≤24m/s是（shì）合理的。但是，傳統氣閥片平麵布置的回流式結（jié）構氣閥，由於有效麵積利（lì）用率f/F較低，對（duì）於小型空氣壓縮機，通常又無法采用多閥組徑向布置，因此要設計如此低的閥（fá）隙流速（sù），幾乎是不可能的。直流式氣閥的（de）閥片在立（lì）體空間分布，有效麵積利用率遠高（gāo）於回流式氣閥，為此研發成功多邊形管狀直流閥，將一級吸氣閥的理論閥隙流（liú）控製在21~22m/s理想範圍內，不僅解決了負壓竄油現象，由於直流式氣閥的流阻（zǔ）低（dī），效率高，工作壽命超長，使整機能耗和運行溫度有較（jiào）大的下降，產氣量（liàng）有較大的增加。
　　（2）活塞環泵油效應的發現，為解決竄（cuàn）油問題提供了新（xīn）的理論與實踐（jiàn）。在（zài）解決（jué）了一級吸氣閥由於閥（fá）隙流速高導至負壓竄油後，竄油現象仍未消失。在排除了因為氣缸缸徑（jìng）失圓、活塞環（huán）（主要是刮油環）製造缺陷引發竄（cuàn）油等業內共識的因（yīn）素（sù）外（wài），通過試驗研究與分析發現，由於刮油環和活塞環與環槽存在裝配間隙（通常有0.03~0.05mm），以防止工作時活塞環卡死（sǐ）在環槽（cáo）內（nèi）;這個間隙，使一級活塞往複運動時由於（yú）活塞環與氣缸工作麵之間存在摩擦阻力，摩擦阻力的方向（xiàng）總是與活塞運動方向相反，使活塞環在間隙內往返擺動（dòng），向活塞頂部（bù）泵油（yóu）。我們將這一現（xiàn）象稱之為活塞環泵（bèng）油效應，用圖1說明這種泵油（yóu）效應的機（jī）理與過程（chéng）。
　　圖1（a），活塞下行，在起始瞬間活塞環在環槽內相對上（shàng）移，將上間（jiān）隙內的油部分向上推；同時刮油環刮下的油借助（zhù）動壓從（cóng）各環下方間隙流入活塞槽底的間隙裏。槽底的間隙較大，充（chōng）滿了從氣（qì）缸工作麵（miàn）上刮下的潤滑油。
　　圖1（b），活塞上行，各活塞環在環槽內相對下移，將下間隙內的油部分向上推送，也有一部份從下方排出。如此往複（fù）循環，將潤滑油泵至（zhì）活塞頂部，構成了（le）一個低效率的（de）油泵。刮油環外圓為錐（zhuī）體，半錐角通常0.5°左右，下（xià）邊的棱邊形成刮油刃，裝配有方向性，下行依靠棱邊刮油，上行由錐麵布油（yóu），是（shì）泵（bèng）油效應的主要（yào）執行者。刮油環的軸向間隙越大，油泵效應（yīng）越強。因此，克服泵油效應應從減小刮油環與環槽配合間隙著手。為此，進行如下試驗（yàn）（以下簡稱為（wéi）拋油試驗）。 　　移除氣缸蓋、氣（qì）閥板（bǎn），使（shǐ）活塞頂部目測可見。通常開機1.5~3.5min後，從活塞與（yǔ）氣（qì）缸（gāng）配合（hé）麵間隙處向外（wài）拋灑油滴（dī）。刮油環與（yǔ）活塞（sāi）環槽配合間隙（xì）越大（dà），從開（kāi）機至開始拋油的延遲時間越（yuè）短，拋油量（liàng）越大。遲後拋油是因為上竄的油（yóu）要先（xiān）將活塞上（shàng）部的徑（jìng）向間隙填滿，溢出的油（yóu）才能向（xiàng）外拋酒。這證明刮油環的軸向（xiàng）配合間隙大小與竄油量存在近似（sì）正比的關係。但是，如果將刮油（yóu）環（huán）的軸向配合間隙設計得過小，不僅製造困難，而且在運行中容易（yì）卡死。因此隻能將這種間隙控製在生產可以接受的範圍內，而在（zài）刮油環的結構上加以改（gǎi）進，消除這種間隙的有害影響。即將刮油環製成反（fǎn）扭曲型，實現縮小刮油環的軸向配合間隙，甚至間隙幾乎為零而不會（huì）卡死的理想狀態。刮油環的結構多種（zhǒng）多樣（yàng），這裏僅以矩形錐麵刮油環為例（lì）加以說（shuō）明。
　　圖（tú）2（a），是非扭曲刮油環（huán）。外圓呈錐形，高檔刮油環錐體上（shàng）鍍鉻，單邊錐角0.5°左（zuǒ）右，大（dà）端的刮油刃（rèn）經研磨發亮，棱寬0.2mm左右，稱亮邊，裝配時（shí）亮邊向曲軸箱，環（huán）上端麵打印標記，便於識別安裝方（fāng）向。
　　圖2（b），是反扭曲刮油環。在刮（guā）油（yóu）環刮油刃端麵（miàn）內孔口（kǒu）切除（chú）少許（xǔ）材料（切出倒角或沉孔），該（gāi）平（píng）麵（miàn）的剛度被弱化。在工（gōng）作狀態下，亮邊與氣缸壁接觸產（chǎn）生徑（jìng）向（xiàng）壓力，使刮油（yóu）環產生扭曲，其扭曲方（fāng）向使錐（zhuī）角減小，稱反扭曲。反扭曲（qǔ）環的製造工藝將錐角適當做大以彌補反扭曲後的工作（zuò）錐角減小。扭曲（qǔ）環在自由狀態下不發生扭曲變形，隻有在工作狀態下，環的刮油棱邊與氣缸工作麵接觸產生徑向接觸應力後才產生扭曲。 　　如圖3所示，反扭曲（qǔ）刮油環在氣（qì）缸中環和環槽的軸向間隙因（yīn）扭（niǔ）曲而減小，甚至歸零（líng）。由於扭（niǔ）曲環具有彈性，工作中不會卡死。試驗證明，反扭曲比正扭曲刮（guā）油環的抗竄油效果好（hǎo）一些。因為（wéi）反扭曲（qǔ）刮（guā）油環封（fēng）閉了活塞環（huán）與環槽間隙的外口，此部位配件的尺寸精度高，封堵（dǔ）效果好。 　　活塞環泵油效應主（zhǔ）要發生在從環境大（dà）氣吸氣的一級氣缸活塞，二（èr）級以上的氣（qì）缸（gāng）活塞吸進的是前級輸出的壓力氣體，抑製了活塞環在（zài）配（pèi）合間（jiān）隙內的擺（bǎi）動，阻止了泵油效應的形成。但也不能排除活塞高速換向瞬間活塞環的擾動產生（shēng）的泵油效應；同時，為了配件的通用性，各級活塞、刮油環均采同樣的設計是可取的。況且，此舉不會增加製造成本。
　　（3）氣缸的珩磨品質對竄油的影響不容忽視。在拋油試驗中發現，同一活（huó）塞、活塞環組件與不同的氣（qì）缸作拋油試驗，有的氣（qì）缸不竄（cuàn）油，有的氣缸向外拋油嚴重（chóng）。檢查這些氣缸的材質與幾何精度都符合圖紙要求，分析（xī）研究判（pàn）斷是（shì）珩磨品質不良（liáng）造成的。我公司采用深溝平頂網紋珩磨工藝，對網紋的深度、交（jiāo）叉角度及平頂的粗糙度均有嚴格的（de）要求。但配件生產廠家（jiā）不十分理解，因（yīn）為其他壓縮機生（shēng）產廠家都要（yào）求細網紋，認為網紋細比粗（cū）的（de）好。通過拋油試驗與分析研究，弄清了珩磨品質（尤（yóu）其是網紋品質）影響竄（cuàn）油的機理。
　　所謂深溝平頂網紋珩（héng）磨工藝，就是先用較粗粒度的CBN（立方氮化硼）珩磨條粗珩拉（lā）網紋，網紋深度要達（dá）到8μm左右，缸徑珩至尺寸公差下限，網紋清晰，對稱交叉，角度在（zài）45~55°之間無斷紋（wén）、虛線紋、單邊紋；再用較細的中軟（ruǎn）普通碳化矽砂條精珩磨（僅珩除2~3μm），使粗珩的（de）氣缸表麵微觀削峰（在顯微鏡下粗糙表麵凸出的尖峰）拋光，形成平頂，平頂粗糙度要達到Ra0.4。光滑的平頂對（duì）活塞環（huán）形成良好的支撐，有利於減（jiǎn）輕活塞環特別是刮油環的摩擦磨損。為此，用粗（cū）珩未精珩削峰拋光的氣缸與經過精珩的氣（qì）缸做24h對比拋油試驗（yàn），結果是：前者刮油環亮邊擴大一倍（bèi）多，約占環（huán）軸向高的1/4；後（hòu）者（zhě）的亮邊無明顯變化。刮油環的棱刃磨損後寬度變（biàn）大，對氣缸壁的壓強（qiáng）下降，刮油效果變差，當棱（léng）邊寬度擴大到環的軸向高度2/3時（shí），刮油能力幾乎喪失（shī）殆盡，這時必須（xū）更換活塞環，否則竄油嚴重。
　　網紋的溝槽與交叉結點內儲存（cún）潤滑油，增加密封（fēng）效果，減低摩擦磨損，大大延長了活塞環的工（gōng）作壽命，同時有（yǒu）效抑製了（le）竄油。
　　深溝平頂網紋抑製竄油（yóu）機理，除了減少活塞環特別是（shì）刮油環的摩擦磨損，從而抑製竄油外，深溝吸油的機理，至今鮮（xiān）為人知。有人總覺得油會順著深溝上竄，所以（yǐ）要求（qiú）細網紋，這與試驗結果不符。在（zài）拋油試驗中，網紋過細的氣缸都（dōu）竄（cuàn）油，重（chóng）新珩磨拉粗網（wǎng）紋再試，竄（cuàn）油（yóu）現（xiàn）象（xiàng）消失。這是因為活塞（sāi）下行，刮油環刮油時，不僅刮除附著在氣缸壁表（biǎo）麵的油，由於潤滑油表麵張力作用，溝槽內儲存的潤滑（huá）油也被刮走一部（bù）分；活塞上行布油時被溝槽回收，並且在錐麵與速度作用下（xià），形的較強的動壓，油被壓入溝槽使深溝的吸油作（zuò）用得到增強，而溝槽（cáo）過細（xì）的網紋這種吸油的功能弱化，深溝平頂網紋的吸油作（zuò）用，有效抑製潤滑油（yóu）上竄。
　　在大量生產中，如汽車發動機、柴油機的氣缸套的珩磨，采用高精度的有兩組珩磨砂條的可實現自動化的複合珩磨頭。粗珩時，粗珩條自動伸出，粗珩（héng）拉網紋，珩至缸徑尺寸公差下限值時自動切換（huàn），粗（cū）珩條退回，精珩（héng）條（tiáo）自動彈出，精珩，削（xuē）峰拋光。珩磨機具有自動測量與自動控製（zhì）功能，粗、精珩實（shí）現自動化。但是，壓（yā）縮機是中小批輪番生產，氣缸的珩磨不可能采用如此昂貴的設備。我們利用現有的設備，采取分批粗、精珩磨人（rén）工（gōng）控製的傳統方法。即先用120#CBN珩條粗（cū）珩，拉網紋（wén），缸（gāng）徑珩至尺寸（cùn）公差下限，這時網紋清晰，對稱交（jiāo）叉角（jiǎo）45~55°，手感粗糙；再換精珩磨頭，珩磨（mó）砂條粒度為400#中軟碳化矽。新（xīn）裝砂條的精珩磨頭，必須先（xiān）預珩待砂條完全磨合後（hòu）才能用於（yú）精珩。精珩時，手動加壓（yā）要（yào）輕柔，上下來回4次（cì）即可，珩切餘量在直徑（jìng）上（shàng）約（yuē）2~3μm。這時（shí），缸麵手（shǒu）感（gǎn）光滑似鏡麵，網紋更清晰。為此，編製了珩磨操作要領，培訓操作人員，保證了珩磨品質的穩定，確保每台壓縮機的低油耗。
　　（4）活塞環（特別是刮油環）的品質和配置，對竄油有直接（jiē）影響。
　　采用高品質微孔鍍鉻活塞環的高檔配置，是防止竄油的重要措（cuò）施。對於從環境大氣吸氣（qì）的一級（jí）活塞，本公司采用配比為（wéi）1：2：2。即：一道為（wéi）鍍鉻桶狀氣環，起密封作用；2~3道（dào）是鍍鉻（gè）錐麵反扭曲刮油環，用於精刮油兼具有密封功能；4~5道采用雙鋼帶組合刮油環，粗刮油效果良好。對壓力較高的壓（yā）縮級，按設計準（zhǔn）則計算（suàn），增加氣（qì）環的數量。這樣的高檔（dàng）配置與（yǔ）前述的措施相結合，使油耗超常低。例如，W-1.6/10，實測油耗為1.9g/h；S-2.0/40中壓機，實測（cè）油耗2.5g/h；S-0.6/350高（gāo）壓機，實（shí）測油耗2.8g/h。尚愛公司（sī）設計製造（zào）的各種小型機的實測油耗都約JB/T10683-2006標（biāo）準規定允許數值的5%，同時也延長了壓縮（suō）機的（de）工作壽（shòu）命。當然，氣缸的材質（zhì）與耐磨性也很重要，一旦網紋磨（mó）損消（xiāo）失，失去儲油構造，也會導致竄油。這在（zài）業內早有共識，這裏（lǐ）不（bú）再贅述（shù）。
　　3　結語
　　為解決小型風冷（lěng）卻有油潤滑空氣壓縮機竄油、結碳的問題，本文提出（chū）以克服竄油為（wéi）突破（pò）口，尋找引起竄（cuàn）油的各種因素，通過單因素試（shì）驗與研究分（fèn）析，弄清各種因素導（dǎo）致竄油的機理，采取相應措施消除竄油問題。對於一級氣缸活塞負壓竄油現象，設計低閥隙流速，低流阻，高效節能的直流式氣閥，不僅克服（fú）了負壓竄油（yóu），還降低了能耗與溫升，提高了產氣量（liàng），一舉（jǔ）多得；對（duì）於活（huó）塞環軸向裝配間隙引（yǐn）發的泵油效應，采用反扭曲刮油環，並適當控製裝配間隙，封堵竄油通道，抑製了泵油效（xiào）應；深溝平頂網紋珩磨工藝的嚴格實施，解決了由於珩磨網紋品質不穩定引起的竄油（yóu），減少摩擦磨損，延長了配件使用壽命；采用高檔配置的活塞環組合（hé），鞏固與發展了（le）上述研究（jiū）成果實用效果，全麵提升了整機的性能。高溫是結碳形成的物理條件，油是結碳生成的（de）物質基礎。因此（cǐ），降低氣閥及整機運行溫（wēn）度和能耗的措（cuò）施，與防止竄油的（de）設計相結合，兩（liǎng）者對高品質的小型風冷有油潤滑空氣壓縮機都是（shì）不可或缺的。在本公司設計製造的低、中、高壓係列（liè）小型風冷有油潤滑壓縮機上，這些措（cuò）施均已（yǐ）實現，高溫、竄油、結碳問題都已得（dé）到解決（jué）。但是（shì），由於本文的重點是研究與克服竄油問題，對節（jiē）能降溫未展開探討。