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无油润滑压缩机发展历史及存在的问题
来源:管理员  加入时间: 2013-7-10  返回

 
无油润滑压缩机发展历史及存在的问题

一、六十年代与世界同步研制出中国第一代填充聚四氟塑料环无油压缩机

     我国最早从事填充聚四氟乙烯环无油润滑压缩机的研制工作是沈阳气体压缩机厂和中国科学院兰州化学物理研究所。自1964年起开展对压缩机的活塞环、浮动环、密封圈和导向套等自润滑材料的试验研究工作。1965年8月,国家科委在沈阳举行了科研成果鉴定会,参加会议有三十余家研究单位和大专院校专家,沈阳气体压缩机研究所发表了研制工作报告“塑料活塞环无油压缩机的低压试验总结”和中国科学院兰州化学物理研究所研制工作报告“填充含氟塑料的磨擦磨损性能及其作为气缸无润滑压缩机活塞环之研究”第一报、第二报。报告全部以机密加印发放。会议未邀请压缩机制造厂参加。
      沈气所研制工作报告侧重于压缩机无油结构,兰州化学物理所侧重材料配方及工艺,本人则参与了全过程的研制工作,从参与配方、工艺的全过程研制,同时还自力更生自制设备如烧结炉等的设计制造。沈气所选用2Z-4.5/25型空压机改制试验机,该机为立式两列,行程S=170,转速330r/min,根据当时对无润滑的定义,就是气缸中的活塞环和填料中的密封环是采用自润滑材料代替原金属材料,它无须加注压缩机油润滑,可以保证输气绝对不含油和油雾。为此,需防止曲轴箱的油和油雾沿活塞杆爬进填料和气缸,在无参考资料的情况下,采用了在十字头处加钢管将活塞杆置于钢管中,钢管带外沿帽的结构,后从刚进口的迷宫式压缩机中学到采用新结构青铜材质的刮油环及将接筒和活塞杆加长相当于1.5倍行程,这样以确保机身润滑油不会沿活塞杆爬进填料和气缸。沈气所为无油润滑压缩机在结构方面、选材方面进行多方面的创新研究。
   

 二、国家科委十分关注我国无油润滑压缩机的发展
     在完成课题研究之后,1965年末沈气厂成功地试制了三台2Zw-14/3-5.4型无润滑氨气压缩机,该机作为5013工程从氨水中提炼重水使用,二台2Zw-7/8型空气无润滑压缩机用于北京化工实验厂仪表控制使用,并开始试制Z5.5-6/6型迷宫式压缩机供给北京维尼伦厂使用。通过课题研究成果发表会之后,尤其是登报之后,许许多多的压缩机设计、制造、使用、研究单位及高等院校纷纷参与无油压缩机的开发研制,及填充聚四氟乙烯材料这研究。国家科委技术科学学组根据1966年2月24日在上海召开的“固体自润滑高聚物材料工作协调会议”决定,由中国科学院兰州化学物理研究所组织有关单位开展气体压缩机气缸无油润滑的调查与研究协调工作,由国家科委技术科学学组、兰州化学物理所、沈气所、兰州化肥厂、上材所、西安交大等十六个单位组成。对表三中的单位进行如下调研。
      此次协调会对一九六五年成果发表会进一步进行肯定和总结,同时参观了抚顺石油二厂首次进口的意大利新比隆公司的石墨环和塑料环无润滑压缩机,参观了大连冷冻机厂、上海塑料研究所和上海材料研究所,有关氟塑料成型加工及性能测试及轴承材料的研究和性能测试设备。
      沈气厂和沈气所在低压塑料环无润滑压缩机研究成果的基础上开展了对高压和全无油润滑的研制工作。一是将高压填料试验机改为无油试验机,二是利用2Z-0.9/5型空压机改为全无油试验机。三是为喷气织布机提供无油洁净气源。此三项工作均已开展,如高压填料试验机考虑尽可能减少磨擦面积和磨擦热,将T型密封填料改为三、六瓣平填料密封另加三瓣无间隙环作为阻流环,组成一组密封填料,一共采用6组高压填料。并已经注意到高压填料密封必须高度重视其磨擦热的导出,并决定将活塞杆中间打油孔直接通入压力油冷却。对化工部大连化工厂调研,大化厂介绍了在工艺设备流程中所采用的压缩机实现无润滑的意义及所作5(-3/285-320型高压氮氢气循环机填料密封采用五种材料、六种结构、九次试验的情况。从大连化工厂对5(填料无油改造的九次试验失败说明“T”型结构不适应于高压填料密封;必须高度重视磨擦热的导出。调研组肯定了平填料结构适用于无润滑。塑料密封环运转过程有磨损,必须考虑自动补偿,并提出用粉末冶金浸渍Du材料作为阻流环;应考虑留有足够的间隙以适应热膨胀系数大;为减轻对第一道密封环的压力,应考虑设置节流环,以分散气流减轻对第一道密封环的冲击。对于磨擦热的导出提出了两种冷却装置,一种是填料盒的冷却装置,一种为活塞杆通油冷却,并认为活塞杆通油冷却由于直接冷却磨擦表面其导热效果更佳;此外对活塞杆跳动提出解决制造和安装中注意同轴度至关重要。对上海大隆机器厂主要考察氯气压缩机,该压缩机用在电化厂制造液氯,氯气是剧毒气体,是制造农药的好原料。国外常采用低压法,用离心式压缩机压至3.5kgf/cm²,在-15℃实现氯气的液化。也有用活塞式压缩机,水冷却就可以得到液氯。如用纳氏来获得则需-25℃的制冷设备。氯气在潮湿时腐蚀性特别强,仅镍、哈氏特合金、钽、聚四氟乙烯和聚三氯乙烯能抵抗。干燥氯气在常温下腐蚀很小,但到400°F(204℃)能使钢板汽化,故要解决防腐材料,且使其工作温度在300°F(149℃)以下往复式压缩机采用迷宫式、气缸采用合金铸铁,气缸套用Cr18Mn10Ni5Mo3,活塞杆采用38CrMoAl氮化,Hv≥900,并在表面喷镀Ni或三氟氯乙烯。凡需要密封的地方均加聚三氟氯乙烯薄膜密封垫。
      杭州制氧机厂在无润滑方面较早地开展了工作,石墨环压缩机是该厂首制成功,1963年又开展了迷宫式压缩机设计,调研期间该厂正在总装调试供气量360NM?3/h,进气压力为常压,排压为11kgf/cm²,转速580r/min,其迷宫密封圈是哈尔滨电碳厂提供的石墨环制成的,并正在开始研制填充含氟塑料环无润滑氧气压缩机
      调研组并对国内自润滑材料进行了总结,国内从事固体自润滑材料的研究单位,有中国科学院兰州化学物理研究所、上海有机化学所、长春应用化学所、上材所、上塑所、北京化工研究院等。推荐填充氟塑料、石墨、尼龙、聚酰亚胺、石墨纤维等材料。当时国内生产聚四氟乙烯通过国家鉴定有中国科学院有机化学所、上海合成橡胶研究所,此外还有锦州化工厂、上海宏源化工厂等。当时生产聚四氟乙烯的国家有美、英、苏、意、西德、法国、中国等少数国家。
      国家科委技术科学学组组织的压缩机无润滑调查组对我国无油压缩机的发展起到宣传、播种、推广、组织的作用。会后尤其是调查组成员单位采取积极措施。沈气厂重新开发了2Z-3/8、ZZ-6/8、2Z-1/5仪表用无油压缩机及喷气织布用Z-0.4/1.5型无油空压机,沈气所用高压无油试验机对320kgf/cm²填料密封,将活塞杆中心打孔直接通入循环润滑压力油以导出活塞杆与密封环直接磨擦表面的热量,如此部分热量导不出来则4分钟内温度可升62℃,大约产生1.8马力(75Btu/min)的热量。对全无润滑压缩机,沈气厂选用Z-0.9/8空压机机型进行试验,曲轴通水冷却,主轴瓦、连杆大头瓦、活塞环、支承环均用填充聚四氟乙烯材料,连杆小铜套采用粉末冶金含油轴承,一共运行试验280h。准备连续试验连杆小头瓦,采用航空滚动轴承(采用聚四氟乙烯保持架),但因沈气厂以生产大中型压缩机为主,认为搞全无油是小型压缩机使用,故不打算进行下去。机械部通用总局陈幼君总工程师利用午休听取详情汇报后,提出要沈气厂按10万元规模筹建无油塑料环生产研究试验室,但拿出方案再到部找陈总,机械部已受红卫兵冲击,此后“文革”波及全国,试验无法进行......,成立革委会,作为一个无润滑压缩机的幸运者也调离了岗位,直至1971年三线建设搬迁至四川。?
      1976年四川空气压缩机厂正式建立塑料工部,为压缩机行业第一个制造聚四氟乙烯塑料元件的工部,1979年10月,四川空压厂4M8-36/320型无油结构少油润滑氮氢气压缩机在四川省新都氮肥厂投产(该机生产20余台),根据新都氮肥厂的运行记录,1980年1月运行30天,2月运行28.5天,3月运行30.5天,认为运转率高,经半年拆检(已运行3500h),5-6级活塞环磨损漏每月可节约用电3375度,并与L3.3-17/320型比较如下:?
      不久沈气厂引进技术生产无润滑塑料元件.我国从事无油润滑压缩机的研制从1965年第一台塑料环无油润滑压缩机的诞生至今已有40余年历史,但至今仍然无法令人满意。究其原因,一是过去以国家机密发放研究资料影响了普及推广,但是在那一无资料,二无设备的条件下,能创出与世界同步的成果值得后来人深思,他们没有享受成果奖励,只有付出的巨大劳动......。

三、当前我国无油压缩机设计制造使用尚存在的问题
     3.1对填充氟塑料元件的配方研究,尤其是高压密封元件的配方研制不足,配方与气体种类、湿度、温度、气体洁净程度使用压差速度等因素有关,技术创新需要实事求是,不该有半点科技浮澡。六十年代的兰州化学物理所的研究人员,为了利用玻纤作为聚四氟乙烯增强填充,最终确定采用无碱玻纤作为增强配方,当时考虑成本采用中级纤维10-20微米,拉伸长度2500-8000kgf/cm²,并考虑到玻纤在拉丝时表面涂有一层蜡状物质——自润滑剂,影响它与塑料的粘结,故采取在300-350℃温度中热处理,处理表面呈棕色,此时润滑剂也基本去掉,便可供使用;为进一步提高玻纤与塑料结合的强度,对脱蜡玻纤进行伏兰处理,将脱蜡玻纤浸入3%伏兰水溶液中,浸渍时间以浸透为度,然后在140-150℃下烘焙10-20分钟,使伏兰与玻纤表面起反应,然后用自来水洗涤,再经110-120℃,经15-20分钟烘干即可。选用甲基丙烯酸氯化铬络合物作伏兰处理剂,因其含有两种以上官团,其一能与玻纤表面的OH基或所吸附的水分直接进行化学反应,另一种官团能与树脂的有关基因起反应,在显微镜下观察最终处理的玻纤应是成打卷卷的棉花团状。但是至今国内填充聚四氟乙烯的显微照相中的玻纤是成杆状,说明其粘结性肯定不好,其玻纤未进行焙烧和伏兰处理。美国普渡文集曾在早期介绍过各种气体介质进行配方试验的装置,但在我国未曾了解到有谁对各种气体介质配方进行试验的装置,基本上是在产品上做试验,而且往往听说碳纤维好,就一拥而上,什么气体都要求碳纤维配方。制造塑料元件的单位宣称配方保密,是技术不到家还是保密,令人生疑。国外曾经对氧气压缩机的配方作了很多试验,得出采用填充25%的玻纤,其磨损系数K值最低,在很多进口的往复式氧气压缩机中普遍采用此配方。对氧压机而言,处理氧气的主要危险是氧气本身与易燃物料的反应。其对氧气压缩机的装置系统易燃物料是易氧化的有机物或无机物。易燃有机物是润滑油、粘结剂、垫片和片的填料;易燃无机物是碳钢、铁锈或铁的氧化皮。为减少氧气压缩机中的着火或爆炸危险,要求对氧压机的设计,为确保气缸无油润滑采用长双室中间接筒,氧气温度在177℃以上不应使用铸铁或碳钢的管线和设备,对压缩机管路中的气体速度予以限制。例如在0.1013Mpa,120℃对于干燥氧气,用于碳钢管路的安全速度是30m/s,当采用不锈钢管路对其安全速度则是61m/s,随着操作温度或压力升高,最大安全速度下降,在出现高流速的地方,零件选材以黄铜、青铜、不锈钢和蒙乃尔。对于氧气压缩机近年发生燃烧事故,如不是保密工作做的好,已是屡见不鲜,采用碳纤维配方的填充四氟乙烯塑料环,其碳纤占据20-30%配比。为此笔者建议对氧压机不宜填充碳石墨和碳纤,除安全考虑外,且对35号钢和2Ccr13等都会发生点腐蚀。?
      国外在氮气中试验11种配方,其磨损系数K值可相差500倍,由此可见,配方研究十分重要。
      近年来新型塑料发展很快,PEEK(聚醚醚酮)视为灵丹妙药,实则不然,也有其使用条件限制,首先是不可用在氧气、氯气和核幅射气中使用,压力限制在≤13.5Mpa,以少油润滑使用最佳,PEEK片可用以无油润滑。聚酰亚胺适合无油、高温高压,但价格昂贵。
     

3.2对无油压缩机其干摩擦热未给予足够重视。沈气厂在1966-1967年期间进行320kgf/cm²无油压缩高压填料试验,在正常状况?80的活塞杆4分钟内温升可达62℃,美国“烃”压缩机手册中的“往复式压缩机的密封”一文列出活塞杆克服摩擦所需要的功.
     从表中可见,无油润滑填料所需摩擦功为有油润滑时的4.5倍,从20″、30″、40″的活塞环来看,其无油摩擦功为有油的10-11倍,摩擦功转化为热能,如不及时从填料函或活塞杆导走热量,就会导致磨损和泄漏。一根3in(¢76.2)的活塞杆大约产生1.6HP(68Btu/min)的热量,如果此部分热量导不出去,4min钟内温升达100°F(55.6℃),降低摩擦的主要方法是充分冷却,使用低摩擦材料和尽量窄的活塞环和密封环。?
      国外压缩机十分重视摩擦热的研究,调研组1966年2月到抚顺石油二厂参观了首次从意大利进口的石墨环和塑料环无油压缩机,其中塑料环压缩机为4HC/1型共2台,该机为对称平衡型4列1级压缩,进气压力为25.9/32.9kgf/cm²,排气压力为39.9/46.9kgf/cm²,介质为混合烃,行程为300mm,转速为333r/min,轴功率为610/510KW,该机气缸和填料冷却(填料箱为焊接结构)介质为二乙二醇醚,该冷却液无色无臭,糖桨状,吸水性强,可使水冰点下降,沸点245℃熔于水,将密封箱设计成带有蛇形冷却水管,水管放在发热较多处,让水聚在其中,各密封箱就得到冷却,冷却水先通到靠近压缩缸的密封盒,在各盒间循环后,从密封箱的压盖排出.共七个密封盒,每盒由两个密封环和一个防挤环组成。?
      国外进口压缩机,其活塞杆通油冷却是1970年7月规划组在南京炼油厂,在西德进口的立式压缩机上发现的,从手感活塞杆温度低,直至发现活塞杆内钻油孔,无锡压缩机利用这一发现,回厂后对70-90kgf/cm²的氢压机活塞杆钻眼通油冷却,解决了摩擦热,顺利地通过了试车。冷却降温达90℃。?
      日本深井阳一良、横山英二在“化学工业用压缩机的新趋向、氧压机一文指出:对运转条件特别苛刻的活塞杆来说,在填料箱中通水冷却的同时,活塞杆中间通油冷却,以使摩擦面进行直接冷却,这种方法很有效。1971年攀枝花钢铁公司进口6000m3/h制氧装置B3D3-NICC型氧压机,其二、三级气缸填料函用饮用水冷却,活塞杆通油冷却。沈气厂和华西厂对4M8-36/320型氮氢气压缩机,以及华西厂4M16-126/30型氧压机及4M16-70/3-25型天然气压缩机在七十年代设计时,均将活塞杆通油冷却。而对此,目前保持好的传统只有无锡压缩机厂,故其氧压机在国内中小型氢压机中占据较高信誉。尤其是对CNG压缩机因其属于小型压缩机范畴,其高压级往往采用倒级差,一列一缸两级压缩,靠活塞杆直径增粗来调整一缸两级的压缩比,其活塞杆中心打孔通油,既解决了无油摩擦热的导出,又增加了活塞杆的刚性。当然,活塞杆中心钻细长孔,工艺成本增加。
3.3关于整体过盈的设计。对整体过盈设计前提是[PV]值即活塞压缩机气缸排出压力和活塞速度的乘积允许[PV]≤20kgf/cm².m/s,PV值愈大,磨损愈快,为了降低PV值,推荐使用整体过盈环为导向支承环,整体环在120-130℃以下使用其过盈力可以抵消膨胀力,也就是在此温度下塑料的膨胀系数比金属还小。?
      上述理论是可靠的,我们曾在压缩机上作过验证。但是目前在压缩机上使用很多奇怪现象,如低压级使用,而高压级不用,采用过盈环设计温度常常大于120-130℃;组合活塞设计仅需要2%的过盈量,改成整体活塞后在考虑过盈量的同时还要考虑6-11%的扩张量;本应采用热装工具加热至120℃保温后热装,而不用热装工具,将温度提高至250℃,甚至达到半透明状温度310℃套装。有工艺不遵循,有工装不使用,经济利益驱使之下,可以什么都不管。 
   

四、企业创新力问题
      创新是企业应对市场的本能,一个企业在生存取决于产品,有“吃着、拿着、想着“或者”生产、设计、研制“的三代产品,企业技术创新能力不足往往是创新动力的缺失。尤其是生产大中型重型设备制造企业,其创新成果至少要2-3年后见效,其投入创新的资金,启动需要几十万元,完成需几百万、几千万元,谈何容易,尤其在体制转轨期间,没有雄厚资金不敢冒然而进。再者,创新动力现企业国有转为股份制,劳资矛盾、为谁创新突出。过去是国有制,为国家创新感情付出是天经地义。如今企业不能成为和谐企业,人才不稳定,如何去调动创新的激情。创新者必须有全社会理想和信念的支撑,必须有坚强的意志和自信,何止是耐得寂寞,进行默默无闻的积累和实践,有时还要甘冒风险......,创新必须成为国家意志和民族的使命,要想实现技术创新,不管是投资者、创新者都必须战胜自我。

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