1　问题的提出
    中国南车集团戚墅堰机车车辆厂(下简称戚机厂) 制氧站现有10 台3Z3.5- 1.67ö150 氧气压缩机, 其中有4 台用于压缩氮气。该压缩机为立式结构, 采用三级压缩。这种活塞式压缩机一个显著的特点是: 通过使用蒸馏水作为润滑剂, 来达到降低摩擦和汽缸内温度的目的。但是, 由于使用这种润滑形式, 直接导致气瓶中气体的水分含量过高, 影响气体的使用质量, 在有些场合甚至导致产品报废(如以氮气作为制造空调的工业气体, 如果含水量不达标, 将直接影响空调质量)。为此, 戚机厂在氧气压缩机(用于压缩氮气) 的无润滑改造方面作了一些工作。现将改造过程中的几个关键环节介绍如下。
2　填充聚四氟乙烯活塞环配比的确定
2. 1　聚四氟乙烯简介
    聚四氟乙烯虽然具有良好的自润滑性能, 但耐磨性、导热性、形态稳定性差, 所以要填充一些填充物以克服这些缺点。加填充物改进的聚四氟乙烯, 称为填充聚四氟乙烯, 填充物最常见的是玻璃纤维、石墨、青铜粉和二硫化钼等。以填充聚四氟乙烯为材质的导向环、活塞环的耐磨性和使用寿命, 取决于材料成分配比、材料质量、环的加工工艺、环的结构、环的安装质量和压缩机的运行状况等, 其中起主导作用的是材料的配比和环的结构。
2. 2　填充聚四氟乙烯活塞环配比的确定
    该压缩机原使用的导向环、活塞环配方(按质量百分比计) 为: 聚四氟乙烯75% , 玻璃纤维25% , 这种配比最大缺点是干磨润滑性能很差, 在无蒸馏水润滑时, 机器运行工况已经明显改变。由于汽缸内温度明显升高(一般可达130℃左右) , 致这种配比活塞环的使用寿命大大降低。戚机厂曾在一台氮气压缩机上作过试验, 累计运行时间仅70 h。
    填充聚四氟乙烯填料最佳配方的选择, 必须根据工作条件(介质, 湿度, 速度)、磨损因素及结构强度3 个方面综合考虑来决定, 单从一个角度决策, 做出的结论甚至可能是错误的。而要正确地做到这一步, 必须要有一系列的试验为基础。
    林德公司曾对气体介质及其中的水分对填充聚四氟乙烯磨损因素的影响作了大量的试验, 发现加石墨25% 的填充聚四氟乙烯磨损因素对水分不敏感, 而加入玻璃纤维后, 磨损因素波动很大。根据这一结果, 并参照100℃时各种填充材料聚四氟乙烯的机械特性(见表1) , 决定使用石墨为主外加填料,以增强自润滑性能。由于加的石墨过多, 使机械强度有所下降, 必须补充一定量的青铜粉。经过反复试验, 最终确定的配比是: 石墨20% , 聚四氟乙烯70% , 青铜粉10%。
                    
3. 1　原三级活塞环结构的不足之处
    研究认为, 无润滑条件下以三级汽缸工作环境最为恶劣。由于三级活塞环是整体碗形结构, 见图1, 来自高压端的气体压力使环紧紧贴着汽缸内壁作直线往复运动, 在温度较高的环境下, 使用寿命很短, 如不改进, 将需要经常更换导向环和活塞环, 增加了非生产检修时间和费用。
                           
    试验证明, 一二级活塞环在无润滑条件下, 根据温升情况重新调整活塞环间隙尺寸即可, 使用材料
的线膨胀系数公式计算理论间隙, 由于实际工况的差异, 理论值存有误差, 在实践中要进行修正。定好
间隙后, 进行5 h 左右的连续负载试验, 解体后未发现活塞环卡死或开口处有挤压现象即可。表2 列出
了改造后活塞环的结构尺寸及工作参数。
                      
3. 2　使用T 形活塞环的设想
    T 形活塞环的结构见图2。
    工作机理: 当活塞环全部为新的时, 其外部圆周正好紧贴在汽缸壁上, 以弹力环使活塞环压紧缸壁,
并在活塞环的环形肩和空间的环体之间保持一定的距离, 在比较短的运行过程中, 活塞环的外部圆周承
受磨损, 直到环肩碰到环体为止。一旦到这种情况形成之后, 活塞环即被“夹牢”, 活塞环不能够再从活塞
槽中径向弹出。
    这里值得注意的是由弹力环加强的压缩气体压力(或者可以说是由活塞环顶部与底部两面的压力差产生的径向力) , 已经不能够迫使活塞环压紧汽缸壁, 这股径向力(背压) 被活塞环空间的环体所抵消。
    这是消除活塞环磨损的主要原因。T 形活塞环的优越性在于磨损速度缓慢。
                        
3. 3　改进结构
    经过分析认为, 完全可将T 形活塞环应用到三级活塞杆中。保持原心轴长度不变, 活塞头结构见图
3, 由4 只T 形活塞环和一只导向环组成, 活塞环开45°斜口。T 形活塞环厚度增加, 以增大强度; 导向环
为整体式, 与原有导向环可互换使用。铜隔圈材料为H62 黄铜。
                         
　T 形活塞环的磨损量是相当小的, 只有当活塞在汽缸中可能产生横向动作时, T 形活塞环才会加快磨损。所以T 形活塞环使用效果的好坏, 与导向环关系密切, 因为良好的定心作用, 可使活塞的横向动作最小。
    由于填充聚四氟乙烯环的材料耐磨性能特别好, 同时, T 形活塞环表面受到的接触压力极小, 所以, 汽缸轨道实际上磨损很小。当然其前提是: 气体中不应含有可能侵入滑道表面的固体杂质。目前在压缩氮气时使用的效果良好, 压缩氮气已不再使用蒸馏水润滑, 活塞环的使用寿命却比原来要长。
4　冷却环境的改善
    氧气压缩机不用蒸馏水润滑后, 汽缸内平均温度将达到30℃, 这对填充聚四氟乙烯活塞环的使用是不利的, 必须设法将温升控制住, 现主要应用以下方法。加大冷却水流量, 原进出水管口径为32 mm ,改造后增大到50 mm;鉴于三级缸工作环境最差, 将三级缸镗孔, 外壁钻散热通孔, 内壁镶导热性能良好且耐磨的铜套, 铜套采用液氮冷冻法压入, 见图4。
5　结束语
    必须指出, 氧气压缩机无润滑改造是一项系统的工程, 需要多方面的配合才能取得成功。如机身十字头滑道与气缸的同轴度; 上密封的耐磨性能; 填充聚四氟乙烯活塞环加工成形工艺等方面均要符合要求。