往复式压缩机的工作原理

往复式压缩机都有气缸、活塞和气阀。压缩气体的工作过程可分成膨胀、吸入、压缩和排气四个过程。

例：单吸式压缩机的气缸，这种压缩机只在气缸的一段有吸入气阀和排除气阀，活塞每往复一次只吸一次气和排一次气。

（1）膨胀：当活塞向左边移动时，缸的容积增大，压力下降，原先残留在气缸中的余气不断膨胀。

（2）吸入：当压力降到稍小于进气管中的气体压力时，进气管中的气体便推开吸入气阀进入气缸。随着活塞向左移动，气体继续进入缸内，直到活塞移至左边的末端（又称左死点）为止。

（3）压缩：当活塞调转方向向右移动时，缸的容积逐渐缩小，这样便开始了压缩气体的过程。由于吸入气阀有止逆作用，故缸内气体不能倒回进口管中，而出口管中气体压力又高于气缸内部的气体压力，缸内的气体也无法从排气阀跑到缸外。出口管中的气体因排出气阀有止逆作用，也不能流入缸内。因此缸内的气体数量保持一定，只因活塞继续向右移动，缩小了缸内的容气空间（容积），使气体的压力不断升高。

（4）排出：随着活塞右移，压缩气体的压力升高到稍大于出口管中的气体压力时，缸内气体便顶开排除气阀的弹簧进入出口管中，并不断排出，直到活塞移至右边的末端（又称右死点）为止。然后，活塞右开始向左移动，重复上述动作。活塞在缸内不断的往复运动，使气缸往复循环的吸入和排出气体。活塞的每一次往复成为一个工作循环，活塞每来或回一次所经过的距离叫做冲程。

二、压缩气体的三种热过程

气体在压缩过程中的能量变化与气体状态（即温度、压力、体积等）有关。在压缩气体时产生大量的热，导致压缩后气体温度升高。气体受压缩的程度越大，其受热的程度也越大，温度也就升得越高。压缩气体时所产生的热量，除了大部分留在气体中使气体温度升高外，还有一部分传给气缸，使气缸温度升高，并有少部分热量通过缸壁散失于空气中。

压缩气体所需的压缩功，决定于气体状态的改变。说通缩点，压缩机耗功的大小与除去压缩气体所产生的热量有直接关系。一般来说，压缩气体的过程有以下三种：

（1） 等温压缩过程：在压缩过程中，把与压缩功相当的热量全部移除，使缸内气体的温度保持不变，这种压缩成为等温压缩。在等温压缩过程中所消耗的压缩功最小。但这一过程是一种理想过程，实际生产中是很难办到的。

（2） 绝热压缩过程：在压缩过程中，与外界没有丝毫的热交换，结果使缸内气体的温度升高。这种不向外界散热也不从外界吸热的压缩成为绝热压缩。这种压缩过程的耗功最大，也是一种理想压缩。因为实际生产中，无伦何种情况要想避免热量的散失，是很难做到的。

（3） 多变压缩过程：在压缩气体过程中，既不完全等温，也不完全绝热的过程，成为多变压缩过程。这种压缩过程介于等温过程和绝热过程之间。实际生产中气体的压缩过程均属于多变压缩过程。

所谓多级压缩，即根据所需的压力，将压缩机的气缸分成若干级，逐级提高压力。并在每级压缩之后设立中间冷却器，冷却每级压缩后的高温气体。这样便能降低每级的排气温度。

四、为什么要多级压缩？

用单级压缩机将气体压到很高的压力，压缩比（压缩比是指压缩机排气和进气的绝对压力之比。例：在海平面时进气绝对压力为0.1 MPa ，排气压力为绝对压力0.8MPa。则压缩比：

          P2         0.8

R=--------- =--------- =8

          P1         0.1

多级压缩的优点：

• 节省压缩功；

• 降低排气温度；

• 提高容积系数；

• 对活塞压缩机来说，降低气体对活塞的推力。

必然增大，压缩后的气体温度也会升得很高。气体压力升高比（压力升高比：压缩后气体压力与压缩前气体压力之比成为压力升高比，简称压力比。）越大，气体温度升得越高。当压力比超过一定数值，气体压缩后的终结温度就会超过一般压缩机润滑油的闪点（200—240℃），润滑油会被烧成碳渣，造成润滑困难。另外往复式压缩机在吸气过程中，需带残留在气缸余隙容积（所谓余隙容积系指压缩机在排气终了，活塞处于死点位置时活塞与气缸之间的空间以及连接气阀和气缸间的通道空间）内的高压气体膨胀到压力稍低于进气压力时，才开始吸气。高压气体膨胀后占去一部分气缸容积，使气缸吸入气体的容积减少。

显然，如果压力比越高，余隙内残留的气体压力也越高，余气膨胀后所占去的容积就越大，压机的生产能力就显著降低。同时，压缩机机件的长度、厚度和直径都必须相应增大。不然，就不能适应其所承受的负荷。结果，不但使压机的造价成本增高，而且还会增加机件制造上的困难。

因此，为了达到较高的终压，必须采用多级压缩机。多级压缩机所消耗的功比单级的大为减少，级数越多，省功越多。同时，级数越多，气体压缩后的温度也越低，气缸所能吸入的其他体积也越大。但压缩机的级数也不应太多，因为级数每增加一级，就必须多一套气缸、气阀、活塞杆和连杆等机件，使压缩机的结构复杂，并且大大增加设备费用。根据我国目前情况来看，一般压缩机每一级的压缩比不超过3～5。

单位时间内压缩机排出的气体，换算到最初吸入状态下的气体体积量，称为压缩机的生产能力，也成为压缩机的排气量。其单位为立方米／小时或立方米／分。

（1）余隙：当余隙较大时，在吸气时余隙内的高压气体产生膨胀而占去部分容积，致使吸入的气量减少，使用压缩机的生产能力降低。当然，余隙过小也不利，因为这样气缸中活塞容易与气缸端盖发生撞击，而损坏机器。所以压缩机的气缸余隙一定要调整适当。

（2）泄漏损失：压缩机的生产能力与活塞环、吸入气阀和排出气阀以及气缸填料的气密程度有很大的关系。活塞环套在活塞上，其作用是密封活塞与气缸之间的空隙，以防止被压缩的气体窜到活塞队另一侧。因此，安装活塞环时，应使它能自由胀缩，即能形成良好的密封，又不使活塞与气缸的摩擦太大。如果活塞环安装的不好或与气缸摩擦造成磨损而不能完全密封时，被压缩的高压气体便有一部分不经排出阀排出，而从活塞环不严之处漏到活塞的另一边。这样由于压出的气体量减少，压缩机的生产能力也就随着降低。在实际生产中，由于活塞环磨损而漏气造成产量降低的情况经常发生。

在压缩机运转过程中，由于气缸填料经常与活塞杆摩擦而发生磨损，或因安装质量不好，都会产生漏气现象。因此，气缸填料的漏气在实际生产中也会经常遇到。

（3）吸入气阀的阻力：压缩机的吸入气阀应在一定程度上具有抵抗气体压力的能力，并且只有在缸内气体的压力稍高于进口管中的气体压力时才开启。如果吸入气阀的阻力大于平常的阻力，开启速度就会迟缓，进入气缸的气量也会减少，压缩机的生产能力也会降低。

（4）吸入气体的温度：压缩机气缸的容积随恒定不变，但如果吸入气体的温度高，则吸入缸内气体的密度就会减小单位时间吸入缸内气体的质量就会减少，导致压缩机的生产能力降低。压缩机在夏天的生产能力总比在冬天时低，就是这个原因。另外，在进口管中的气体温度虽然不高，但如果气缸的冷却不好，进入气缸室的气体温度过高，也会使气体的体积膨胀，密度减小，压缩机的生产能力也会减小。

• （1）压缩气体时，气体中可能有部分水蒸气凝结下来。因水是不可压缩的，如果气缸中不留余隙，则压缩机不可避免地会遭到损坏。因此，在压缩机气缸中必须留有余隙。
  

  
  

• （2）余隙存在以及残留在余隙容积内地气体可以起到气垫作用，也不会使活塞与气缸端盖发生撞击而损坏。同时，为了装配和调节的需要，在气缸端盖与处于死点位置的活塞之间也必须留有一定的余隙。

  
  

• （3）压缩机上装有气阀，在气阀与气缸之间以及阀座本身的气道上都会有活塞赶不尽的余气，这些余气可以减缓气体对出口气阀的冲击作用，同时也减缓了阀片对阀座及升程限制器（阀盖）的冲击作用。

  
  

• （4）由于金属的热膨胀，活塞杆、连杆在工作中，随着温度升高会发生膨胀而伸长。气缸中留有余隙就能给压缩机的装配、操作和安全使用带来很多好处，但余隙留得过大，不仅没有好处，反而对压缩机的工作带来不好的影响。所以，在一般情况下，所留压缩机气缸的余隙容积约为气缸工作部分体积的3～8％，而对压力较高、直径较小的压缩机气缸，所留的余隙容积通常为5～12％。

各级压缩后，由于温度升高，气缸的润滑油会降低粘度，同时会分解出胶质的物质，在阀片等重要部位积聚，妨碍阀片正常运转。若温度高于润滑油的闪点，则具有引起爆炸的潜在危险。有时压缩的气体为碳氢化合物气体（如石油气等）。在高温下气体物理性质会发生变化，如产生聚合作用等。一般压缩机排气温度应低于润滑油闪点30～50℃。压缩空气时，排气温度应限制在160～180℃以下，石油气、乙烯、乙炔气等应限制在100℃以下，所以必须有中间冷却器。

在多级压缩机中，每级的压力比较低，而且级间冷却器，每级排出的气体冷却到接近第一级吸入前的温度（但靠着气缸套中的冷却是达不到的），因此，每一级气缸压缩终了时，气体的温度不会太高。

九、为什么第一级气缸直径一定要比第二级气缸直径大？它们之间的关系怎样？

因为经第一级压缩后，气体的压力增加，容积减小，当气体进入第二级气缸时，气量没有第一那么大，故第二级气缸的直径要比第一级的小。另外，如有中间抽气或蒸汽冷凝，则下一级气缸尺寸必然比前一级气缸为小。

十、气阀是由哪些零件组成的？各个零件有何作用？阀片升程大小对压缩机有何影响？如何调节？气阀的弹簧弹力不一致有什么影响？

气阀是由阀座、升高限制器以及阀片和弹簧组成，用螺栓把他们紧固在一起。

阀座是气阀的基础，是主体；升高限制器用来控制阀片升程的大小，而升高限制器上几个同心凸台是起导向作用的。阀片是是气阀的关键零件，它是关闭进出口阀，保证压缩机吸入气量和排出气量按设计要求工作，它的好坏关系到压缩机的性能；弹簧起着辅助阀片迅速回弹，以及保持密封的作用。

阀片升程的大小对压缩机有直接的影响。升程大，阀片易冲击，影响阀的寿命；升程小，气体通道截面积小，通过的气体大，排气量小，生产效率低。在调节阀片升程大小时，对于没有调节装置的气阀，可以车削加工阀片升高限制器，对于有调节装置的气阀，可以调节气阀内间距垫片的厚度。

弹簧的弹力不一致时，会使阀片歪斜、卡死。

十一、吸气阀和排气阀有何区别？安装气阀时应注意什么？吸排气阀装反会出现什么问题？

吸气阀的阀座在气缸外侧，而排气阀的阀座在气缸内侧，其它零件按照阀座位置装配。在判断时可用螺丝刀检查。对于吸气阀，螺丝刀可以从阀的外侧顶开阀片；对于排气阀，螺丝刀可以从阀的内侧顶开阀片

在安装气阀时，首先确定排气阀和吸气阀的位置。如果把吸、排气阀装反，则恶无法吸入气体。

压缩机的润滑作用主要是减少摩擦部件的磨损和消耗的摩擦功，此外还能冷却运动机构的摩擦表面、密封活塞以及填料函，从而提高活塞和填料函工作的可靠性。因此压缩机的润滑油很重要的意义。

压缩机的润滑基本上可分为气缸润滑系统和运动机构润滑系统。

润滑气缸用的润滑油要有较高的粘度，在活塞环与气缸之间能起到良好的润滑和密封作用。其次还要求有较高的闪点，较高的稳定性，使油不易挥发，不易氧化而引起积碳（润滑油氧化后所形成的碳化物），而积碳一旦燃烧会引起爆炸，此外积碳会加剧气缸阀门的磨损，故在气缸中形成积碳对压缩机操作极为不利。所以，气缸润滑油是采用专门的压缩机润滑油来润滑。

空气压缩机的气缸润滑油消耗量限制得比较严格。油量过多，既不经济而且会使导管和附属装置沾污，促使积碳形成。对于低压和中压压缩机来说，其中卧式压缩机每400㎡的润滑表面润滑油消耗量平均为每分1克，立式压缩机每500㎡的润滑表面润滑油消耗量平均为每分1克。高压压缩机由于在压缩机之后有冷却器和油分离器，润滑油消耗量就会提高，每200㎡气缸润滑表面润滑油消耗量平均为每分1克，而每100㎡的填料函中活塞杆润滑表面润滑油消耗量为每分3克，新压缩机在试车运转（跑合）时，加油量为定额的两倍。

运动机构的润滑油量（循环量）视有无润滑油冷却器而不同，有冷却器时润滑油量为每分·千瓦0.075公斤，无冷却器为每分·千瓦0.15公斤。

润滑油的消耗量应根据实际情况而定，以上数据仅供参考。

压缩机气缸的润滑方法一般有两种：

（1）飞溅法：用回转机构（如曲轴）将曲轴箱中的润滑油甩向气缸壁，以供给气缸润滑油这种方法只适用于无十字头的单级压缩机但供油量无法调节，尤其是当刮油环活塞环配合的不好时，会使润滑油过剩而被气体带走。

（2）强制润滑法（压力润滑）：气缸及金属填料部分的润滑油用注油器加压强制注入。常用的注油器为单柱塞真空注油式，此种注油器与以前使用的活门配油多柱塞泵、滑阀配油多柱塞泵相比，构造简单、技术先进，使用时可在不停机的情况下处理故障。此种注油器内安有小油泵，每个油泵担负一个润滑点。

压缩机运动机构的润滑方法一般有两种：

（1）飞溅法：用回转机构将曲轴箱中的润滑油甩成油滴，当有油滴落到轴承（瓦）上的油孔时，即可流到摩擦表面上。

（2）压力润滑法：用齿轮油泵进行循环润滑。在这种方法中，润滑油通过下列诸元件：油箱、油泵、过滤器、冷却器、运动机构各润滑点，再流回油箱。循环系统还装有调节润滑油压力的旁通阀和压力表。