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我国无油润滑压缩机发展历史及存在的问题
发布时间：2007年10月25日一、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。
★由于气体不含油，使气阀的工作处于干摩擦状态工作，因此寻求自润滑的阀片材料、阀片结构及热处理，如用环状阀片其导向销调质硬度很快就磨损；改淬火，阀片就磨出缺口；采用填充四氟导向销仍然不满意；选用高吸附能力硅脂润滑油涂抹可以改善；改网状阀片后，其铣薄处，尤其是当低于0℃进气时，易发生冷脆性折断。
★为了保证活塞环工作，根据当时塑料活塞环几乎没有弹力，为保证预密封力采用张力环，其比压在0.1-0.3kgf/cm2范围内。
★为了防止活塞在气缸里，在往复运动过程中与气缸壁面相碰撞必须设浮动环（或称导向支撑环），对立式压缩机浮动环的轴向高度则应为活塞环轴向高度的1.5-2倍。对卧式压缩机轴向高度应按比压确定：
q=G 0.5Gd［］Dm×H0.3(kgf/cm)
q—比压kgf/cm
G—活塞重量kg
Gd—活塞杆重量kgDm—浮动环的平均直径cmH—浮动环的轴向高度cm
★活塞环、浮动环、密封环的配合间隙在材料配比尚未定型之前必须通过实际测试来决定。
①活塞环的测试是将环放置在内径等于气缸直径的内模和涨力环之间加热至150℃，根据其厚度不同，保温2-3小时。
②浮动环的测试是将环放置在外径等于气缸直径和内径等于活塞上浮动环槽的底径的二个固定槽之间加热至150℃，根据其厚度不同，保温2-3小时。
③密封圈的测试是将塑料密封环的实际轴向厚度（注意测试方向与成型方向相同）加热至100℃保温1-2小时，保温后的试样用千分卡测量其变形量，为确保其精确性，采用多点测量，取其平均值。
④活塞环的轴向间隙应为实测膨胀值再加0.05-0.10毫米的间隙，以确定活塞环槽的尺寸。浮动环在与活塞环材料一致，厚度一致的条件下，其与浮动环槽的间隙应该比活塞环与活塞环槽的间隙大些，因活塞环径向是处于半自由状态，而浮动环则不然。
在25kgf/cm2二级压缩的空气压缩机、无油润滑试验中，经616小时试验后复试活塞环、浮动环的尺寸时发现：
★一级活塞环的轴向厚度增厚0.11-0.22mm；
★二级浮动环的厚度增厚0.17-0.22mm,二级活塞环增厚0.08-0.121mm；
★各级环的开口间隙则比未运行前增大了；
★在恒温箱中测定膨胀系数时也发现了活塞环在加热保温后，在同一温度下测定值比计算小得多，而冷至常温后，开口间隙无法恢复到原始状态，在苏联出版的“氟塑料”一书中曾提出应在工作温度以上50-70℃进行消除应力处理。
⑤气缸与活塞的径向间隙应比有润滑的铸铁环大，大致在（0.01-0.015）D，D为气缸直径。但对立式压缩机而言，最小间隙不应少于0.5mm，对卧式压缩机而言不应小于1mm。
⑥气缸表面粗糙度，当时国际上存在两种观点：一种认为一般以6为宜，其解释是：在塑料环与气缸镜面运动相对摩擦过程中，塑料分子转移到金属表面，而以6的粗糙度最有利于形成塑料薄膜，经过初期磨合后，从塑料对金属变为塑料对塑料，其摩擦磨损变成微小。另一种观点认为越高的表面粗糙度越有利减少磨损，其理由是认为气体通过填料的泄漏值：
YT=洫3d△p霯（cm2/s）
—径向间隙cm
d—活塞杆直径cm
膒—密封压差kg/cm
ì—动力粘度系数kgs/cm
L—密封长度cm
其中对泄漏量的影响以径向间隙和动力粘性系数影响最大。压缩机有油润滑时，润滑油的动力粘性系数=（1200-2400）10-6,而空气的动力粘性系数仅2.23×10-6,由此可见,从动力粘性系数考虑是非常不利的,即要达到有油润滑同样的泄漏值,浔匦牒苄,渲敌〖匆馕表面粗糙度的要求高。在25kgf/cm压力下试验,获得良好的密封效果。
⑦活塞环的数量不需要油润滑状态时那样多。注油压缩机活塞环数量一般是：
1-5kgf/cm2-3环
5-30kgf/cm3-6环
30-120kgf/cm6-12环
120-350kgf/cm12-24环
在沈气厂25kgf/cm二级压缩的试验中，一级排压4.2kgf/cm，二级排压25kgf/cm均用2个活塞环也能很好密封。抚顺石油二厂进口的意大利新比隆公司无油润滑压缩机NB/1型排压8kgf/cm（G），单级压缩仅用石墨活塞环二个，4HC/1型循环无润滑压缩机进气压力为25.9-32.9kgf/cm,排压力为39.9-46.9kgf/cm,仅用4个活塞环。
⑧无润滑压缩机密封环的组数与有油润滑一样。
在25kgf/cm密封压力下，采用3组密封环取得密封效果良好。意大利新比隆公司在4HC/1型当吸气压力为39.9kgf/cm，排气压力为46.9kgf/cm时取6组密封填料。
⑨密封圈的型式采用有油润滑的平填料，三、六方瓣结构型式。在靠近气缸的第一密封填料盒前安置一个节流环，可以分散气流，以缓冲对于第一道密封环的冲击。不必强求像高压压缩机填料设阻流环和活塞杆内通油冷却等。但良好的导热能予以考虑有利于延长使用寿命。
中国科学兰州化学物理所自1964年开始对压缩机的活塞环、浮动环、密封环和导向套等自润滑材料的试验研究工作经过试验验证，其质量也相当于西德林德公司六十年代的产品水平。
厂每100小时磨损量0.0145-0.036mm，西德同类压缩机在0.03-0.05mm，苏联排压为8kgf/cm2，二级压缩的石墨环压缩机磨损量为0.05-0.09mm。1964-1965年期间研制的配方列表如下：
填充聚四氟乙烯塑料环的成型方法是在350kgf/cm-600kgf/cm压力下，冷却压成型（保压3分钟），烧结是在250℃以下以每小时60℃升温，在大于250℃时以每小时30℃升温至310-320℃保温1小时，然后以每小时60℃升温至380℃±5℃，保温2-3小时，然后随炉冷却，冷至250℃取出。必要时可进行补压定型。
凡乳液制品均是冷压成型随模子烧结，380℃保温2-3小时，然后用减半压力热压，冷至250℃以下取出。
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/cm，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。如用纳氏泵来获得则需-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38CrMoA
