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技术专题
加入时间:2005/8/9 

             
         往复式压缩机用耐高温﹑高压活塞环
 
                          
 
摘要: 活塞环是往复压缩机中的重要密封件,解决在高温,高压工况环境下活塞环的质量,技术是关键。我们对高温,高压压缩机中活塞环的实际应用环境进行了分析,从材料选择及加工工艺方面进行综合考虑,设计了适合高科技含量压缩机所需新型耐高温,高压活塞环。提出以PEEK,PI两种高档材质为主要基料,研制并批量生产解决高温,高压密封。本文对耐高温,高压活塞环的特点,结构,技术参数做一下小结。
 
关键词新型耐高温,高压活塞环;  PEEK;  PI ;设计; 结构; 加工; 技术参数; 应用
 
1.引言
近几年来我们主要将特种材料的研究成果应用于压缩机密封配件的研制和生产中, 新型材料的采用使供需双方都取得了良好的经济效益,。随着我公司主要产品PEEK塑料阀片在压缩机行业中应用量的不断增长, PEEK延伸产品得到越来越多的用户对认可.。 在PEEK塑料阀片产品研发的基础上 ,我公司作为压缩机“十.一五”行业规划无油润滑的研制单位,提出 研 发高科技含量压缩机所需新型耐高温,高压活塞环的。经过我们不断的努力,现已将生产出的用于高温,高压条件下的活塞环应用于压缩机主机厂,经用户安装运行反馈:质量已达到国外同类产品的标准。在产品研制过程中,首先要进行选材料,然后不断地改进配方,对适合要求的配方进行筛选力求性能发挥到最佳状态,最后选出附合要求的配方进行注塑加工,再经精加工工艺来达到最后的几何尺寸的设计要求,以满足压缩机不同工况的使用要求.总体来说其特点是:耐温性高,耐压性好,密封性能好, 使用寿命长,应用范围广.。可实现少油或无油润滑,可按压缩机所使用的压力等级, 工作压差,频率速度,进行适应不同工况﹑不同结构﹑不同规格的活塞环设计.。以发挥材料的最佳性能,实现其在往复式压缩机的轴向高效密封,  提高压缩机的压缩效率。
 
2. 高温﹑高压活塞环的设计
 
设计耐高温,高压活塞环除需考虑普通活塞环设计的基本原则,还需要综合考虑以下几方面的性能:适用性 , 耐磨性 ,耐温性 , 耐介质性,  结构合理性 , 精密机加工性 ,可装配性 , 耐用性(寿命)。
 
2.1高温﹑高压活塞环材料的选择
 
  适用性  活塞环产品的开发定位应首先考虑压缩机行业需求的适用性,为验证此种活塞环是否适用,我们调研了众多的化肥行业所用各类氮氢压缩机,循环机,二氧化碳压缩机;石化行业所用各类石油气压缩机,氨压缩机,空压机等;冶金行业所用各类氮压机,空压机等,对这些压缩机发展趋势进行了分析,其中耐高温,高压的活塞环的市场用量很大,目前所使用的活塞环品种很多,有铜系列,氟系列,PEEK碳纤维增强,各种活塞环应用情况利弊共存。应行业配件市场的现实需要,急需一种无油,微油耐高温,耐高压活塞环。我们确认开发高温,高压活塞环拥有很高的适用性。
 
    耐磨性  高压活塞环在压缩机气缸中的密封是采用接触式环密封,工作时密封依靠气缸内的压力,把密封件紧密的压在运动面上,在活塞工作时,活塞环随活塞在气缸内作往复运动,此时活塞环即是密封件又是摩擦件。在选材时要选摩擦系数小,耐磨性要高,机械强度要高。
 
   耐温性  活塞环在压缩机工作时随着几级压缩压力的升高,温度也不断升高,选材时要考虑到材料本身因环境温度升高而产生的膨胀对尺寸的影响,材料热膨胀系数要小
 
  耐介质性  PEEK/TL活塞环具有优异的耐化学性,可适用空气﹑天燃气﹑二氧化碳气﹑氢气﹑氨气﹑氮气等多种压缩机。
 
  结构合理性      活塞环的寿命不仅与材料本身性能有关,还与产品本身所设计的结构有关,设计的结构不当在运转时也会减少使用寿命,降低性能。一般来说,对于低转速长行程运转的压缩机所用的活塞环,厂家已积累了一些实际经验,并掌握了设计原则,但对于高转速短行程的压缩机用活塞环,在设计结构时要具备机加工的可行性即可实现性。
 
精密机加工性  所设计的活塞环应具有良好的机加工性,机加工工艺不合理,制造质量不佳,,都不会达到最终产品的要求。针对每一种活塞环产品所需结构采取工夹具,为实现产品的高质量,首先要对工装夹具的结构进行设计,确保活塞环批量精加工生产的质量,在生产上摸拟活塞气缸及活塞制作检测工具,确定机加工的多项尺寸要求。
  可装配性  有很多材料具备很好的性能但在产品加工出来以后出现装配困难,最常见的是安装时发现断裂的情况,以致于产品得不到应用。这在活塞环设计时必须考虑。性能的优异得以应用才是完美的。
 
   耐用性(寿命)  是活塞环综合性能能否达到设计要求的检验,也是最为重要的经济指标。PEEK/TL体系活塞环经用户使用有望达到8000小时。
 
2.2活塞环结构的设计
 
活塞环的结构设计要根据工况状态具体考虑:归拿起来大致分为
 
一,整体活塞环   
1.一体化环450斜角
2. 一体化环搭结口
3.内外环上加工沟槽均布沉孔
二, 分体活塞环
4.分体化三分瓣1200分角
5.分体化双分瓣900直角 
6.分体化双分瓣450斜角
7.分体化双分瓣搭结口             配图片说明 。
 
     2.3加工成型方法的选择 
   
 提高生产效率是每个用户所期盼的,新型活塞环的加工采用精密注射成型辅以精密机加工复合加工的方式,实现活塞环的内外质量要求,为保证活塞环的各向(径向,轴向)材料性能的同一性在注射成型时,采取对原材料进行预处理工艺,模具设计上采用特殊的结构,成型中严格遵守设定的工艺条件,注射成型毛坯件,然后对毛坯进行后处理以减少活塞环的塑性蠕变性,增加在高温工作的环境下活塞环性能和尺寸稳定性。
 
3. PEEK/TL与其它材料的比较 
   
 
        复合自润滑材料综合性能比较
 
性能
PEEK/TL
多种混和物填充PTFE
 PI
密度  g/cm
1.45-1.50
2.10-2.30
1.41
拉伸强度 MPa
100-120
30-40
219
弯曲强度 MPa
150
11-14
253
压缩强度 MPa
50
5-6
49
摩擦系数
0.1-0.15
0.11
0.2-0.3
摩耗量g/h
 
线膨胀系数10-6/℃
20
100
25
成型加工性
结构特点
 
 
 
机加工性
精度
注塑+机加 
多种结构,适用于多种不同结构要求的压缩机
可实现批量生产效率较高
优良
达设计要求
模压+烧结+机加
整体结构
 
 
注塑+机加,
 
双环,三瓣环,
 
 
优良
达设计要求
装配性
易于装配
------------
难装配
生产效率
 
成本
性价比高
 相对PEEK便宜一些
相对PTFE贵一些
需要改进的问题
 
 
脆性,不适合整体环,
适用条件
高温250℃,
高压差15MPa以上
高温200℃,
压差 中等 4-6MPa
高温300℃,
高压差15MPa以上
  
 4.结论
 
PEEK/TL复合材料研制的新型活塞环,具有优异的综合性能,特别是在高压,高速,高温工况环境下,更显示出其密封的可靠性,安全性。利用PEEK的性能填加一定量的辅助材料实现了耐磨,耐热,低摩擦性的最佳组合,改善了PEEK树脂的脆性,使用该材料制作的密封环其使用寿命可达4000-8000小时,该产品的研制解决了高温,高压工况条件下密封问题,解决了以往PEEK材料制作高压密封环的脆性,使用户的装配效率大大提高,由于其使用寿命长,无需经常进行更换,使得化肥厂,炼油厂的生产效率大幅提高,该活塞环适用于对密封要求较高的压缩机。新型高压活塞环的批量生产给多品种,多规格,高附加值的压缩机生产厂用户提供了成功密封的解决方案。高温,高压活塞环完全能满足先进压缩机设计要求。
 
 
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