级差式气缸的改进设计

庞谷

（柳州压缩机总厂，广西 柳州 545002）

0 引言

现代工业中，压缩机正向着大功率、高压力比、大型化方向发展。这些需要通过多级压缩得以实现，因此级差式气缸在活塞压缩机中的应用愈来愈广泛。随着用户对压缩气体的种类、压力、气量、控制的需求越来越多样化，压缩机的型号、规格越来越多。在机身、曲轴、连杆、十字头等基础件已有的前提下，如何配备和研制性能优越、结构简单、方便制造、成本低的气缸就成为活塞式压缩机研制中最关键和最重要的工作。本文仅就一种满足此要求的新颖的级差式气缸进行介绍。

1 气缸设计的要求

1）应具有足够的强度和刚度，工作表面具有良好的耐磨性；

2）要有良好的冷却，在有油润滑的气缸中，工作表面应有良好的润滑状态；

3）应尽可能减小气缸内的余隙容积和气体阻力；

4）结合部分的连接和密封要可靠；

5）要有良好的制造工艺性和装拆方便等。

2 级差缸结构的现状分析

2.1 缸体缸盖分体结构

在同行业及我厂的原有机型中，级差缸中的高压缸大多数为分体式结构，由缸盖和缸体组成。我厂原有机型级差缸高压缸结构如图1 所示。

气缸部件由缸盖和缸体组成，缸盖和缸体间结合面用垫密封，并用螺栓将它们联成一体。由于密封面形状复杂，密封困难，只能用于压力较低的场合（2.5 MPa 以下）。缸体设有气道和水道，局部为三层壁结构，铸件结构复杂；气体流向为下进下出，进、排气口并排设于缸体下部，进、排气缓冲器由于位置干涉而无法直接设于进、排气口处，故缓冲效果要打折扣；气体进出气缸都至少需拐3 个90°的弯，加大了阻力损失；而且由于排气阀没有处于气缸的最低点位置，气缸中的磨屑等污物无法随排气排出，这尤其对中高压气缸损害更大，压力越高，活塞环对缸壁的摩擦越大，滞留缸中的磨屑等污物充当研磨剂，大大加剧了磨损，这已为国内外诸多事故及相关报道所证实。

图1 原有机型级差缸高压缸结构

此外，缸盖和缸体间的密封若是同时密封气和水，则存在气水相通的安全隐患，包括API618 在内的标准或规范禁止使用该结构；而若水路不相通，则缸盖和缸体分别设水路使管路复杂化。

2.2 缸体和缸盖整体结构

在文献［1］中，对压缩机行业气缸典型结构作了很多介绍，其中提到了如图2 所示级差缸结构。

气缸为整体式结构，气阀布置于缸体径向水平线上，气缸的进、排气口并排位于气缸的下方，不便设缓冲器；气体进、出气缸只需拐一个90°的弯道，阻力较小；气体的流向为下进下出，排气阀孔同样不处于气缸的最低点，也无法实现气缸内污物的排出。缸体内部结构较简单，避免了三层壁结构。

图2 级差缸结构

3 级差缸的改进

结合以上结构分析，综合各种结构的特点，在对我厂某型号煤气压缩机的进行开发设计时，对该产品的二、三级级差式气缸进行了结构改进。

该产品基本参数如下：压缩介质煤气，排气量12.4m3/min；进气压力45±3 kPa；排气压力2.4 MPa；该机选用L 型压缩机，采用3 级压缩，一级采用双作用缸，二、三级采用单作用级差缸，水冷，平衡腔通入二级进气压力。

在满足气缸的设计要求的前提下，对二、三级差式气缸的结构进行了如下改进：

3.1 三级气缸的改进

改进后结构如图3 所示，缸盖与缸体做成整体结构。

图3 改进后结构

1）改进后的结构，取消了缸体与缸盖间密封垫结构，避免了气体及冷却水在该处的泄漏，提高了整机安全可靠性；可使用于中高压场合；去除了结合部位的紧固联接，从而减少了机加工工序，省去了连接和密封件，同时减少了装配工序，使装配误差随之降低，装配更为方便快捷。

2）将三级气缸的进、排气口位置进行改进，将进、排气口直接通入气阀腔内，简化了气道，气道的作用是导流和使气流得到缓冲，改进后的结构气体经气阀孔只需拐一个弯即可到进、出气缸，避免了气体有太多急剧的拐弯和速度变化，从而减小阻力损失，提高了机器的效率。

3）根据气体流程，三级气缸为上进下出结构，改进后的气缸由于排气阀孔设置于气缸缸径的最低处，可以使缸内的磨屑等污物随气体及时排出气缸，在很大程度上改善了气缸内的工作环境；而且采用上进下出的结构形式，进、排气缓冲设备的安装不受限制，不会出现干涉现象。

图4 二级缸原结构

图5 改进后结构

4）改进后的结构由于进、排气口位置改变，缸体侧的结构简化，不需分为气道和水道，只需设置水道，不需铸成三层壁结构，使缸壁在全长上得到最充分的冷却；降低了铸件的制造难度，使铸件具有更为良好的工艺性，而且也可以缩小外形尺寸，以减小零件的重量，从而达到降低产品生产成本的目的。而且由于缸体侧只需设置水道，则水腔用清沙口可设计成大窗口，使缸体局部简化成单层壁结构，并大大方便了设置泥芯及内部清砂。

3.2 二级缸的改进

二级缸体原结构如图4，为分体式结构，改进后结构如图5，二级气缸也采用整体式结构。

1）和三级缸体一样，改进后的结构，通过减少缸座与缸体的密封面，避免了形状复杂的密封面及其带来的安全隐患；通过减少缸座与缸体联接，减少了机加工工序，减少装配工序，提高了装配精度；

2）原三级气缸的平衡容积通入一级进气压力，需由进气端引气管接入平衡腔内，气缸内部结构较复杂，需铸成多层壁结构，铸造难度较大；由于平衡腔通一级进气，活塞密封压差较大，泄漏较大，且均为外泄漏，将使压缩机的排气量随缸内磨损的增大而减少；改进后的结构，平衡腔通二级进气，可直接由二缸进气口接通气道进入平衡腔，简化了铸件的内部结构，降低铸造难度，同时外部管路也简化了许多，无需再另接平衡管路，制造安装成本也随之减少，避免了平衡腔外泄漏引起的压缩机容积流量的减少；

3）原气阀阀窝孔布置于缸座锥面上，改进后的气阀阀窝孔垂直于气缸轴线布置，降低了气阀阀窝孔的加工难度，减少了加工成本。

4 结语

该结构气缸是在我单位现有结构上进行的优化设计，经过改进后的气缸，结构简单，便于加工制造，性能优越，安装方便，且更安全可靠。该产品已试制成功并随机安装出厂，在用户使用过程中，机器运行状况良好。

［1］杨绍侃.活塞式压缩机设计［D］.西安：西安交通大学，1979.

［2］郁永章，孙嗣莹，陈洪俊.容积式压缩机技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］徐灏.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1992.