中圖分類號(hào) TH457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 0254-6094（2025）03-0438-07

往復(fù)式壓縮機(jī)具有效率高、工作壓力范圍廣及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是石化、冶金、能源等行業(yè)的核心設(shè)備[1.2]。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，壓縮機(jī)微型化、無(wú)油化的需求不斷提高[]。高曉輝等結(jié)合速度型壓縮機(jī)和活塞式壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了斜盤(pán)式和擺盤(pán)式的高壓微型壓縮機(jī)[4.5]。相較于傳統(tǒng)的高壓壓縮機(jī)，斜盤(pán)結(jié)構(gòu)的微型高壓壓縮機(jī)具有無(wú)油、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)壓縮等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在航空、航天、潛水呼吸等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[]。

由于微型壓縮機(jī)體積較小，高壓級(jí)氣缸直徑也相對(duì)較小，因此，高壓級(jí)活塞采用了浮動(dòng)柱塞結(jié)構(gòu)，設(shè)置了導(dǎo)向環(huán)。同時(shí)為保證微型壓縮機(jī)足夠的容積效率，導(dǎo)向環(huán)需采用整環(huán)。為滿足裝配要求，導(dǎo)向環(huán)所在活塞部位采用了開(kāi)放結(jié)構(gòu)，上方依靠過(guò)盈配合的堵頭進(jìn)行鎖緊。然而實(shí)際運(yùn)行中，由于微型壓縮機(jī)的排氣壓力和摩擦產(chǎn)熱較高，固定在活塞上的堵頭往往會(huì)在壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后脫落，與氣閥發(fā)生碰撞，導(dǎo)致壓縮機(jī)被迫停機(jī)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

受力行為進(jìn)行了理論分析，旨在找出堵頭脫落的原因。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)向環(huán)的運(yùn)動(dòng)和堵頭的碰撞過(guò)程進(jìn)行了仿真，研究了不同參數(shù)對(duì)堵頭脫落的影響。最終，給出了避免堵頭脫落的改進(jìn)建議，保證了微型高壓壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 導(dǎo)向環(huán)和堵頭力學(xué)分析

1.1微型壓縮機(jī)導(dǎo)向環(huán)和堵頭結(jié)構(gòu)微型壓縮機(jī)高壓級(jí)的導(dǎo)向環(huán)與堵頭如圖1所

因此，筆者首先對(duì)活塞上的導(dǎo)向環(huán)和堵頭的

示。其中堵頭1與曲柄連桿直接接觸，不存在發(fā)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)；而堵頭2與壓縮腔相連，有脫落風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 導(dǎo)向環(huán)運(yùn)動(dòng)和堵頭受力分析

導(dǎo)向環(huán)與堵頭的結(jié)構(gòu)與受力如圖2所示，藍(lán)色的導(dǎo)向環(huán)被橙色的堵頭固定在活塞上，防止脫落。堵頭與活塞間有個(gè)凹槽，為保證內(nèi)外平衡，堵頭上開(kāi)有用于平衡壓力的小孔。其中導(dǎo)向環(huán)與堵頭的間隙為 0.3mm ，大于軸向最大熱膨脹間隙

0.066mm 。導(dǎo)向環(huán)與堵頭間存在較大的間隙，而導(dǎo)向環(huán)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中受摩擦力和氣體的共同作用也會(huì)發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不可避免地會(huì)與堵頭發(fā)生碰撞，這是導(dǎo)致堵頭發(fā)生脫離可能性最大的原因；另外一個(gè)原因可能是導(dǎo)向環(huán)與堵頭間的接觸力大于堵頭的鎖緊力，堵頭發(fā)生脫離。從圖2中可以看出，導(dǎo)向環(huán)有7個(gè)作用力，堵頭有5個(gè)作用力，并規(guī)定力向上為正。

F_gi 導(dǎo)向環(huán)上游氣體力；

F_fil. （2 -堵頭防脫摩擦力，最大 2000N （204號(hào) F_pl 堵頭下游氣體力；

Rx 導(dǎo)向環(huán)與堵頭間隙氣體力；

Rx 導(dǎo)向環(huán)與堵頭接觸力；

根據(jù)導(dǎo)向環(huán)所在位置和堵頭的受力情況可以將壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程分為3個(gè)階段。

第1階段。壓縮和排氣過(guò)程，活塞由上向下靠近壓縮腔運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向環(huán)和堵頭所受合力（未考慮活塞-導(dǎo)向環(huán)-堵頭三者的接觸力）分別為：

F_daol=F_fi2+F_gi-F_gi+1-R_x2gt;0

F_dul=F_p1-R_x2-R_x1gt;0

此時(shí)，導(dǎo)向環(huán)所受合力大于0，導(dǎo)向環(huán)向上運(yùn)動(dòng)，緊貼活塞環(huán)槽，與堵頭不接觸， R_x3=0，F(xiàn)_fri1gt;0 堵頭整體合力 F_dul-R_x3+F_frilgt;0 ，合力向上，堵頭不存在脫離風(fēng)險(xiǎn)。

第2階段。膨脹和吸氣過(guò)程，此時(shí)活塞由下向上遠(yuǎn)離壓縮腔運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向環(huán)和堵頭所受合力（未考慮活塞-導(dǎo)向環(huán)-堵頭三者的接觸力）分別為：

F_gi+l 導(dǎo)向環(huán)下游氣體力；

F_fri2 （2 -堵頭與氣缸摩擦力，隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)變化；

R_xl -堵頭與活塞間隙氣體力；

R_x2^′ 導(dǎo)向環(huán)與活塞環(huán)槽間隙氣體力；

R_x3^′ 導(dǎo)向環(huán)與活塞接觸力

F_dao2=F_gi+R_x2-F_gi+1-F_fri2lt;0

F_du2=F_p1-R_x2-R_x1gt;0

此時(shí)，導(dǎo)向環(huán)所受合力小于0，導(dǎo)向環(huán)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)向環(huán)與堵頭發(fā)生接觸時(shí)！ ，R_x3gt;0，F(xiàn)_frilgt;0 ，堵頭整體合力 F_du2-R_x3+F_fril 大小未知，當(dāng)導(dǎo)向環(huán)與堵頭接觸力 R_x3 較大時(shí)，堵頭合力可能出現(xiàn)負(fù)值，即合力向下，堵頭存在脫落風(fēng)險(xiǎn)。

第3階段。導(dǎo)向環(huán)換向撞擊過(guò)程，可分為與活塞上側(cè)環(huán)槽相撞和與堵頭相撞。其中，與堵頭相撞為堵頭脫離的一個(gè)危險(xiǎn)工況點(diǎn)，此時(shí)堵頭受力情況與第2階段相近。但導(dǎo)向環(huán)與堵頭撞擊的瞬間由于速度的急劇變化，兩者間的接觸力 R_x3 會(huì)突然增大，產(chǎn)生峰值，遠(yuǎn)高于第2階段中堵頭與導(dǎo)向環(huán)的貼合狀態(tài)，進(jìn)一步增加了堵頭脫落的概率。

2 導(dǎo)向環(huán)運(yùn)動(dòng)與堵頭碰撞過(guò)程仿真

AMESim具有豐富的物理數(shù)學(xué)模型和完善的后處理功能。在前面理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)AMESim仿真對(duì)導(dǎo)向環(huán)與堵頭的受力和碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，進(jìn)一步研究堵頭脫落的原因，并給出相關(guān)改進(jìn)建議。

2.1 導(dǎo)向環(huán)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)向環(huán)受氣體壓力和摩擦力而發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，于此同時(shí)活塞（堵頭在活塞上）也在隨曲柄做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向環(huán)與活塞間屬于相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了使導(dǎo)向環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程更簡(jiǎn)潔易于理解，采用以地面為基準(zhǔn)的絕對(duì)參考系，分別求解導(dǎo)向環(huán)和活塞的運(yùn)動(dòng)，二者的差值即為導(dǎo)向環(huán)與活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

導(dǎo)向環(huán)的受力與運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。其中，活塞的位移 x₁ 、速度 v₁ 和加速度 a₁ 可以通過(guò)曲柄連桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出[7]，在此不再贅述。導(dǎo)向環(huán)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)無(wú)法直接分析得到，但通過(guò)受力分析可以得到導(dǎo)向環(huán)上的合力，通過(guò)求解微分方程可以得到導(dǎo)向環(huán)的位移 ?x₂ 速度 加速度 a₂ 。

導(dǎo)向環(huán)所受合力、位移、加速度的微分方程如下：

其中氣體力和摩擦力可以通過(guò)活塞環(huán)組間壓力分布計(jì)算直接得出[8.9]；接觸力是碰撞過(guò)程因擠壓變形產(chǎn)生的力，與導(dǎo)向環(huán)的速度和變形有關(guān)。

2.2 導(dǎo)向環(huán)與堵頭碰撞數(shù)學(xué)模型

處理多剛體中的接觸碰撞現(xiàn)象有兩類方法[10]：恢復(fù)系數(shù)法和等效彈簧阻尼法。其中恢復(fù)系數(shù)法只考慮碰撞物體的接觸剛度和恢復(fù)系數(shù)兩個(gè)參數(shù)，認(rèn)為碰撞過(guò)程是瞬間完成的，計(jì)算效率高，但無(wú)法計(jì)算出碰撞時(shí)的接觸力，速度不連續(xù)。而等效彈簧阻尼法則將碰撞過(guò)程中的接觸力等效成一個(gè)彈簧阻尼模型[1]，如圖4所示。該方法計(jì)算過(guò)程涉及參數(shù)較多，計(jì)算量大，但碰撞過(guò)程速度連續(xù)，可以計(jì)算出碰撞力，更接近真實(shí)碰撞情況。

等效彈簧阻尼法碰撞力 F_n 由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是由于兩個(gè)構(gòu)件之間的相互切入而產(chǎn)生的彈性力；另一個(gè)是由于相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力，即：

F_n=Kδ+CV

式中 c -接觸阻尼系數(shù)， N?s/mm ，與幾何體剛度和質(zhì)量有關(guān)；K- 接觸剛度， N/mm ，與幾何體材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)；V- -接觸點(diǎn)的法向相對(duì)速度， mm/s ，是δ的一階導(dǎo)數(shù)；δ —穿透量， mm ，即導(dǎo)向環(huán)與堵頭擠壓發(fā)生的變形量。

綜合考慮，對(duì)于導(dǎo)向環(huán)（PEEK）與堵頭（金屬）的碰撞應(yīng)選用等效彈簧阻尼法。通過(guò)牛頓第三定律，計(jì)算碰撞過(guò)程中兩個(gè)物體間的相互作用力，結(jié)合碰撞后物體的變形和相互作用等效應(yīng)，能夠更準(zhǔn)確地模擬物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和接觸力的大小。

2.3 堵頭脫落原因分析

2.3.1 堵頭受力與堵頭脫落原因分析

由堵頭受力的理論分析得知，在堵頭受力的3個(gè)階段中，只有第2階段（壓縮機(jī)膨脹和吸氣過(guò)程）和第3階段（導(dǎo)向環(huán)換向撞擊過(guò)程）存在堵頭脫落的風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步研究堵頭脫落的原因，對(duì)導(dǎo)向環(huán)的運(yùn)動(dòng)和堵頭的受力進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真，結(jié)果如圖5所示。

在不考慮堵頭與活塞摩擦力的前提下，堵頭合力為負(fù)向力，此負(fù)向力表示堵頭有脫落的趨勢(shì)，摩擦力將發(fā)揮阻礙作用。堵頭與活塞的最大摩擦力由實(shí)驗(yàn)測(cè)得為2000N，一旦堵頭的負(fù)向合力超過(guò)2000N，表示摩擦力無(wú)法束縛堵頭，堵頭脫落。從圖5可以看出，在壓縮機(jī)運(yùn)行的大部分過(guò)程中，堵頭的負(fù)向合力（紅線）都遠(yuǎn)小于堵頭與活塞所能提供的最大摩擦力（綠線），堵頭不會(huì)有脫落的風(fēng)險(xiǎn)。但當(dāng)堵頭與導(dǎo)向環(huán)撞擊時(shí)（轉(zhuǎn)角 180^° ），峰值力達(dá)到2500N，超過(guò)摩擦力極限，存在脫落風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)向環(huán)撞擊時(shí)間為 10^-5 s，作用時(shí)間較短，但運(yùn)行中發(fā)生多次沖擊和摩擦，產(chǎn)生的高溫容易使堵頭與活塞接觸面的形貌發(fā)生變化，導(dǎo)致摩擦力降低。長(zhǎng)期工作后，堵頭可能發(fā)生脫落。

2.3.2導(dǎo)向環(huán)與堵頭碰撞過(guò)程分析

通過(guò)仿真分析可知，堵頭脫落可能性最高的階段為導(dǎo)向環(huán)與堵頭碰撞的瞬間，下面將具體研究導(dǎo)向環(huán)在軸向間隙的運(yùn)動(dòng)和碰撞過(guò)程。

導(dǎo)向環(huán)在軸向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程如圖2b所示，隨著導(dǎo)向環(huán)脫離活塞槽上側(cè)，導(dǎo)向環(huán)上、下游氣體泄漏路徑連通，導(dǎo)致導(dǎo)向環(huán)上、下游壓力瞬間趨于一致，如圖6所示。由于導(dǎo)向環(huán)上、下游壓力一樣，導(dǎo)向環(huán)氣體力合力為零，此時(shí)導(dǎo)向環(huán)僅受摩擦力作用，如圖7所示。該階段為導(dǎo)向環(huán)與堵頭碰撞前的加速過(guò)程，導(dǎo)向環(huán)在活塞環(huán)間隙的運(yùn)動(dòng)只與摩擦力有關(guān)，摩擦力大小是后面碰撞過(guò)程接觸力大小的重要影響因素。

由圖7可以看出，導(dǎo)向環(huán)與堵頭碰撞發(fā)生在膨脹開(kāi)始初期（ 180^°. ，此時(shí)活塞反向運(yùn)動(dòng)摩擦力變?yōu)樨?fù)值，帶動(dòng)導(dǎo)向環(huán)向堵頭運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生碰撞。導(dǎo)向環(huán)與堵頭的碰撞過(guò)程可以分為3個(gè)階段（圖8），如下：

a.導(dǎo)向環(huán)脫離。膨脹開(kāi)始（ 180^°） ，此時(shí)活塞速度為零，導(dǎo)向環(huán)摩擦力大于氣體力合力，導(dǎo)向環(huán)由活塞上環(huán)槽開(kāi)始脫離。在脫離過(guò)程中氣體力合力變?yōu)榱?，僅在摩擦力作用下，導(dǎo)向環(huán)速度變?yōu)樨?fù)值 ，并靠近堵頭運(yùn)動(dòng)。

b.碰撞接觸。導(dǎo)向環(huán)與堵頭接觸后，在接觸力作用下，導(dǎo)向環(huán)的速度開(kāi)始增大，在達(dá)到正值 ?_vbc 前，導(dǎo)向環(huán)仍在靠近堵頭，擠壓變形，接觸力增大出現(xiàn)峰值。接觸力繼續(xù)作用下，導(dǎo)向環(huán)速度達(dá)到正值 ，導(dǎo)向環(huán)遠(yuǎn)離堵頭，恢復(fù)變形

c.導(dǎo)向環(huán)反彈。導(dǎo)向環(huán)脫離堵頭后，速度仍為正值 ，導(dǎo)向環(huán)遠(yuǎn)離堵頭。在摩擦力作用下，速度減小，達(dá)到負(fù)值 ?v_ef ，導(dǎo)向環(huán)靠近堵頭，直至發(fā)生二次碰撞。

從圖8可知，在活塞發(fā)生反向時(shí)，活塞速度接近零，而導(dǎo)向環(huán)通過(guò)軸向間隙加速后的速度達(dá)20m/s 這 20m/s 的相對(duì)速度是造成碰撞接觸力2500N的直接原因，也是導(dǎo)致堵頭脫落的根本原因。

3堵頭脫落的影響因素及改進(jìn)建議

通過(guò)對(duì)導(dǎo)向環(huán)與堵頭碰撞過(guò)程的分析得知，導(dǎo)向環(huán)碰撞前的速度可達(dá) 20m/s ，是造成碰撞接觸力過(guò)大的主要原因。導(dǎo)向環(huán)在碰撞前經(jīng)歷一個(gè)加速過(guò)程，主要與導(dǎo)向環(huán)的軸向間隙和摩擦力相關(guān)，是堵頭脫落的重要影響因素。

3.1軸向間隙和摩擦系數(shù)對(duì)堵頭脫落影響

在導(dǎo)向環(huán)軸向間隙 0.2mm ，摩擦系數(shù)為0.1的基礎(chǔ)上，研究了不同軸向間隙和摩擦系數(shù)對(duì)堵頭撞擊峰值力的影響，如圖9所示。從圖中可以看出，隨著導(dǎo)向環(huán)軸向間隙的減小，撞擊前導(dǎo)向環(huán)加速時(shí)間變短，撞擊初速度減小，進(jìn)而撞擊力逐漸減小。而隨著摩擦系數(shù)的減小，導(dǎo)向環(huán)所受摩擦力減小，加速度減小，撞擊前初速度減小，進(jìn)而撞擊力減小。當(dāng)導(dǎo)向環(huán)軸向間隙減小為0.05mm ，摩擦系數(shù)減小為0.01時(shí)，堵頭所受負(fù)向合力為 1000N ，小于最大約束摩擦力2000N，堵頭無(wú)脫落風(fēng)險(xiǎn)。

b.軸向間隙 ：0.05mm ，摩擦系數(shù)0.1

3.2防止堵頭脫落的改進(jìn)建議

堵頭脫落主要是由導(dǎo)向環(huán)與堵頭撞擊峰值力過(guò)大造成的，為解決堵頭脫落問(wèn)題，給出以下建議：

a.降低導(dǎo)向環(huán)摩擦系數(shù)。壓縮機(jī)活塞上的導(dǎo)向環(huán)為自潤(rùn)滑材料，在磨合初期，未能在缸壁上形成轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大。而堵頭的脫落也往往發(fā)生在壓縮機(jī)投入運(yùn)行的初期。因此，在壓縮機(jī)運(yùn)行前，通過(guò)手動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)向環(huán)和缸套，對(duì)其進(jìn)行預(yù)磨，可以降低導(dǎo)向環(huán)的摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低撞擊初速度和撞擊力，防止堵頭提前脫落。

b.縮小導(dǎo)向環(huán)軸向間隙。導(dǎo)向環(huán)軸向間隙的設(shè)置主要為了防止其受熱脹死，但從目前的分析結(jié)果來(lái)看，導(dǎo)向環(huán)軸向間隙較大。在考慮熱膨脹變形后，盡可能縮小導(dǎo)向環(huán)軸向間隙，以降低導(dǎo)向環(huán)加速時(shí)間，從而減小撞擊初速度和撞擊力，降低堵頭脫落風(fēng)險(xiǎn)。

c.增加堵頭防脫力。從計(jì)算結(jié)果上看，當(dāng)前堵頭過(guò)盈配合產(chǎn)生的防脫力為2000N，建議加大堵頭與活塞間的過(guò)盈量，增大堵頭防脫力到4000N，可有效避免堵頭脫落。

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)導(dǎo)向環(huán)與堵頭的受力進(jìn)行了初步的理論分析，判定堵頭脫落的可能原因有兩個(gè)：壓縮機(jī)膨脹和吸氣階段，導(dǎo)向環(huán)對(duì)堵頭的推力；壓縮與膨脹的交接處，導(dǎo)向環(huán)對(duì)堵頭的撞擊力。

對(duì)導(dǎo)向環(huán)運(yùn)動(dòng)與堵頭碰撞過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到的結(jié)論如下：a.導(dǎo)向環(huán)與堵頭發(fā)生撞擊后，速度由 20m/s瞬間減小到 0m/s ，該過(guò)程的撞擊力是造成堵頭脫落的主要原因。b.導(dǎo)向環(huán)與堵頭的撞擊力與氣體力無(wú)關(guān)，只與摩擦力和導(dǎo)向環(huán)軸向間隙有關(guān)。c.避免堵頭脫落的建議主要有3個(gè)。降低導(dǎo)向環(huán)與氣缸的摩擦系數(shù)；縮小導(dǎo)向環(huán)的軸向間隙；增大堵頭過(guò)盈配合的防脫力。

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（收稿日期：2024-05-21，修回日期：2025-05-09）

Analysis and Improvement of the Guide Ring Plug Fall off of Micro High-pressure Compressors

LI Peng-fei ^1，2 ， LIU Yi-ping1，2，DING Yu^2，3 ，DU Xin^1，2 ， LI Yun2，3 （1.AVICQingan Group Co.，Ltd； 2.AVIC Qingan and XJTU UnitedResearch Centerfor High-pressure and High-speedFluidMachinery；3.SchoolofChemical Engineeringand Technology，Xi'an Jiaotong University

AbstractPiston ring seal is one of the key technologies of micro high-pressure oil-free compressors，and its sealing performance determines both working eficiency and service life of the whole compressor .Aiming at the locking plug'sfalloffof the high-pressure guide ring in the existing micro compressor，both the guide ring and the plug were mechanically analyzed and then，the guide ring's motion and the plug's collision with the guide ring were simulated. The results show that，the velocity decreases from 20m/s to 0m/s after the impact between the guide ring and the plug，and the impact force in this process mainly cause the plug's fallof. In addition，the impact force between the guide ring and the plug is only related to the friction force of the guide ring andthe axial clearance of the guide ring.Finaly，according to the research results，suggestions against plug's fall off were proposed.

Key Wordsmicro high-pressure compressor，guide ring， plug's falloff，mechanical analysis，fault analysis