CN111664074A - 压缩机用活塞、泵体组件和压缩机 - Google Patents

压缩机用活塞、泵体组件和压缩机 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种压缩机用活塞、泵体组件和压缩机，用于解决压缩机运转时活塞的磨损问题。该压缩机用活塞包括：环形本体，具有分别与压缩机的两缸盖接触的两端面，以及与压缩机的叶片接触的外周面；第一耐磨涂层，分别涂覆于环形本体的两端面，第一耐磨涂层的厚度大于20μm；以及第二耐磨涂层，涂覆于环形本体的外周面，第二耐磨涂层的厚度大于20μm，且第二耐磨涂层的厚度大于或等于第一耐磨涂层的厚度。本申请通过在活塞环形本体的端面和外周面分别涂覆耐磨层，减小活塞和缸盖及活塞和叶片之间的磨损，并使活塞整体磨损均匀，延长使用寿命。

Description

压缩机用活塞、泵体组件和压缩机
技术领域
本申请涉及压缩机技术领域，具体地说，涉及一种压缩机用活塞、泵体组件和压缩机。
背景技术
压缩机运转过程中，各运动部件中活塞的磨损是最大的，活塞对于压缩机的寿命及使用功耗起到关键作用。
现有压缩机用活塞多采用合金连续浇铸工艺形成，与不锈钢叶片以及缸盖之间的摩擦系数大，磨耗量大，活塞磨损严重。且活塞外周面的摩擦损耗通常大于其端面的摩擦损耗，导致活塞整体磨损不均匀，使用寿命减短。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种压缩机用活塞、泵体组件和压缩机，通过在活塞的外周面和端面分别涂覆耐磨涂层，来减小活塞本身的磨损；且通过控制耐磨涂层的厚度，使得活塞整体磨损均匀，延长使用寿命。
根据本申请的一个方面，提供一种压缩机用活塞，包括：环形本体，所述环形本体具有分别与压缩机的两缸盖接触的两端面，以及与压缩机的叶片接触的外周面；第一耐磨涂层，分别涂覆于所述环形本体的两端面，所述第一耐磨涂层的厚度大于20μm；以及第二耐磨涂层，涂覆于所述环形本体的外周面，所述第二耐磨涂层的厚度大于20μm，且所述第二耐磨涂层的厚度大于或等于所述第一耐磨涂层的厚度。
优选地，上述的压缩机用活塞中，所述第一耐磨涂层与所述缸盖之间的第一摩擦系数小于0.09，第一磨耗量小于1.3×106μm3/h；所述第二耐磨涂层与所述叶片之间的第二摩擦系数小于0.09，第二磨耗量小于1.3×106μm3/h；所述第二摩擦系数小于或等于所述第一摩擦系数，所述第二磨耗量等于所述第一磨耗量。
优选地，上述的压缩机用活塞中，所述第二耐磨涂层沿轴向的宽度大于或等于所述叶片沿轴向的宽度。
优选地，上述的压缩机用活塞中，所述第一耐磨涂层和所述第二耐磨涂层的材料均包括：聚四氟乙烯和辅助材料，聚四氟乙烯的质量百分比大于60％，辅助材料包括硅和芳纶；所述第二耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比大于或等于所述第一耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比。
优选地，上述的压缩机用活塞中，耐磨涂层的厚度与聚四氟乙烯的质量百分比满足：y＝-120x2+222.5x-68.75，y为所述第一耐磨涂层的厚度且x为所述第一耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比，或y为所述第二耐磨涂层的厚度且x为所述第二耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比。
优选地，上述的压缩机用活塞中，所述第一耐磨涂层和所述第二耐磨涂层的表面粗糙度均小于所述环形本体的圆度，且所述第二耐磨涂层的表面粗糙度小于或等于所述第一耐磨涂层的表面粗糙度。
优选地，上述的压缩机用活塞中，所述环形本体的圆度小于3μm，所述第一耐磨涂层的表面粗糙度和所述第二耐磨涂层的表面粗糙度均小于2μm。
优选地，上述的压缩机用活塞中，所述环形本体的两端面设有一个或多个凹槽，所述凹槽中填充所述第一耐磨涂层；和/或，所述环形本体的外周面设有一个或多个凹槽，所述凹槽中填充所述第二耐磨涂层。
根据本申请的另一个方面，提供一种泵体组件，包括：气缸，所述气缸的轴向两端分别设有两缸盖，两所述缸盖限定所述气缸的压缩腔，所述气缸的周壁设有径向延伸至所述压缩腔的叶片槽；上述的压缩机用活塞，所述压缩机用活塞可偏心旋转地设于所述压缩腔内，所述环形本体的两端面分别抵顶两所述缸盖，所述环形本体的外周面止抵位于所述叶片槽内的叶片。
根据本申请的另一个方面，提供一种压缩机，所述压缩机包括上述的泵体组件。
本申请与现有技术相比的有益效果在于：
通过在活塞环形本体的端面涂覆第一耐磨涂层，减小活塞环形本体的端面与缸盖之间的磨损；
通过在活塞环形本体的外周面涂覆第二耐磨涂层，减小活塞环形本体的外周面与叶片之间的磨损；
通过控制第一耐磨涂层和第二耐磨涂层的厚度等参数，使活塞整体磨损均匀，延长使用寿命；
通过在活塞环形本体的端面/外周面开槽，凹槽中相应地填充第一耐磨涂层/第二耐磨涂层，确保当端面/外周面涂覆的第一耐磨涂层/第二耐磨涂层磨尽时凹槽中的第一耐磨涂层/第二耐磨涂层仍能提供耐磨性，从而进一步延长活塞的使用寿命。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本申请实施例中一种压缩机用活塞的示意图；
图2示出本申请实施例中活塞环形本体涂覆第一耐磨涂层的示意图；
图3示出本申请实施例中活塞环形本体涂覆第二耐磨涂层的示意图；
图4示出本申请实施例中活塞磨损量与耐磨涂层的厚度的关系图；
图5示出本申请实施例中耐磨涂层的厚度与聚四氟乙烯的质量百分比的关系图；
图6示出本申请实施例中另一种压缩机用活塞的示意图；
图7示出本申请实施例中一种泵体组件的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本申请将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
图1示出实施例中压缩机用活塞的示意图，参照图1所示，在一些实施例中，本申请的压缩机用活塞包括：
环形本体1，环形本体1具有分别与压缩机的两缸盖接触的两端面11和12，以及与压缩机的叶片接触的外周面13。
以图纸方向为例，活塞环形本体1的两端面包括环形的上端面11和环形的下端面12，其中上端面11与压缩机的上缸盖接触，下端面12与压缩机的下缸盖接触。压缩机运转过程中，上端面11和上缸盖之间，以及下端面12和下缸盖之间分别发生摩擦，产生磨损。外周面13即环形本体1的柱形外周壁，压缩机运转过程中，外周面13止抵叶片发生摩擦，产生磨损。
第一耐磨涂层2，分别涂覆于环形本体1的两端面11和12，第一耐磨涂层2的厚度大于20μm。
可参照图2所示环形本体1(以上端面11为例)涂覆第一耐磨涂层2的示意图。由于压缩机运转过程中上端面11的全部区域均抵顶上缸盖发生摩擦，因此第一耐磨涂层2均匀覆盖上端面11。进一步的，基于摩擦极限PV值≤5MPa/s，压缩机运行时间>2000h的条件，第一耐磨涂层2的厚度大于20μm，以保证压缩机运转过程中第一耐磨涂层2始终附着于上端面11，与上缸盖之间发生摩擦，以减少活塞的磨损。
下端面12上涂覆第一耐磨涂层2的结构和相关参数与上端面11一致，因此不再赘述。
第二耐磨涂层3，涂覆于环形本体1的外周面13，第二耐磨涂层3的厚度大于20μm，且第二耐磨涂层3的厚度大于或等于第一耐磨涂层2的厚度。
可参照图3所示环形本体1的外周面13涂覆第二耐磨涂层3的示意图。压缩机运转过程中，叶片沿径向做往复运动，活塞的环形本体1在气缸内偏心旋转，且外周面13止抵叶片以将气缸的压缩腔分隔为吸气腔和排气腔，外周面13与叶片之间的摩擦发生在径向方向。因此外周面13上涂覆的第二耐磨涂层3沿轴向的宽度W至少等于叶片沿轴向的宽度。在优选的实施例中，第二耐磨涂层3沿轴向的宽度W稍大于叶片沿轴向的宽度，或者第二耐磨涂层3完全覆盖环形本体1的外周面13。
进一步的，基于摩擦极限PV值≤5MPa/s，压缩机运行时间>2000h的条件，第二耐磨涂层3的厚度大于20μm，以保证压缩机运转过程中第二耐磨涂层3始终附着于外周面13，与叶片之间发生摩擦，以减少活塞的磨损。同时，压缩机长期运转后，活塞环形本体1的外周面13的摩擦损耗通常大于端面11和12的摩擦损耗，为避免出现端面11和12仍能正常使用而外周面13磨损严重，导致活塞整体使用寿命减短的现象，可以控制第二耐磨涂层3的厚度大于第一耐磨涂层2的厚度，使压缩机运转过程中，外周面13的磨损和端面11及12的磨损保证相对平衡，使活塞整体磨损均匀，从而延长使用寿命。在一些实施例中，第二耐磨涂层3的厚度H1和第一耐磨涂层2的厚度H2例如可设为：1<H1/H2<1.5。在一些优选的实施例中，H1/H2＝1.2，或者H1/H2＝1.3，使压缩机长期运转后活塞外周面13的磨损和端面11及12的磨损保证平衡。
在其他实施例中，第二耐磨涂层3的厚度也可以等于第一耐磨涂层2的厚度。通过调整第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3的其他参数，使活塞整体磨损均匀。
例如，使第一耐磨涂层2与缸盖之间的第一摩擦系数小于0.09，第一磨耗量小于1.3×106μm3/h；第二耐磨涂层3与叶片之间的第二摩擦系数小于0.09，第二磨耗量小于1.3×106μm3/h；且第二摩擦系数小于第一摩擦系数，确保第二磨耗量等于第一磨耗量，实现活塞整体磨损均匀。
在一些实施例中，第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3均可以由聚四氟乙烯和辅助耐磨材料配比形成，其中的聚四氟乙烯的质量百分比大于60％，辅助耐磨材料包括硅、芳纶等等。在第二耐磨涂层3中，聚四氟乙烯的质量百分比大于第一耐磨涂层2中聚四氟乙烯的质量百分比，使调配后第二耐磨涂层3与叶片之间的第二摩擦系数小于0.09，第一耐磨涂层2与缸盖之间的第一摩擦系数小于0.09，且第二摩擦系数小于第一摩擦系数，从而控制第二磨耗量与第一磨耗量相等，且均小于1.3×106μm3/h。
参照图4所示活塞磨损量与耐磨涂层的厚度的关系图，其中横坐标可以是第一耐磨涂层2的厚度或第二耐磨涂层3的厚度，对应的纵坐标为活塞环形本体1的端面或外周面的磨损量，横纵坐标单位均为μm。图中四条曲线分别是耐磨涂层中，聚四氟乙烯的质量百分比为60％、70％、80％、90％时活塞磨损量随耐磨涂层厚度的变化趋势，直线是活塞最大磨损量随耐磨涂层厚度的变化趋势。在摩擦过程中，由于聚四氟乙烯的材料特性，耐磨涂层发生迁移，因此只要磨损量不大于耐磨涂层的厚度即可满足要求。图4所示测试结果表明，当耐磨涂层的厚度大于20μm时，磨损量满足要求。而随着耐磨涂层的厚度增加，材料成本上升，因此实际制作时可使第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3的厚度稍大于20μm。
参照图5所示耐磨涂层厚度与聚四氟乙烯的质量百分比的关系图，其中横坐标为第一耐磨涂层2或第二耐磨涂层3中聚四氟乙烯的质量百分比，对应的纵坐标为第一耐磨涂层2或第二耐磨涂层3的最小厚度，图中曲线为活塞磨损量随耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比的变化趋势。从图中可以看出，当耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比超过80％后活塞磨损量基本持平，根据曲线可以获得耐磨涂层的厚度与聚四氟乙烯的质量百分比满足：y＝-120x2+222.5x-68.75，其中y为第一耐磨涂层2的厚度且x为第一耐磨涂层2中聚四氟乙烯的质量百分比，或y为第二耐磨涂层3的厚度且x为第二耐磨涂层3中聚四氟乙烯的质量百分比。
在其他实施例中，第二耐磨涂层3与摩擦界面的摩擦系数也可以等于第一耐磨涂层2与摩擦界面的摩擦系数。通过调整第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3的其他参数，使活塞整体磨损均匀。
在一些实施例中，第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3的表面粗糙度均小于环形本体1的圆度，且第二耐磨涂层3的表面粗糙度小于第一耐磨涂层2的表面粗糙度。圆度即活塞的环形本体1接近理论圆的程度，表现为环形本体1的最大半径和最小半径之差；粗糙度即耐磨涂层的表面不平度。将第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3的表面粗糙度均设置为小于环形本体1的圆度，减小压缩机运行时活塞环形本体1本身的磨损。例如在一些机型中，活塞环形本体1的圆度小于3μm，则控制第一耐磨涂层2的表面粗糙度和第二耐磨涂层3的表面粗糙度均小于2μm。并且，可以控制第二耐磨涂层3的表面粗糙度小于第一耐磨涂层2的表面粗糙度，来平衡环形本体1的外周面13的磨损和端面11及12的磨损，使活塞整体磨损均匀。
通过对第一耐磨涂层2和第二耐磨涂层3的厚度、摩擦系数、材料配比、表面粗糙度等参数进行调整控制，使环形本体1的外周面13与接触端面(即外周面13与叶片之间)的磨耗量与端面11及12与接触端面(即端面11和12与缸盖之间)的磨耗量相等，从而保持外周面13的磨损和端面11及12的磨损相平衡，使活塞整体磨损均匀，延长使用寿命。
进一步的，在一些实施例中，本申请的压缩机用活塞的环形本体1可以在两端面开设一个或多个凹槽，凹槽中填充第一耐磨涂层2；和/或，在环形本体1的外周面13开设一个或多个凹槽，凹槽中填充第二耐磨涂层3。参照图6所示，以在环形本体1的外周面13开设凹槽130为例进行说明。环形本体1的外周面13开设凹槽130，且凹槽130中填充第二耐磨涂层3，在活塞磨损过程中，即使外周面13涂覆的第二耐磨涂层3磨尽，凹槽130中填充的第二耐磨涂层3仍能提供耐磨性，使活塞保持较低的摩擦系数。也就是说，通过在活塞环形本体1的端面/外周面开槽，凹槽中相应地填充第一耐磨涂层2/第二耐磨涂层3的方案，确保当端面/外周面涂覆的第一耐磨涂层2/第二耐磨涂层3磨尽时凹槽中的第一耐磨涂层2/第二耐磨涂层3仍能提供耐磨性，从而进一步延长活塞的使用寿命。
本申请实施例还提供一种泵体组件，参照图7所示泵体组件的示意图，该泵体组件包括：
气缸4，气缸4的轴向两端分别设有两缸盖(图中未示出)，两缸盖限定气缸4的压缩腔，气缸4的周壁设有径向延伸至其压缩腔的叶片槽(图中未示出)。上述任意实施例的压缩机用活塞，其环形本体1可偏心旋转地设于气缸4的压缩腔内，环形本体1的两端面(图中示出上端面11)分别抵顶两缸盖，且环形本体1的外周面13止抵位于叶片槽内的叶片5。
泵体组件还包括套于活塞环形本体1内的曲轴的偏心部，当压缩机运转时，曲轴的偏心部带动活塞环形本体1在气缸4内偏心旋转。活塞的上端面11抵顶上缸盖，上端面11涂覆的第一耐磨涂层与上缸盖之间发生摩擦。同时活塞的外周面13止抵叶片5，外周面13涂覆的第二耐磨涂层与叶片5之间发生摩擦。
本申请实施例还提供一种压缩机，该压缩机装配有上述的泵体组件。当该压缩机运转时，能通过活塞端面涂覆的第一耐磨涂层和活塞外周面涂覆的第二耐磨涂层减小活塞的磨损。
综上，本申请的压缩机用活塞、泵体组件和压缩机至少具备以下优点：
通过在活塞的端面涂覆第一耐磨涂层，减小活塞端面与缸盖之间的磨损；通过在活塞的外周面涂覆第二耐磨涂层，减小活塞外周面与叶片之间的磨损；通过控制第一耐磨涂层和第二耐磨涂层的厚度、摩擦系数、材料配比、表面粗糙度等参数，使活塞端面和外周面的磨损保持平衡，从而保证活塞整体磨损均匀，延长使用寿命。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种压缩机用活塞，其特征在于，包括：
环形本体，所述环形本体具有分别与压缩机的两缸盖接触的两端面，以及与压缩机的叶片接触的外周面；
第一耐磨涂层，分别涂覆于所述环形本体的两端面，所述第一耐磨涂层的厚度大于20μm；以及
第二耐磨涂层，涂覆于所述环形本体的外周面，所述第二耐磨涂层的厚度大于20μm，且所述第二耐磨涂层的厚度大于或等于所述第一耐磨涂层的厚度。
2.如权利要求1所述的压缩机用活塞，其特征在于，所述第一耐磨涂层和所述第二耐磨涂层的材料均包括：聚四氟乙烯和辅助材料，聚四氟乙烯的质量百分比大于60％，辅助材料包括硅和芳纶；以及
所述第二耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比大于或等于所述第一耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比。
3.如权利要求2所述的压缩机用活塞，其特征在于，耐磨涂层的厚度与聚四氟乙烯的质量百分比满足：
y＝-120x2+222.5x-68.75，y为所述第一耐磨涂层的厚度且x为所述第一耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比，或y为所述第二耐磨涂层的厚度且x为所述第二耐磨涂层中聚四氟乙烯的质量百分比。
4.如权利要求1所述的压缩机用活塞，其特征在于，所述第一耐磨涂层与所述缸盖之间的第一摩擦系数小于0.09，第一磨耗量小于1.3×106μm3/h；
所述第二耐磨涂层与所述叶片之间的第二摩擦系数小于0.09，第二磨耗量小于1.3×106μm3/h；以及
所述第二摩擦系数小于或等于所述第一摩擦系数，所述第二磨耗量等于所述第一磨耗量。
5.如权利要求1所述的压缩机用活塞，其特征在于，所述第二耐磨涂层沿轴向的宽度大于或等于所述叶片沿轴向的宽度。
6.如权利要求1所述的压缩机用活塞，其特征在于，所述第一耐磨涂层和所述第二耐磨涂层的表面粗糙度均小于所述环形本体的圆度，且所述第二耐磨涂层的表面粗糙度小于或等于所述第一耐磨涂层的表面粗糙度。
7.如权利要求6所述的压缩机用活塞，其特征在于，所述环形本体的圆度小于3μm，所述第一耐磨涂层的表面粗糙度和所述第二耐磨涂层的表面粗糙度均小于2μm。
8.如权利要求1所述的压缩机用活塞，其特征在于，所述环形本体的两端面设有一个或多个凹槽，所述凹槽中填充所述第一耐磨涂层；和/或
所述环形本体的外周面设有一个或多个凹槽，所述凹槽中填充所述第二耐磨涂层。
9.一种泵体组件，其特征在于，包括：
气缸，所述气缸的轴向两端分别设有两缸盖，两所述缸盖限定所述气缸的压缩腔，所述气缸的周壁设有径向延伸至所述压缩腔的叶片槽；
如权利要求1-8任一项所述的压缩机用活塞，所述压缩机用活塞可偏心旋转地设于所述压缩腔内，所述环形本体的两端面分别抵顶两所述缸盖，所述环形本体的外周面止抵位于所述叶片槽内的叶片。
10.一种压缩机，其特征在于，所述压缩机包括如权利要求9所述的泵体组件。
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