Устройство поршневого компрессора: кольца, клапаны и сальники

Поршневой компрессор остаётся самой распространённой машиной для сжатого воздуха в мастерских, на транспорте и на заводах с переменным потреблением. Устроен он как двигатель внутреннего сгорания наоборот: коленчатый вал от электродвигателя двигает поршень, а клапаны в головке впускают и выпускают воздух.

Цикл сжатия идёт в четыре фазы за один оборот

За один оборот вала поршень проходит ход вниз и ход вверх, а в цилиндре сменяются четыре фазы. Расширение: в начале хода вниз сжатый воздух, оставшийся в мёртвом объёме над поршнем, расширяется, и всасывающий клапан пока закрыт. Всасывание: давление в цилиндре падает ниже давления во всасывающем патрубке, клапан открывается, цилиндр наполняется. Сжатие: при ходе вверх оба клапана закрыты, давление растёт. Нагнетание: давление в цилиндре превышает давление в линии, нагнетательный клапан открывается, и воздух уходит в ресивер.

Клапаны управляются только перепадом давления и пружиной, привода у них нет. Это главное отличие поршневой машины от винтовой, где сжатие идёт без клапанов в рабочей камере, и ничто не бьёт по седлу на каждом обороте.

Узлы поршневого компрессора делят на три группы

Механизм движения: картер, коленчатый вал с подшипниками, шатуны, у крупных машин крейцкопф со штоком. Цилиндропоршневая группа: цилиндр, поршень, кольца, палец. Газовая часть: головка цилиндра, клапанная плита или клапаны, всасывающий фильтр, промежуточный и концевой охладители, ресивер, предохранительный клапан, регулятор давления или реле. Ресивер работает под давлением: предохранительный клапан на нём не перенастраивают и не глушат, а ремонт ресивера и его элементов под давлением ФНП № 536 запрещают (п. 360).

По смазке машины бывают маслосмазываемые и безмасляные. В первых масло из картера смазывает стенки цилиндра, и кольца стоят чугунные или стальные. В безмасляных цилиндр работает сухим, а кольца и направляющие ленты делают из наполненного фторопласта; наполнители для них выбирают по газу и скорости, как у фторопластовых поршневых колец.

По конструкции шатунного механизма различают тронковые компрессоры, где шатун связан с поршнем пальцем, и крейцкопфные, где между шатуном и поршнем стоит ползун и шток. Крейцкопфный цилиндр часто работает двусторонне: обе стороны поршня сжимают газ.

Мёртвый объём съедает производительность

Над поршнем в верхней мёртвой точке остаётся зазор: объём клапанных каналов, толщина прокладки клапанной плиты, зазор между поршнем и плитой. Этот воздух при ходе вниз расширяется и занимает часть хода, в течение которой цилиндр ничего не всасывает.

Пример расчёта (условные данные, политропа n = 1,3): объёмный коэффициент λ = 1 − c·(ε^(1/n) − 1), где c доля мёртвого объёма, ε отношение давлений. При c = 5 % и ε = 8 получается λ ≈ 1 − 0,05·3,95 ≈ 0,80. Если поставить более толстую прокладку плиты и мёртвый объём вырастет до 7 %, λ падает до 0,72, то есть машина теряет около десятой части подачи. При ε = 11 и c = 5 % λ уже около 0,73.

Отсюда практический вывод для ремонта: прокладку клапанной плиты и головки меняют на прокладку той же толщины. Заменить металлическую прокладку 0,5 мм на паронит 1,5 мм означает поднять мёртвый объём и снизить подачу, даже если всё герметично. Материал горячего стыка выбирают по температуре, как и другие прокладки компрессора, а толщину берут строго по старой детали.

Ступени ограничивают температуру сжатия

Температура воздуха при сжатии растёт тем быстрее, чем выше отношение давлений. Для идеального адиабатного сжатия T2 = T1·ε^0,286.

Пример расчёта: воздух 20 °C (293 К) сжимают от 1 до 11 бар абсолютных в одну ступень, ε = 11. T2 = 293·1,98 ≈ 580 К, около 310 °C. В реальной машине часть тепла уходит через стенки и рёбра, но температура на нагнетании всё равно высокая: масло коксуется на клапанах, а пластины теряют упругость. Если сжатие разбить на две ступени по ε ≈ 3,3 с охлаждением между ними до 20–30 °C, теоретическая температура на выходе каждой ступени около 140 °C.

Поэтому промышленные машины на 8–10 бар и выше делают двухступенчатыми: цилиндр низкого давления большого диаметра, промежуточный охладитель, цилиндр высокого давления меньшего диаметра. На промежуточном охладителе тоже стоят прокладки и кольца, и именно там часто появляется утечка, которую принимают за износ колец.

Клапан поршневого компрессора срабатывает на каждом обороте вала

Клапан поршневого компрессора открывается и закрывается один раз за оборот вала, то есть при 1 450 об/мин около 24 раз в секунду. В малых машинах стоят пластинчатые (лепестковые) клапаны: стальной лепесток на клапанной плите закрывает окно. В промышленных стоят кольцевые, полосовые и тарельчатые клапаны: набор пластин или тарелок прижат пружинами к седлу, сверху ограничитель подъёма.

Пластины кольцевых клапанов делают из стали или из термостойких полимеров: наполненного полиамида, PEEK. Полимерная пластина легче, тише садится на седло и меньше бьёт его, но держит меньшую температуру, чем сталь. Это ориентир; материал пластины определяет изготовитель клапана по температуре нагнетания и газу.

Клапан изнашивается тремя путями. Пластина ломается от усталости, особенно при поломанной или ослабшей пружине. Седло и пластина покрываются нагаром из масла и пыли, клапан перестаёт закрываться плотно. Пружины теряют упругость от температуры. Изношенный нагнетательный клапан выдаёт себя горячей крышкой над ним и ростом температуры нагнетания.

Сальник штока и кольца отделяют картер от цилиндра

В крейцкопфном компрессоре шток выходит из цилиндра через сальник. Сальник штока собирают из камер, в каждой разрезные кольца из наполненного фторопласта или графита, стянутые браслетной пружиной. Со стороны картера стоят маслосъёмные кольца, которые не дают маслу из механизма движения уйти по штоку в цилиндр. Набивочный сальник с мягкой набивкой здесь не ставят: шток движется возвратно-поступательно, и нужны разрезные кольца, которые следят за износом.

Поршень несёт компрессионные кольца и, в безмасляных машинах, направляющие ленты, которые держат поршень по центру цилиндра. Износ колец виден по прорыву воздуха в картер: из сапуна идёт воздух с масляным туманом, а подача падает.

Ниже сведены детали, которые меняют на ремонте, и признаки их износа.

Признак отказа указывает на узел

Поиск удобно вести от времени наполнения ресивера, записанного для исправной машины. Пусть компрессор стал набирать рабочее давление на треть дольше. Тогда пирометром, не касаясь металла, сравнивают крышки клапанов: одна заметно горячее соседних, значит, её клапан пропускает сжатый воздух назад в цилиндр. Крышки одинаковые, а из сапуна картера тянет воздухом с масляным туманом, значит, газ прорывается мимо колец. Время наполнения в норме, но в конденсате ресивера плёнка масла: смотрят маслосъёмные кольца и уровень в картере. Газ или масло на штоке крейцкопфной машины указывают на кольца сальника. Перечень частых жалоб эксплуатации с действиями собран для неисправностей поршневого компрессора.

Кольца, пластины и прокладки делают по образцу

Для парка поршневых машин ремонт в основном сводится к клапанам и кольцам. Готовый ремкомплект есть не на каждую модель, особенно на старые отечественные компрессоры и крейцкопфные машины, снятые с производства. Что обычно входит в комплект и что меняют первым, видно по ремкомплекту компрессора.

Под поршневые машины наша компания производит по чертежу, эскизу, фото или образцу разрезные фторопластовые кольца для поршня и камер сальника штока, направляющие ленты безмасляных цилиндров, полимерные клапанные пластины из инженерных пластиков, а также прокладки головки, клапанной плиты и межступенчатого охладителя. Делают и кольца стандартных размеров, и нестандартные под конкретную канавку; партия может состоять из одного кольца под аварийный ремонт или из годового запаса на парк, минимальный заказ 9 000 ₽ с НДС. Для компрессоров известных марок деталь делают как аналог по размерам, марка указывается только для совместимости.

Пластины и кольца клапанов работают с ударной нагрузкой и температурой, и ресурс детали на новом материале подтверждает только наработка в машине. Поэтому первую партию разумно поставить на один компрессор, проверить после регламентного интервала и только после этого закладывать в годовой запас на парк.

Данные для деталей компрессора снимают при разборке

Разборку начинают с отключения двигателя и замка на вводном выключателе, иначе реле давления запустит машину само. Затем стравливают воздух из ресивера и из трубы между головкой и обратным клапаном и ждут, пока головка остынет. К заявке прикладывают модель компрессора и номер ступени, снятую деталь или фото на листе А4 с линейкой. Для колец нужны диаметр цилиндра или штока, размеры канавки (ширина, глубина), число и тип замков. Для клапанных пластин нужна толщина, наружный и внутренний диаметр, число и форма окон. Отдельно указывают газ (воздух, азот, другой; для кислорода материал и обезжиривание деталей задаёт только изготовитель машины), давление и температуру нагнетания ступени, есть ли смазка цилиндра.

Если чертежа нет, деталь снимают с образца, и изготовление по образцу начинается с замеров изношенной детали и посадочного места. Для серии на парк одной модели удобнее один раз согласовать чертёж и материал, а затем повторять заказ по обозначению под плановые ремонты.

Нормы приведены по состоянию на октябрь 2026 года. Данные о материалах — ориентир для марок общего назначения; материал, размеры и допуски для вашего узла фиксируются в КП после технической оценки.