Компрессорные головки: устройство, типы, принцип работы

Что это такое

Компрессорная головка — это узел поршневого компрессора, в котором происходит сжатие газа (обычно воздуха) за счёт возвратно-поступательного движения поршня внутри цилиндра. В отличие от компрессора в сборе (включающего двигатель, ресивер, систему охлаждения и автоматику), головка является непосредственно «насосной» частью — именно она создаёт давление. Остальные элементы обеспечивают её работу.

Устройство компрессорной головки

Цилиндр. Рабочая камера, внутри которой движется поршень. Изготавливается из чугуна (высокая износостойкость, но тяжёлый) или алюминия с чугунной гильзой (лёгкий, но дороже). Внутренняя поверхность цилиндра обработана с высокой точностью — шероховатость не более 0,2–0,4 микрона для обеспечения герметичности.

Поршень. Деталь, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Имеет кольцевые канавки для поршневых колец. Изготавливается из алюминиевого сплава (лёгкий, быстро нагревается) или чугуна (тяжёлый, но лучше держит тепло). Форма поршня — плоская, выпуклая или с выемкой под клапаны.

Поршневые кольца. Уплотнительные элементы, установленные в канавках поршня. Компрессионные кольца (верхние, 2–3 штуки) препятствуют прорыву сжатого газа из надпоршневого пространства в картер. Маслосъёмное кольцо (нижнее, одно) снимает излишки масла со стенок цилиндра, предотвращая его попадание в камеру сжатия.

Шатун. Соединяет поршень с коленчатым валом. Преобразует вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение поршня. Изготавливается из кованой стали или алюминиевого сплава. Нижняя головка шатуна (крепление к коленвалу) имеет вкладыш подшипника скольжения.

Клапанная плита (головка блока). Верхняя часть головки, содержащая впускные и выпускные клапаны. В простых головках клапаны — пластинчатые (тонкие металлические пластины, открывающиеся под действием перепада давления). В более сложных — кольцевые или тарельчатые с пружинами.

Впускные и выпускные клапаны. Впускные открываются, когда поршень движется вниз, и впускают воздух из атмосферы в цилиндр. Выпускные открываются, когда поршень движется вверх, и выпускают сжатый воздух в ресивер (накопительный бак). Клапаны работают автоматически под действием перепада давления — никакого механического привода от коленвала нет.

Картер. Нижняя часть головки, закрывающая коленчатый вал, шатун и масляную ванну. Служит резервуаром для масла и защищает движущиеся части от пыли и грязи.

Система охлаждения. На воздушных головках — рёбра на внешней поверхности цилиндра и головки для отвода тепла. На головках с жидкостным охлаждением — рубашка охлаждения (полости между цилиндром и внешним корпусом), через которую циркулирует вода или антифриз.

Принцип работы

Такт впуска. Поршень движется от верхней мёртвой точки к нижней. В цилиндре создаётся разрежение. Атмосферное давление открывает впускной клапан, воздух поступает в цилиндр. Выпускной клапан закрыт.

Такт сжатия. Поршень движется от нижней мёртвой точки к верхней. Оба клапана закрыты. Воздух в цилиндре сжимается, его давление и температура растут.

Такт нагнетания. Когда давление в цилиндре превышает давление в ресивере (накопительном баке), выпускной клапан открывается. Сжатый воздух выталкивается поршнем в ресивер. Впускной клапан закрыт.

Такт расширения (для многоступенчатых головок). После нагнетания поршень начинает движение вниз. Выпускной клапан закрывается, а впускной ещё закрыт. Оставшийся в цилиндре сжатый воздух расширяется, его давление падает. Когда давление становится ниже атмосферного, открывается впускной клапан — цикл повторяется.

Типы компрессорных головок

Одноступенчатые. Воздух сжимается от атмосферного давления до конечного за один такт. Максимальное давление — 8–10 бар (атмосфер). Используются в бытовых и полупрофессиональных компрессорах для накачки шин, продувки, пневмоинструмента.

Двухступенчатые. Воздух сжимается последовательно в двух цилиндрах разного диаметра. Первая ступень (цилиндр большего диаметра) сжимает воздух до промежуточного давления (3–4 бара). Затем воздух проходит через промежуточный охладитель (снижение температуры) и поступает во вторую ступень (цилиндр меньшего диаметра), где сжимается до конечного давления (12–16 бар). Выше эффективность, меньше нагрев, дольше ресурс.

Многоступенчатые (3 и более ступеней). Применяются для получения высокого давления (25–40 бар и выше). Каждая следующая ступень имеет меньший диаметр цилиндра. Между ступенями — обязательные промежуточные охладители. Используются в промышленности, для наддува двигателей, в компрессорах высокого давления.

Масляные. Поршень, цилиндр и шатун смазываются маслом, которое находится в картере. Масло разбрызгивается движущимися частями и оседает на стенках цилиндра. Часть масла уносится сжатым воздухом (масляный туман). Требуют регулярной замены масла и масляного фильтра. Обеспечивают больший ресурс (3000–5000 часов).

Безмасляные. Смазка движущихся частей отсутствует. Поршневые кольца и вкладыши шатуна изготавливаются из самосмазывающихся материалов (фторопласт, графит, керамика). Сжатый воздух не содержит масляных частиц — требуется для окраски, медицинского оборудования, пищевой промышленности. Ресурс меньше (1000–2000 часов), стоимость выше.

Характеристики

Рабочий объём. Суммарный объём, описываемый поршнями за один оборот коленвала. Измеряется в кубических сантиметрах или литрах. Чем больше объём, тем выше производительность компрессора.

Степень сжатия. Отношение объёма цилиндра при нижней мёртвой точке поршня к объёму при верхней мёртвой точке. Для одноступенчатых головок — 6–10, для двухступенчатых — 12–20 на каждой ступени.

Максимальное давление. Наибольшее давление, которое головка может создать без разрушения. Обычно на 20–30 процентов выше рабочего давления (запас прочности). Указывается в барах или мегапаскалях.

Производительность (подача). Объём воздуха, нагнетаемый головкой в единицу времени, приведённый к атмосферному давлению. Измеряется в литрах в минуту или кубических метрах в час. Зависит от рабочего объёма и частоты вращения.

Неисправности и их признаки

Износ поршневых колец. Падение производительности: компрессор долго набирает давление или не может достичь рабочего. Повышенный расход масла (у масляных головок). Масло в сжатом воздухе (синий дым из выпускного клапана). Ремонт — замена колец.

Износ цилиндра (эллипс, задиры). Стук в компрессоре на холостом ходу, повышенная вибрация. Падение производительности. Ремонт — расточка цилиндра до следующего ремонтного размера и установка поршня увеличенного диаметра или гильзовка (замена чугунной гильзы).

Прогорание или деформация клапанной плиты. Компрессор не набирает давление, воздух со свистом выходит через впускной фильтр (обратный поток). Перегрев головки. Ремонт — замена клапанной плиты.

Зависание клапанов (пластинчатых). Компрессор работает неравномерно, давление скачет. Причина — отложения нагара или грязи. Ремонт — разборка, чистка клапанов, замена сломанных пластин.

Утечка через прокладки. Свист воздуха из-под головки, падение производительности. Определяется на слух или мыльным раствором. Ремонт — замена прокладок.

Обслуживание

Замена масла (для масляных). Периодичность — каждые 500–1000 часов работы или раз в 3–6 месяцев при интенсивной эксплуатации. Используется специальное компрессорное масло, а не автомобильное (автомобильное коксуется при высокой температуре).

Очистка воздушного фильтра. Периодичность — каждые 50–100 часов или чаще в пыльной среде. Забитый фильтр увеличивает сопротивление на впуске, снижает производительность, повышает температуру головки.

Проверка клапанов. Периодичность — каждые 500–1000 часов. Снятие клапанной плиты, осмотр пластин на предмет трещин и деформации, удаление нагара.

Контроль температуры. Перегрев головки (более 200 градусов) разрушает масло, деформирует клапаны, снижает ресурс колец. Причины: высокая частота вращения (свыше 1200–1500 об/мин), плохое охлаждение (забитые рёбра), недостаток масла.