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活塞式压缩机是利用活塞在气缸内往复运动来压缩气体，从而得名。因此，将给自行车打气的“打气筒”戏称为“手动单缸活塞空气压缩机”也说得过去。曾经，工业用空气压缩机绝大多数为活塞式压缩机。目前，活塞式压缩机应用最广的中小流量、中低压力等动力用领域，已经被螺杆等回转式压缩机几乎完全替代，但在工艺气体、高压、超高压、微型压缩机等领域仍具有自己的优势。
对比GB 19153—2019、GB 1915—2009可以发现，活塞式空气压缩机的功率规格进一步缩小，从最高560kW缩减至最高75kW，这说明往复活塞空气压缩机在这些被取消的功率段已经没有竞争力，失去了市场，也就没有相应的产品需要规范。
GB 19153—2019 规定的往复活塞空气压缩机的功率段和压力范围见表3-1。
表3-1 往复活塞空气压缩机的功率段和压力范围
1.运动过程
单级活塞压缩机的基本结构示意图如图3-8所示。原动机通过飞轮带动曲轴1做旋转运动，曲轴上的曲柄带动连杆3大头回转，并通过连杆使连杆小头带动十字头4、活塞杆5、活塞7做往复直线运动，这就是活塞式压缩机的运动过程。
1—曲轴；2—轴承；3—连杆；4—十字头；5—活塞杆；6—填料函；7—活塞；8—活塞环；9—进气阀；10—排气阀；11—气缸；12—平衡缸；13—机体；14—飞轮
图3-8 单级活塞压缩机基本结构示意图
2.循环过程
曲轴连杆机构带动活塞做往复运动，活塞靠曲轴侧的运动极限位置称为内止点，靠缸盖侧的运动极限位置称为外止点。两止点间的距离称为最大行程或行程 S 。
当活塞从外止点向内止点运动时，盖侧气缸与活塞构成的气缸容积增加，气缸内气体膨胀，压力下降，当压力下降到一定程度时，进气管中的气体顶开吸气阀进入气缸，当活塞到达内止点时，吸气阀自动关闭，吸气过程结束，活塞开始向外止点运动压缩气体，缸内气体压力升高，当压力高于排气管中压力时，气体顶开排气阀，开始排气，当活塞到达外止点时，排气阀关闭，活塞又开始向内止点运动，如此曲轴旋转一周，活塞往复运动一次，压缩机就完成了一个从膨胀、吸气、压缩到排气的周期性循环过程。
3.理论循环和实际循环
1）理论循环过程
压缩机的理论循环是实际循环的简化，是研究压缩机工作的基础。建立理想循环的目的，是设置一个评价压缩性能的标准。因为理想循环中压缩机吸进和排出的气体容积最大，即等于压缩机工作容积。对于往复活塞压缩机，工作容积即为活塞一个行程所扫过的容积。
理想循环假设如下。
（1）排气终了时，被压缩的气体全部排出气缸，无残留气体。
（2）进、排气管道无阻力、无热交换、气流无脉动，从而缸内气体的温度、压力进气时与进气管中的一样，排气时与排气管中的一样。
（3）气缸绝对密封无泄漏。
（4）压缩过程的过程指数为常数。
气缸中气体的压力与容积是周期性变化的，为阐述方便，将这种变化表现在压-容图中，如图3-9所示。
图3-9 压缩机的理论工作循环压-容图
① 吸气过程——（见图3-9中4—1水平线），气体吸入气缸，缸内气体的体积和质量从零开始增加，进气过程中气体的状态不变。
② 压缩过程——（见图3-9中1—2线），此过程中气体的质量保持不变，压缩的初始状态为（ P 1 、 V 1 、 T 1 ），压缩终了状态为（ P 2 、 V 2 、 T 2 ）。
③排气过程——（见图3-9中2—3水平线），气体排出缸外，缸内气体的体积和质量开始减少直至为零，排气过程中气体的状态不变。
理论循环过程只由吸气、压缩、排气3个过程组成，其中仅压缩过程属于热力过程，另外的两个过程仅是气体的一般流动过程。
2）实际循环过程
实际循环过程较理论循环过程复杂得多，图3-10所示为实际循环过程示意图，若 P s 表示名义的进气压力， P d 表示名义的排气压力，则气缸内的压力变化情况与理论循环过程有很大的差别。
图3-10 实际循环过程示意图
图3-10中，5—1是进气过程，1—2是压缩过程，2—3是排气过程，3—4是膨胀过程。可以看出与理想循环过程1 ′ 2 ′ 3 ′ 4 ′ 有明显区别。
由于实际压缩机的结构、传热等原因，压缩机的实际循环过程比理论循环过程复杂，表现在以下几方面。
（1）因为实际的压缩机机构存在余隙容积（见图3-11），所以实际循环共有4个过程（膨胀、吸气、压缩、排气），比理论循环多了一个膨胀过程。
小贴士
余隙容积是指活塞在止点时，气缸中残留气体所占的工作腔容积（见图3-11中的 V 1 V 2 V 3 ）。主要包括以下4个部分。
① 防止活塞端面与气缸盖相撞而留下的间隙容积。
② 气缸至气阀阀片的通道容积。
图3-11 余隙容积
③ 活塞顶部至第一道活塞环之间的容积。
④ 气阀结构及压力表接管的间隙容积等。
余隙容积是有害的，余隙容积的存在直接影响压缩机的排气量，使压缩机的生产能力和效率急剧下降。一是余隙容积的存在造成了吸气过程的推迟。当活塞从外止点向内止点运动时，余隙容积中的气体需要膨胀到低于进气的压力时，进气阀才会启动开始进气过程。二是余隙容积内的气体随着活塞的往复运动时而膨胀、时而被压缩，压缩机需要对这一部分气体不断地做无用功。当然，活塞式压缩机余隙容积又是必须存在的，余隙容积过小会增加活塞与气缸盖相碰撞的危险性，所以余隙容积应尽可能的小。
回转压缩机中也或多或少存在余隙容积。例如，螺杆压缩机的齿间封闭容积；涡旋压缩机始端未修正时排气终了的残留气体空间；滑片压缩机，由于排出通道的存在，在排气终了也有少量高压气体残留在工作腔中。但除了滚动活塞压缩机外，都不构成像往复压缩机中那样的膨胀过程。
（2）实际压缩机的进、排气阀必然有阻力损失。
（3）膨胀、压缩两个过程的过程指数绝不是常数。
（4）实际循环过程不可避免存在有泄漏损失。
1.基本结构
活塞式压缩机虽然种类繁多，结构复杂，但其基本构造大致相同（见图3-12、图3-13所示分别为L形压缩机、立式压缩机的基本结构）。
图3-12 L形压缩机的基本结构
图3-13 立式压缩机的基本结构
活塞式压缩机主要由传动系统、压缩系统、冷却系统、润滑系统、调节系统和安全保护系统6部分组成。
（1）传动系统 主要由皮带轮、联轴器（由传动方式决定）、曲轴、连杆、十字头和轴承等部件组成。其作用是传递动力，把电动机的旋转运动转变为活塞的往复运动。
（2）压缩系统 主要由空气过滤器、吸气阀、排气阀、气缸、活塞组件、密封装置和风包（储气罐）等部件组成。
（3）冷却系统 分为风冷和水冷，两种方式的冷却系统有所不同。风冷基本上只用于微小型空气压缩机。水冷方式的冷却系统主要由中间冷却器、气缸的冷却水套、冷却水管、后冷却器和润滑冷却器等部件组成。
（4）润滑系统 主要由齿轮油泵、注油器和滤油器等部件组成。
（5）调节系统 主要由减荷阀和压力调节器等部件组成。
（6）安全保护系统 主要由安全阀、油压断电器、断水开关和释压阀等部件组成。
活塞式压缩机本体的结构：机身部件、接筒部件、气缸部件、活塞部件、填料部件、气阀部件、曲轴部件、连杆部件、十字头部件、盘车部件和联轴器部件等。
活塞式空气压缩机风冷和水冷均有，风冷机组一般用于小型活塞式空气压缩机。
活塞式空气压缩机同样也分为油润滑、无油润滑和少油润滑3种。有油润滑就是在气缸内有注入的润滑油，因此压缩机出口的排气中就含有油。有些活塞式空气压缩机的活塞环、填料是用无润滑材料（自润滑材料）制作的，如聚四氟乙烯，这时不需要再向气缸内注油，或只注入极少的润滑油，这种活塞式空气压缩机被称为无油润滑活塞式空气压缩机和少油润滑活塞式空气压缩机。
图3-14所示为民用常见活塞式空气压缩机机型。最常见的活塞式空气压缩机就是角度式的V形和W形，街边五金店卖的大多是这种。现在市场上还有直联便携活塞式空气压缩机和静音无油空气压缩机，主要用于装修、汽车维修等，它们仍然属于活塞式，只是结构简化了，如活塞和活塞环换成了皮碗。
图3-14 民用常见活塞式空气压缩机机型
2.活塞式压缩机主要零部件
（1）机身 机身起连接、支承、定位和导向等作用。主要由中体、曲轴箱、主轴瓦（主轴承）、轴承压盖及连接和密封件等组成。不同形式的结构略有不同：
① 立式机身，适用于大、中、小型和微型压缩机。一般由3个部分组成。曲轴以下称为机座（底座），机座上开有主轴承孔。曲轴以上与中体以下的部分称为机身（机体），机体铸有滑道。位于机身和气缸之间的部分称为中体，中体为圆筒形，装有隔板和刮油环。
微型压缩机将中体、机体和机座铸为一体。
② 对置式机身，适用于对置式和对称平衡式。其机身一般由机体和中体组成，位于曲轴两侧。
③ 角度式机身，有两种结构：一种是无十字头的V形、W形和扇形机身，采用曲轴箱结构；另一种是有十字头的机身，采用封闭结构。
（2）接筒 铸铁制成的筒形结构，分有单隔室和双隔室两种形式。接筒两侧开有窗口，便于安装、检修用。
（3）气缸 是组成活塞式空气压缩机压缩容积的主要部分，主要由缸座、缸体、缸盖3个部分组成。活塞在气缸内往复运动，使空气经过一系列热力变化成为压缩气体。
微小型活塞式空气压缩机一般采用自然冷却的方式，气缸结构比较简单。
水冷型的气缸为双层壁结构（见图3-15），中间为冷却水套。缸体、缸盖、缸座的水套和气路是对应相通的，但水套与气路之间互相隔开，各结合面用胶垫密封。
（4）曲轴 曲轴（见图3-16）是往复式压缩机的主要部件之一，传递着压缩机的全部功率。其主要作用是将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。它一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。
（5）连杆 连杆（见图3-17）是曲轴与活塞间的连接件，它将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动，并将动力传递给活塞对气体做功。连杆包括连杆体、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓。
1—缸盖；2—缸体；3—阀室；4—缸座
图3-15 双层壁气缸
1—主轴颈；2—曲臂；3—曲拐；4—曲轴中心油孔；5—轴承；6—键槽；7—曲轴外伸端；8—平衡铁；9—涡轮；10—传动小轴
图3-16 L形空气压缩机曲轴部件
1—小头；2—杆体；3—大头；4—连杆螺栓；5—大头盖；6—连杆螺母
图3-17 连杆的结构
（6）十字头 十字头（见图3-18）是连接活塞杆与连杆的运动机件，在十字头滑道上作往复运动，具有导向作用。十字头的材料通常为灰铸铁。由十字头体和十字头销两部分组成。十字头的一端有内螺纹孔，可与活塞杆连接。两侧为装有十字头销的锥形孔，十字头销用键固定在十字头体上，并与连杆小头相配合。十字头销与十字头体的摩擦面上分别有油孔和油槽，由连杆流来的润滑油经油孔和油槽润滑连杆小头瓦与十字头的摩擦面。
1—十字头体；2—十字头销；3—螺钉键；4—螺钉；5—盖；6—止动垫片；7—螺塞
图3-18 十字头部件
（7）活塞组件 活塞组件（见图3-19）是指活塞体、活塞杆、活塞螺母、活塞环、支承环等零件，每级活塞体上装有不同数量的活塞环和支承环，用于密封压缩介质和支承活塞质量。
① 活塞 活塞是活塞式空气压缩机中压缩系统的主要部件。曲轴的旋转运动，经连杆、十字头、活塞杆变为活塞在气缸中的往复运动，从而对空气进行压缩做功。
1—活塞杆；2—活塞；3—活塞环；4—螺母；5—冠形螺母
图3-19 活塞组件
活塞的材质为灰铸铁或铝合金。常见的活塞形状有盘形和筒形两种。有十字头的空气压缩机通常采用圆盘形活塞，为了减少质量，活塞往往铸成空心，两端面用加强筋连接，以增加刚度。
② 活塞环 活塞环又称为涨圈，是空气压缩机的易损件之一，其作用是利用本身的张力使环的外表面紧贴在气缸镜面上，以防止气体泄漏。活塞环安装在活塞外圆的活塞环槽内。活塞环一般制成方形端面的开口圆环，具有一定的弹力。在自由状态时，其外径大于气缸内径。活塞环的开口方式有直切口、斜切口和搭切口3种，如图3-20所示。
图3-20 活塞环切口形式
为避免压缩气体从切口处泄漏，两个活塞环的切口相互错开，错开角度不小于120°。气缸有油润滑时，活塞环一般采用铸铁环或填充聚四氟乙烯塑料环。当压力较高时采用铜合金活塞环。气缸无油润滑时，活塞环和支承环均为填充聚四氟乙烯塑料环。
③ 活塞杆 活塞杆一般为45＃钢，一端制成锥形体插入活塞，用冠形螺母紧固，并插有开口销以防松动。
（8）填料 空气压缩机工作时，活塞杆与气缸座之间会产生相对运动，因此，其间必然留有间隙。为了防止压缩空气从此间隙外泄，必须设置填料装置予以密封。
目前空气压缩机密封多采用金属填料密封。密封填料由数组密封元件构成，每组密封元件主要由径向密封环、切向密封环、阻流环和拉伸弹簧组成。当有油润滑时，密封填料中设有注油孔，可注入压缩机油进行润滑；当无油润滑时，不设注油孔。密封填料分通水冷却和不通水冷却两种结构。
（9）气阀 气阀（见图3-21）随着气缸内气体压力的变化而自行开闭，它是空气压缩机的重要部件之一，也是压缩机的一个主要易损件。它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的输气量、功率损耗和运转的可靠性。质量差的气阀，能量损失占压缩机轴功率的20%。气阀的工作寿命决定了压缩机的检修周期。
1—螺母；2—阀盖、升程限制器；3—弹簧；4—阀片；5—导环；6-阀座
图3-21 气阀结构和实物图
气阀主要由阀座、阀片、弹簧、升程限制器和将它们组为一体的螺栓、螺母等组成。
阀片的开闭由阀片两侧的压差和弹簧力等因素确定的，开启高度由升程限制器上的凸台控制。活塞式压缩机根据结构的不同通常设置不同个数的气阀，从外形上可区分有环状和网状。
气阀包括吸气阀和排气阀。
吸气阀——当阀内气压低于阀外气压，且压差超过吸气阀的弹簧压力时，空气进入气缸。当阀内外的压差低于弹簧压力时，阀片被弹簧压回阀座，停止吸气。
排气阀——其动作与吸气阀相似，当气缸内气压超过阀外气压与弹簧压力之和时，开始排气。当阀内外的压差低于弹簧压力时，阀片被弹簧压回阀座，排气完毕。
针对某一具体的压缩机，其结构的优劣只能说是相对的，并且这些优劣还受使用条件等的影响，并不能说这些性能在所有使用工况下都是确定的。
1.立式压缩机
图3-22 立式结构
其重要技术渊源是舰船用立式蒸汽机、立式内燃机。发展到20世纪中期，立式结构（见图3-22）的压缩机达到鼎盛时期，出现一批列数多、容积流量大、排气压力高、活塞力和功率达到峰值的产品。中、小型立式压缩机至今仍用于工艺流程用压缩机中。
（1）立式压缩机的主要优点如下。
① 占地面积最小。
② 气缸中心线垂直于地面，故气缸镜面不承受活塞组件的重力，十字头滑道也不承受十字头组件的重力，润滑油滴（雾）不会因重力而偏聚一侧，而是沿气缸壁周向均布。因此，和其他结构形式相比，立式压缩机的气缸、活塞环及填料磨损最小且均匀，气体密封条件最佳，气缸和气密元件工作寿命长。
③ 气缸、中间接筒和机身的截面中心，多与气缸中心线重合，作用在机身或中间接筒上的气体力不会使其壁面产生弯曲应力，所以壁厚可较薄。这样既能减小质量，又能节省原材料。
④ 立式压缩机的未平衡往复惯性力，垂直作用于基础，相对水平方向作用于基础而言，更易被基础承受。而且具有较高的抗基础不均匀沉陷能力，在一定的倾斜度内，立式压缩机不致使零件产生附加变形应力。
（2）立式压缩机的主要缺点如下。
① 不太适合大型高压场合。
② 管路布置不太方便。
所以，立式结构现已基本不被大型压缩机采用，多为中、小、微型压缩机采用。迷宫式压缩机、接触环式气缸无油润滑压缩机及高压循环压缩机多采用立式结构。
2.角度式压缩机
在动力用往复活塞空气压缩机中，最广泛采用的就是角度式（以L形、V形、W形居多，如图3-23所示）。在中、小、微型，甚至容积流量为60m 3 /min的压缩机都有被广泛采用。
世界上首批无基础压缩机组均为角度式空气压缩机机组，由于其经济指标高，从而导引了现今各类中、小、微型无基础压缩机组和庞然大物的巨型撬装工艺用气体压缩机组的诞生和发展。
图3-23 几种常见的角度式往复活塞压缩机
（1）角度式压缩机的主要优点如下。
① 结构紧凑，机组的体积最小。
② 易于形成理想的系列化产品，经济性较好。
③ 占地面积小，放置压缩机设备的厂房不需要很高，附属设备可布置在机身底面以上的位置。
（2）角度式压缩机的主要缺点如下。
① 其容积流量和功率等级难以达到大型压缩机要求，因此角度式压缩机以中、小型为主。
② 其气缸中心线与地面成夹角，因此往复运动件（包括活塞、活塞环、活塞杆、填料、十字头）易产生偏磨。
（3）实例。
图3-24所示为呈恩W-10/350型空气压缩机机组。此机为W形（角度式）高压压缩机。
图3-24 W-10/350型高压空气压缩机组（呈恩）
压缩介质：空气
排气量：10Nm 3 /min
进气压力：大气压
排气压力：35MPa
压缩机转速：980r/min
压缩机行程：100mm
压缩级数：5级
电动机功率：185kW
外形尺寸（mm）：5000×2500×1850
质量：6200kg
3.卧式压缩机
（1）卧式压缩机的主要优点如下。
① 往复压缩机的各种结构形式中，卧式（含对称平衡式）的易接近性最佳，操作、维修最方便。对于工艺用压缩机，这种优越性至为可贵。
② 工艺用大型卧式压缩机的各种附属设备和管路，可以方便地置于厂房底层，从而使上层厂房变得简洁，巡检压缩机主机的通道畅通。
③ 占地面积分两种情况：气缸位于曲轴同侧的单列或两列卧式，以及气缸分置于曲轴两侧的对置式，它们的转速较低，设备占地面积大；对称平衡式（对动式）有条件实施优良的惯性力平衡，转速较高，故占地面积并不是很大。
④ 对称平衡式（对动式）不乏撬装，甚至全套附属设备均置于同一撬座上的机组化产品，更有可露天运行的撬装。这极大地节省了工厂的基建费用和时间。对于压缩可燃易爆气体的压缩机，敞开式的空旷运行环境比较安全。
（2）卧式类型中的几种结构（见图3-25）。
图3-25 几种卧式结构形式
① 一般卧式。
其机身有两种：一种是只有一副滑动主轴承，即所谓刺刀（剑式）机身；另一种是具有两幅滑动主轴承，即所谓叉型机身。前者适用于中等直至最大活塞力压缩机；后者的机构运动状态决定了惯性力不可能获得良好平衡，使得气体力和惯性力都很大，从而产生惯性力平衡差、振动大、占地面积大、造价高等不良结果，因而这种机身结构的压缩机现已极少生产。
② 对称平衡式（对动式）。
对称平衡式压缩机相对两列的止点活塞力易于相近而方向相反，改善了主轴承的载荷和磨蚀状况。多列对称平衡式压缩机的惯性力平衡水准更高、振动更小。气缸中心线方向长度短，机身、中体、中间接筒、气缸等固定件和运动件的刚性都较强，相关零件的对中性好，不易发生变形、偏磨。从这一角度讲，活塞环、填料的工作条件较好。因此，对称平衡式已成为现时工艺用压缩机和大型动力用空气压缩机的主导结构形式。
对称平衡式压缩机的缺点是：a.填料组件数目较多，较易出现密封压差大的高压填料；b.多曲拐曲轴、机身的制造较困难；c.当为两列时，其合成切向力变化幅度大，需较大的飞轮距；d.对称平衡型每相对两列中，必有一列的十字头受到向上的侧向力作用，它可能造成十字头、活塞杆运行中轻微地跳动，影响活塞-活塞杆组件运动的直线性。
③ 对置式。
气缸分置于曲轴两侧、相对两列曲拐的曲柄错角非180°的卧式对置式（总列数为奇数）压缩机，以寻求总的转矩平衡、惯性力尽量平衡为目标。此种对置式压缩机并不独立存在，而是由对称平衡式压缩机所派生并和它共同构成同一系列。
气缸分置于曲轴两侧，对置列的气缸中心线重合的卧式对置式压缩机，其活塞（柱塞）的同步运动由副十字头（框架式或拉杆式）来执行。这种对置式压缩机基本上仅用于超高压力目的。
该种形式的优点是：a.压缩机运行时连杆小头衬套不存在单侧负荷现象，油润滑状态得到保证，连杆大头瓦的负荷及润滑条件也获改善；b.对置列气缸中心线重合，气体力不对传动部件产生大的力矩。
（3）实例。
图3-26所示为呈恩DW-1.5/8-23.5型无油氢气压缩机组。此机为D形（对动式）W（无油润滑）高压氢气压缩机。
压缩介质：氢气
排气量：13.5Nm 3 /min
进气压力：0.8MPa
排气压力：2.35MPa
压缩机转速：740r/min
压缩机行程：115mm
压缩级数：2级
电动机功率：45kW
外形尺寸：3800mm×2500mm×1650mm
质量：7600kg
图3-26 DW-1.5/8-23.5型无油氢气压缩机组（呈恩）
图3-27所示为呈恩LG.V-20/400型螺杆活塞串联空气压缩机机组。
压缩介质：空气
排气量：20Nm 3 /min
进气压力：大气压
排气压力：40MPa
压缩机转速：2980/740r/min（螺杆/活塞）
压缩机行程：120mm
压缩级数：2/4（螺杆/活塞）级
电动机功率：390kW
外形尺寸：6500mm×2500mm×1900mm
质量：8900kg
图3-27 LG.V-20/400型螺杆活塞串联空气压缩机机组