活塞环的作用是密封气缸的工作容积，防止压缩气体从活塞与气缸壁之间的间隙泄漏。压缩机的活塞组件在往复运动的过程中，在活塞两侧构成两个用于压缩气体的可变工作容积。在活塞杆一个行程的运动中，活塞的一侧，由于容积变小，气体在被压缩的同时，压力上升；与此同时，活塞另一侧的容积变大，气体在膨胀的过程中压力下降，在活塞两侧形成压差。为防止高压气体进入低压侧，活塞环承担了密封作用，即阻断流体在运动的活塞与静止的气缸壁之间的泄漏通道，保证了气体周期性的吸进、压缩和排出。
在活塞的往复运动过程中，由于活塞环与活塞环槽之间存在轴向及径向的间隙，如图1-47所示，使高压气体能迅速进入活塞环槽内，高压气体力沿轴向作用在活塞环的一侧端面上，使活塞环的另一侧端面贴紧在环槽侧面，从而形成密封。同时，进入环槽中的高压气体，又在直径方向作用于活塞环上，使活塞环的外圆周面与缸套内壁紧密贴合，形成密封。需要指出的是，活塞环与环槽之间的间隙还有另外一个作用，气体在压缩过程中，产生的热量以及活塞环在与缸套相对运动时产生的摩擦热，会导致非金属的活塞环在轴向和径向产生膨胀，适当的间隙可以保证活塞环在热态工作环境中，在环槽内随着气体力的作用自由浮动，正常工作。综上所述，活塞环与气缸之间的密封，是靠介质压力实现的。
图1-47 密封原理
（1）金属活塞环 金属活塞环是一个具有弹力的开口环，其密封原理为自紧式密封，活塞环在自由状态下，有开口间隙，一是保证装入缸套以后，形成初始比压，二是考虑运转以后活塞环热膨胀量。为了保证规定的自由开口尺寸，在制造活塞环时将开口的活塞圆环撑开，在夹具上进行热定型。活塞环的材料，要保证足够的硬度和耐磨性，常用材料是铸铁，金相组织以珠光体为基体，均匀分布有薄片状或团状石墨，硬度为180～250HBW，中、高压级活塞环可用合金铸铁（在铸铁中加入铬、镍、铜、钼等元素），经淬火、回火处理，使珠光体变为贝氏体和马氏体的混合基体，这样韧性和耐磨性更好。活塞环表面粗糙度要低，Ra值不高于0.8μm，以减小活塞环与缸套环槽间隙，提高密封性能。
一般情况下，2～4个活塞环即可实现密封，但在运行过程中，各环负荷并不均匀，靠近缸头的活塞环受到的压差大，磨损也快。泄漏加大以后，下一道活塞环受到的压差随之增大，磨损也快，依此类推。活塞环个数的选取，可以按活塞两侧压差选取，见表1-16。
表1-16 活塞环的选取
活塞环径向厚度取值范围：T=（1/22～1/36）D，直径大时取下限值；对于缸径D＜50mm的活塞环，径向厚度取值范围：T=（1/14～1/22）D，式中D为气缸内径；活塞环的轴向高度值H，一般应大于2～2.5mm；H/T的值一般在0.4～1.1，即H/T=0.4～1.1。
（2）无油润滑活塞环和支撑环 在无油润滑压缩机中，关键是采用了无油润滑材料作活塞环，目前主要用填充聚四氟乙烯（PTFE），聚四氟乙烯由四氟乙烯加聚而成，由于聚合分子中C—F键的键能高（485.6kJ/mol），键节结构高度对称，结晶度达到90%以上，因此化学稳定性好，耐腐蚀，耐温达250℃，并且摩擦因数小（0.1），具有良好的自润滑性能。但纯聚四氟乙烯的热膨胀系数大，导热性差，力学性能差，易发生冷流。冷流是指高分子化合物在外力的作用下，产生高分子转移而变形。为克服这些缺点，加入填充剂改善其性能。加入青铜粉提高其耐磨性、改善导热性和冷流性；加入玻璃纤维提高强度和耐磨性；加入二硫化钼提高自润滑性。将填充物按一定的比例组成混合物，经过压制、烧结后，加工成所需的活塞环、导向环和填料环等。
PTFE材料的活塞环与金属气缸对磨时，其表面分子能转移渗入到金属表面，形成镀膜，使活塞环的磨损大大降低。因此，使用非金属材料的活塞环时，气缸内表面不宜过分致密，因为太致密无法完成着床镀膜过程。所以气缸内表面粗糙度是一个非常重要的参数，一般气缸表面的粗糙度值为0.4～0.6μm，活塞杆表面的粗糙度值为0.2～0.4μm。压缩机开车前要磨合，完成镀膜过程。
活塞环只起密封作用，不起导向和支撑作用；导向环只起支撑和导向作用，不起密封作用。支撑环支撑活塞杆和活塞重量的一半，另一半由十字头支撑。除直立式迷宫活塞以外的压缩机，都必须有支撑环。支撑环的轴向高度比活塞环大，一般为活塞环轴向高度的两倍。
填充聚四氟乙烯由于刚性差、易变形，在径向力的作用下和气缸壁贴合得很好，密封能力较铸铁环要好，相同工况下，活塞环的数量可以少于铸铁环的数量，靠近缸头的第一道活塞环承担压力降的70%，第二道活塞环承担10%，第三道活塞环承担8%。因此，增加活塞环的数量，并不能起到更好的密封作用。(www.xing528.com)
（3）活塞环的切口形式 活塞环一般为整体圆环开切口，如图1-48所示。也有的采用整体圆环切分成两个半圆环。某塑料厂高压装置的一次压缩机活塞环，就是采用整体圆环切分成两个半圆环。当活塞环刚性强，韧性低时采用此种形式，但要防止安装时，将活塞环折断。这种结构一般用在缸径较小，且中、高压力条件下。但从实际使用情况来看，活塞环的硬度高时，耐磨性也变差。两个半圆环的活塞环还有一个缺点，就是安装困难，半个环放在槽内总是掉出来，安装时，必须粘上一些油脂附在槽上。
图1-48 活塞环的切口形式
直切口的切口强度高，加工简单，但泄漏相对较大；阶梯切口间隙小，密封效率高，一般用于轻质气体；斜切口密封效率高，加工也简单，但容易旋转。还要注意脆性材质的活塞环不能开斜口，铝材质的活塞也不能用于开斜口的活塞环。
另外支撑环表面卸压槽方向应相互错开，以防止支撑环在气流作用下在缸内转动，如图1-49所示。
（4）填料环 填料环上的弹簧起到组装分瓣式填料环的作用，气体压力使填料环贴紧在活塞杆上实现密封，也属于自紧式密封，如图1-50所示。填料环之间用定位销固定相对位置，一个环的切口间隙由另一个环覆盖住，封闭了由切口泄漏的路径。填料环组在环槽中可以自由浮动，用来补偿活塞杆的径向摆动。如图1-51所示，填料由径向切口和周向切口组成一组，安装时，径向切口环置于受压侧，径向切口环只起挡住周向切口缝隙的目的，不起密封作用。
图1-49 支撑环
图1-50 填料环工作原理
图1-51 填料环安装位置
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