湯長根，李　震，何芝仙，韓燕林

(安徽工程大學(xué)　a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院； b．力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖　241000)

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三星型活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯長根a，李震a，何芝仙b，韓燕林a

(安徽工程大學(xué)a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院； b．力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241000)

摘要：針對W型壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)性能差的不足，提出了一種新的三星型壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)方案并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。解決了三星型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的如干涉、潤滑、結(jié)構(gòu)及裝配工藝性等關(guān)鍵問題。所設(shè)計(jì)的三星型壓縮機(jī)采用主副連桿機(jī)構(gòu)和曲軸立式構(gòu)造，具有動(dòng)力學(xué)性能良好、潤滑系統(tǒng)簡單、軸向尺寸小且結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：飛濺潤滑；立式結(jié)構(gòu)；主副連桿機(jī)構(gòu)；慣性力及慣性力矩

活塞式壓縮機(jī)由于壓力范圍廣、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程中應(yīng)用廣泛[1]。活塞式壓縮機(jī)種類很多且結(jié)構(gòu)形式多樣。大中型活塞式壓縮機(jī)常采用H，L型等結(jié)構(gòu)形式，小型活塞式壓縮機(jī)常采用V，W型等[2-6]。H，L型等結(jié)構(gòu)形式的壓縮機(jī)，其慣性力能夠得到比較好的平衡，但由于各列氣缸錯(cuò)開布置，慣性力矩不能得到平衡，壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力學(xué)性能欠佳，同時(shí)需配備專門的油泵供油潤滑系統(tǒng)，通過專門的潤滑系統(tǒng)將潤滑油運(yùn)送到各個(gè)注油點(diǎn)，以解決各運(yùn)動(dòng)副的潤滑問題，潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]。V，W型結(jié)構(gòu)形式的壓縮機(jī)采用飛濺潤滑的方式解決軸承和運(yùn)動(dòng)副的潤滑問題，潤滑系統(tǒng)簡單可靠，但其慣性力和慣性力矩都不能平衡，因而這種類型的壓縮機(jī)在工作時(shí)振動(dòng)、噪聲均較大。為了提高活塞式壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能，減少運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲，本文提出了一種潤滑系統(tǒng)簡單可靠，且具有良好動(dòng)力學(xué)性能的活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[8-14]。

1運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

圖1為W型活塞式壓縮機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，該型壓縮機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)由3個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)組成。W型壓縮機(jī)除了具有壓力范圍廣、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等活塞式壓縮機(jī)共有的特點(diǎn)之外，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：① 三列連桿幾何結(jié)構(gòu)一致且連接在同一曲拐上，結(jié)構(gòu)緊湊，且排氣量成倍提高；② 氣缸彼此錯(cuò)開一定角度，便于冷卻器、級間管道及氣閥的布置；③ 采用飛濺潤滑方式，潤滑系統(tǒng)簡單可靠。W型壓縮機(jī)的缺點(diǎn)在于曲軸系的慣性力、慣性力矩不能得到較好的平衡，因而整機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能差，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲都較大。

為了改善活塞式壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能，本文對W型壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的運(yùn)動(dòng)方案。即3個(gè)連桿及活塞布置在同一平面內(nèi)，且均勻布置在同一個(gè)圓周上，沿徑向呈120°角星型分布。主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示，這樣運(yùn)動(dòng)部件的慣性力能得到較好的平衡。由于3個(gè)連桿在同一平面內(nèi)，曲軸系的慣性力矩理論上等于0，連桿與活塞的往復(fù)慣性力也能得到較好的平衡，從源頭上消除振源，保證壓縮機(jī)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。

1.曲軸； 2，3，4.連桿； 5，6，7.活塞； 8.機(jī)架

1.曲軸； 2，3，4.連桿； 5，6，7.活塞； 8.機(jī)架

2熱力學(xué)計(jì)算

根據(jù)已成熟的W型壓縮機(jī)為參考選定數(shù)據(jù)：公稱容積流量Vd=0.7 m3/min，排氣壓力Pd=0.8 MPa，吸氣壓力Ps=0.102 5 MPa，吸氣溫度Ts=20 ℃=293 K，吸氣相對濕度Φ=60%，行程S=60 mm，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為n=945 r/min。

轉(zhuǎn)速、行程和活塞平均速度的關(guān)系式如下：

(1)

式中：Cm為活塞平均速度(m/s)；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(945 r/min)；S為活塞行程(m)?？傻茫篊m=2 m/s；壓力比ε=Pd/Ps=0.8/0.102 5=7.8。

2.1初步確定排氣壓力和排氣溫度

排氣溫度按下式計(jì)算：

(2)

式中：Td為排氣溫度(K)；Ts為吸氣溫度(K)；n為壓縮過程指數(shù)(n=1.3)。各級名義排氣溫度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　排氣溫度

2.2確定進(jìn)、排氣系數(shù)

排氣系數(shù)λd按式(3)計(jì)算。排氣系數(shù)見表2。

(3)

2.3確定氣缸行程容積

氣缸行程容積按下式計(jì)算：

(4)

式中：Vd為排氣量，Vd=0.7 m3/min；λd1為排氣系數(shù)，λd1=0.837 2。則Vh1=0.836 m3/min。

對于單作用氣缸的氣缸直徑為

(5)

式中：Vhi為i級氣缸的行程容積(m3/min)；s為活塞行程(m)；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；z為同級氣缸數(shù)。計(jì)算可得氣缸直徑為D=0.079 m。按國家標(biāo)準(zhǔn)圓整后D=80 mm。

2.4修正進(jìn)排氣壓力

在氣缸直徑按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整后，需要進(jìn)行修正。圓整后的行程容積用下式計(jì)算：

(6)

修正進(jìn)排氣壓力和壓力比為：

(7)

(8)

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2所示的三星型壓縮機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要解決的關(guān)鍵問題有：① 連桿及活塞應(yīng)在同一平面內(nèi)，且各連桿之間不發(fā)生干涉；② 潤滑系統(tǒng)簡單可靠；③ 結(jié)構(gòu)及裝配的工藝性良好，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、拆裝方便。

為解決上述問題，提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是：① 主傳動(dòng)系統(tǒng)采用曲軸和主副連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，即在曲軸-主連桿的基礎(chǔ)上，主連桿通過連桿銷分別與2個(gè)副連桿聯(lián)接，可有效地避免連桿間發(fā)生干涉。將3個(gè)連桿及活塞沿曲軸徑向在一個(gè)平面內(nèi)呈120°角均勻布置在同一圓周上。② 潤滑方式仍采用飛濺潤滑，這種潤滑方式最為簡單。由于3個(gè)氣缸位于同一平面內(nèi)，若整機(jī)仍采用W型壓縮機(jī)的臥式結(jié)構(gòu)，則下側(cè)的氣缸壁上的潤滑油無法回油，工作時(shí)會越積越多，導(dǎo)致最后不能工作。故整機(jī)采取立式構(gòu)造，油池位于機(jī)器的最下部，可有效解決回油問題。③ 在整機(jī)裝配過程中，首先需對機(jī)身就位找正并固定機(jī)架，安裝機(jī)架底部軸承蓋及軸承，以機(jī)架底面為基準(zhǔn)，豎直安裝曲軸；在機(jī)架內(nèi)以曲柄銷的中心為基準(zhǔn)，進(jìn)行主、副連桿的裝配，主連桿采用剖分式結(jié)構(gòu)，并以曲軸軸頸中心為基準(zhǔn)安裝上端軸承及機(jī)架上蓋。其次，對活塞組件、氣缸組件分別與連桿、機(jī)架進(jìn)行裝配；最后，將電機(jī)支撐架、聯(lián)軸器、集成電機(jī)安裝于機(jī)架上，完成壓縮機(jī)整機(jī)裝配。裝配圖見圖3。

1.集成電機(jī)； 2.空氣過濾器； 3.氣缸蓋； 4.閥板； 5.氣缸； 6.活塞； 7.機(jī)架； 8.主連桿； 9.曲軸； 10.軸承Ⅰ； 11.軸承蓋； 12.管道； 13.副連桿； 14.軸承Ⅱ； 15.機(jī)架蓋； 16.電機(jī)支撐架； 17.聯(lián)軸器

圖3三星型活塞式壓縮機(jī)裝配圖

所設(shè)計(jì)的三星型活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是一款單級壓縮3缸并聯(lián)工作的空氣壓縮機(jī)。集成電機(jī)(電機(jī)與減速器集成為一體)通過聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給壓縮機(jī)曲軸-主副連桿機(jī)構(gòu)。主傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在機(jī)架內(nèi)，3個(gè)氣缸安裝在機(jī)架上并呈120°角星型分布。3個(gè)氣缸采用并聯(lián)，雖然進(jìn)排氣是間歇的，但曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周，3個(gè)活塞依次均勻完成3次壓縮過程，故排氣壓力脈動(dòng)小。集成電機(jī)通過電機(jī)支撐架連接到機(jī)架上。各氣缸通過排氣管道將壓縮氣體輸送到儲氣罐中。

圖4　三星型活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

該三星型活塞式壓縮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：公稱容積流量Vd=0.7 m3/min，排氣壓力Pd=0.8 MPa，吸氣壓力Ps=0.102 5 MPa，吸氣溫度T=20 ℃=293 K，吸氣相對濕度Φ=60%，排氣溫度Ts=189 ℃=463 K；行程S=60 mm，氣缸直徑D=80 mm，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為n=945 r/min，最大活塞力為3 518 N，指示功率為3.7 kW。

4關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

三星型活塞式壓縮機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示，關(guān)鍵零部件主要有連桿、曲軸和機(jī)架。

圖5　三星型活塞式壓縮機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)

4.1連桿

三星型活塞式壓縮機(jī)的連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為避免各連桿之間發(fā)生干涉，采用主副連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，主連桿通過連桿銷分別與2個(gè)副連桿聯(lián)接，且三連桿沿曲軸徑向在同一平面內(nèi)呈120°角星型布置。

為了提高三星型活塞式壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能，減少運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，連桿材料應(yīng)選擇密度小、強(qiáng)度高的材料。故連桿選用鋁合金ZL108或ZL202，采用擠壓鑄造工藝，獲得組織致密均勻、力學(xué)性能良好的優(yōu)質(zhì)連桿。

主連桿是三星型壓縮機(jī)最關(guān)鍵的零件之一，其小頭與活塞銷相連接，大頭與曲軸銷相配合，且還要聯(lián)接另外2個(gè)副連桿。為便于將主連桿安裝在曲軸銷上，故主連桿采用平切口剖分式的結(jié)構(gòu)，大頭瓦兩側(cè)分別設(shè)有2個(gè)螺栓孔，通過聯(lián)接螺栓將剖分的2部分聯(lián)接成一體，如圖6所示。主連桿下半部分設(shè)有2個(gè)連桿銷孔，用于聯(lián)接另外2個(gè)副連桿。桿體截面采用工字形，以減輕連桿重量。

副連桿結(jié)構(gòu)相對比較簡單，如圖7所示。桿體截面采用工字形，以減輕連桿質(zhì)量。

圖6　主連桿

圖7　副連桿

4.2曲軸

曲軸是三星型活塞式壓縮機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要零件。由于它承受很大的交變載荷作用，其主要失效形式為曲軸疲勞破壞和軸頸磨損，故其材料的選取對疲勞強(qiáng)度和耐磨性均更求較高。而通過熱處理和表面強(qiáng)化處理的球墨鑄鐵具有較高的疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性，且切削性能良好。采用球墨鑄鐵鑄造的曲軸可以直接鑄出所需的結(jié)構(gòu)形狀，經(jīng)濟(jì)性好，且對應(yīng)力集中敏感性小。因此，選擇球墨鑄鐵作為曲軸的材料。

為使曲軸不產(chǎn)生過大的撓度，且能更好地平衡運(yùn)動(dòng)部件所產(chǎn)生的慣性力、慣性力矩，三星型活塞式壓縮機(jī)的曲軸采用對稱平衡結(jié)構(gòu)，如圖8所示。由于三星型活塞式壓縮機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用主副連桿機(jī)構(gòu)，故只需設(shè)置一個(gè)曲拐。

4.3機(jī)架

三星型活塞式壓縮機(jī)的機(jī)架是用來支撐、固定壓縮機(jī)組成零部件的一個(gè)框架。如曲軸、氣缸、活塞等各主要零部件，都固定安裝在機(jī)架上。機(jī)架不僅需要足夠的強(qiáng)度和剛性，且因幾何構(gòu)造復(fù)雜，需要良好的鑄造工藝，其材料常采用HT350灰鑄鐵。

圖8　曲軸

如圖9(a)所示，為便于曲軸、連桿等運(yùn)動(dòng)部件的安裝，將機(jī)架設(shè)計(jì)成空心回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。機(jī)架的3側(cè)面呈120°角開有3個(gè)圓形孔，用于聯(lián)接3個(gè)氣缸，其底部設(shè)有軸承孔用來安裝曲軸軸承，如圖9所示。

圖9　機(jī)架

4.4其他零部件

三星型活塞式壓縮機(jī)其他主要零部件包括曲軸箱、電機(jī)支撐架、集成電機(jī)、聯(lián)軸器等，如圖10所示。

圖10　其他主要零部件

三星型活塞式壓縮機(jī)的動(dòng)力來源采用的是集成電機(jī)。將電機(jī)與減速器集成為一體，由聯(lián)軸器將其主軸與壓縮機(jī)曲軸連接。機(jī)架和集成電機(jī)之間則通過電機(jī)支撐架連接，其主要起連接支撐作用。電機(jī)支撐架底端和機(jī)架上蓋連接。

5結(jié)論

1) 提出了一種具有良好動(dòng)力學(xué)性能、潤滑系統(tǒng)簡單、軸向尺寸小且結(jié)構(gòu)緊湊的三星型活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2) 解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的干涉、潤滑、結(jié)構(gòu)及裝配工藝性等關(guān)鍵問題。

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(責(zé)任編輯陳艷)

Structure Design of Triple Star-Type Reciprocating Compressor

TANG Chang-gena，LI Zhena，HE Zhi-xianb，HAN Yan-lina

( a．College of Mechanical and Automotive Engineering；b.Key Laboratory of Mechanics,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Abstract:In order to improve the dynamic performance of W-type compressor, a new kinematical scheme of the triple star-type compressor was presented and its structure was designed. The several key problems in the structure design such as interference between the kinematical parts, lubrication on the kinematical pairs, structure manufacturability and composability were solved. A major-minor connecting rods mechanism was applied in the main transmission system of the compressor and the crankshaft of the compressor was assigned to be vertical so as to splash lubrication can be used in the compressor. The dynamic performance of the designed compressor is better than the W-type compressor’s and its lubrication system is still simple just as the W-type compressors. The compressor’s structure is compact and its axial size is small.

Key words:splash lubrication；vertical structure；mechanism of the major-minor connecting rod；inertia force and inertia moment

文章編號：1674-8425(2016)02-0041-06

中圖分類號：TH13

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.008

作者簡介：湯長根(1990—)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575001)；蕪湖市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014cxy07)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201310363032)

收稿日期：2015-10-18

引用格式：湯長根，李震，何芝仙，等.三星型活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(2):41-46.

Citation format：TANG Chang-gen，LI Zhen，HE Zhi-xian，et al.Structure Design of Triple Star-Type Reciprocating Compressor[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):41-46.