三星型活塞式壓縮機結構設計

湯長根，李　震，何芝仙，韓燕林

(安徽工程大學　a.機械與汽車工程學院； b．力學重點實驗室，安徽 蕪湖　241000)

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三星型活塞式壓縮機結構設計

湯長根a，李震a，何芝仙b，韓燕林a

(安徽工程大學a.機械與汽車工程學院； b．力學重點實驗室，安徽 蕪湖241000)

摘要：針對W型壓縮機動力學性能差的不足，提出了一種新的三星型壓縮機的運動方案并進行了結構設計。解決了三星型壓縮機結構設計中面臨的如干涉、潤滑、結構及裝配工藝性等關鍵問題。所設計的三星型壓縮機采用主副連桿機構和曲軸立式構造，具有動力學性能良好、潤滑系統簡單、軸向尺寸小且結構緊湊的特點。

關鍵詞：飛濺潤滑；立式結構；主副連桿機構；慣性力及慣性力矩

活塞式壓縮機由于壓力范圍廣、效率高、適應性強等優點，在工程中應用廣泛[1]。活塞式壓縮機種類很多且結構形式多樣。大中型活塞式壓縮機常采用H，L型等結構形式，小型活塞式壓縮機常采用V，W型等[2-6]。H，L型等結構形式的壓縮機，其慣性力能夠得到比較好的平衡，但由于各列氣缸錯開布置，慣性力矩不能得到平衡，壓縮機運動時動力學性能欠佳，同時需配備專門的油泵供油潤滑系統，通過專門的潤滑系統將潤滑油運送到各個注油點，以解決各運動副的潤滑問題，潤滑系統結構復雜[7]。V，W型結構形式的壓縮機采用飛濺潤滑的方式解決軸承和運動副的潤滑問題，潤滑系統簡單可靠，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在工作時振動、噪聲均較大。為了提高活塞式壓縮機的動力學性能，減少運轉時的振動和噪聲，本文提出了一種潤滑系統簡單可靠，且具有良好動力學性能的活塞式壓縮機結構設計方案[8-14]。

1運動方案設計

圖1為W型活塞式壓縮機主傳動系統的機構運動簡圖，該型壓縮機的主傳動系統由3個曲柄連桿機構并聯組成。W型壓縮機除了具有壓力范圍廣、效率高、適應性強等活塞式壓縮機共有的特點之外，其主要優點在于：① 三列連桿幾何結構一致且連接在同一曲拐上，結構緊湊，且排氣量成倍提高；② 氣缸彼此錯開一定角度，便于冷卻器、級間管道及氣閥的布置；③ 采用飛濺潤滑方式，潤滑系統簡單可靠。W型壓縮機的缺點在于曲軸系的慣性力、慣性力矩不能得到較好的平衡，因而整機的動力學性能差，運行時振動、噪聲都較大。

為了改善活塞式壓縮機的動力學性能，本文對W型壓縮機的運動方案進行改進，提出一種新的運動方案。即3個連桿及活塞布置在同一平面內，且均勻布置在同一個圓周上，沿徑向呈120°角星型分布。主傳動系統機構運動簡圖如圖2所示，這樣運動部件的慣性力能得到較好的平衡。由于3個連桿在同一平面內，曲軸系的慣性力矩理論上等于0，連桿與活塞的往復慣性力也能得到較好的平衡，從源頭上消除振源，保證壓縮機具有良好的動力學性能。

1.曲軸； 2，3，4.連桿； 5，6，7.活塞； 8.機架

1.曲軸； 2，3，4.連桿； 5，6，7.活塞； 8.機架

2熱力學計算

根據已成熟的W型壓縮機為參考選定數據：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，壓縮機轉速為n=945 r/min。

轉速、行程和活塞平均速度的關系式如下：

(1)

式中：Cm為活塞平均速度(m/s)；n為壓縮機轉速(945 r/min)；S為活塞行程(m)。可得：Cm=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(n=1.3)。各級名義排氣溫度計算結果見表1。

表1　排氣溫度

2.2確定進、排氣系數

排氣系數λd按式(3)計算。排氣系數見表2。

(3)

2.3確定氣缸行程容積

氣缸行程容積按下式計算：

(4)

式中：Vd為排氣量，Vd=0.7 m3/min；λd1為排氣系數，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為壓縮機轉速(r/min)；z為同級氣缸數。計算可得氣缸直徑為D=0.079 m。按國家標準圓整后D=80 mm。

2.4修正進排氣壓力

在氣缸直徑按國家標準進行圓整后，需要進行修正。圓整后的行程容積用下式計算：

(6)

修正進排氣壓力和壓力比為：

(7)

(8)

3結構設計

根據圖2所示的三星型壓縮機主傳動系統機構運動方案進行結構設計。要解決的關鍵問題有：① 連桿及活塞應在同一平面內，且各連桿之間不發生干涉；② 潤滑系統簡單可靠；③ 結構及裝配的工藝性良好，整機結構簡單緊湊、拆裝方便。

為解決上述問題，提出的結構設計方案是：① 主傳動系統采用曲軸和主副連桿機構的設計方案，即在曲軸-主連桿的基礎上，主連桿通過連桿銷分別與2個副連桿聯接，可有效地避免連桿間發生干涉。將3個連桿及活塞沿曲軸徑向在一個平面內呈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個氣缸位于同一平面內，若整機仍采用W型壓縮機的臥式結構，則下側的氣缸壁上的潤滑油無法回油，工作時會越積越多，導致最后不能工作。故整機采取立式構造，油池位于機器的最下部，可有效解決回油問題。③ 在整機裝配過程中，首先需對機身就位找正并固定機架，安裝機架底部軸承蓋及軸承，以機架底面為基準，豎直安裝曲軸；在機架內以曲柄銷的中心為基準，進行主、副連桿的裝配，主連桿采用剖分式結構，并以曲軸軸頸中心為基準安裝上端軸承及機架上蓋。其次，對活塞組件、氣缸組件分別與連桿、機架進行裝配；最后，將電機支撐架、聯軸器、集成電機安裝于機架上，完成壓縮機整機裝配。裝配圖見圖3。

1.集成電機； 2.空氣過濾器； 3.氣缸蓋； 4.閥板； 5.氣缸； 6.活塞； 7.機架； 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.機架蓋； 16.電機支撐架； 17.聯軸器

圖3三星型活塞式壓縮機裝配圖

所設計的三星型活塞式壓縮機結構如圖4所示，它是一款單級壓縮3缸并聯工作的空氣壓縮機。集成電機(電機與減速器集成為一體)通過聯軸器將動力傳遞給壓縮機曲軸-主副連桿機構。主傳動系統安裝在機架內，3個氣缸安裝在機架上并呈120°角星型分布。3個氣缸采用并聯，雖然進排氣是間歇的，但曲軸轉動1周，3個活塞依次均勻完成3次壓縮過程，故排氣壓力脈動小。集成電機通過電機支撐架連接到機架上。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結構

該三星型活塞式壓縮機的主要技術參數如下：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，壓縮機轉速為n=945 r/min，最大活塞力為3 518 N，指示功率為3.7 kW。

4關鍵零部件設計

三星型活塞式壓縮機主傳動系統如圖5所示，關鍵零部件主要有連桿、曲軸和機架。

圖5　三星型活塞式壓縮機主傳動系統

4.1連桿

三星型活塞式壓縮機的連桿將曲軸的旋轉運動轉換為活塞的往復運動，為避免各連桿之間發生干涉，采用主副連桿機構的設計方案，主連桿通過連桿銷分別與2個副連桿聯接，且三連桿沿曲軸徑向在同一平面內呈120°角星型布置。

為了提高三星型活塞式壓縮機的動力學性能，減少運動時的慣性力，連桿材料應選擇密度小、強度高的材料。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、力學性能良好的優質連桿。

主連桿是三星型壓縮機最關鍵的零件之一，其小頭與活塞銷相連接，大頭與曲軸銷相配合，且還要聯接另外2個副連桿。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構，大頭瓦兩側分別設有2個螺栓孔，通過聯接螺栓將剖分的2部分聯接成一體，如圖6所示。主連桿下半部分設有2個連桿銷孔，用于聯接另外2個副連桿。桿體截面采用工字形，以減輕連桿重量。

副連桿結構相對比較簡單，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中傳遞動力的重要零件。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度和耐磨性均更求較高。而通過熱處理和表面強化處理的球墨鑄鐵具有較高的疲勞強度、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構形狀，經濟性好，且對應力集中敏感性小。因此，選擇球墨鑄鐵作為曲軸的材料。

為使曲軸不產生過大的撓度，且能更好地平衡運動部件所產生的慣性力、慣性力矩，三星型活塞式壓縮機的曲軸采用對稱平衡結構，如圖8所示。由于三星型活塞式壓縮機的主傳動系統采用主副連桿機構，故只需設置一個曲拐。

4.3機架

三星型活塞式壓縮機的機架是用來支撐、固定壓縮機組成零部件的一個框架。如曲軸、氣缸、活塞等各主要零部件，都固定安裝在機架上。機架不僅需要足夠的強度和剛性，且因幾何構造復雜，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、連桿等運動部件的安裝，將機架設計成空心回轉式結構。機架的3側面呈120°角開有3個圓形孔，用于聯接3個氣缸，其底部設有軸承孔用來安裝曲軸軸承，如圖9所示。

圖9　機架

4.4其他零部件

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

圖10　其他主要零部件

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

5結論

1) 提出了一種具有良好動力學性能、潤滑系統簡單、軸向尺寸小且結構緊湊的三星型活塞式壓縮機結構設計方案。

2) 解決了結構設計中面臨的干涉、潤滑、結構及裝配工藝性等關鍵問題。

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(責任編輯陳艷)

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

文獻標識碼：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，主要從事現代機械設計理論與方法研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51575001)；蕪湖市科技計劃資助項目(2014cxy07)；大學生創新訓練計劃資助項目(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結構設計[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，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.