面向無油空氣壓縮機的復合式冷卻風扇及其布局設計

陳軍， 陳君立， 楊海霞， 耿愛農， 孫文博， 阮勤江

（1.五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020；2.浙江鴻友壓縮機制造有限公司，浙江 溫嶺317523）

0 引言

小型搖擺活塞式無油空氣壓縮機廣泛應用于家庭裝修裝飾、汽車維修維護、醫療按摩康復等行業，該類壓縮機普遍采用直聯式電動機來進行驅動，工作期間因空氣被壓縮產生的熱量、密封皮碗與氣缸摩擦產生的熱量、電動機運轉產生的熱量會導致壓縮機核心零部件（如活塞密封皮碗、連桿大頭軸承、曲軸支撐主軸承等）熱負荷過大，也是造成壓縮機工作可靠性下降的主要原因之一[1]。因此，有效解決上述關鍵零部件的散熱問題是壓縮機科研工作者十分重視的研究課題[2-3]。

傳統小型搖擺活塞式無油空氣壓縮機的散熱解決方案基本采用在曲柄端部（亦即在連桿大頭端側或電動機尾端處）布設離心式徑流風扇并輔以導流殼罩來予以實現[4]。這種做法的不足之處在于徑流風扇受限于其風量產出特性，僅能滿足冷卻壓縮機泵頭部件的散熱需求而不能顧及其它零部件的散熱。事實上，用以支撐曲軸及電動機的主軸承、連接曲柄銷與連桿的連桿大頭軸承，它們的熱負荷問題同樣制約著壓縮機的工作可靠性。鑒于此，本文提出包含有軸流單元與徑流單元的復合式冷卻風扇[5-7]，試圖同時完成面向壓縮機泵頭和面向曲軸主軸承及連桿大頭軸承的兩個不同散熱任務。

1 復合式冷卻風扇結構形式與特點

圖1和圖2為本文設計的一體結構復合式冷卻風扇示意圖，圖3和圖4為基于該設計理念而制作的若干風扇實物照片。區別于傳統小型搖擺活塞無油空氣壓縮機的徑流式冷卻風扇，本文設計的復合式冷卻風扇布設有能同時產生徑向流量和軸向流量的驅動單元與分流構造，借助這些功能部件，復合式冷卻風扇可在其運轉時能同時派生出兩股指向顯著不同的冷卻風流量。

圖1 徑-徑葉片復合式冷卻風扇結構示意圖

圖2 徑-軸葉片復合式冷卻風扇結構示意圖

圖3 面向1.5 hp無油壓縮機復合式冷卻風扇實物

圖4 面向2 hp無油壓縮機復合式冷卻風扇實物

容易看出，復合式冷卻風扇用以產生徑向流量和軸向流量的驅動單元（即葉片）有兩種基本組配：一個是徑-徑葉片復合結構（如圖1），其內圈的軸流單元和外圈的徑流單元均采用徑向葉片來產生風速和流量；另一個則是徑-軸葉片復合結構（如圖2），布局在外圈的徑流單元采用徑向葉片構造，布置在內圈的軸流單元則采用軸流葉片構造。在軸流單元與徑流單元之間設置有一個分流筒殼，由分流筒殼形成并分流出兩股指向完全不同的冷卻風量。這兩種復合葉片結構的特點不同，可以依照實際情形進行選用。一般而言，對于匹配轉速較高的兩極電動機的壓縮機建議采用徑-徑葉片形式，對于匹配轉速相對低一些的四極電動機的壓縮機可考慮徑-軸葉片形式，當然選用時還需考慮壓縮機曲軸箱的結構型式。

2 復合式冷卻風扇布局設計實例

無油空氣壓縮機的熱負荷狀況很有特點，一個集中在泵頭處，另一個集中在曲軸箱本體中心區域的軸承處。對于泵頭的熱負荷一直受到高度重視，就常規輸出壓力0.7～0.8 MPa的無油空氣壓縮機而言，其最高溫度出現在缸蓋處，可達135 ℃以上，因此需強力散熱以確保安全；氣缸處的熱負荷對活塞密封皮碗工作壽命負面影響極大，其溫度不宜超過110 ℃；無油壓縮機各軸承均為含油軸承，因此它們的溫升須控制在較低水平（一般不得超過80℃），否則難以支持其長期運轉。如前所述，本文設計的復合式冷卻風扇能分流出兩股指向不同的冷卻風流量，可解決當下無油壓縮機多目標區域熱負荷消減的需求。下面結合實例敘述一下該類冷卻風扇的應用。

小型搖擺活塞式無油空氣壓縮機普遍采用直聯式電動機來進行驅動，其布局特點決定了宜采用沿電動機軸向方向補入外界冷卻風，冷卻風扇一般布局在軸端處。本文的設計也不例外，亦將復合式風扇安排在曲軸端頭并貼近連桿大頭處。根據不同曲軸箱型式的壓縮機，以下給出兩個復合式風扇布局案例：1）對于采用封閉式曲軸箱的無油空氣壓縮機（如圖5），本文的一個設計實施例是采用徑-徑葉片型復合式冷卻風扇，其產生的徑流風通過蝸殼式導流殼罩從壓縮機的機體側面引導至泵頭處，借助殼罩迫使該股冷卻風橫向掠過氣缸蓋的散熱片后再從泵頭的另一側吹出，以此帶走端蓋的熱量而達成強力冷卻；而復合式風扇產生的軸流風則讓其直接對準壓縮機的主軸承和連桿大頭軸承，在貫穿并冷卻這些部件之后再從電動機筒殼的散熱孔流出，同時這股軸流風量還肩負著部分冷卻壓縮機氣缸的任務。2）對于采用開放式曲軸箱型式的無油空氣壓縮機（如圖6），考慮到它采用四極電動機驅動轉速較慢，因此本文選用徑-軸葉片型復合式冷卻風扇，其布局策略是將風扇產生的徑流風通過布局在壓縮機軸端部的殼罩（圖中未示出）從壓縮機軸端向上引導至泵頭的氣缸及缸蓋處，同時對這兩個零部件進行散熱，其中風扇的軸流單元產生的軸流風則直接對準壓縮機的主軸承和連桿大頭軸承進行散熱冷卻。

圖5 封閉式曲軸箱無油壓縮機復合式冷卻風扇布局

圖6 開放式曲軸箱無油壓縮機復合式冷卻風扇布局

上述兩種復合式風扇布局設計均經實際產品運行驗證，都能夠達到壓縮機不同區域的冷卻目標，可保證端蓋處的溫度不超過130 ℃、氣缸處的溫度不超過100 ℃、主軸承座及連桿大頭軸承處的溫度不高于75 ℃，有效確保了壓縮機的工作可靠性。值得一提的是，圖5、圖6所示的壓縮機為采用一臺電動機驅動兩個泵頭，俗稱兩頭挑布局無油壓縮機，是目前搖擺活塞式無油空氣壓縮機廣為采用的機型。對于這種兩頭挑布局的壓縮機，如果采用徑-徑葉片復合結構，那么風扇無論是裝左端還是裝右端均可適配，其生產只需一副模具即可，且不存在工人誤裝的情形；對于采用徑-軸葉片復合結構的冷卻風扇來說，其左右兩副風扇是不同的（如圖4），因此需采用兩副不同模具來生產，且裝配時不能搞混，其優點是對壓縮機主軸承和連桿大頭軸承的冷卻效果較好。

3 結語

小型搖擺活塞式無油空氣壓縮機存在兩個明顯區域不同的熱負荷集中部位：一個位于壓縮機泵頭區域（氣缸及缸蓋處），其熱負荷主要源自于壓縮空氣產生的熱及皮碗與氣缸摩擦產生的熱；另一個則位于支撐電動機與曲軸的主軸承座及連接連桿與曲柄銷的連桿大頭軸承處，其熱負荷主要受電動機運行熱的影響，同時也有來自泵頭的熱量，上述部位散熱效果的好壞直接關系到壓縮機的工作可靠性。長久以來，小型搖擺活塞式無油空氣壓縮機基本采用單一構造形式的葉片結構，只能產生單股冷卻風量，難以同時兼顧泵頭及軸承的冷卻，本文設計的復合式冷卻風扇彌補了這一短板，它集成了徑向流量和軸向流量兩種截然不同的驅動單元構造，能可靠地產生出兩股指向不同的冷卻風，可同時應對壓縮機棘手的多目標冷卻任務。經過實際產品的運行驗證，復合式風扇可使上述氣缸、氣缸蓋、主軸承及連桿大頭軸承等壓縮機的核心零部件溫升不超標，有力地保障了壓縮機運行的工作可靠性。本文的設計構想是可行的，它豐富了現有小型搖擺活塞無油壓縮機的風扇種類。