三星型活塞式压缩机结构设计

汤长根，李　震，何芝仙，韩燕林

(安徽工程大学　a.机械与汽车工程学院； b．力学重点实验室，安徽 芜湖　241000)



三星型活塞式压缩机结构设计

汤长根a，李震a，何芝仙b，韩燕林a

(安徽工程大学a.机械与汽车工程学院； b．力学重点实验室，安徽 芜湖241000)

摘要：针对W型压缩机动力学性能差的不足，提出了一种新的三星型压缩机的运动方案并进行了结构设计。解决了三星型压缩机结构设计中面临的如干涉、润滑、结构及装配工艺性等关键问题。所设计的三星型压缩机采用主副连杆机构和曲轴立式构造，具有动力学性能良好、润滑系统简单、轴向尺寸小且结构紧凑的特点。

关键词：飞溅润滑；立式结构；主副连杆机构；惯性力及惯性力矩

活塞式压缩机由于压力范围广、效率高、适应性强等优点，在工程中应用广泛[1]。活塞式压缩机种类很多且结构形式多样。大中型活塞式压缩机常采用H，L型等结构形式，小型活塞式压缩机常采用V，W型等[2-6]。H，L型等结构形式的压缩机，其惯性力能够得到比较好的平衡，但由于各列气缸错开布置，惯性力矩不能得到平衡，压缩机运动时动力学性能欠佳，同时需配备专门的油泵供油润滑系统，通过专门的润滑系统将润滑油运送到各个注油点，以解决各运动副的润滑问题，润滑系统结构复杂[7]。V，W型结构形式的压缩机采用飞溅润滑的方式解决轴承和运动副的润滑问题，润滑系统简单可靠，但其惯性力和惯性力矩都不能平衡，因而这种类型的压缩机在工作时振动、噪声均较大。为了提高活塞式压缩机的动力学性能，减少运转时的振动和噪声，本文提出了一种润滑系统简单可靠，且具有良好动力学性能的活塞式压缩机结构设计方案[8-14]。

1运动方案设计

图1为W型活塞式压缩机主传动系统的机构运动简图，该型压缩机的主传动系统由3个曲柄连杆机构并联组成。W型压缩机除了具有压力范围广、效率高、适应性强等活塞式压缩机共有的特点之外，其主要优点在于：① 三列连杆几何结构一致且连接在同一曲拐上，结构紧凑，且排气量成倍提高；② 气缸彼此错开一定角度，便于冷却器、级间管道及气阀的布置；③ 采用飞溅润滑方式，润滑系统简单可靠。W型压缩机的缺点在于曲轴系的惯性力、惯性力矩不能得到较好的平衡，因而整机的动力学性能差，运行时振动、噪声都较大。

为了改善活塞式压缩机的动力学性能，本文对W型压缩机的运动方案进行改进，提出一种新的运动方案。即3个连杆及活塞布置在同一平面内，且均匀布置在同一个圆周上，沿径向呈120°角星型分布。主传动系统机构运动简图如图2所示，这样运动部件的惯性力能得到较好的平衡。由于3个连杆在同一平面内，曲轴系的惯性力矩理论上等于0，连杆与活塞的往复惯性力也能得到较好的平衡，从源头上消除振源，保证压缩机具有良好的动力学性能。

1.曲轴； 2，3，4.连杆； 5，6，7.活塞； 8.机架

1.曲轴； 2，3，4.连杆； 5，6，7.活塞； 8.机架

2热力学计算

根据已成熟的W型压缩机为参考选定数据：公称容积流量Vd=0.7 m3/min，排气压力Pd=0.8 MPa，吸气压力Ps=0.102 5 MPa，吸气温度Ts=20 ℃=293 K，吸气相对湿度Φ=60%，行程S=60 mm，压缩机转速为n=945 r/min。

转速、行程和活塞平均速度的关系式如下：

(1)

式中：Cm为活塞平均速度(m/s)；n为压缩机转速(945 r/min)；S为活塞行程(m)。可得：Cm=2 m/s；压力比ε=Pd/Ps=0.8/0.102 5=7.8。

2.1初步确定排气压力和排气温度

排气温度按下式计算：

(2)

式中：Td为排气温度(K)；Ts为吸气温度(K)；n为压缩过程指数(n=1.3)。各级名义排气温度计算结果见表1。

表1　排气温度

2.2确定进、排气系数

排气系数λd按式(3)计算。排气系数见表2。

(3)

2.3确定气缸行程容积

气缸行程容积按下式计算：

(4)

式中：Vd为排气量，Vd=0.7 m3/min；λd1为排气系数，λd1=0.837 2。则Vh1=0.836 m3/min。

对于单作用气缸的气缸直径为

(5)

式中：Vhi为i级气缸的行程容积(m3/min)；s为活塞行程(m)；n为压缩机转速(r/min)；z为同级气缸数。计算可得气缸直径为D=0.079 m。按国家标准圆整后D=80 mm。

2.4修正进排气压力

在气缸直径按国家标准进行圆整后，需要进行修正。圆整后的行程容积用下式计算：

(6)

修正进排气压力和压力比为：

(7)

(8)

3结构设计

根据图2所示的三星型压缩机主传动系统机构运动方案进行结构设计。要解决的关键问题有：① 连杆及活塞应在同一平面内，且各连杆之间不发生干涉；② 润滑系统简单可靠；③ 结构及装配的工艺性良好，整机结构简单紧凑、拆装方便。

为解决上述问题，提出的结构设计方案是：① 主传动系统采用曲轴和主副连杆机构的设计方案，即在曲轴-主连杆的基础上，主连杆通过连杆销分别与2个副连杆联接，可有效地避免连杆间发生干涉。将3个连杆及活塞沿曲轴径向在一个平面内呈120°角均匀布置在同一圆周上。② 润滑方式仍采用飞溅润滑，这种润滑方式最为简单。由于3个气缸位于同一平面内，若整机仍采用W型压缩机的卧式结构，则下侧的气缸壁上的润滑油无法回油，工作时会越积越多，导致最后不能工作。故整机采取立式构造，油池位于机器的最下部，可有效解决回油问题。③ 在整机装配过程中，首先需对机身就位找正并固定机架，安装机架底部轴承盖及轴承，以机架底面为基准，竖直安装曲轴；在机架内以曲柄销的中心为基准，进行主、副连杆的装配，主连杆采用剖分式结构，并以曲轴轴颈中心为基准安装上端轴承及机架上盖。其次，对活塞组件、气缸组件分别与连杆、机架进行装配；最后，将电机支撑架、联轴器、集成电机安装于机架上，完成压缩机整机装配。装配图见图3。

1.集成电机； 2.空气过滤器； 3.气缸盖； 4.阀板； 5.气缸； 6.活塞； 7.机架； 8.主连杆； 9.曲轴； 10.轴承Ⅰ； 11.轴承盖； 12.管道； 13.副连杆； 14.轴承Ⅱ； 15.机架盖； 16.电机支撑架； 17.联轴器

图3三星型活塞式压缩机装配图

所设计的三星型活塞式压缩机结构如图4所示，它是一款单级压缩3缸并联工作的空气压缩机。集成电机(电机与减速器集成为一体)通过联轴器将动力传递给压缩机曲轴-主副连杆机构。主传动系统安装在机架内，3个气缸安装在机架上并呈120°角星型分布。3个气缸采用并联，虽然进排气是间歇的，但曲轴转动1周，3个活塞依次均匀完成3次压缩过程，故排气压力脉动小。集成电机通过电机支撑架连接到机架上。各气缸通过排气管道将压缩气体输送到储气罐中。

图4　三星型活塞式压缩机结构

该三星型活塞式压缩机的主要技术参数如下：公称容积流量Vd=0.7 m3/min，排气压力Pd=0.8 MPa，吸气压力Ps=0.102 5 MPa，吸气温度T=20 ℃=293 K，吸气相对湿度Φ=60%，排气温度Ts=189 ℃=463 K；行程S=60 mm，气缸直径D=80 mm，压缩机转速为n=945 r/min，最大活塞力为3 518 N，指示功率为3.7 kW。

4关键零部件设计

三星型活塞式压缩机主传动系统如图5所示，关键零部件主要有连杆、曲轴和机架。

图5　三星型活塞式压缩机主传动系统

4.1连杆

三星型活塞式压缩机的连杆将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动，为避免各连杆之间发生干涉，采用主副连杆机构的设计方案，主连杆通过连杆销分别与2个副连杆联接，且三连杆沿曲轴径向在同一平面内呈120°角星型布置。

为了提高三星型活塞式压缩机的动力学性能，减少运动时的惯性力，连杆材料应选择密度小、强度高的材料。故连杆选用铝合金ZL108或ZL202，采用挤压铸造工艺，获得组织致密均匀、力学性能良好的优质连杆。

主连杆是三星型压缩机最关键的零件之一，其小头与活塞销相连接，大头与曲轴销相配合，且还要联接另外2个副连杆。为便于将主连杆安装在曲轴销上，故主连杆采用平切口剖分式的结构，大头瓦两侧分别设有2个螺栓孔，通过联接螺栓将剖分的2部分联接成一体，如图6所示。主连杆下半部分设有2个连杆销孔，用于联接另外2个副连杆。杆体截面采用工字形，以减轻连杆重量。

副连杆结构相对比较简单，如图7所示。杆体截面采用工字形，以减轻连杆质量。

图6　主连杆

图7　副连杆

4.2曲轴

曲轴是三星型活塞式压缩机中传递动力的重要零件。由于它承受很大的交变载荷作用，其主要失效形式为曲轴疲劳破坏和轴颈磨损，故其材料的选取对疲劳强度和耐磨性均更求较高。而通过热处理和表面强化处理的球墨铸铁具有较高的疲劳强度、硬度和耐磨性，且切削性能良好。采用球墨铸铁铸造的曲轴可以直接铸出所需的结构形状，经济性好，且对应力集中敏感性小。因此，选择球墨铸铁作为曲轴的材料。

为使曲轴不产生过大的挠度，且能更好地平衡运动部件所产生的惯性力、惯性力矩，三星型活塞式压缩机的曲轴采用对称平衡结构，如图8所示。由于三星型活塞式压缩机的主传动系统采用主副连杆机构，故只需设置一个曲拐。

4.3机架

三星型活塞式压缩机的机架是用来支撑、固定压缩机组成零部件的一个框架。如曲轴、气缸、活塞等各主要零部件，都固定安装在机架上。机架不仅需要足够的强度和刚性，且因几何构造复杂，需要良好的铸造工艺，其材料常采用HT350灰铸铁。

图8　曲轴

如图9(a)所示，为便于曲轴、连杆等运动部件的安装，将机架设计成空心回转式结构。机架的3侧面呈120°角开有3个圆形孔，用于联接3个气缸，其底部设有轴承孔用来安装曲轴轴承，如图9所示。

图9　机架

4.4其他零部件

三星型活塞式压缩机其他主要零部件包括曲轴箱、电机支撑架、集成电机、联轴器等，如图10所示。

图10　其他主要零部件

三星型活塞式压缩机的动力来源采用的是集成电机。将电机与减速器集成为一体，由联轴器将其主轴与压缩机曲轴连接。机架和集成电机之间则通过电机支撑架连接，其主要起连接支撑作用。电机支撑架底端和机架上盖连接。

5结论

1) 提出了一种具有良好动力学性能、润滑系统简单、轴向尺寸小且结构紧凑的三星型活塞式压缩机结构设计方案。

2) 解决了结构设计中面临的干涉、润滑、结构及装配工艺性等关键问题。

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(责任编辑陈艳)

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

文章编号：1674-8425(2016)02-0041-06

中图分类号：TH13

文献标识码：A

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

作者简介：汤长根(1990—)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事现代机械设计理论与方法研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575001)；芜湖市科技计划资助项目(2014cxy07)；大学生创新训练计划资助项目(201310363032)

收稿日期：2015-10-18

引用格式：汤长根，李震，何芝仙，等.三星型活塞式压缩机结构设计[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，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.