全平衡四缸活塞压缩机的分析与应用

谢 翀，张 敏

（新会江裕信息产业有限公司，广东江门 529000）

1 引言

活塞式压缩机作为一种常见的机械，在日常生活和各行各业中发挥着重要作用，其结构和形式及大小也是多种多样。随着生活中各种应用产品的专用和小型化，对小型化、低噪声、低振动、无油压缩机的需求越来越大，其可应用于家用、医疗、美容、便携设备等，如压缩式雾化器、小型制氧机等。

目前相关产品仍多采用常规结构双缸无油活塞压缩机，其结构或噪声振动大或体积较大。采用全平衡原理设计的压缩机，在噪声、振动以及体积方面能有较明显的优势。

而利用其四缸结构，通过流道设计，可方便地在一台机内，实现双级压缩，或者两缸正压，两缸负压，同时不影响其平衡性。

2 压缩机运行关系

往复压缩机通过曲柄连杆机构，将传动机构的旋转运动转换为活塞的往复运动来压缩气体。通常情况下，曲柄半径r比连杆1要短，即连杆比，全平衡活塞式压缩机通过偏心轴与偏心套的组合，使理论上的连杆比等于1，行程可达到4r，普通结构同曲柄半径长度压缩机行程则为2r。

图1中活塞中心1、2两端分别设置活塞工作面，即相当于双作用活塞，其中水平与垂直方向共两列，构成一台四缸压缩机，每旋转一圈，4个气缸轮流工作，行程均为4r。

气缸内部，随着主轴旋转，活塞进行往复运动，体积减小或增大，气体的压力也随之发生变化，其过程也就是吸气、压缩、排气3个阶段循环，因此气体力就是旋转角度θ的函数，即Fg=f（θ）如图2。

相比单缸压缩机排气周期为360°一次，该类型压缩机有4个气缸根据旋转方向轮流做工，工作角度间隔90°，故每90°为一个周期。因此四缸压缩机在同样转速的情况下，排气相比单缸、双缸压缩机更加稳定，而在缸径和行程相同的情况下，可利用缸多的优势，降低转速以降低运转振动及噪声。

3 平衡分析

3.1 单列分析，如图1

选取其中一列活塞运动进行分析，并进行惯性力计算：

（方向与加速度相反，且只有一阶往复惯性力，没有通常压缩机存在的二阶往复惯性力）

旋转惯性力Ir=mrrω2

其中r——曲柄半径，同时拉杆长度同为r，因此得出以上式子

mp——单列做往复运动部件的质量

mr——单列做旋转运动部件的质量

3.2 双列分析，如图4

根据以上分析，两列活塞再组成L形角度压缩机

其中：曲柄错角θ=0°，气缸中心线夹角γ=90°，第二列曲柄转角270°。

（1）往复惯性力

图1 压缩机旋转运动示意图

在X轴上投影：I1X=2mprω2cosθ，I2X=0

在Y轴上投影：I1Y=0，I2Y=2mprω2cos（θ+270°）=2mprω2sinθ

所以X、Y轴上的惯性力分别为

IX=I1=2mprω2cosθ，IY=I2=2mprω2sinθ

2个惯性力合力

图2 压力-旋转角度图

图3 单列活塞运动示意图

图4 双列活塞运动示意图

可见惯性力大小为定值。

假设惯性力方向与X轴成φ角，则

故往复惯性力的方向与曲柄方向重合，且离心向外，因此可以用加平衡质量来平衡。

往复惯性力平衡质量m0=

（2）无二阶往复惯性力

（3）往复惯性力矩

通常类似结构下惯性力矩微小可忽略不计，但通过设计异形活塞，令两列活塞运动中心在同平面上，即b=0，往复惯性力矩为0。

（4）旋转惯性力Ir=2mrrω2，采用平衡质量平衡m0=

（5）旋转惯性力矩，由平衡质量平衡

由以上分析可得知往复惯性力和旋转惯性力都可以用平衡质量平衡。

总平衡质量

4 受力分析

该设计中偏心轴连接了两列活塞，作为主要的受力部件，承受了电机输出的扭矩，传动到活塞上对气体做功，同时承受往复惯性力及旋转惯性力，其受力情况需进行分析，以确保零件强度，保证正常运行。

4.1 活塞1受力情况，如图5

将气体力Fa分解，由于活塞1、活塞2通过偏心套连接，而偏心套是一个刚性的零件，Fa2以偏心轴为支点，使活塞2与气缸相作用，反作用力包括支撑力和摩擦力，大小与Fa2相等方向相同，共同作用于偏心轴，并与传递过去的Fal形成合力pa。

其中

4.2 活塞2受力情况

其中

4.3 合力p

因为Fa与Fb均达到排气压力时受力最大，即相邻两个气缸同时排气的时候，由前面的分析可以看到，这是可能出现的情况，所以令Fa=Fb=F（排气压力下的气体力）。

5 实际应用

通过对全平衡四缸压缩机的分析研究，设计并制作了多款小型四缸无油空气压缩机，并申请了多个相关专利。

图5 活塞1所受气体力对偏心轴的作用示意图

图6 活塞2所受气体力对偏心轴的作用示意图

其成功应用于压缩式雾化器，便携式制氧机，设备噪音振动均优于市场所见设备。以压缩式雾化器为例，同等条件下测试数据，在工作压力状态下，最低噪声与不同品牌相比低10dB以上，具有明显的优势。

以下为根据其多缸，结构紧凑的特点，设计并应用的2种方案。

5.1 静音低转速，如图9

同等缸径和行程等参数的情况下，同样输出时，四缸结构的压缩机转速只有双缸的一半，单缸的四分之一，噪声和振动可大幅降低。

图7 气体力合力分析图

图8 最大受力时示意图

图9 低转速静音四缸压缩机样机图

由于通常小功率电机在小于2000 m低转速状态下效率欠佳，该种应用方式需通过减速装置将电机转速降低后输出至压缩机，效率有一定下降。

5.2 小体积高转速，如图10

图10 高转速压缩机样机图

在电机直驱的情况下，压缩机的转速与电机相同，与双缸及单缸压缩机相比，气缸直径和行程可变小，相应的体积可变小，通过将压缩机主体结构、气路及电机一体化设计，压缩机可以达到一个较小的体积，可方便地应用于对空间有限制的设备中。