往復(fù)活塞壓縮機(jī)技術(shù)講座 郁永章精講

1、往復(fù)活塞壓縮機(jī)技術(shù)講座郁永章西安交通大學(xué)1.壓縮機(jī)定義? 用來(lái)壓縮氣體借以提高氣體壓力的機(jī)械? 把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能的機(jī)械2.往復(fù)活塞壓縮機(jī)種類(lèi)依靠一個(gè)氣缸與在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞構(gòu)成工作腔的壓縮機(jī)，均屬往復(fù)活塞壓縮機(jī)。驅(qū)動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或方式有：曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心輪連桿機(jī)構(gòu)、斜盤(pán)或擺盤(pán)機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、液壓或氣壓、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)等。一般，往復(fù)活塞壓縮機(jī)僅指前兩種。其它機(jī)構(gòu)根據(jù)其特點(diǎn)均有專(zhuān)用名稱(chēng)，如斜盤(pán)壓縮機(jī)、隔膜壓縮機(jī)等。往復(fù)活塞壓縮機(jī)可簡(jiǎn)稱(chēng)為往復(fù)或活塞式壓縮機(jī)。前者取其運(yùn)動(dòng)形態(tài)英語(yǔ)國(guó)家與日本；后者取其結(jié)構(gòu)形態(tài)歐洲非英語(yǔ)國(guó)家；在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中用全稱(chēng)。2.往復(fù)活塞壓縮機(jī)種類(lèi)圖1 活塞式壓縮機(jī)

2、結(jié)構(gòu)總圖圖2 雙滑塊壓縮機(jī)2.往復(fù)活塞壓縮機(jī)種類(lèi)圖3 單列單缸電磁壓縮機(jī)圖4 隔膜壓縮機(jī)3. 熱力學(xué)基礎(chǔ)3.1 如何定義一個(gè)氣體狀態(tài)：溫度T、壓力p，比容vF(p,v,T)?0pv?RT 或 pV?mRT 狀態(tài)方程過(guò)程：與熱交換有關(guān)p1v1?p2v2pv?p2v2n1 1k1 1k 過(guò)程方程npv?p2v24.氣缸壓力指示圖及其分析氣缸壓力指示圖是反映氣缸內(nèi)壓力變化的圖形；在壓力隨容積變化的圖形中，即在pv圖中所圍面積代表所耗功，故也稱(chēng)示功圖。4.1 理想循環(huán)壓力指示圖三個(gè)過(guò)程：進(jìn)氣壓縮排氣壓縮過(guò)程：等溫或絕熱作用：作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，指示圖代表循環(huán)消耗的功，它耗功最小。圖5 理想循環(huán)壓力指示圖4

3、.氣缸壓力指示圖及其分析4.2 實(shí)際氣缸壓力指示圖四個(gè)過(guò)程：進(jìn)氣壓縮排氣膨脹進(jìn)氣過(guò)程：壓縮過(guò)程：排氣過(guò)程：膨脹過(guò)程：圖6 級(jí)的實(shí)際循環(huán)指示圖圖7 雙作用氣缸結(jié)構(gòu)圖作用：反映了氣缸內(nèi)各種因素對(duì)工作過(guò)程的影響。4.氣缸壓力指示圖及其分析4.3 lgplgV圖的功用圖8 lgplgV 圖作用： lgplgV圖分析壓縮與膨脹過(guò)程中的熱交換、泄漏。4.氣缸壓力指示圖及其分析4.4 實(shí)際測(cè)量p 圖圖9 某雙作用壓縮機(jī)中壓力脈動(dòng)對(duì)指示功的影響p 圖可轉(zhuǎn)化為pV圖，其中VAp?s，s為 的函數(shù)作用：反映進(jìn)、排氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)對(duì)指示功的影響。4.氣缸壓力指示圖及其分析4.5 各種進(jìn)、排氣系統(tǒng)圖10 壓縮機(jī)進(jìn)排氣系

4、統(tǒng)種類(lèi)5.熱力性能熱力性能：排氣壓力、排氣溫度、容積流量（曾稱(chēng)排氣量，輸氣量）、功耗、效率。5.1 排氣壓力? 取決于背壓力，即排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力；? 背壓力取決與進(jìn)入與流出氣量的多少；? 級(jí)間壓力的建立：前一級(jí)排氣量為后一級(jí)所接納。圖11 壓縮機(jī)裝置示意圖圖12 級(jí)間工作壓力的建立5.熱力性能5.2 排氣溫度? pd?Td?Ts?ps?n?1n進(jìn)排氣接管處測(cè)得，含排氣開(kāi)始的壓力釋放與排氣過(guò)程冷卻壓縮終了溫度? pd?T2?T1?ps?發(fā)生在氣缸內(nèi)n?1n圖13 某二級(jí)空氣壓縮機(jī)第二級(jí)氣缸內(nèi)的工作過(guò)程5.熱力性能5.3 容積流量定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)壓縮機(jī)最后一級(jí)排出的氣體，換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的壓力

5、和溫度時(shí)的氣體容積值。排氣量常用的單位為m3/min。理論計(jì)算：Q0?Vh1?v1?p1?T1?l1?n影響容積流量的因素：? 名義容積流量：特定進(jìn)、出口壓力與溫度下的流量。? 環(huán)境改變：海拔，溫度等? 故障5.熱力性能5.4 壓縮機(jī)效率等溫效率絕熱效率比功率制冷中能效比?is?Wis?iWshsh?ad?Wad?iW3kW/m /minCOP?q2/W05.5 利用熱力性能分析故障中醫(yī)式的故障分析方法6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能往復(fù)壓縮機(jī)動(dòng)力性能是指運(yùn)行時(shí)，慣性力平衡情況、轉(zhuǎn)矩的平衡情況、側(cè)向力的平衡情況等。6.1 慣性力求取? 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系? 速度與加速度1?s?r?1?cos?1?1?

6、2sin2?dsds d?v?r?sin?sin2?dtd?dtdva?r?2(cos?cos2?)dt圖14 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.1 慣性力求取? 往復(fù)慣性力Is?ms?a?msr?(cos?cos2?)2其中：IsI?msr?cos?IsII?msr?cos2?22一階往復(fù)慣性力二階往復(fù)慣性力? 回轉(zhuǎn)慣性力Ir?mrr?26. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.2 作用力分析圖15 壓縮機(jī)作用力分析氣體力內(nèi)力； 慣性力自由力6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.3 慣性力平衡? 往復(fù)慣性力單列：平衡很復(fù)雜兩列或多列： 相互抵消 用平衡重? 回轉(zhuǎn)慣性力平衡重平衡圖16 氣缸中心線(xiàn)相對(duì)地平面不同位

7、置的各種配置6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.4 未平衡慣性力處置? 減震原理自由振動(dòng)方程：d2zm2?Kzz?0dt圖17 單自由度彈性系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)方程與振幅：d2zI2?nz?cos?t2dtmIAz?KzI?2Kz?1?n?1圖18 放大系數(shù) 與 / n及 的關(guān)系6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.4 未平衡慣性力處置? 基礎(chǔ)與隔震墊（無(wú)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)）圖19 基礎(chǔ)示意圖圖20 減震器支撐的壓縮機(jī)6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.5 轉(zhuǎn)矩平衡利用飛輪積蓄能量：LGD?36002n?2圖21 某機(jī)器一轉(zhuǎn)的總切向力圖7. 氣閥氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)中最關(guān)鍵的部件。往復(fù)壓縮機(jī)的生存發(fā)展有賴(lài)于氣閥的好壞。7.1 對(duì)氣閥的要求：?工作可靠?

8、阻力損失小?形成余隙容積較小圖22 氣閥的基本組成7. 氣閥7.2 氣閥工作過(guò)程圖23 氣閥起閉工作過(guò)程及彈簧力不當(dāng)?shù)墓ぷ髑€(xiàn)7. 氣閥7.3 氣閥命名圖24 氣閥的各種起閉元件形狀7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類(lèi)? 閥座通道寬、窄圖25 窄通道開(kāi)式環(huán)狀氣閥圖26 寬通道低壓進(jìn)氣閥7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類(lèi)? 升程限制器結(jié)構(gòu)：氣墊、開(kāi)式、閉式圖27 氣墊閥圖28 高壓閉式環(huán)狀氣墊閥結(jié)構(gòu)7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類(lèi)? 組合閥? 簧片閥圖29 超高壓組合閥結(jié)構(gòu)圖30 簧片閥7. 氣閥7.5 阻力損失? 氣閥流動(dòng)阻力v?p?2ApAv2? 閥隙流速vv?r?(sin?2sin2

9、?)空氣50m/s,氫氣200m/s? 流量系數(shù)?1v? 平均流速vv?vm圖31 環(huán)狀閥流量系數(shù)0與H/b及p/s的關(guān)系A(chǔ)p?vAv7. 氣閥7.5 阻力損失? 與馬赫數(shù)的關(guān)系vvM?,a?kRT 音速ak?2?p?p(sin?sin2?)2M282? 相對(duì)阻力損失?p?p? 阻力損失即功率損失圖32 不同馬赫數(shù)的相對(duì)壓力損失曲線(xiàn)7. 氣閥7.6 氣閥工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬運(yùn)動(dòng)方程d2h1?(ps?p)Ap?ZP(H0?h)?2?d?Mv?k?1?p?k?dVc?k2k?RTs1?p?k?1pd?Vcs?流動(dòng)方程容積方程1?p?kdp?ps?svAsvd?ps?dVc?D2s ?sin2?sin

10、?22d?8?2 1?sin?7. 氣閥7.7 氣閥彈簧彈簧是壓縮機(jī)中關(guān)鍵的關(guān)鍵。彈簧種類(lèi)：圖33 螺旋彈簧圖34 懸臂式板彈簧彈簧設(shè)計(jì)：彈簧力確定，Dm，d，n，預(yù)壓縮量、自振頻率，穩(wěn)定性7. 氣閥7.8 戴維斯法檢驗(yàn)氣閥可靠性1 氣閥假想關(guān)閉角,即假定無(wú)氣體推力時(shí),閥片在彈簧力作用下,從全開(kāi)位置降落到閥座上所需時(shí)間對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.2 閥片開(kāi)始脫離升程限制器,直到活塞運(yùn)動(dòng)達(dá)到止點(diǎn)所持續(xù)的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.3 閥片到達(dá)升程限制器直至活塞到達(dá)止點(diǎn)這一段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.當(dāng)?2/?1?2,?2/?3?0.7時(shí)，壽命較長(zhǎng)圖35 閥片運(yùn)動(dòng)時(shí)的特征角7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì)? 不同進(jìn)

11、氣壓力對(duì)氣閥工作狀況的影響圖36 進(jìn)、排氣閥在8MPa,12MPa,18MPa進(jìn)氣時(shí)的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì)? 不同彈簧力對(duì)氣閥工作狀況的影響圖37 進(jìn)、排氣閥在彈簧系數(shù)為1000，3000，5000N/m時(shí)的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì)? 不同升程對(duì)氣閥工作狀況的影響圖38 進(jìn)、排氣閥在升程為0.5，0.8，1.0mm時(shí)的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì)? 不同升程對(duì)氣閥工作狀況的影響圖39 進(jìn)、排氣閥在升程為0.5，0.8，1.0mm時(shí)的撞擊速度7. 氣閥7.10 氣閥極限壽命及影響壽命的因素氣閥壽命：在正常工作條件下，一個(gè)氣閥的壽命取決于

12、閥片與閥座磨損。曾經(jīng)看到一個(gè)移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣閥，1mm厚的閥片，在不知運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間后，密封邊緣厚度剩下0.2mm厚依然能工作。7.11 影響氣閥壽命的因素? 氣體中含有雜質(zhì)（塵埃、水或油、焦油、其它物質(zhì)）? 彈簧失效? 閥片崩裂8. 活塞環(huán)與填料8.1 密封原理節(jié)流?d?p微隙ql=0.26?l3空氣?2.19?105壓縮機(jī)油?(1200 2400) ? 10-5迷宮阻塞圖40 環(huán)形間隙泄漏示意圖圖41 迷宮密封原理8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封密封機(jī)理: 阻塞加節(jié)流圖42 活塞環(huán)密封8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封切口形式結(jié)構(gòu)形式:整體剖分圖43 切口形式圖44 整體活塞環(huán)

13、與剖分活塞環(huán)8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封活塞環(huán)道數(shù)：取決于環(huán)耐磨性、壓差、速度、結(jié)構(gòu)形式，124道失效活塞環(huán)材料：金屬：鑄鐵價(jià)廉；銅質(zhì)軟，忍讓性好非金屬：可減少氣缸磨損，實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑復(fù)合材料：浸漬，復(fù)合層圖45 不同轉(zhuǎn)速時(shí)具有兩道與六道活塞環(huán)前的壓力8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料密封機(jī)理： 活塞環(huán)外緣面填料內(nèi)緣面，阻塞作用更主要圖46 平面填料的結(jié)構(gòu)形式8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料結(jié)構(gòu)：錐面錐形填料平面三、六瓣平面各種變形爪型三瓣T形與梯形截面歐洲，高壓圖47 具有三瓣和六瓣密封元件的平面填料圖48 無(wú)油潤(rùn)滑并具有水冷卻的填函結(jié)構(gòu)8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料材料：同活塞環(huán)組數(shù): 2

14、88.4 前置填料：圖49 錐形填料圖50 具有平面密封元件并具有前置填料的填函結(jié)構(gòu)8. 活塞環(huán)與填料8.5 關(guān)于充填氟塑料環(huán)問(wèn)題? 充填材料：石墨、MoS2、碳素纖維、玻璃纖維、銅粉、鋁粉? 不同氣體適應(yīng)性?配磨材料與加工要求圖51 不同填充劑的填料磨損因子圖52 不同性質(zhì)、數(shù)量填充劑在碳?xì)錃怏w中的磨損因子圖53 光潔度與硬度對(duì)磨損量的影響9.管道振動(dòng)9.1 機(jī)理? 排氣不均性形成周期激發(fā)。? 管道出口具有較大容器，成為開(kāi)端壓力波形成全波反射，產(chǎn)生氣柱共振。? 管道轉(zhuǎn)彎折轉(zhuǎn)過(guò)大，形成較大作用力。當(dāng)壓力脈動(dòng)時(shí)，交變的作用力成為對(duì)管道的激發(fā)力。? 管道的自振頻率等于激發(fā)力頻率。圖56 轉(zhuǎn)角對(duì)作用

15、力的影響圖54 壓力脈動(dòng)圖55 全波反射的形成9.管道振動(dòng)9.2 設(shè)計(jì)中預(yù)防方法? 管道出口形成閉端，使壓力波成為半波反射（輸氣管道不通怎么辦？）實(shí)現(xiàn)方法： 設(shè)置孔板，孔徑dh?(0.3 0.5) Din，能使振幅降低2/3，形成壓損 。 裝設(shè)HOERBIGER止回閥本人建議，供討論。1l?，Vb?8 Vc緊靠氣缸排氣接管設(shè)置緩沖容器，4? 增加支撐改變管道自振頻率實(shí)踐證明，效果不大，會(huì)損壞支撐著力點(diǎn)，甚至支撐把管道磨穿。? 盡量用半徑大的折轉(zhuǎn)過(guò)渡，使激發(fā)力減小可能影響車(chē)間布置美觀(guān)。10.噪聲10.1 基本概念噪聲：即令人不愉快的聲音。聲音是一種壓力波。P02105Pa，人剛能聽(tīng)到聽(tīng)閾聲壓聲壓

16、：P20 Pa，人耳感覺(jué)疼痛痛閾聲壓分貝：聽(tīng)閾、痛閾相差100萬(wàn)倍，計(jì)算不方便，采用對(duì)數(shù)計(jì)算值稱(chēng)為聲壓級(jí)。單位為分貝（dB），定義聲功率：響度：人對(duì)聲音的感受是聲壓與聲頻的綜合，稱(chēng)為響度。40phon與人聽(tīng)覺(jué)較一致，故一般均用A聲級(jí)。p2對(duì)封閉表面上接受的聲強(qiáng)( )，即聲功率W?I?IdA，聲?a功率級(jí)(dB)為L(zhǎng)W?10lgW,W0?10?12WW0pLp? 20lgp0聲級(jí)：分A，B，C三種，分別從40，70，100phon為基準(zhǔn)，其中10.噪聲10.2 往復(fù)壓縮機(jī)噪聲源? 氣缸內(nèi)指示壓力周期變化壓力波即聲波，壓縮?機(jī)不打壓力時(shí)運(yùn)行聲很輕，一打壓力即變響了。氣閥開(kāi)啟時(shí)的氣體爆破聲壓差突變氣

17、流通過(guò)轉(zhuǎn)角等成渦流的氣流擾動(dòng)聲通過(guò)粗燥管壁摩擦零件自持振動(dòng)聲簧片閥等閥片啟用的撞擊聲高速壓縮機(jī)很突出運(yùn)動(dòng)零件沖擊聲相對(duì)較小電動(dòng)機(jī)噪聲（包括交流聲與風(fēng)扇聲）皮帶傳動(dòng)聲皮帶振動(dòng)10.噪聲10.3 噪聲傳遞的途徑? 通過(guò)機(jī)器所有壁面或管道、容器、中冷器等壁面?zhèn)鞒雠c壁面材料、厚度、形狀、氣缸有無(wú)水套等有關(guān)? 空氣壓縮機(jī)通過(guò)進(jìn)氣口傳出主要消聲處10.4 消聲措施消聲罩 一罩了之消聲器抗式（聲波本身相互抵消）阻式 （聲波被吸收）11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.1 引言至今，還有人認(rèn)為往復(fù)壓縮機(jī)是可靠性不佳的機(jī)器。然而，電冰箱中的往復(fù)壓縮機(jī)，無(wú)論是哪一個(gè)公司的產(chǎn)品都能不維修的可靠運(yùn)行12年以上。那些公司還在精益

18、求精。和各種機(jī)器一樣，壓縮機(jī)的可靠性是一個(gè)系統(tǒng)工程。它包括設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等一系列環(huán)節(jié)。其中設(shè)計(jì)的可靠性是第一性的，是最關(guān)鍵的。11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.2 可靠性概念定義：在規(guī)定任務(wù)條件下、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成功定的功能。平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBE）工藝壓縮機(jī)平均無(wú)故障使用次數(shù)（MCBF） 冰箱空調(diào)用壓縮機(jī)失效喪失功能；故障可修復(fù)的失效。11.3 設(shè)計(jì)可靠性的內(nèi)容? 合理的結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)參數(shù)、整機(jī)系統(tǒng)確定? 合理確定零、部件材料? 正確的零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.4 關(guān)于螺紋連接的可靠性問(wèn)題? 往復(fù)壓縮機(jī)中絕大部分零部件用螺紋連接。? 絕大部分的連接承受交變載荷。? 交變載荷下的作用力分析。圖57 螺栓受力作用圖螺栓的剛性應(yīng)小于被緊固零件的剛性彈性螺栓每種緊固螺栓在組件圖上都應(yīng)注明“上緊扭矩”。11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.5 關(guān)于氣閥彈簧可靠性問(wèn)題? 彈簧剛性、圈數(shù)、剪切應(yīng)力，當(dāng)然是重要