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1、往复活塞压缩机技术讲座郁永章 西安交通大学,1.压缩机定义 用来压缩气体借以提高气体压力的机械 把机械能转化为气体压力能的机械,2.往复活塞压缩机种类,依靠一个气缸与在气缸内作往复运动的活塞构成工作腔的压缩机，均属往复活塞压缩机。驱动活塞作往复运动的机构或方式有：曲柄连杆机构、偏心轮连杆机构、斜盘或摆盘机构、电磁机构、液压或气压、内燃发动机等。一般，往复活塞压缩机仅指前两种。其它机构根据其特点均有专用名称，如斜盘压缩机、隔膜压缩机等。往复活塞压缩机可简称为往复或活塞式压缩机。前者取其运动形态英语国家与日本；后者取其结构形态欧洲非英语国家；在中国标准中用全称。,2.往复活塞压缩机种类,图1 活塞
2、式压缩机结构总图 图2 双滑块压缩机,2.往复活塞压缩机种类,图3 单列单缸电磁压缩机 图4 隔膜压缩机,3.热力学基础,3.1 如何定义一个气体 状态：温度T、压力p，比容v 过程：与热交换有关,状态方程,过程方程,4.气缸压力指示图及其分析,气缸压力指示图是反映气缸内压力变化的图形；在压力随容积变化的图形中，即在pv图中所围面积代表所耗功，故也称示功图。4.1 理想循环压力指示图 三个过程：进气压缩排气 压缩过程：等温或绝热 作用：作为比较的标准，指示图 代表循环消耗的功，它耗功最小。,图5 理想循环压力指示图,4.气缸压力指示图及其分析,4.2 实际气缸压力指示图 四个过程：进气压缩排气
3、膨胀 进气过程：压缩过程：排气过程：膨胀过程：作用：反映了气缸内各种因素对工作过程的影响。,图6 级的实际循环指示图 图7 双作用气缸结构图,4.气缸压力指示图及其分析,4.3 lgplgV图的功用 作用：lgplgV图分析压缩与膨胀过程中的热交换、泄漏。,图8 lgplgV 图,4.气缸压力指示图及其分析,4.4 实际测量p图 p图可转化为pV图，其中VAps，s为的函数 作用：反映进、排气系统压力波动对指示功的影响。,图9 某双作用压缩机中压力脉动对指示功的影响,4.气缸压力指示图及其分析,4.5 各种进、排气系统,图10 压缩机进排气系统种类,5.热力性能,热力性能：排气压力、排气温度、
4、容积流量（曾称排气量，输气量）、功耗、效率。5.1 排气压力 取决于背压力，即排气系统内的压力；背压力取决与进入与流出气量的多少；级间压力的建立：前一级排气量为后一级所接纳。,图11 压缩机装置示意图 图12 级间工作压力的建立,5.热力性能,5.2 排气温度 进排气接管处测得，含排气 开始的压力释放与排气过程冷却 压缩终了温度,图13 某二级空气压缩机第二级气缸内的工作过程,发生在气缸内,5.热力性能,5.3 容积流量 定义：单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值。排气量常用的单位为m3/min。理论计算：影响容积流量的因素：名义容积流量：特定进、
5、出口压力与温度下的流量。环境改变：海拔，温度等 故障,5.热力性能,5.4 压缩机效率 等温效率 绝热效率 比功率 制冷中能效比 5.5 利用热力性能分析故障 中医式的故障分析方法,6.压缩机动力性能,往复压缩机动力性能是指运行时，惯性力平衡情况、转矩的平衡情况、侧向力的平衡情况等。6.1 惯性力求取 曲柄连杆机构的运动关系 速度与加速度,图14 曲柄连杆机构的运动关系,6.压缩机动力性能,6.1 惯性力求取 往复惯性力 其中：回转惯性力,一阶往复惯性力,二阶往复惯性力,6.压缩机动力性能,6.2 作用力分析,图15 压缩机作用力分析,气体力内力；惯性力自由力,6.压缩机动力性能,6.3 惯性
6、力平衡 往复惯性力 单列：平衡很复杂 两列或多列：相互抵消 用平衡重 回转惯性力 平衡重平衡,图16 气缸中心线相对地平面不同位置的各种配置,6.压缩机动力性能,6.4 未平衡惯性力处置 减震原理 自由振动方程：强迫振动方程与振幅：,图17 单自由度弹性系统,图18 放大系数与/n及的关系,6.压缩机动力性能,6.4 未平衡惯性力处置 基础与隔震垫（无基础设计）,图20 减震器支撑的压缩机,图19 基础示意图,6.压缩机动力性能,6.5 转矩平衡 利用飞轮积蓄能量：,图21 某机器一转的总切向力图,7.气阀,气阀是往复压缩机中最关键的部件。往复压缩机的生存发展有赖于气阀的好坏。7.1 对气阀的
7、要求：工作可靠阻力损失小形成余隙容积较小,图22 气阀的基本组成,7.气阀,7.2 气阀工作过程,图23 气阀起闭工作过程及弹簧力不当的工作曲线,7.气阀,7.3 气阀命名,图24 气阀的各种起闭元件形状,7.气阀,7.4 环状、网状气阀种类 阀座通道宽、窄,图25 窄通道开式环状气阀 图26 宽通道低压进气阀,7.气阀,7.4 环状、网状气阀种类升程限制器结构：气垫、开式、闭式,图27 气垫阀,图28 高压闭式环状气垫阀结构,7.气阀,7.4 环状、网状气阀种类 组合阀 簧片阀,图30 簧片阀,图29 超高压组合阀结构,7.气阀,7.5 阻力损失 气阀流动阻力 阀隙流速 空气50m/s,氢气
8、200m/s 流量系数 平均流速,图31 环状阀流量系数0与H/b及p/s的关系,7.气阀,7.5 阻力损失 与马赫数的关系 相对阻力损失 阻力损失即功率损失,图32 不同马赫数的相对压力损失曲线,7.气阀,7.6 气阀工作过程的数学模拟 运动方程 流动方程 容积方程,7.气阀,7.7 气阀弹簧 弹簧是压缩机中关键的关键。弹簧种类：弹簧设计：弹簧力确定，Dm，d，n，预压缩量、自振频率，稳定性,图33 螺旋弹簧 图34 悬臂式板弹簧,7.气阀,7.8 戴维斯法检验气阀可靠性,图35 阀片运动时的特征角,1 气阀假想关闭角,即假定无气体推力时,阀片在弹簧力作用下,从全开位置降落到阀座上所需时间对
9、应的曲柄转角.,2 阀片开始脱离升程限制器,直到活塞运动达到止点所持续的时间所对应的曲柄转角.,3 阀片到达升程限制器直至活塞到达止点这一段时间所对应的曲柄转角.,7.气阀,7.9 变工况下的气阀设计 不同进气压力对气阀工作状况的影响,图36 进、排气阀在8MPa,12MPa,18MPa进气时的工作状况,7.气阀,7.9 变工况下的气阀设计 不同弹簧力对气阀工作状况的影响,图37 进、排气阀在弹簧系数为1000，3000，5000N/m时的工作状况,7.气阀,7.9 变工况下的气阀设计 不同升程对气阀工作状况的影响,图38 进、排气阀在升程为0.5，0.8，1.0mm时的工作状况,7.气阀,7
10、.9 变工况下的气阀设计 不同升程对气阀工作状况的影响,图39 进、排气阀在升程为0.5，0.8，1.0mm时的撞击速度,7.气阀,7.10 气阀极限寿命及影响寿命的因素 气阀寿命：在正常工作条件下，一个气阀的寿命取决 于阀片与阀座磨损。曾经看到一个移动式空气压缩机一级进气阀，1mm厚的阀片，在不知运 行多长时间后，密封边缘厚度剩下0.2mm厚依然能工作。7.11 影响气阀寿命的因素 气体中含有杂质（尘埃、水或油、焦油、其它物质）弹簧失效 阀片崩裂,8.活塞环与填料,8.1 密封原理 节流 阻塞,图41 迷宫密封原理,微隙,迷宫,图40 环形间隙泄漏示意图,8.活塞环与填料,8.2 活塞环密封
11、 密封机理:阻塞加节流,图42 活塞环密封,8.活塞环与填料,8.2 活塞环密封 结构形式:,图44 整体活塞环与剖分活塞环,切口形式,整体剖分,图43 切口形式,8.活塞环与填料,8.2 活塞环密封 活塞环道数：取决于环耐磨性、压差、速度、结构形式，124道失效 活塞环材料：金属：铸铁价廉；铜质软，忍让性好 非金属：可减少气缸磨损，实现无油润滑 复合材料：浸渍，复合层,图45 不同转速时具有两道 与六道活塞环前的压力,8.活塞环与填料,8.3 填料 密封机理：活塞环外缘面 填料 内缘面，阻塞作用更主要,图46 平面填料的结构形式,8.活塞环与填料,8.3 填料 结构：,图47 具有三瓣和六瓣
12、密封元件的平面填料,图48 无油润滑并具有水冷却的填函结构,平面,平面三、六瓣,各种变形爪型三瓣,锥面,T形与梯形截面欧洲，高压,锥形填料,8.活塞环与填料,8.3 填料 材料：同活塞环 组数:288.4 前置填料：,图50 具有平面密封元件并具有前置填料的填函结构,图49 锥形填料,8.活塞环与填料,8.5 关于充填氟塑料环问题 充填材料：石墨、MoS2、碳素纤维、玻璃纤维、铜粉、铝粉 不同气体适应性 配磨材料与加工要求,图53 光洁度与硬度对磨损量的影响,图51 不同填充剂的填料磨损因子图52 不同性质、数量填充剂在碳氢气体中的磨损因子,9.管道振动,9.1 机理 排气不均性形成周期激发。
13、管道出口具有较大容器，成为开端压力波形成全波反射，产生气柱共振。管道转弯折转过大，形成较大作用力。当压力脉动时，交变的作用力成为对管道的激发力。管道的自振频率等于激发力 频率。,图54 压力脉动,图55 全波反射的形成,图56 转角对作用力的影响,9.管道振动,9.2 设计中预防方法 紧靠气缸排气接管设置缓冲容器，管道出口形成闭端，使压力波成为半波反射（输 气管道不通怎么办？）实现方法：设置孔板，孔径，能使振幅降 低2/3，形成压损。装设HOERBIGER止回阀本人建议，供讨论。增加支撑改变管道自振频率实践证明，效果 不大，会损坏支撑着力点，甚至支撑把管道磨穿。尽量用半径大的折转过渡，使激发力
14、减小可 能影响车间布置美观。,10.噪声,10.1 基本概念 噪声：即令人不愉快的声音。声音是一种压力波。声压：分贝：听阈、痛阈相差100万倍，计算不方便，采用对数计算值 称为声压级。单位为分贝（dB），定义 声功率：对封闭表面上接受的声强()，即声功率，声 功率级(dB)为 响度：人对声音的感受是声压与声频的综合，称为响度。声级：分A，B，C三种，分别从40，70，100phon为基准，其中 40phon与人听觉较一致，故一般均用A声级。,P02105 Pa，人刚能听到听阈声压,P20 Pa，人耳感觉疼痛痛阈声压,10.噪声,10.2 往复压缩机噪声源 气缸内指示压力周期变化压力波即声波，压
15、缩 机不打压力时运行声很轻，一打压力即变响了。气阀开启时的气体爆破声压差突变 气流通过转角等成涡流的气流扰动声通过粗燥 管壁摩擦 零件自持振动声簧片阀等 阀片启用的撞击声高速压缩机很突出 运动零件冲击声相对较小 电动机噪声（包括交流声与风扇声）皮带传动声皮带振动,10.噪声,10.3 噪声传递的途径 通过机器所有壁面或管道、容器、中冷器等壁面传 出与壁面材料、厚度、形状、气缸有无水套等有关 空气压缩机通过进气口传出主要消声处10.4 消声措施 消声罩 一罩了之 抗式（声波本身相互抵消）阻式（声波被吸收）,消声器,11.往复压缩机可靠性,11.1 引言 至今，还有人认为往复压缩机是可靠性不佳的机
16、器。然而，电冰箱中的往复压缩机，无论是哪一个公 司的产品都能不维修的可靠运行12年以上。那些公司还在精益求精。和各种机器一样，压缩机的可靠性是一个系统工程。它包括设计、制造、运行等一系列环节。其中设 计的可靠性是第一性的，是最关键的。,11.往复压缩机可靠性,11.2 可靠性概念 定义：在规定任务条件下、在规定时间内，完成功定的功能。平均无故障间隔时间（MTBE）工艺压缩机 平均无故障使用次数（MCBF）冰箱空调用压缩机 失效丧失功能；故障可修复的失效。11.3 设计可靠性的内容 合理的结构方案、结构参数、整机系统确定 合理确定零、部件材料 正确的零、部件结构设计与强度计算,11.往复压缩机可
17、靠性,11.4 关于螺纹连接的可靠性问题 往复压缩机中绝大部分零部件用螺纹连接。绝大部分的连接承受交变载荷。交变载荷下的作用力分析。螺栓的刚性应小于被紧固零件的刚性弹性螺栓 每种紧固螺栓在组件图上都应注明“上紧扭矩”。,图57 螺栓受 力作用图,11.往复压缩机可靠性,11.5 关于气阀弹簧可靠性问题 弹簧刚性、圈数、剪切应力，当然是重要的。螺旋弹簧的自振频率fs许多场合必须考虑到，不然会产生阀片与弹簧脱离与撞击。柱形螺旋弹簧的稳定性要考虑。,11.往复压缩机可靠性,11.6 关于形位公差问题 零件的平行度与垂直度,图58 压缩机中的垂直,图59 压缩机中的同心,11.往复压缩机可靠性,11.
18、6 关于形位公差问题 对于活塞杆垂直度要求,图60 无活塞杆下垂的垂直径向跳动几何关系,图61 活塞杆下垂造成的活塞杆径向跳动,11.往复压缩机可靠性,11.6 关于形位公差问题11.7 活塞杆断裂事故分析,图62 0.08英寸气缸运行间隙上活塞杆径向跳动曲线图 图63 活塞杆径向跳动计算用数据,11.往复压缩机可靠性,11.8 关于曲轴断裂问题 不同结构设计方法 材质缺陷11.9 润滑油与功耗及寿命的关系 油品 工作油温保持6070 滤清,12.往复压缩机经济性,往复压缩机是目前运行经济性最好的一种压缩机。12.1 运行经济性指标 比功率 等温效率 绝热效率 制冷中能效比,12.往复压缩机经济性,12.2 功耗组成 指示功耗 轴功耗 总功耗12.3 总经济性评价 平均年消耗费用,谢 谢,
