往復(fù)式壓縮機(jī)活塞自重對(duì)功耗的影響

鮑滿腔

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)中心,安徽 安慶 246003）

往復(fù)式壓縮機(jī)活塞自重對(duì)功耗的影響

鮑滿腔

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)中心,安徽 安慶 246003）

通過對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)活塞自身重量對(duì)壓縮機(jī)工作時(shí)功耗影響的分析研究,提出新的技術(shù)改革方案,改善了往復(fù)式壓縮機(jī)的主要性能指標(biāo),節(jié)能增效.

往復(fù)式壓縮機(jī)；活塞自重；功耗；節(jié)能

往復(fù)式壓縮機(jī)是最早設(shè)計(jì)、制造并得到應(yīng)用,也是應(yīng)用范圍最廣、制造工藝最成熟的壓縮機(jī)[1].衡量壓縮機(jī)性能最主要的兩個(gè)指標(biāo)是輸氣量和功耗,往復(fù)式壓縮機(jī)的主要性能指標(biāo)的特點(diǎn)是氣量較小、電機(jī)功率較大.關(guān)于往復(fù)式壓縮機(jī)的氣量與功耗的研究已經(jīng)非常深入、細(xì)致,但通過大量研究發(fā)現(xiàn)：要想改變它的主要性能指標(biāo),即提高氣量、降低功耗,還需要對(duì)活塞的自身重量對(duì)于功耗的影響進(jìn)行分析考量[2-3],探求設(shè)計(jì)新思路.

1 往復(fù)式壓縮機(jī)的作用力和慣性力

1.1 作用力計(jì)算

往復(fù)式壓縮機(jī)的功耗問題主要是由于它的作用力不平均造成的.電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄、連桿,帶動(dòng)活塞做功,受到的作用力越小,則電機(jī)消耗的功率越少,所做的有用功比例越大,電機(jī)效率越高,這是節(jié)能的途徑.往復(fù)式壓縮機(jī)工作時(shí),作用力有3種：

（1）壓縮氣體的作用力Fg,是有用力,見圖1.其中Fg=Pi·Ap,Pi為氣缸內(nèi)氣體壓力,Ap為活塞承壓面積.

圖1 壓縮氣體作用力

（2）運(yùn)動(dòng)件的慣性力,是無用力,見圖2.分為往復(fù)慣性力Fs和旋轉(zhuǎn)慣性力Fr.

圖2 運(yùn)動(dòng)件的慣性力

（3）摩擦力,是無用力.分為往復(fù)摩擦力fs和旋轉(zhuǎn)摩擦力fr.

1.2 慣性力平衡

因?yàn)閼T性力可以看作是阻礙物體產(chǎn)生加速度的力,所以在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中,會(huì)充分考慮慣性力平衡的問題,以節(jié)省能耗.

為了增大氣量,通常采用多列氣缸壓縮機(jī),使壓縮機(jī)各列氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相等,各曲柄錯(cuò)角按特定規(guī)律分配,達(dá)到降低功耗的目的.通常一階慣性力可以達(dá)到完全平衡,但二階慣性力難以平衡.

在以上作用力和慣性力平衡的分析中,沒有涉及到活塞自重,倘若由活塞著手,應(yīng)能找到往復(fù)式壓縮機(jī)的節(jié)能新途徑.

2 活塞自重對(duì)于功耗的影響

圖3 單缸活塞

對(duì)單缸壓縮機(jī)而言,活塞質(zhì)量為m,行程為l,傾角為β時(shí),每一行程中：上行時(shí),重力做負(fù)功,Wr=-m·g ·sinβ·l ,是無用功,電機(jī)需要克服這部分功；下行時(shí),重力做正功,Wf=m·g ·sinβ·l ,是有用功,電機(jī)減少消耗這部分功,見圖3.

單作用氣缸通常是上行為壓縮排氣過程,下行為膨脹吸氣過程,假設(shè)不考慮活塞重力影響,每一行程中,單純用于上行壓縮排氣所耗功為WIr,下行膨脹吸氣所耗功為WIf,則有WIr＞W(wǎng)If,△WI=WIr-WIf；

再考慮活塞自重,上行過程的總功耗

下行過程的總功耗

理論上,每一行程中總功耗為：W=（1）+（2）=WIIr+WIIf=WIr+WIf,活塞自重的影響在沒有在公式中表示出來,但活塞自重實(shí)際上是有影響的.每一行程內(nèi),功耗有一個(gè)周期性的變化,變化幅度約為

于是在設(shè)計(jì)中就出現(xiàn)了兩個(gè)問題：①電機(jī)及各機(jī)械結(jié)構(gòu)都需按最大幅值設(shè)計(jì)；②在大流量的設(shè)計(jì)中,活塞會(huì)加大加重,使功耗的變化幅值更大,對(duì)于電機(jī)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、框架及對(duì)壓縮機(jī)的激振所產(chǎn)生的影響都非常大.

3 設(shè)計(jì)思路

活塞自重顯然是有影響的,下面論述如何解決自重問題.

以單缸壓縮機(jī)為例分析式（1）和式（2）,若使β=0,即將氣缸水平放置,自重的影響消除.對(duì)多列氣缸來說,因在解決慣性力平衡時(shí),各列氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相等,各曲柄錯(cuò)角按特定規(guī)律分配,可使慣性力大幅度平衡,但不一定使活塞自重起到平衡作用,因?yàn)槎嗔袣飧椎脑O(shè)計(jì)是以平衡慣性力為目的,對(duì)于消除自重的影響需要另辟途徑.

既考慮慣性力平衡又兼顧消除活塞自重影響當(dāng)然可以,在對(duì)稱平衡型壓縮機(jī)中,曲柄錯(cuò)角180°,兩缸對(duì)稱布置,運(yùn)動(dòng)方向相反,慣性力方向也相反,兩缸同時(shí)吸氣或同時(shí)排氣,當(dāng)兩列氣缸的往復(fù)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量相同時(shí),慣性力全平衡.由于兩缸均水平,β=0,活塞自重的影響自然就消除了.

然而,對(duì)稱平衡型壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）“兩缸同時(shí)吸氣或同時(shí)排氣”,因?yàn)榕艢夤倪h(yuǎn)大于吸氣功耗,所以功耗仍不均衡；

（2）對(duì)多缸壓縮機(jī)來說,每缸只能間歇性地單向吸、單向排,時(shí)間效率不到50%,輸氣脈沖幅度大；

（3）活塞與氣缸間既要嚴(yán)格密封,又要不停地相對(duì)滑動(dòng),減小滑動(dòng)摩擦力與增加氣密性之間是難以兼顧的一對(duì)矛盾.

針對(duì)這些問題,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),只有在氣缸的結(jié)構(gòu)上尋求突破點(diǎn),才有可能解決.項(xiàng)目組研制的壓縮機(jī)具備如下特點(diǎn)[4]：

（1）將活塞自重轉(zhuǎn)化為均衡的水平滾動(dòng)摩擦力,滾動(dòng)摩擦系數(shù)僅約為千分之一左右,在氣量大、活塞重時(shí),因活塞自重消耗的無用功所占比例會(huì)大大降低,不僅消除了自重的影響,而且使節(jié)能效果非常明顯；

（2）活塞與氣缸間全密封而無相對(duì)滑動(dòng),消除了兩者之間的矛盾；

（3）可以方便地實(shí)現(xiàn)氣缸的雙作用,吸氣和排氣能同時(shí)進(jìn)行,時(shí)間效率提高一倍,氣量提高一倍,排氣時(shí)活塞承壓比單作用時(shí)降低,因而減小了作用力；

（4）電機(jī)做功均衡,既高效節(jié)能,又減輕振動(dòng).

4 小結(jié)

本文討論了往復(fù)式壓縮機(jī)活塞自身重量對(duì)于壓縮機(jī)工作時(shí)功耗的影響，指出了壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題.為解決文中提出的問題,項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了具有大壓力、大氣量、低功耗優(yōu)點(diǎn)的新型壓縮機(jī),極大地改善了往復(fù)式壓縮機(jī)主要性能指標(biāo).由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),如能大力推廣,可以提高效率、降低成本、節(jié)能減排、改善環(huán)境.該新型壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)雖然是由往復(fù)式壓縮機(jī)活塞自重問題而引發(fā)的,但對(duì)將來壓縮機(jī)的發(fā)展來說有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

[1] 百度百科.往復(fù)式壓縮機(jī)特點(diǎn)之二[EB/OL].[2012-09-11].http://baike.baidu.com/view/640387.htm.

[2] 繆道平,吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[3] 百度文庫.螺桿式空壓機(jī)與活塞式空壓機(jī)相比優(yōu)勢(shì)在哪里？[EB/OL].[2009-09-11].http://wenku.baidu.com/view/2507c8f9aef8941ea76e0504.html.

[4] 鮑滿腔,譚維奇,李進(jìn)恩.一種壓縮機(jī)缸體：中國(guó),201220014508.3[P].2012-09-05.

（責(zé)任編輯：盧奇）

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1008-7516（2012）06-0102-03

10.3969/j.issn.1008-7516.2012.06.023

2012-10-14

安徽省高校自然科研重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2011A201）；安慶市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20120610）

鮑滿腔（1967-）,女,安徽安慶人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師.主要從事環(huán)保節(jié)能技術(shù)研究.