擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)動(dòng)平衡設(shè)計(jì)分析

肖容美

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

0 引言

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)因其活塞存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)而派生出較大的往復(fù)慣性力，是造成壓縮機(jī)振動(dòng)及噪聲的一個(gè)主要根源，同時(shí)也是影響壓縮機(jī)工作可靠性的重要因素[1，2]。在小型空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域，為了追求小的體積，兩極電機(jī)取代四極電機(jī)的高速化已成潮流，隨著轉(zhuǎn)速的成倍增長(zhǎng)，往復(fù)慣性力造成的負(fù)面影響越發(fā)突顯，對(duì)其進(jìn)行平衡勢(shì)在必行。為了提高無(wú)油壓縮機(jī)的使用壽命，最近出現(xiàn)了一種擺桿約束型往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)[3～6]，與傳統(tǒng)機(jī)型相比，由于它增設(shè)了一個(gè)作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺桿機(jī)構(gòu)，因此壓縮機(jī)的振動(dòng)特性更加復(fù)雜，不僅存在活塞連桿組件的往復(fù)慣性力，而且還存在擺桿機(jī)構(gòu)的搖擺慣性力，如果繼續(xù)沿用慣常的動(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)對(duì)往復(fù)慣性力進(jìn)行平衡消減，將很難獲得好的減振效果。鑒此，本文以該類型壓縮機(jī)作為研究對(duì)象，探討在復(fù)合有擺桿搖擺運(yùn)動(dòng)的情形下采用過(guò)量平衡技術(shù)減低壓縮機(jī)敏感方向振動(dòng)強(qiáng)度的最優(yōu)布局方案。

1 擺桿約束型壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

圖1為擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖[4]。區(qū)別于傳統(tǒng)搖擺往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，該機(jī)型增設(shè)了一個(gè)擺桿機(jī)構(gòu)，此時(shí)曲柄銷不再直接驅(qū)動(dòng)連桿，而是通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)桿去驅(qū)動(dòng)擺桿，接著再由擺桿去驅(qū)動(dòng)連桿作往返運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)成壓縮機(jī)工作腔容積的周期性改變。

圖1 擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The swing-rod restrained type reciprocating piston air compressor structure diagram

新型壓縮機(jī)的特點(diǎn)是，在擺桿的約束下活塞連桿組件以近乎直線往返的方式進(jìn)行工作，由此減少了連桿相對(duì)于氣缸軸線的擺動(dòng)幅度，亦即意味著減少了活塞對(duì)氣缸的拍擊強(qiáng)度，這樣一來(lái)既降低了壓縮機(jī)的機(jī)械噪聲，特別地還提高了密封環(huán)的使用壽命和工作可靠性，而這正是當(dāng)前搖擺往復(fù)活塞式壓縮機(jī)急需解決的瓶頸問(wèn)題。

2 擺桿約束型壓縮機(jī)動(dòng)平衡分析

2.1 動(dòng)平衡布局方案

與傳統(tǒng)搖擺往復(fù)活塞式壓縮機(jī)相比，擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)由于擺桿機(jī)構(gòu)的存在，因此具有更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和振動(dòng)特性：一方面在鉛垂方向，活塞連桿組件派生的往復(fù)慣性力導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn) “上串下跳”的振動(dòng)現(xiàn)象；另一方面在水平方向，擺桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的搖擺慣性力又使得壓縮機(jī)出現(xiàn) “水平繞圈”的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，沿鉛垂方向的振動(dòng)對(duì)安裝在壓縮機(jī)上的儀表裝置及控制系統(tǒng)具有更大的破壞性，因此必須嚴(yán)格加以限制。

眾所周知，往復(fù)慣性力的平衡通常需要設(shè)置專門的平衡軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。出于簡(jiǎn)化，本文采用過(guò)量平衡法對(duì)其進(jìn)行平衡消減，亦即在曲軸上布置平衡質(zhì)量超過(guò)旋轉(zhuǎn)慣性力所需平衡質(zhì)量的平衡塊，利用其產(chǎn)生的過(guò)量離心慣性力派生的沿氣缸軸向方向的分力對(duì)付活塞連桿組件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力。鑒于擺桿機(jī)構(gòu)存在搖擺慣性力的事實(shí)，所置平衡塊的大小、位置和方位均與傳統(tǒng)做法有所不同。

圖2 擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)動(dòng)平衡布置圖Fig.2 The swing-rod restrained type reciprocating piston air compressor dynamic balance model

2.2 動(dòng)平衡設(shè)計(jì)計(jì)算

圖3為擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中x為活塞自上止點(diǎn)下移的位移，與之對(duì)應(yīng)的是曲柄銷從極限位置Ⅰ轉(zhuǎn)過(guò)角度α、擺桿轉(zhuǎn)過(guò)角度β。假設(shè)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr產(chǎn)生的離心慣性力為Fr、平衡塊質(zhì)量mp產(chǎn)生的離心平衡力為Fp、活塞連桿組件質(zhì)量mL產(chǎn)生的往復(fù)慣性力為Fj、均質(zhì)擺桿質(zhì)量mb產(chǎn)生的搖擺離心慣性力為Fb。圖3 中的rp為平衡塊的旋轉(zhuǎn)半徑、φ為相對(duì)于曲柄銷的角度方位。

本文計(jì)算涉及到的參數(shù)有：電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2890r/min，連桿的長(zhǎng)度L=90mm，擺桿的長(zhǎng)度Lb=90mm，擺桿的擺臂半徑R=62mm，擺臂的旋轉(zhuǎn)軸心與氣缸軸線的距離H=88mm，驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度Lk=50mm，曲柄的半徑r=9.25mm，連桿的質(zhì)量mL=0.13kg，擺桿的質(zhì)量 mb=0.268kg，等效離心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr=0.21kg，其中驅(qū)動(dòng)桿的質(zhì)量用等效質(zhì)量替代：曲炳端的質(zhì)量并入離心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、擺桿端的質(zhì)量并入擺桿質(zhì)量。本文利用軟件Matlab 編制相應(yīng)的計(jì)算軟件，將上述參數(shù)代入后即可計(jì)算出相關(guān)的離心慣性力為Fr、離心平衡力為Fp、往復(fù)慣性力Fj和搖擺離心慣性力Fb，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)即可尋找出較優(yōu)的平衡塊質(zhì)量mp及其布局角度方位φ。為簡(jiǎn)化起見，計(jì)算中略去擺桿的搖擺慣性力矩。

圖4為只進(jìn)行曲柄銷離心慣性力平衡而未對(duì)往復(fù)慣性力進(jìn)行平衡時(shí)，壓縮機(jī)活塞連桿組件往復(fù)慣性力和擺桿搖擺慣性力的計(jì)算結(jié)果。由圖可見活塞連桿組件往復(fù)慣性力屬于不對(duì)稱幅值的上下波動(dòng)型，其最大量值達(dá)到了200N，并在活塞上止點(diǎn)附近呈 “上竄”態(tài)勢(shì)，而在下止點(diǎn)附近則呈 “下蹲”態(tài)勢(shì)，這種作用方式顯然對(duì)壓縮機(jī)的工作不利。由圖4 還可以得知，擺桿產(chǎn)生的搖擺離心慣性力雖然量值不大，僅有大約50N 左右，但其主要朝單方向水平作用，因此對(duì)往復(fù)慣性力的平衡具有一定的干擾。

圖5為對(duì)活塞連桿組件往復(fù)慣性力實(shí)施動(dòng)平衡時(shí)，不同過(guò)量平衡塊布置方位φ對(duì)平衡效果的影響程度，其中平衡質(zhì)量mp=280g。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平衡塊布置在φ=-15°時(shí)（傳統(tǒng)機(jī)型平衡塊的布置相位為φ=0°）， 對(duì)往復(fù)慣性力的消減效果最為明顯，慣性力最大消減數(shù)值可以達(dá)到100N，降幅超過(guò)50%。

圖3 擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 The Schematic diagram of mechanism of swing-rod restrained type reciprocating piston air compressor

圖4 活塞連桿組件往復(fù)慣性力和擺桿搖擺離心慣性力Fig.4 The Reciprocating inertia force on Piston-connecting rod assembly and Swing inertia force on swing link

圖5 過(guò)量平衡塊角度方位φ對(duì)平衡效果的影響Fig.5 Effects of excessive balance angle range φ on balance effect

圖6 過(guò)量平衡塊質(zhì)量mp 對(duì)往復(fù)慣性力平衡效果的影響Fig.6 Effects of excessive balance mass mpon balance effect forthe reciprocating inertia force

圖7 過(guò)量平衡塊質(zhì)量mp 派生的水平慣性力水平Fig.7 The horizontal inertial force derive from theexcessive balance mass mp

圖6和圖7為對(duì)活塞連桿組件往復(fù)慣性力實(shí)施動(dòng)平衡時(shí)，不同過(guò)量平衡塊質(zhì)量mp對(duì)平衡效果的影響程度。分別選擇四種質(zhì)量 mp=1.3mr、mp=1.45mr、mp=1.6mr和mp=1.75mr進(jìn)行計(jì)算。容易看出，隨著平衡質(zhì)量mp的增加，往復(fù)慣性力Fj的總體數(shù)值在減少，但其派生的水平慣性力Fi卻在增加。綜合考慮優(yōu)化鉛垂方向以及水平方向的平衡效果，取平衡塊的質(zhì)量為mp=1.45mr和mp=1.6mr較佳，注意到傳統(tǒng)過(guò)量平衡中一般取mp=1.15～1.3mr，可見新機(jī)型的過(guò)量質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)做法中的過(guò)量質(zhì)量。

為了驗(yàn)證上述平衡方案的平衡效果，課題組選擇平衡塊質(zhì)量mp=1.45mr（亦即平衡塊的過(guò)量質(zhì)量百分比為45%）及布置相位φ=-15°的動(dòng)平衡方案進(jìn)行實(shí)際裝機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明壓縮機(jī)在鉛垂方向的振動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱，對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)的破壞性獲得改善，工作可靠性有所提高，另外壓縮機(jī)的整機(jī)噪聲下降了1dB（A）。

3 結(jié)束語(yǔ)

擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，由于擺桿機(jī)構(gòu)的存在，致使其動(dòng)平衡變得復(fù)雜。為了有效消減壓縮機(jī)在鉛垂方向的往復(fù)慣性力，可以采用過(guò)量平衡法對(duì)其進(jìn)行平衡消減。與傳統(tǒng)做法不同的是，新機(jī)型中過(guò)量平衡塊的最優(yōu)布置方位不再恰好與壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr反相，而是布置在mr反相位置逆轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)15°左右的位置；另外，新機(jī)型平衡塊的過(guò)量質(zhì)量亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)過(guò)量平衡法中的過(guò)量質(zhì)量，達(dá)到了mp=1.45～1.6mr的水平。按照上述布局方案進(jìn)行平衡塊的設(shè)置，既可以大幅度消減鉛垂方向的往復(fù)慣性力Fj，同時(shí)又不至于派生出過(guò)大的水平慣性力Fi，實(shí)踐證明能有效緩解壓縮機(jī)在鉛垂敏感方向的振動(dòng)強(qiáng)度，從而有利于提高壓縮機(jī)的工作可靠性。

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