級(jí)差式氣缸的改進(jìn)設(shè)計(jì)

龐谷

（柳州壓縮機(jī)總廠，廣西 柳州 545002）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)中，壓縮機(jī)正向著大功率、高壓力比、大型化方向發(fā)展。這些需要通過(guò)多級(jí)壓縮得以實(shí)現(xiàn)，因此級(jí)差式氣缸在活塞壓縮機(jī)中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。隨著用戶對(duì)壓縮氣體的種類、壓力、氣量、控制的需求越來(lái)越多樣化，壓縮機(jī)的型號(hào)、規(guī)格越來(lái)越多。在機(jī)身、曲軸、連桿、十字頭等基礎(chǔ)件已有的前提下，如何配備和研制性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便制造、成本低的氣缸就成為活塞式壓縮機(jī)研制中最關(guān)鍵和最重要的工作。本文僅就一種滿足此要求的新穎的級(jí)差式氣缸進(jìn)行介紹。

1 氣缸設(shè)計(jì)的要求

1）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，工作表面具有良好的耐磨性；

2）要有良好的冷卻，在有油潤(rùn)滑的氣缸中，工作表面應(yīng)有良好的潤(rùn)滑狀態(tài)；

3）應(yīng)盡可能減小氣缸內(nèi)的余隙容積和氣體阻力；

4）結(jié)合部分的連接和密封要可靠；

5）要有良好的制造工藝性和裝拆方便等。

2 級(jí)差缸結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀分析

2.1 缸體缸蓋分體結(jié)構(gòu)

在同行業(yè)及我廠的原有機(jī)型中，級(jí)差缸中的高壓缸大多數(shù)為分體式結(jié)構(gòu)，由缸蓋和缸體組成。我廠原有機(jī)型級(jí)差缸高壓缸結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

氣缸部件由缸蓋和缸體組成，缸蓋和缸體間結(jié)合面用墊密封，并用螺栓將它們聯(lián)成一體。由于密封面形狀復(fù)雜，密封困難，只能用于壓力較低的場(chǎng)合（2.5 MPa 以下）。缸體設(shè)有氣道和水道，局部為三層壁結(jié)構(gòu)，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜；氣體流向?yàn)橄逻M(jìn)下出，進(jìn)、排氣口并排設(shè)于缸體下部，進(jìn)、排氣緩沖器由于位置干涉而無(wú)法直接設(shè)于進(jìn)、排氣口處，故緩沖效果要打折扣；氣體進(jìn)出氣缸都至少需拐3 個(gè)90°的彎，加大了阻力損失；而且由于排氣閥沒(méi)有處于氣缸的最低點(diǎn)位置，氣缸中的磨屑等污物無(wú)法隨排氣排出，這尤其對(duì)中高壓氣缸損害更大，壓力越高，活塞環(huán)對(duì)缸壁的摩擦越大，滯留缸中的磨屑等污物充當(dāng)研磨劑，大大加劇了磨損，這已為國(guó)內(nèi)外諸多事故及相關(guān)報(bào)道所證實(shí)。

圖1 原有機(jī)型級(jí)差缸高壓缸結(jié)構(gòu)

此外，缸蓋和缸體間的密封若是同時(shí)密封氣和水，則存在氣水相通的安全隱患，包括API618 在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范禁止使用該結(jié)構(gòu)；而若水路不相通，則缸蓋和缸體分別設(shè)水路使管路復(fù)雜化。

2.2 缸體和缸蓋整體結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)［1］中，對(duì)壓縮機(jī)行業(yè)氣缸典型結(jié)構(gòu)作了很多介紹，其中提到了如圖2 所示級(jí)差缸結(jié)構(gòu)。

氣缸為整體式結(jié)構(gòu)，氣閥布置于缸體徑向水平線上，氣缸的進(jìn)、排氣口并排位于氣缸的下方，不便設(shè)緩沖器；氣體進(jìn)、出氣缸只需拐一個(gè)90°的彎道，阻力較??；氣體的流向?yàn)橄逻M(jìn)下出，排氣閥孔同樣不處于氣缸的最低點(diǎn)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)污物的排出。缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，避免了三層壁結(jié)構(gòu)。

圖2 級(jí)差缸結(jié)構(gòu)

3 級(jí)差缸的改進(jìn)

結(jié)合以上結(jié)構(gòu)分析，綜合各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在對(duì)我廠某型號(hào)煤氣壓縮機(jī)的進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)該產(chǎn)品的二、三級(jí)級(jí)差式氣缸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

該產(chǎn)品基本參數(shù)如下：壓縮介質(zhì)煤氣，排氣量12.4m3/min；進(jìn)氣壓力45±3 kPa；排氣壓力2.4 MPa；該機(jī)選用L 型壓縮機(jī)，采用3 級(jí)壓縮，一級(jí)采用雙作用缸，二、三級(jí)采用單作用級(jí)差缸，水冷，平衡腔通入二級(jí)進(jìn)氣壓力。

在滿足氣缸的設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)二、三級(jí)差式氣缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

3.1 三級(jí)氣缸的改進(jìn)

改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖3 所示，缸蓋與缸體做成整體結(jié)構(gòu)。

圖3 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

1）改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，取消了缸體與缸蓋間密封墊結(jié)構(gòu)，避免了氣體及冷卻水在該處的泄漏，提高了整機(jī)安全可靠性；可使用于中高壓場(chǎng)合；去除了結(jié)合部位的緊固聯(lián)接，從而減少了機(jī)加工工序，省去了連接和密封件，同時(shí)減少了裝配工序，使裝配誤差隨之降低，裝配更為方便快捷。

2）將三級(jí)氣缸的進(jìn)、排氣口位置進(jìn)行改進(jìn)，將進(jìn)、排氣口直接通入氣閥腔內(nèi)，簡(jiǎn)化了氣道，氣道的作用是導(dǎo)流和使氣流得到緩沖，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)氣體經(jīng)氣閥孔只需拐一個(gè)彎即可到進(jìn)、出氣缸，避免了氣體有太多急劇的拐彎和速度變化，從而減小阻力損失，提高了機(jī)器的效率。

3）根據(jù)氣體流程，三級(jí)氣缸為上進(jìn)下出結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的氣缸由于排氣閥孔設(shè)置于氣缸缸徑的最低處，可以使缸內(nèi)的磨屑等污物隨氣體及時(shí)排出氣缸，在很大程度上改善了氣缸內(nèi)的工作環(huán)境；而且采用上進(jìn)下出的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)、排氣緩沖設(shè)備的安裝不受限制，不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

圖4 二級(jí)缸原結(jié)構(gòu)

圖5 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

4）改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)由于進(jìn)、排氣口位置改變，缸體側(cè)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，不需分為氣道和水道，只需設(shè)置水道，不需鑄成三層壁結(jié)構(gòu)，使缸壁在全長(zhǎng)上得到最充分的冷卻；降低了鑄件的制造難度，使鑄件具有更為良好的工藝性，而且也可以縮小外形尺寸，以減小零件的重量，從而達(dá)到降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的。而且由于缸體側(cè)只需設(shè)置水道，則水腔用清沙口可設(shè)計(jì)成大窗口，使缸體局部簡(jiǎn)化成單層壁結(jié)構(gòu)，并大大方便了設(shè)置泥芯及內(nèi)部清砂。

3.2 二級(jí)缸的改進(jìn)

二級(jí)缸體原結(jié)構(gòu)如圖4，為分體式結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖5，二級(jí)氣缸也采用整體式結(jié)構(gòu)。

1）和三級(jí)缸體一樣，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，通過(guò)減少缸座與缸體的密封面，避免了形狀復(fù)雜的密封面及其帶來(lái)的安全隱患；通過(guò)減少缸座與缸體聯(lián)接，減少了機(jī)加工工序，減少裝配工序，提高了裝配精度；

2）原三級(jí)氣缸的平衡容積通入一級(jí)進(jìn)氣壓力，需由進(jìn)氣端引氣管接入平衡腔內(nèi)，氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需鑄成多層壁結(jié)構(gòu)，鑄造難度較大；由于平衡腔通一級(jí)進(jìn)氣，活塞密封壓差較大，泄漏較大，且均為外泄漏，將使壓縮機(jī)的排氣量隨缸內(nèi)磨損的增大而減少；改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，平衡腔通二級(jí)進(jìn)氣，可直接由二缸進(jìn)氣口接通氣道進(jìn)入平衡腔，簡(jiǎn)化了鑄件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低鑄造難度，同時(shí)外部管路也簡(jiǎn)化了許多，無(wú)需再另接平衡管路，制造安裝成本也隨之減少，避免了平衡腔外泄漏引起的壓縮機(jī)容積流量的減少；

3）原氣閥閥窩孔布置于缸座錐面上，改進(jìn)后的氣閥閥窩孔垂直于氣缸軸線布置，降低了氣閥閥窩孔的加工難度，減少了加工成本。

4 結(jié)語(yǔ)

該結(jié)構(gòu)氣缸是在我單位現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的氣缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造，性能優(yōu)越，安裝方便，且更安全可靠。該產(chǎn)品已試制成功并隨機(jī)安裝出廠，在用戶使用過(guò)程中，機(jī)器運(yùn)行狀況良好。

［1］楊紹侃.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)［D］.西安：西安交通大學(xué)，1979.

［2］郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.