氣動(dòng)工具用單級(jí)直線壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與研究

俞洪波 鐘美鵬 張弘強(qiáng) 計(jì)才元 余 芳 董 陽(yáng)

（1.嘉興學(xué)院機(jī)電分院，浙江 嘉興314001；2.嘉興太平洋江茂電子有限公司，浙江 嘉興314015；3.嘉興日億機(jī)械有限公司，浙江 嘉興314014）

0 引言

由于空氣具有很好的可壓縮性和膨脹性，適宜做能量傳遞中的介質(zhì)，輸送方便不凝結(jié)[1]，對(duì)人無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，沒(méi)有起火危險(xiǎn)，且到處都有，用之不盡。因而壓縮機(jī)作為動(dòng)力的主要設(shè)備，為各種類型的鑿巖機(jī)、裝巖機(jī)、氣鎬等氣動(dòng)工具提供動(dòng)力源[2]。特別是室內(nèi)裝修業(yè)的興起，為微型壓縮機(jī)開(kāi)辟了一個(gè)新的廣闊的市場(chǎng)空間。比如，以前往墻壁上敲鐵釘要用榔頭之類的工具，現(xiàn)在基本上已被氣釘槍所取代[3]。直線壓縮機(jī)主要利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)活塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，近幾年來(lái)，伴隨著直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展與日益廣泛的應(yīng)用，直線壓縮機(jī)技術(shù)也逐步發(fā)展起來(lái)。直線電機(jī)主要是直線電動(dòng)機(jī)，是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。根據(jù)直線電機(jī)的工作原理，可以將直線電機(jī)劃分很多類型[4]，包括交流直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（LIM）、交流直線同步電動(dòng)機(jī)（LSM）、直線振蕩電機(jī)（LOM）等等。理論上來(lái)講，這些都可以作為壓縮機(jī)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，因此根據(jù)所采用的驅(qū)動(dòng)源類型來(lái)劃分直線壓縮機(jī)，主要有以下三種類型[6]：直線振蕩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱電磁振動(dòng)壓縮機(jī)）、復(fù)合次級(jí)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱直線電動(dòng)壓縮機(jī)）以及直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線壓縮機(jī)等三種類型[5]。本文設(shè)計(jì)了氣動(dòng)工具用單級(jí)直線壓縮機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)分析，同時(shí)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，拓展了直線壓縮機(jī)的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

本論文中單級(jí)直線壓縮機(jī)的排氣量為1.5m3/h，考慮到實(shí)際情況，取a=0.07；而對(duì)于小型壓縮機(jī)，選取m=1.4；ε值根據(jù)氣缸的排氣和吸氣公稱壓力計(jì)算，得ε=8。還需考慮泄漏、余隙影響、回冷不完善或高壓缸進(jìn)排氣溫度等因素。對(duì)單級(jí)直線壓縮機(jī)設(shè)計(jì)如下：

1.1 容積系數(shù)λv

容積系數(shù)表示余隙容積對(duì)氣缸有效行程容積的影響，用λv表示。對(duì)大多數(shù)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)λv排氣量的影響比其他系數(shù)大，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分注意。一般情況下，λv的值按下式計(jì)算：

可以計(jì)算得出λv= 0.76

1.2 壓力系數(shù)λp

考慮因吸氣過(guò)程中的壓力損失使吸氣能力下降而引起的系數(shù)稱壓力系數(shù)，用λp表示。考慮到本設(shè)計(jì)中的壓縮機(jī)為常壓吸氣，所以λp=0.98。

1.3 溫度系數(shù)λT

用來(lái)表示在吸氣過(guò)程中，因氣體加熱而對(duì)氣缸吸氣能力影響的系數(shù)稱為溫度系數(shù)λT。一般，要精確地求得λT值比較困難，所以根據(jù)壓力比大小選擇適當(dāng)λT值，這里取λT=0.95。

1.4 泄漏系數(shù)系數(shù)λl

在單級(jí)壓縮機(jī)中，氣密系數(shù)表示壓縮機(jī)的排氣量與氣缸吸入容積之間的比值，用λl表示。計(jì)算時(shí)，泄漏系數(shù)系數(shù)氣密系數(shù)一般取λl=0.90~0.98，本文設(shè)計(jì)的是微型壓縮機(jī)，泄漏系數(shù)系數(shù)氣密系數(shù)可取較大值，故選取λl=0.97。

因此，單級(jí)壓縮機(jī)的排氣系數(shù)如下：

并計(jì)算得到λ=0.69，一般而言，單級(jí)壓縮機(jī)的氣缸行程容積按下式計(jì)算：

式中：Vd——壓縮機(jī)的排氣量；n——單級(jí)直線壓縮機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)頻率，在本文取1000轉(zhuǎn)/分。

可計(jì)算得到：Vh=0.046625 m3/h

在算得氣缸行程容積后，再按下式計(jì)算單作用氣缸的直徑：

根據(jù)上式，先確定高低壓端活塞行程為：s=22mm，計(jì)算出高壓直聯(lián)機(jī)參數(shù)結(jié)果為：D=51.9mm，這里對(duì)氣缸直徑進(jìn)行圓整為55mm。

為了更好給氣釘槍提供氣源，本文設(shè)計(jì)了單級(jí)壓縮機(jī)。對(duì)氣釘槍用結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行了基于等壓比的熱力學(xué)分析和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究，并對(duì)其熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算。

［1］王君，等.往復(fù)壓縮機(jī)氣體壓縮熱力過(guò)程研究[J].流體機(jī)械，2008（1）：20-23.

［2］謝潔飛,動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué).

［3］郁永章,劉勇.特種壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986,2.

［4］馬振飛.冰箱用直線壓縮機(jī)原理性樣機(jī)的研制[D].浙江大學(xué),2005.

［5］S.J.Park,Y.J.Hong,H.B.Kim,K.B.Lee.An experimental study on the phase shift between piston and displacer in the Stirling cryocooler[J].Current Applied Physics.2003,3(5):449-455.