活塞壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究

劉永為

(四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都641400）

1 引言

活塞壓縮機(jī)一般將各種能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞對(duì)氣缸內(nèi)吸入的氣體進(jìn)行壓縮。該曲柄連桿機(jī)構(gòu)加上其框架及其附件形成一個(gè)功能獨(dú)立的部件，這就是活塞壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，有時(shí)也習(xí)慣將其稱為壓縮機(jī)的機(jī)型）。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是壓縮機(jī)的基礎(chǔ)件，一個(gè)壓縮機(jī)公司擁有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)種類的多少、其結(jié)構(gòu)是否優(yōu)良、能否在此基礎(chǔ)上快速有效地研發(fā)新產(chǎn)品等是公司實(shí)力的體現(xiàn)。做好運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)公司良性發(fā)展的充要條件。

本文將從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法入手，提出新的設(shè)計(jì)思路、公式和方法，以提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化水平。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)說明

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)涉及到的主要參數(shù)包括：行程、許用活塞力、活塞平均速度、曲軸主軸頸圓周速度、軸承比壓、連桿中心距等。參數(shù)說明如下：

行程是指曲軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)活塞產(chǎn)生的最大位移，行程的大小直接體現(xiàn)在主機(jī)外形尺寸（活塞桿方向）及機(jī)組占地面積的大小。

許用活塞力是指活塞壓氣時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能承受的最大載荷，許用活塞力的設(shè)定牽涉的方面較多。

活塞平均速度是與氣缸壓氣量基本成正比，增大活塞平均速度能提高壓縮機(jī)的效率，且不用改變氣缸尺寸?；钊骄俣冗^高會(huì)導(dǎo)致磨損過快。

曲軸主軸頸的圓周速度是軸頸外表面與軸瓦內(nèi)表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的快慢程度，圓周速度與其直徑和轉(zhuǎn)速相關(guān)。

軸承比壓是軸承所受載荷與承載面（投影面積）的比值。主要包括主軸頸、曲柄銷、十字頭銷及活塞銷等。文中僅考慮滑動(dòng)軸承的軸承比壓，不涉及滾動(dòng)軸承等特殊軸承。

連桿中心距與行程存在比例關(guān)系，通常用長(zhǎng)徑比（指連桿中心距與半行程比）來確定連桿中心距，大行程對(duì)應(yīng)大的連桿中心距。

3 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的背景和意義

一般而言，壓縮機(jī)生產(chǎn)廠會(huì)在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)制造過程中形成本單位運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)系列，有完整的圖紙及工藝文件，進(jìn)而形成產(chǎn)品的多個(gè)體系。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都已形成產(chǎn)品并長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量是得到驗(yàn)證的。但同時(shí)這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不可避免的有著廠家自身的烙印，不管是優(yōu)點(diǎn)還是不足之處。

隨著行業(yè)的發(fā)展，化工機(jī)械等專業(yè)技術(shù)的持續(xù)提升，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化變得常態(tài)化，需要持續(xù)對(duì)落后或不足的零部件進(jìn)行修改和優(yōu)化。局部修改完善具有見效快、風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)勢(shì)。但如果運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)先天不足，優(yōu)化設(shè)計(jì)就無能為力了。

當(dāng)然我們還要新開發(fā)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。新開發(fā)通常的方法是：確定機(jī)型的需求，確定許用活塞力、列數(shù)及形式（立式、臥式等）；結(jié)合本單位已有系列確定各個(gè)主參數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)及行業(yè)資料等進(jìn)行主要參數(shù)的選擇及優(yōu)化，形成最終的設(shè)計(jì)方案、圖紙及文件等。

不管是采用哪種方法確定參數(shù)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)還是能滿足需要的?，F(xiàn)在的問題是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高、不容易形成產(chǎn)品系列化。

4 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的參數(shù)

活塞壓縮機(jī)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖1）將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而推動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞進(jìn)行氣體吸入和壓縮。圖中所示S為行程，l為連桿中心距，r為曲軸偏心（半行程）。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)身組件、曲軸組件、十字頭組件、連桿組件等。如圖2所示為一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)剖面圖示例，三列立式。每個(gè)主軸承均采用強(qiáng)制潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)以提供主軸瓦及連桿軸瓦和小頭軸承的潤(rùn)滑油。具體參數(shù)見表1。

其主要參數(shù)為：

設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，應(yīng)對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或復(fù)算，常規(guī)方法包括（不僅限于）以下內(nèi)容，本文結(jié)合上述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行示例計(jì)算。

4.1 曲軸直徑

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

圖2 立式三列運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

表1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

關(guān)于曲軸主軸頸及曲柄銷的結(jié)構(gòu)描述見圖3，其中D為曲柄銷直徑；Dl為主軸頸直徑。為了壓縮機(jī)簡(jiǎn)單明了，現(xiàn)代設(shè)計(jì)一般采用相同的直徑（Dl=D）。

一般是根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承受的許用活塞力F（t）初步計(jì)算曲柄銷直徑D（cm），即

確定曲柄銷直徑為

D=10 cm

圖3 曲柄結(jié)構(gòu)

4.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

現(xiàn)代壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速通常按以下范圍選擇：

微型和小型：1000～3000 r/min

中型：500～1000 r/min

大型：250～500 r/min

根據(jù)該機(jī)型的活塞力及應(yīng)用情況，確定轉(zhuǎn)速值為

n=590 r/min

4.3 活塞速度

活塞平均速度的上限一般行業(yè)內(nèi)有個(gè)約定：氣缸有油潤(rùn)滑為4.5 m/s；氣缸無油設(shè)計(jì)的選擇4.0 m/s。

根據(jù)該機(jī)型的應(yīng)用范圍，確定活塞平均速度的上限值為

vhc=4.0 m/s

4.4 行程

活塞平均速度vh的計(jì)算公式為

根據(jù)活塞平均速度計(jì)算行程的公式為

計(jì)算行程的值為203 mm，確定值為

S=180

復(fù)算的活塞平均速度

vh=3.54 m/s

4.5 主軸頸的圓周速度

曲軸主軸頸的圓周速度公式為

表2 滑動(dòng)軸承比壓及pV值

根據(jù)曲柄直徑和轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)算

vd=3.09 m/s

4.6 連桿中心距

連桿中心距l(xiāng)與長(zhǎng)徑比的設(shè)定有直接關(guān)系，其公式為

一般設(shè)定λ≤0.2，由此計(jì)算出

l=450 mm

4.7 軸承比壓及pV值

連桿瓦寬度b的計(jì)算公式為

b=（0.55~0.80）·D

計(jì)算得出連桿瓦寬度b=55 mm

校核軸承比壓，其值應(yīng)在表2范圍。

軸承比壓p的計(jì)算公式為

計(jì)算得出p=6.37 MPa（滿足要求）

5 圖表選擇法中的參數(shù)

可以根據(jù)活塞力的要求，根據(jù)《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》在“連桿結(jié)構(gòu)尺寸表格”中選擇數(shù)據(jù)，見表3。

根據(jù)表3選擇數(shù)據(jù)見表4。

6 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究

6.1 思路和原則

做好運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化工作。既要每一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)明確，不能模棱兩可；又要和其他系列有機(jī)分割開來，不能互相矛盾。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化還應(yīng)在最大范圍內(nèi)遵守理論力學(xué)、材料力學(xué)等方面的要求，這樣的設(shè)計(jì)才能做到“能用”、“好用”。

由于各公司的情況不同，標(biāo)準(zhǔn)化合計(jì)應(yīng)該要盡量引入限定條件做自變量，既能滿足公司要求，也能避免人為因素對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的不利影響。限定條件包括：最大活塞平均速度、軸承最大圓周速度、連桿長(zhǎng)徑比、最大比壓、最大pV值等。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化需要優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，建立相關(guān)的計(jì)算公式，利用電腦和軟件進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)工作。

表3 連桿結(jié)構(gòu)尺寸

表4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

6.2 曲軸軸頸設(shè)計(jì)理論

曲軸軸頸直徑的計(jì)算可以是按強(qiáng)度或剛度設(shè)計(jì)[2]?，F(xiàn)采用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算法、軸瓦比壓法以及彎曲變形法進(jìn)行分析，并最終確定最適宜的方法。

6.2.1 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算法

曲軸的偏心曲柄銷在活塞力的作用下，對(duì)曲軸形成力矩，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，多列機(jī)型更適宜采用此方法。

基本公式為

其中力矩作用長(zhǎng)度可以按照Lp=0.7D來進(jìn)行計(jì)

算，列數(shù)N（建議≥4），公式轉(zhuǎn)變成

公式進(jìn)行變換

引入系數(shù)α2

得到軸徑的計(jì)算公式為

6.2.2 軸瓦比壓法

活塞力作用在軸瓦投影面積上，其比壓（即單位面積上的載荷）不應(yīng)超過規(guī)定值。由此得出軸徑與活塞力間關(guān)系。

另外軸瓦的寬度應(yīng)該和軸徑有比例關(guān)系，軸瓦寬度b的公式為

b=α2D

式中 α2——軸瓦寬度系數(shù)

于是上式轉(zhuǎn)化為

計(jì)算軸徑D的公式為

6.2.3 彎曲變形法

曲軸簡(jiǎn)化成圓截面梁。曲柄銷支撐在兩個(gè)主軸承上，受到活塞力將導(dǎo)致彎曲，載荷不得使曲軸的彎曲量超過許用值。

其中 L——跨距

E——彈性模量

I——截面慣性矩

計(jì)算I的公式如下

在引入相對(duì)變形Ψ變量后做以下變換

將I值帶入后公式變?yōu)?/p>

考慮到軸徑與開檔長(zhǎng)度存在比例關(guān)系

相對(duì)變形ψ的公式繼續(xù)簡(jiǎn)化為

計(jì)算軸徑D的公式為

引入系數(shù)α3

則軸徑D的公式變?yōu)?/p>

6.2.4 各種軸徑計(jì)算方法對(duì)比

可以看出3種計(jì)算方法公式非常相似，軸徑的代銷與載荷的平方根成正比，與許用應(yīng)力（或彈性模量）成反比，區(qū)別在于許用應(yīng)力數(shù)值的不同及系數(shù)α大小的不同。計(jì)算應(yīng)在這幾種算法中選用最為安全的方法。

對(duì)于按軸瓦比壓法的計(jì)算公式，如果將F單位改為10 kN，其代號(hào)改為F10kN，D單位改為cm，其代號(hào)改為Dcm，另外取σwc=7.2 MPa，α2=0.65。則公式簡(jiǎn)化為

可見這和《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》提出的軸徑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式是完全相同的，這說明上述方法和經(jīng)驗(yàn)公式是相通的。

6.2.5 計(jì)算示例

圖4為多種活塞力下軸徑的計(jì)算結(jié)果。系列1為扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法，系列2為軸瓦比壓法，系列3為按彎曲剛度法。

計(jì)算結(jié)果顯示，一般而言采用軸瓦比壓法計(jì)算曲柄銷直徑的方法是適宜的。但要注意：列數(shù)較多時(shí)應(yīng)顧及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；支撐跨距大時(shí)要注意彎曲變形；軸承比壓的上限取值時(shí)也應(yīng)該結(jié)合單位實(shí)際進(jìn)行。

6.3 主軸頸圓周速度的確定

6.4 曲軸行程的確定

考慮軸主軸頸圓周速度有最大限度

考慮活塞平均速度有最大限度

將兩公式兩端相除，并進(jìn)行整理，得到以下公式

圖5為多種活塞力下行程的計(jì)算結(jié)果。可以看到在活塞許用速度和主軸頸圓周速度為定值后，行程和軸徑成正比。

6.5 曲軸轉(zhuǎn)速的確定

考慮活塞平均速度的計(jì)算公式為

轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

確定軸徑尺寸和活塞平均速度后就能夠確定壓縮機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速。

圖6為多種活塞力下曲軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果。

6.6 連桿中心距的確定

連桿中心距的計(jì)算公式為

其中 λ——連桿長(zhǎng)徑比

一般選擇范圍是0.16～0.25，為了提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，建議取值

λ=0.2

圖4 曲柄銷直徑計(jì)算

圖5 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程

圖6 曲軸轉(zhuǎn)速

7 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)例

通過上述理論分析，結(jié)合工廠實(shí)際對(duì)主要參數(shù)的進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，形成壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，這將大大降低資源浪費(fèi)和管理成本。由于篇幅原因，此處僅對(duì)文中第3條涉及參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)算。為了方便大家了解，表5為對(duì)部分計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，實(shí)際應(yīng)用中因予以充分考慮。

表5 示例運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)

8 結(jié)論

本文通過對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法做了研究，提出了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的思路和原則。對(duì)各個(gè)主參數(shù)的計(jì)算提出和歸納了可行的公式，提出了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的一些計(jì)算實(shí)例。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化引入了許用比壓、圓周速度限制、活塞平均速度、軸瓦寬度系數(shù)、軸承許用pV值等條件作為自變量，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有優(yōu)化的作用，明顯提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量；能夠?qū)\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)；技術(shù)管理工作量大大降低、管理效益明顯提升。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化能減少機(jī)型種類、提高了機(jī)型的利用率，公司的綜合實(shí)力及經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)顯著提高。