面向無(wú)油空氣壓縮機(jī)的復(fù)合式冷卻風(fēng)扇及其布局設(shè)計(jì)

陳軍， 陳君立， 楊海霞， 耿愛(ài)農(nóng)， 孫文博， 阮勤江

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門529020；2.浙江鴻友壓縮機(jī)制造有限公司，浙江 溫嶺317523）

0 引言

小型搖擺活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于家庭裝修裝飾、汽車維修維護(hù)、醫(yī)療按摩康復(fù)等行業(yè)，該類壓縮機(jī)普遍采用直聯(lián)式電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，工作期間因空氣被壓縮產(chǎn)生的熱量、密封皮碗與氣缸摩擦產(chǎn)生的熱量、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)核心零部件（如活塞密封皮碗、連桿大頭軸承、曲軸支撐主軸承等）熱負(fù)荷過(guò)大，也是造成壓縮機(jī)工作可靠性下降的主要原因之一[1]。因此，有效解決上述關(guān)鍵零部件的散熱問(wèn)題是壓縮機(jī)科研工作者十分重視的研究課題[2-3]。

傳統(tǒng)小型搖擺活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)的散熱解決方案基本采用在曲柄端部（亦即在連桿大頭端側(cè)或電動(dòng)機(jī)尾端處）布設(shè)離心式徑流風(fēng)扇并輔以導(dǎo)流殼罩來(lái)予以實(shí)現(xiàn)[4]。這種做法的不足之處在于徑流風(fēng)扇受限于其風(fēng)量產(chǎn)出特性，僅能滿足冷卻壓縮機(jī)泵頭部件的散熱需求而不能顧及其它零部件的散熱。事實(shí)上，用以支撐曲軸及電動(dòng)機(jī)的主軸承、連接曲柄銷與連桿的連桿大頭軸承，它們的熱負(fù)荷問(wèn)題同樣制約著壓縮機(jī)的工作可靠性。鑒于此，本文提出包含有軸流單元與徑流單元的復(fù)合式冷卻風(fēng)扇[5-7]，試圖同時(shí)完成面向壓縮機(jī)泵頭和面向曲軸主軸承及連桿大頭軸承的兩個(gè)不同散熱任務(wù)。

1 復(fù)合式冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

圖1和圖2為本文設(shè)計(jì)的一體結(jié)構(gòu)復(fù)合式冷卻風(fēng)扇示意圖，圖3和圖4為基于該設(shè)計(jì)理念而制作的若干風(fēng)扇實(shí)物照片。區(qū)別于傳統(tǒng)小型搖擺活塞無(wú)油空氣壓縮機(jī)的徑流式冷卻風(fēng)扇，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式冷卻風(fēng)扇布設(shè)有能同時(shí)產(chǎn)生徑向流量和軸向流量的驅(qū)動(dòng)單元與分流構(gòu)造，借助這些功能部件，復(fù)合式冷卻風(fēng)扇可在其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能同時(shí)派生出兩股指向顯著不同的冷卻風(fēng)流量。

圖1 徑-徑葉片復(fù)合式冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 徑-軸葉片復(fù)合式冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 面向1.5 hp無(wú)油壓縮機(jī)復(fù)合式冷卻風(fēng)扇實(shí)物

圖4 面向2 hp無(wú)油壓縮機(jī)復(fù)合式冷卻風(fēng)扇實(shí)物

容易看出，復(fù)合式冷卻風(fēng)扇用以產(chǎn)生徑向流量和軸向流量的驅(qū)動(dòng)單元（即葉片）有兩種基本組配：一個(gè)是徑-徑葉片復(fù)合結(jié)構(gòu)（如圖1），其內(nèi)圈的軸流單元和外圈的徑流單元均采用徑向葉片來(lái)產(chǎn)生風(fēng)速和流量；另一個(gè)則是徑-軸葉片復(fù)合結(jié)構(gòu)（如圖2），布局在外圈的徑流單元采用徑向葉片構(gòu)造，布置在內(nèi)圈的軸流單元?jiǎng)t采用軸流葉片構(gòu)造。在軸流單元與徑流單元之間設(shè)置有一個(gè)分流筒殼，由分流筒殼形成并分流出兩股指向完全不同的冷卻風(fēng)量。這兩種復(fù)合葉片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不同，可以依照實(shí)際情形進(jìn)行選用。一般而言，對(duì)于匹配轉(zhuǎn)速較高的兩極電動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)建議采用徑-徑葉片形式，對(duì)于匹配轉(zhuǎn)速相對(duì)低一些的四極電動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)可考慮徑-軸葉片形式，當(dāng)然選用時(shí)還需考慮壓縮機(jī)曲軸箱的結(jié)構(gòu)型式。

2 復(fù)合式冷卻風(fēng)扇布局設(shè)計(jì)實(shí)例

無(wú)油空氣壓縮機(jī)的熱負(fù)荷狀況很有特點(diǎn)，一個(gè)集中在泵頭處，另一個(gè)集中在曲軸箱本體中心區(qū)域的軸承處。對(duì)于泵頭的熱負(fù)荷一直受到高度重視，就常規(guī)輸出壓力0.7～0.8 MPa的無(wú)油空氣壓縮機(jī)而言，其最高溫度出現(xiàn)在缸蓋處，可達(dá)135 ℃以上，因此需強(qiáng)力散熱以確保安全；氣缸處的熱負(fù)荷對(duì)活塞密封皮碗工作壽命負(fù)面影響極大，其溫度不宜超過(guò)110 ℃；無(wú)油壓縮機(jī)各軸承均為含油軸承，因此它們的溫升須控制在較低水平（一般不得超過(guò)80℃），否則難以支持其長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。如前所述，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式冷卻風(fēng)扇能分流出兩股指向不同的冷卻風(fēng)流量，可解決當(dāng)下無(wú)油壓縮機(jī)多目標(biāo)區(qū)域熱負(fù)荷消減的需求。下面結(jié)合實(shí)例敘述一下該類冷卻風(fēng)扇的應(yīng)用。

小型搖擺活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)普遍采用直聯(lián)式電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其布局特點(diǎn)決定了宜采用沿電動(dòng)機(jī)軸向方向補(bǔ)入外界冷卻風(fēng)，冷卻風(fēng)扇一般布局在軸端處。本文的設(shè)計(jì)也不例外，亦將復(fù)合式風(fēng)扇安排在曲軸端頭并貼近連桿大頭處。根據(jù)不同曲軸箱型式的壓縮機(jī)，以下給出兩個(gè)復(fù)合式風(fēng)扇布局案例：1）對(duì)于采用封閉式曲軸箱的無(wú)油空氣壓縮機(jī)（如圖5），本文的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施例是采用徑-徑葉片型復(fù)合式冷卻風(fēng)扇，其產(chǎn)生的徑流風(fēng)通過(guò)蝸殼式導(dǎo)流殼罩從壓縮機(jī)的機(jī)體側(cè)面引導(dǎo)至泵頭處，借助殼罩迫使該股冷卻風(fēng)橫向掠過(guò)氣缸蓋的散熱片后再?gòu)谋妙^的另一側(cè)吹出，以此帶走端蓋的熱量而達(dá)成強(qiáng)力冷卻；而復(fù)合式風(fēng)扇產(chǎn)生的軸流風(fēng)則讓其直接對(duì)準(zhǔn)壓縮機(jī)的主軸承和連桿大頭軸承，在貫穿并冷卻這些部件之后再?gòu)碾妱?dòng)機(jī)筒殼的散熱孔流出，同時(shí)這股軸流風(fēng)量還肩負(fù)著部分冷卻壓縮機(jī)氣缸的任務(wù)。2）對(duì)于采用開(kāi)放式曲軸箱型式的無(wú)油空氣壓縮機(jī)（如圖6），考慮到它采用四極電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速較慢，因此本文選用徑-軸葉片型復(fù)合式冷卻風(fēng)扇，其布局策略是將風(fēng)扇產(chǎn)生的徑流風(fēng)通過(guò)布局在壓縮機(jī)軸端部的殼罩（圖中未示出）從壓縮機(jī)軸端向上引導(dǎo)至泵頭的氣缸及缸蓋處，同時(shí)對(duì)這兩個(gè)零部件進(jìn)行散熱，其中風(fēng)扇的軸流單元產(chǎn)生的軸流風(fēng)則直接對(duì)準(zhǔn)壓縮機(jī)的主軸承和連桿大頭軸承進(jìn)行散熱冷卻。

圖5 封閉式曲軸箱無(wú)油壓縮機(jī)復(fù)合式冷卻風(fēng)扇布局

圖6 開(kāi)放式曲軸箱無(wú)油壓縮機(jī)復(fù)合式冷卻風(fēng)扇布局

上述兩種復(fù)合式風(fēng)扇布局設(shè)計(jì)均經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行驗(yàn)證，都能夠達(dá)到壓縮機(jī)不同區(qū)域的冷卻目標(biāo)，可保證端蓋處的溫度不超過(guò)130 ℃、氣缸處的溫度不超過(guò)100 ℃、主軸承座及連桿大頭軸承處的溫度不高于75 ℃，有效確保了壓縮機(jī)的工作可靠性。值得一提的是，圖5、圖6所示的壓縮機(jī)為采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)泵頭，俗稱兩頭挑布局無(wú)油壓縮機(jī)，是目前搖擺活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)廣為采用的機(jī)型。對(duì)于這種兩頭挑布局的壓縮機(jī)，如果采用徑-徑葉片復(fù)合結(jié)構(gòu)，那么風(fēng)扇無(wú)論是裝左端還是裝右端均可適配，其生產(chǎn)只需一副模具即可，且不存在工人誤裝的情形；對(duì)于采用徑-軸葉片復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)扇來(lái)說(shuō)，其左右兩副風(fēng)扇是不同的（如圖4），因此需采用兩副不同模具來(lái)生產(chǎn)，且裝配時(shí)不能搞混，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)壓縮機(jī)主軸承和連桿大頭軸承的冷卻效果較好。

3 結(jié)語(yǔ)

小型搖擺活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)存在兩個(gè)明顯區(qū)域不同的熱負(fù)荷集中部位：一個(gè)位于壓縮機(jī)泵頭區(qū)域（氣缸及缸蓋處），其熱負(fù)荷主要源自于壓縮空氣產(chǎn)生的熱及皮碗與氣缸摩擦產(chǎn)生的熱；另一個(gè)則位于支撐電動(dòng)機(jī)與曲軸的主軸承座及連接連桿與曲柄銷的連桿大頭軸承處，其熱負(fù)荷主要受電動(dòng)機(jī)運(yùn)行熱的影響，同時(shí)也有來(lái)自泵頭的熱量，上述部位散熱效果的好壞直接關(guān)系到壓縮機(jī)的工作可靠性。長(zhǎng)久以來(lái)，小型搖擺活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)基本采用單一構(gòu)造形式的葉片結(jié)構(gòu)，只能產(chǎn)生單股冷卻風(fēng)量，難以同時(shí)兼顧泵頭及軸承的冷卻，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式冷卻風(fēng)扇彌補(bǔ)了這一短板，它集成了徑向流量和軸向流量?jī)煞N截然不同的驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)造，能可靠地產(chǎn)生出兩股指向不同的冷卻風(fēng)，可同時(shí)應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)棘手的多目標(biāo)冷卻任務(wù)。經(jīng)過(guò)實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行驗(yàn)證，復(fù)合式風(fēng)扇可使上述氣缸、氣缸蓋、主軸承及連桿大頭軸承等壓縮機(jī)的核心零部件溫升不超標(biāo)，有力地保障了壓縮機(jī)運(yùn)行的工作可靠性。本文的設(shè)計(jì)構(gòu)想是可行的，它豐富了現(xiàn)有小型搖擺活塞無(wú)油壓縮機(jī)的風(fēng)扇種類。