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活塞连杆一体型压缩机工作特性研究 摘要 活塞连杆一体型压缩机作为直联便携式往复活塞压缩机的重要组成部 分，广泛用于家庭装饰、喷漆、美妆彩绘等领域。本文主要做了如下工作： ( 1 ) 运用a u t o c a d 绘制活塞连杆一体型压缩机的零件图和装配图，并 使用工程软件p r o e 获得三维图。辅以三维结构图，系统介绍压缩机曲柄连 杆机构、气缸组件、压缩机机壳组件等的结构和装配关系。 ( 2 ) 对活塞连杆一体型压缩机进行运动分析，经简化后得到活塞体轴 向位移、径向位移和连杆体转角表达式，并应用m a t l a b 软件对比分析活 塞连杆一体型压缩机轴向、径向运动学关系。 ( 3 ) 使用传统热力学计算方法，得到活塞连杆一体型压缩机的热力学 计算公式。它们能够计算气缸直径、计算轴功率和选取驱动机。对单缸活 塞连杆一体型压缩机受力分析，设计平衡重和求取飞轮矩，采用v i s u a lb a s i c 程序设计软件编写飞轮矩计算程序。 ( 4 ) 采用四阶龙格一库塔方法，求解气体流动微分方程和舌簧阀片运动 微分方程构成的方程组，并绘制舌簧阀特征升程处位移图、速度图，然后 按绝热过程计算压缩和膨胀过程，最后绘制p v 图，用矩形法求取压缩机 指示功率。上述过程运用v i s u a lb a s i c 编程实现。 ( 5 ) 运用大型非线性有限元软件a b a q u s 对排气舌簧阀的整个工作过 程进行动力学有限元分析，包括前处理、加载求解和后处理，获得舌簧阀 特征升程处的阀片位移图，与数值求解的运动规律基本吻合。得到最大应 力处为阀片根部，升程限制器有轻微振动，吸气过程阀片头部下凹变形而 产生的应力也较大。 ( 6 ) 介绍活塞连杆一体型压缩机的改进结构：平面运动活塞压缩机， 阐述该机型的工作原理，运用收敛喷管模型简单分析了压缩机的泄漏，而 且提出改善压缩机泄漏和减少摩擦磨损的结构型式。 关键词：活塞连杆一体型压缩机结构热力计算动力计算舌簧阀 有限元平面运动活塞压缩机 i i s t u d yo nt h e o p e r a t i n gc h a ra c t e r j s t i co ft h e w o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o r s a b s t r a c t w o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o r , w h i c hi sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fd i r e c t d r i v e p o r t a b l er e c i p r o c a t i n gp i s t o nc o m p r e s s o r , i sw i d e l yu s e di n f a m i l y d e c o r a t i o n ，p a i n t i n g ，b e a u t ys t a i n e de t c t h e r ea r et h ef o l l o w i n gw o r k s ： ( 1 ) p a r t sa n da s s e m b l yd r a w i n g so fw o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o ra r ed r a w e d b ya u t o c a ds o f t w a r e ，a n dt h r e e - d i m e n s i o n a ld r a w i n g sa r ec r e a t e db yt h ep r o e s o f t w a r e t h es 仃u c t u r ea n d a s s e m b l yr e l a t i o n so fw o b b l ep i s t o ns 仃u c t u r e c y l i n d e rc o m p o n e n t sa n dc o m p r e s s i o nc h a s s i sc o m p o n e n t sa r ei n t r o d u c e dw i t h t h r e e - d i m e n s i o n a ld r a w i n g s ( 2 ) m o t i o nr e l a t i o n so fw o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o ri s a n a l y z e d ，a x i a l d i s p l a c e m e n to fp i s t o n ，r a d i a ld i s p l a c e m e n to fp i s t o na n da n g u l a rd i s p l a c e m e n t o fr o da r es i m p l i f i e d ，a n da x i a la n dr a d i a lm o t i o nr e l a t i o n sa r ec o m p a r a t i v e a n a l y s i so fw o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o rw i t hm a t l a bs o f t w a r e ( 3 ) t r a d i t i o n a lt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nm e t h o di su s e dt oo b t a i n t h e r m o d y n a m i cf o r m u l a so fw o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o r , w h i c ha r ea b l et o c a l c u l a t e c y l i n d e rd i a m e t e r sa n ds h a f tp o w e r , t oc h o o s ed r i v em a c h i n e o t h e r w i s e ，k i n e t i ca n a l y s i so fas i n g l e c y l i n d e rw o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o ri s d i s c u s s e d ，i n c l u d i n g f o r c ea n a l y s i s ，b a l a n c e w e i g h td e s i g n i n ga n df l y w h e e l m o m e n tc a c u l a t i o n ，a na p p l i c a t i o ns o f t w a r ea b o u tf l y w h e e lm o m e n tc a c u l a t i o n i sp r o g r a m e d b yv i s u a lb a s i cs o f t w a r e ( 4 ) t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fg a sf l o w i n ga l 试m o t i o no ft h er e e dv a l v e i i i a u r es o l v e db yf o u r t h o r d e rr u n g e k u t t am e t h o d d i s p l a c e m e n td i a g r a ma n d v e l o c i t yd i a g r a mo f c h a r a c t e r i s t i cl i f to fr e e e dv a l v ea r ed r e w ) t h e nc a l c u l a t e dt h e a d i a b a t i cc o m p r e s s i o np r o c e s sa n de x p a n s i o np r o c e s st oo b t a i n p - vd i a g r a m ， c o m p r e s s o r ，si n d i c a t e dp o w e r i sd r e ww i t ht h er e c t a n g u l a rm e t h o d t h e s ea p p e a l p r o c e s sa r ep r o g r a m m e d w i t hv i s u a lb a s i cs o f t w a r e ( 5 ) t h ee n t i r ep r o c e s so fd i s c h a r g er e e dv a l v eh a sb e e na n a l y s i sb yt h e l a r g e - s e a l e n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r ea b a q u s ，i n c l u d i n g p r e 仃e a 恤e n t ，l o a d i n ga n ds o l v i n g ，p o s t - p r o c e s s i n g t h ed i s p l a c e m e n td i a g r a m o f r e e dv a l v eo ft h ec h a r a c t e r i s t i cl i f ti st h es a m ea st h es o l v i n go fr u n g e - k u t t a m e t h o db a s i c a l l y r e s u l t ss h o w ：t h em a x i m u m s t r e s si st h er o o t s ，t h el i f tl i m i t e r i sas l i g h tv i b r a t i o n ，s u e s so f r e e dv a l v e sh e a di sr e l a t i v e l yl a r g ed u r i n gs u c t i o n ( 6 ) a ni m p r o v e ds t r u c t u r eo fw o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o r ：p l a n a rm o t i o n c o m p r e s s o r , w h i c hd i s c u s s e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h es i m p l el e a k a g em o d e lo f c o n v e r g e n tn o z z l ei sa n a l y z e d ，a n dn e w s t r u c t u r a lt y p ef o ri m p r o v i n gt h el e a k s a n df r i c t i o n w e a ra r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：w o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o r ；s t r u c t u r e ；t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ； k i n e t i ca n a l y s i s ；r e e dv a l v e ；f e m ；p l a n a rm o t i o nc o m p r e s s o r i v 符号说明 意义 自由度 活动构件数，轴功率 转动副数 高副数 连杆体长度 曲柄半径 曲轴转过角度 曲柄与气缸轴线夹角，推力系数 气缸半径，气体常数 曲柄半径与连杆体长度比 活塞体轴向速度 活塞体径向速度 旋转角速度 活塞体轴向加速度 活塞体径向加速度 连杆体角速度 连杆体角加速度 压力比 排气压力 吸气压力 i 单位或量纲 个，w m m r a d r a d m ，j k 一m o l 1 m s 。j m s 。j r a d s 1 m s m s - 2 r a d s 。1 r a d s 之 p a p a 口亨 - r 2 z 符 f 罡 易 ， r p p 天 a 叱 q q q 占 乃 只。 意义 吸气温度 排气温度 绝热指数 容积效率 容积系数 压力系数 温度系数 泄漏系数 相对余隙容积 气缸余隙容积 气缸工作容积 膨胀过程指数 实际行程容积 理论行程容积 活塞行程 气缸直径 压缩机转速 指示功率 吸气相对压力损失 总相对压力损失 机械效率 气体力 v t l i 单位或量纲 o c o c m 3 m 3 n n o m m 罾 w r 口丐 甜 。 ， 褂 c 乃 七 仉 九 九 口 k 名 m 匕 s d 疗 心 疋 磊 符号 异 b i x m j i r m ， 朋p m t r n c f f 忙 f f c f n f m 。 m n 弓 层 j s ， 意义 大气压力 阀片宽度 往复惯性力 往复惯性质量 旋转惯性力 旋转惯性质量 活塞体质量 连杆体质量 曲轴转化旋转质量 往复摩擦力 旋转摩擦力 总摩擦力 综合活塞力 侧向力 连杆力 曲柄阻力矩 倾覆力矩 切向力 法向力 转动惯量，阀片截面惯性矩 曲轴角加速度 单位或量纲 p a m n 埏 n 砖 蝇 蚝 k g n n n n n n n m n m n n k g m 2 ，m 4 r a d s 2 意义 曲轴角速度不均匀度 驱动力矩 平均切向力 飞轮重量 飞轮直径 能量变化值 平衡重旋转质量 平衡重质心与曲轴距离 平衡重往复质量 平衡重质量 气缸容积 流量系数 有效通流面积 气阀位移 活塞体面积 弹性模量 密度 阀片横截面积 。 ： 气孔直径 反弹系数 流量系数 一 x 单位或量纲 m m m 。 p a k m 3 m 。 m q n n m j k m 蚝 k 缸 h n n m j k m 蚝 k n 吕 f 口丐 d y v ， ： 。 詹 搿 6 虬 l g q 三 他 y 厶 4 e p 一 4 以q 九 广西大掌硕士掌位论文 活曩笔杆一体型压缩机工1 1 e 特性研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早殖比 压缩机是能够提高气体压力的一种通用机械。 国内外压缩机专业人士公认，公元前1 5 0 0 年我国商代劳动人民发明的木质风箱，是 往复活塞式压缩机的雏形【。工业革命加速科学技术发展，1 8 7 4 年德 k s b 公司成功制 造世界上第一台真正意义上的空气压缩机，因其排气压力低，称为a i r p u m p 2 。1 8 7 7 年， 有书面材料记载以来第一次出现空气压缩机资料，亦是德国k s b 公司设计、制造的产品。 1 8 9 7 年，德国g h h 公司生产矿用空气压缩机在我国唐山矿务局投入运行，此为国内发现 较早的空气压缩机运行资料。 匿薯扼 吝糖式匿- 机动力式等簟瓴 ，j 一广l 一 佐量压囊机 m m g ；t l l l g 遗翠壶镶抚 l n 暑 。二1 矗一羹 鞑动 一 “ l 倘 话f 上诫 黟 穆 厂r 妒吲 谶径t t t g c o萁饱类臻 l 霆斗 图l 。1 压缩机基本结构型式 f i g 1o lb a s i ct y p o so ft h ec o m p r e s s o r 型 建国初期国民经济百废待兴，矿山开采急需压缩机，国内压缩机制造业也随之产生。 1 9 5 0 年，原沈阳气体压缩机厂最早仿( 日本) 制了排气压力为0 7 m p a 小型固定式空压机 【3 1 。1 9 5 5 年，中国原高等教育部参考前苏联办学经验，由石华鑫老教授负责在交通大学 创建压缩机专业学科。1 9 6 0 年，原一机部批准原武汉机械学院设立压缩机专业。1 9 5 6 年， 活囊瞄电杆一体重2l e 缩聿靠工作稍p 性研究 原一机部通用机械研究所( 现为通用机械研究院) 在安徽合肥成立。1 9 6 0 年，原一机部 和沈阳市机械局共同建立沈阳气体压缩机研究所。 近代压缩机经过一百多年的发展，已经演变成多种结构型式，g b t4 9 7 6 1 9 8 5 给出 压缩机的分类，其基本结构型式如图1 - 1 所示【4 】。压缩机按照工作原理的差异来分，可分 为容积式压缩机和动力式( 速度式) 压缩机。直接对一可变容积中的气体进行压缩，使 该部分气体容积缩小，压力提高【5 】的一类压缩机为容积式压缩机。活塞压缩机是容积式 压缩机中最常见的结构型式。活塞压缩机中具有盘型活塞带十字头的双作用压缩机，活 塞杆联接活塞和十字头，且作为一整体做往复运动，十字头承受侧向力。十字头结构多 见与立式、l 型、v 型、w 型、对称平衡型压缩机i 矗- 9 。活塞压缩机中单作用往复活塞压 缩机，同一个气缸曲柄转过一周只有一个工作过程，活塞承受侧向力，这种结构多见于 中小型低压压缩机【m 1 2 】。其结构特点与有十字头压缩机相比减少十字头的结构，连杆小 头通过活塞销直接与活塞相连。 表1 1 压缩机按容积流量分类 t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o n b yv o l u m er a t eo f f l o wo f t h ec o m p r e s s o r 按照容积流量( 单位：1 1 1 3 r a i n d ) 大小可以对压缩机进行分类，如表1 1 所示。若按工 作介质是否有油，压缩机又可有油润滑和无油润滑压缩机。压缩机按工作用途和工作介 质的差异，还可以分为制冷压缩机、工艺压缩机、动力压缩机。动力压缩机通常以空气 为工作介质，压缩空气储存在储气罐中，通过管路与风动工具( 风钻、风镐、气力扳手 等) 相连。亦可以使用压缩空气控制仪表、各种机动车辆的刹车或制动、家装油漆喷涂 等。 本文研究的压缩机容积流量小于lm 3 r a i n 、结构型式与无十字头活塞压缩机相仿、 压缩介质多为空气，研究领域也就属于微型动力用活塞压缩机。该类型压缩机除上述特 点外，它也有着自己的结构特点和应用场合，下面将简单介绍活塞连杆一体型压缩机的 历史背景。 活塞与连杆正交且固接成一体型活塞，一般由电动机直接驱动的压缩机称为活塞连 杆一体型压缩机。 1 9 3 5 生1 z ，9 t l 垂i k m e c r o w l e y 获得名为p u m p1 1 3 发明专利，该专利的特点是活塞与 2 厂。西大字硕士掌位论文 活塞连杆一体型压缩机工作特性研究 连杆构成一整体，且活塞平面与连杆轴线不正交，进气口布置在气缸内壁，活塞环为皮 碗式。此发明专利为活塞连杆一体型压缩机较早的文献资料。1 9 4 2 年，c h d u 扦矿获得 a i rp u m p0 rc o m p r e s s o r 1 4 】实用新型专利，结构特点是活塞连杆为一整体，连杆呈折现形 状，活塞端面布置有进气阀片。c h d u f f y 发明新型压缩机只是m e c r o w l e y 发明压缩 机的变种，它将连杆改变为折线形，前半连杆与活塞端面垂直，后半连杆与前半连杆构 成一定角度。1 9 6 1 年，a l e e 等人获得a i r p u m p s 1 5 】的发明专利，结构特点是活塞与连杆 为一整体，且活塞端面与连杆轴线正交，该结构摒弃进气阀，仿二冲程内燃机的进气结 构型式，即在气缸内壁开设有多个进气孔口。这是文献资料中较早出现活塞和连杆正交 的结构型式。1 9 7 6 年a j d r o e g e 等人获得发明专利a i rc o m p r e s s o r 1 6 ，基本结构型式也 为活塞与连杆一体型并正交。1 9 7 7 年，t r h e t z e l 获得发明专n t l 7 l ，该专利进一步优化 活塞连杆的结构，压缩机工作行程缩短，气缸上布置两个吸气口，无吸气阀，电动机与 运动机构直接联接，即采用电机直联方式，该类型压缩机转速明显提高，是活塞连杆一 体型压缩机质量轻量化的重要标志。1 9 9 1 年，t h e t z e l 申请获得n o i s er e d u c i n gw e a r s h i e l df o rp i s t o nf a c e 1 8 】实用新型专利，气缸盖上布置有吸排气阀片，活塞与连杆构成一 体且互相正交。至此，确定活塞连杆一体型压缩机的基本结构型式：采用电机直联，活 塞端面与连杆轴线正交。 1 2 活塞连杆一体型压缩机研究现状 上节阐述活塞连杆一体型压缩机应归于微型动力用活塞压缩机领域，并且简单回顾 该类型压缩机的背景知识和发展历史。活塞连杆一体型压缩机的驱动机一般为电动机。 活塞连杆一体型压缩机也有自身的特点。活塞连杆一体型压缩机与驱动机直联，整机能 够被正常体力成年人方便的移动，也为直联便携式往复活塞空气压缩机【1 9 1 。1 9 9 9 年以前， 我国没有直联空气压缩机专用标准，生产、制造、验收基本上是参照微型压缩机标准， 而微型压缩机标准是针对低速机型而定，其性能指标主要追求低能耗、低噪声等，而对 轻便、适用单相电源、价格等没有什么要求【2 0 1 。1 9 9 9 年，合肥通用所组织专家编写、机 械工业部标准化研究所颁布直联便携式往复活塞空气压缩机j b 厂r8 9 3 4 1 9 9 9 标准，标志 着直联便携式压缩机领域有标准可循，也规范了活塞连杆一体型压缩机设计、生产及销 售市场。 活塞连杆一体型压缩机比无十字头往复活塞压缩机结构简单，省去活塞销及相关结 构，活塞环密封结构型式一般为皮碗式，密封性能差，压缩空气的泄漏量大，且该机型 3 广西大国明炙士掌位。沦文活囊瞄笔杆一体型月谰l 审l 工作特性研究 余隙容积相对较大，这些都是该类型压缩机的缺点。活塞连杆一体型压缩机一般用于排 气压力不高( 0 2 - 0 5 m p a ) 的场合，其特点是机身体积小，转速高，重量轻，节能，耐 用，上气快，携带方便，使用简单，广泛用于家庭装饰、喷漆等用途【2 。 1 2 1 活塞连杆一体型压缩机新结构 活塞连杆一体型压缩机主要特点是将活塞和连杆构成一个整体并且相互正交，由电 动机直接驱动实现压缩机的四个工作过程。这一基本结构型式确定后，近年来，国内外 不少学者亦投入大量科研精力于该类型压缩机局部结构创新，希望发明结构更为合理的 活塞连杆一体型压缩机。 为了降低工作腔温度，提高散热能力，国外学者m w w o o d 于1 9 9 3 年获得w o b b l e p i s t o n 捌实用新型专利，特点是活塞底部至少开设有两个气孔，增大活塞下端面的散热 面积，且便于空气直接冷却活塞端面。m a r k e c h a r p l e 提出另外一种改善工作腔内温度 的结构型式【2 4 】。亦有学者对活塞端面形状进行改进，提出多项式活塞曲面f 2 3 】的结构。此 外，为了提高活塞连杆一体型压缩机的无油工作性能，减少间隙泄漏，m w w o o d 等人 进一步提出相应实用新型 2 5 - 2 7 】结构。活塞与连杆组成一体的结构，还可以应用于膜片式 压缩机中【2 引。 国内五邑大学在活塞连杆一体型压缩机的结构改进上取得较大成果。改进的低噪声 结构无油空气压缩机，具有进气噪声低、轴承的工作温度及机械噪声低、在冷却风扇上 布置有副平衡块，降低了压缩机的振动幅度，故能有效的减少机体振动噪声1 2 9 1 。活塞阀 控进气无油润滑空气压缩机1 3 0 1 ，使密封环的外缘表面与气缸内孔壁面在吸气进程时形成 压缩机的吸气通道，摒弃了传统压缩机的进气单向阀，故简化了结构，减少了易损件 3 0 , 3 1 。空气压缩机密封弹胀装置，其特征在于：在其密封环的上翻部与活塞盖板之间或 者在密封环之内部设置有弹性体，故能保证密封环与气缸孔之间的密封性，由此可减少 压缩机的泄漏量【3 2 1 。往复活塞无油空气压缩机，其特征在于：所述曲轴旋转轴心线相对 于气缸的气缸轴心线的偏移距离，形成正偏置气缸结构或负偏置气缸结构，故可以减少 活塞对气缸的侧向力、拍击强度以及密封环或密封皮碗的磨损量1 3 3 】。此外五邑大学耿爱 农及其相关课题入员还做了许多活塞连杆一体型压缩机的改进结构【3 4 删，对此种类型压 缩机的新结构创新大有裨益。 进入新世纪，m w w o o d 进一步获得具有两级压缩活塞连杆一体型压缩机 4 1 , 4 2 的发 ， 明专利，曲轴错角1 8 0 0 ，第一级排气腔与第二级吸气腔通过管道联接。此专利是活塞连 4 厂酉大粤蝎页士掌位论文 活囊涟杆一体型压缩机工作特性研究 o o o o o o o 。_ _ 。_ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i- 2 i l l _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ - - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 。“i _ 1 杆一体型压缩机能够实现两级压缩的新成果。打破活塞连杆一体型压缩机排气压力低的 传统设计观念，有利于设计排气压力更高的压缩机。 经过国内外诸多学者的研究，活塞连杆一体型压缩机基本结构已经趋于稳定，现在 更倾向于寻找活塞连杆一体型压缩机内在因素：如何提高压缩机的机械效率、分析压缩 机的动力平衡性能、提高压缩机n v h ( 噪声、振动、声振粗糙度) 性能等。这些领域的 研究还不甚多见。 1 2 2 关键零部件现状 活塞连杆一体型压缩机属于往复活塞压缩机，气阀和活塞环必然亦是该类型压缩机 的关键部件，同时也是易损件。关键零部件的可靠性和经济性对整个压缩机的可靠性、 经济性有着至关重要的作用，特别是活塞连杆一体型压缩机产量较大，近年国家标准 g b l 9 1 5 3 2 0 0 9 也确定无润滑油的直联便携式往复活塞压缩机的能效等级【4 3 1 。 活塞连杆一体型压缩机是电机直联驱动，压缩机转速较高，其转速范围一般为 7 5 0 1 5 0 0 r r a i n 。该类型压缩机生产原则：应尽量减少生产制造成本。因此簧片阀是 此类压缩机主要的气阀结构型式。我国簧片阀的研制工作起步较晚，但是发展很迅速】。 特别是西安交通大学吴丹青教授，对我国簧片阀的理论教学和科学研究做出一定贡献。 普渡国际压缩机工程会议是压缩机领域较高水平的会议，在冰箱和家用空调等领域广泛 采用簧片阀，每年普渡论文集中有不少关于簧片阀的论文。设计良好的簧片阀评价标准 为：气阀能及时开启，及时关闭，要有较长的全开期，流动阻力损失小，且有良好的可 靠性。目前压缩机簧片阀设计方法基本有两种：一种为工程设计方法，另一种是数学模 型方法。数学模型方法需要深入掌握舌簧阀的相关理论知识，经过科研人员的经验和智 慧分析出较为适用的简化数学模型，求解其运动规律【4 习和动力性能4 6 1 ，数学模型方法一 般需要计算机求解。现常用数学模型有振型叠加法、有限元分析方法、当量矩形板模型 和卷绕模型。工程设计方法是在分析数学模型的基础上提炼总结而出，方法简单，便于 推广应用1 4 7 1 。 为减少工作介质通过各种间隙的泄漏，需要设置密封装置。密封有静密封、动密封 之分。按照密封原理不同，动密封有阻塞密封和节流密封。活塞与连杆组合成一整体是 该机型的主要特点，这样的特点产生不可回避的缺陷，即活塞环一般采用皮碗式结构。 活塞连杆一体型压缩机只能有一个活塞环，密封原理为阻塞密封，皮碗式结构的活塞环 与气缸镜面贴合的面积和正压力难以控制，所以压缩机密封性能不好，工质泄漏量大。 5 活毛杆一体型皇渊l 审l 工作特性习| j 宅 同时密封皮碗与气缸镜面之间的往复摩擦导致皮碗磨损量逐渐增大，皮碗与气缸之间的 间隙也进一步增大，密封性能进一步恶化。为了降低皮碗式密封结构的泄漏量和补偿密 封皮碗的磨损量，近年来国内外学者对活塞连杆一体型压缩机的密封结构进行创新，取 得一些成就。2 0 11 年，日本人浅井政敏申请的发明专利摇摆活塞压缩机【4 8 】改进了该类型 压缩机的密封结构。其主要特点在于皮碗内侧设置有扩张部件，扩张部件通过初始弹力 使皮碗贴紧气缸壁，减小此处的泄漏间隙；同时随着磨损量的增加，扩张部件向外变形， 补偿磨损量，形成一种自紧式结构。为了降低活塞环的摩擦磨损量，改善无油运行工况 性能，优化活塞环材料，寻找一种经济、耐磨且具有自润滑性质的材料也显得尤为重要。 1 2 3 整机造型优化 随着人们生活水平日益提高，对美好事物的追求也越来越强烈，优化活塞连杆一体 型压缩机造型也成为直联便携式压缩机新的发展领域。经过调查发现，近几年活塞连杆 一体型压缩机内部结构基本一致，但整机造型迥异。一些外型好看的压缩机销量明显好 于普通造型压缩机，而且这一趋势将随着社会的进步而越来越明显。可见，活塞连杆一 体型压缩机外观造型的好坏直接影响压缩机的销量，也是该类型压缩机生产企业关注的 焦点之一。国内活塞连杆一体型压缩机设计制造企业也意识到整机造型的重要性，并且 申报外观专利【4 9 5 1 】来保护自主知识产权。目前活塞连杆一体型压缩机行业整机造型能力 还非常欠缺，但是随着社会发展，人们对更美好事物的追求，整机造型能力也必将迈入 新一步台阶。 从活塞连杆一体型压缩机诞生至今，虽然不到1 0 0 年历史，但活塞连杆一体型压缩 机发展也卓有成效。随着电子计算机在工程领域的应用，压缩机新结构、关键零部件、 整机造型等技术有了长足进步。这些领域的开拓创新也必将是2 1 世纪活塞连杆一体型压 缩机炙手可热的研究领域。 1 3 本文所做工作 本课题直接来源于梧州市与广西大学科技对接专项基金“便携式微型空压机研究与 开发”。完成单缸活塞连杆一体型压缩机结构的基本理论计算和工程图纸，并完成相应 理论研究，且编制了气阀工程设计软件。 本文主要内容包括： ( 1 ) 回顾活塞连杆一体型压缩机的历史背景。分析了此类型压缩机国内外的研究 状况：查阅近年国内外专利，并介绍相关专利的优点和解决的问题；分析压缩机易损件 6 厂酉大字硕士掌位论文 活塞嗣；杆一体型压缩机工作特性研究- fi fh r t 7。 一一气阀、活塞环研究近况；从美学上简单讨论了整机造型。这部分内容编写成本论文 第一章：绪论。 ( 2 ) 根据预定工况设计并绘制活塞连杆一体型压缩机的零件图和装配图，得到该 类型压缩机工程设计图纸。参考工程图纸，应用p r o e 工程软件绘制活塞连杆一体型压缩 机各零部件的详细三维图。由零件之间的位置关系生成该类型压缩机装配图，并将活塞 连杆一体型压缩机分成曲柄连杆机构、气缸组件、压缩机机壳组件三个部分。每部分为 一个整体，分析说明零件之间的装配关系和活塞连杆一体型压缩机的基本结构。这部分 内容编写成本论文第二章：活塞连杆一体型压缩机结构。 ( 3 ) 建立活塞连杆一体型压缩机的相关数学模型，也是本论文的重点。对压缩机 的运动规律仔细研究，得到活塞体和连杆体的几何关系和运动关系，包括活塞轴向位移、 径向位移，连杆体旋转角速度等；进行热力分析，得到压缩机重要结构尺寸、功率等的 计算表达式：压缩机动力计算，分析压缩机受力情况，求得连杆力、切向力、径向力、 倾覆力矩等的具体表达形式，得到平衡惯性力的平衡重设计方法和减少驱动机功率波动 的飞轮矩计算方法；采用四阶龙格库塔方法求解压缩机流动微分方程和舌簧阀运动微 分方程组成的方程组，并运用v i s u a lb a s i c 程序设计软件模拟吸气舌簧阀、排气舌簧阀的 运动规律，编制工程设计程序，输入舌簧阀合理的结构参数可得到良好的气阀运动规律； 应用大型有限元软件a b a q u s 分析舌簧阀整个工作过程的动力学特性，计算阀片位移 图、应力云图等，保证阀片的可靠性。此部分内容编写成本论文第三章：活塞连杆一体 型压缩机工作过程数学模型。 ( 4 ) 分析一种特殊活塞连杆一体型压缩机：平面运动活塞压缩机。它的结构特点： 活塞与连杆组成一整体构件，活塞呈球台结构，球台直径与气缸直径相同。该类型压缩 机取消了皮碗式活塞环结构，理论上密封性能更好。该类压缩机实际应用中，球台活塞 与气缸壁不可避免地存在磨损。为了减少摩擦磨损和泄漏量，本文提出用工程塑料为缸 套的改进措施。同时，运用收敛喷管模型简单计算了球台结构处的泄漏量，基本能够达 到预期效果。此部分内容编写成本论文第四章：活塞连杆一体型压缩机的改进设计。 ( 5 ) 概括本文所得结论，分析本文所做工作的不足，并对后续工作提出建议。此 部分内容编写成本论文第五章：结论与展望。 7 活电辋h 一体参u 匪旆棚王作铜p 性研究 第二章活塞连杆一体型压缩机结构 活塞连杆一体型压缩机结构相对往复压缩机而言是简单的，但就其本身而言，结构 也相对复杂。通过传统的工程设计方法得到零件图与装配图，图纸较多，且不能直观地 表达各零件的结构和它们之间的装配关系。因此，需要运用当代流行的三维机械设计软 一 一 件来设计活塞连杆一体型压缩机。 p r 0 e n g i n e e r 是美国p t c 公司开发的一款计算机三维辅助设计软件，它在业界享 有很高的声誉【5 2 1 。p r o e n g i n e e r 是现代流行的c 胱a d c a m 三维设计软件，国内外 广泛应用于加工、设计等工程领域，其强大的功能与丰富的内容不仅帮助设计人员提高 工作效率，而且帮助人们改变传统的设计思路。p r o e 设计产品涵盖概念设计、工业造型 二 设计、三维模型、动态模拟与仿真、工程图输出等。本章以已经设计的a u t o c a d 图纸为 基础，运用p r o e 的三维模型分别创建零件图和装配图，分析活塞连杆一体型压缩机零件 详细结构与装配关系。 2 1 活塞连杆一体型压缩机的整体结构 根据压缩机用户提供的相关参数，对活塞连杆一体型压缩机进行热力计算和动力计 算，最后确定压缩机零部件的结构参数。表2 1 为活塞连杆一体型压缩机的热力计算和 动力计算需要的主要设计参数。 袁2 1 设计参数袁 ，table2 - 1d e s i g np a r a m e t e r s 名称参数名称 二 参数 一- - 二j - 一 容积流量( m 3 v a i n 。) 0 0 1 6进气压力( m p a a ：) 0 1 ： 压缩机转速( r m i n 。1 ) 三 压缩机结构型式 单双缸 压缩机有无润滑 1 4 3 0 立式 单缸 无油 排气压力( m p a a ) 进气温度( 。c ) 三 压缩机级数j 、： 气体介厦 ： 0 4 2 2 1 空气 二： 活塞连杆一体型压缩机主要由气缸、气缸盖、一体型活塞、活塞环、平衡重、机壳、 。r 一 机盖、电动机等零部件组成。图2 1 给出活塞连杆一体型压缩机的外形结构简图。根据 绘制的a u t o c a d t 程图，运用p r o e 构造各零件的三维结构最后按各零件之间的相对 1 0 。图2 1 活塞连杆一律型压缩机外形结构简圈1 - 。 。5 ，f i g 2 1 t h es h a p e 觚c 矗超d i j 鳓甜击龇p i s t o n c o m p t e 矗r 一：、 1 橡胶底廑2 机壳3 进气过滤器4 气缸盖5 压缩机盖 岳翅片7 - 压j 继电器18 - 字描9 - 井_ 夹i 电濠接占1 1 二连囊螺钉j j 、 一、 、 - - _ r j 参见活塞连杆一体型压缩机置维结构爆炸图2 2 ，分析整机结构警：活塞连杆峥体型 压缩机接通电源。，使电动机1 2 转子旋转o i 电动机轴上装配有平衡重“平衡重9 止曲柄销 与滚动轴承8 内圈过盈配合，；：滚动轴承8 外圈与一体型活塞7 的连杆大头内圆面过盈配台。 一体型活塞7 的活塞上端面装配压缩枫吸气f 瞬片6 ；皮碗式活塞环神芝活塞环压板鑫压紧在 体型活塞的活塞上端面。这样一体型活塞7 与气缸l8 、：气缸盖2 叶韵成封韧工作容 积，1 实现：气体的膨胀、吸气f 、，蘧缩和排气四个过程o 气缸盖2 0 装配有排气阔片2 1 ，；气缸 盖2 0 与压缩机盖抬起构成压缩枫排气腔。排气腔内接压力继电器l f ，。当排气压功超过 压力继电器1 设定断电值时断开电源i 屯动机停止转动，压缩机停止工作。当排喊腔内 压力低于设定接通值时，电动机通电，压缩机重新开始工作。压力继电器有助于改善压 9 一 型o 、o 横 _ 。 一 糊 。 一 一 结 i 一 配 装、 一 成 ? 二 生 活l 譬翻i 杆一体蠡2 隔缩书o 作特性习f 完 缩机的运行条件，供气压力基本维持稳定。压缩机盖2 5 上装配手柄2 3 ，压缩机方便随身 携带。压缩机底座由四个橡胶底座1 4 组成，因机械和气流脉动等因素引起的整机振动可 由底座的弹性支撑削弱，改善压缩机振动对环境的影响。 17 1 6 图2 2 活塞连杆一体型压缩机三维结构爆炸图 f i g 2 - 2e x p l o d e dd r a w i n go f at h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo f w o b b l ep i s t o nc o m p r e s s o r 1 压力继电器2 排气阀升程限制器3 活塞环压板4 活塞环5 吸气阀螺钉6 吸气阀片 7 一 体型活塞8 滚动轴承9 平衡重1 0 滚动轴承1 1 压缩机左机壳1 2 电动机1 3 连接螺钉 1 4 橡胶底座1 5 压缩机右机壳 l6 - 机壳端蓝 1 7 螺钉1 8 气缸 1 9 - o 型橡胶圈2 0 - 气缸盖2 1 排气阀片2 2 排气阀螺钉2 3 手柄2 4 手柄螺钉。2 5 压缩机盖2 6 _ 气缸盖螺钉2 7 一o 型橡胶圈 活塞连杆一体型压缩机与往复压缩机的主要部件区别在于一体型活塞7 。它是将往 复活塞压缩机活塞、活塞销、连杆变为一体型活塞7 一个零件。这种类型压缩机减少了 运动机构，提高机械传动效率。为了保持运动机构有唯一确定的运动，一体型活塞与气 缸镜面的接触部分必然为高副接触。因此活塞环采用可变形的材料，即皮碗式活塞环结 构，能够保持与气缸镜面的合理接触，减少压缩气体从气缸向曲轴端的泄漏量。 活塞连杆一体型压缩机的另一个特点是吸气阀片6 布置在一体型活塞7 的活塞上端 面。此类型压缩机容积流量非常小，气缸直径一般不大，因此其吸、排气机构适合使用 簧片阀。吸气阀一般设置于活塞体端面上。若吸气阀布置于气缸盖将使压缩机吸排气腔 空间变小，气流脉动对压缩机的影响变大。可见，吸气阀布置于活塞体端面时，曲轴箱 作为吸气腔，吸气腔容积变大，减少吸气腔气流脉动对吸气簧片阀的影响。 1 0 广西大国明贸士掌矗n 仑文 活薯毛杆一体重之月d 囊审o 作特d 旧f 究 2 2 活塞连杆一体型压缩机组件 活塞连杆一体型压缩机具有结构紧凑、运动机构简单、体积小等优点。按照压缩机 各零件的功能不同，将压缩机分为曲柄连杆机构、气缸组件、压缩机机壳组件三个部分。 下面分别介绍这三个部分的结构。 2 2 1 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是活塞连杆一体型压缩机的主要运动机构，它的作用是将电机轴的旋 转运动转变为活塞体的近似往复运动，从而压缩气体，提高气体压力。活塞连杆一体型 压缩机的曲柄连杆机构装配关系如图2 3 所示。曲柄连杆机构由吸气阀片2 、活塞环压板 3 、活塞环4 、一体型活塞5 、滚动轴承6 、平衡重7 等零件构成。 1234567 图2 3 曲柄连杆机构装配图 f i g 2 - 3a s s e m b l yd r a w n go f w o b b l ep i s t o n 1 吸气阀螺钉2 吸气阀片3 活塞环压板缸活塞环5 一体型活塞6 轴承7 平衡重 曲柄连杆机构装配前的零件相对位置关系如爆炸图2 4 所示。吸气阀片2 为无升程限 制器的簧片阀，用吸气阀螺钉1 连接于一体型活塞5 的活塞体上端面。活塞环4 结构如爆 炸图黄色部分所示，活塞连杆一体型压缩机运动结构特点决定活塞环4 的特殊结构。活 塞环4 为聚四氟乙烯等具有自润滑性质的材料，有利于改善活塞环4 与气缸之间的摩擦与 磨损，提高活塞连杆一体型压缩机的机械效率。活塞环压板3 与一体型活塞5 的活塞体上 端面的凸台过盈配合，活塞环4 压紧在两者之间。只有活塞环4 的外沿面与气缸镜面接触， 1 l 广曩r 大孽晡炙士掌位论文 活曩瞄毛抒一体蠡毒压确i 审o 1 1 叫移性研究 构成摩擦副。一体型活塞5 的活塞体上端面开设吸气孔口，吸气孔口按气体通过小孔的 气流马赫数控制在合理范围内的原则设计吸气孔口直径，因为气流马赫数是影响流过小 孔能量损失的主要因素。一体型活塞5 底部有通孔，滚动轴承6 与其过盈