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1、单列压缩机中作用力的分祈 活塞力 当压缩机正常运行时 其往复惯性力 气体力 往复摩擦力都是沿每列的气缸中心线方向 它们的代数和被称之为列的活塞力 当压缩机空负荷时 气体力为零 活塞力为惯性力和摩擦力之和 当满负荷而突然停车时 惯性力和摩擦力为零 气体力就是活塞力 如果停车的位置刚好为活塞止点位置 这时的活塞力比其他工况的活塞力都要大 压缩铭牌上所标注的活塞力就是活塞处在止点时的气体力 压缩机正常运行时的活塞力随曲柄转角的变化 单作用压缩机列的活塞力图 双作用压缩机列的活塞力图 作用力的分析 连杆是摆动的 设它和气缸轴线间摆动的夹角为 并假定向曲轴旋转的同方向摆动为正值 向旋转的相反方向为负值
2、活塞力分为两个力 连杆力Fl和侧向力FN 连杆力 使连杆受拉伸的连杆力为正 为正值 为负值 侧向力 顺旋转方向压向气缸 或十字头导轨 的侧向力为正 连杆力Fl沿着连杆轴线传到曲柄销中心点B 它对曲轴产生两个作用 一个作用是连杆力相对于曲轴中心构成一个力矩 其值为 其方向与曲轴旋转方向相反 故称为阻力矩 并规定阻止曲轴旋转的力矩为正 作用在曲柄销轴颈上的旋转摩擦力Fr引起旋转摩擦力矩Mf也起阻止曲轴旋转的作用 两力矩叠加得 连杆力另一个作用是使曲轴的主轴颈向主轴承上作用一个力 FN 该力可以分解为水平方向和垂直方向曲两个分力 垂直方向的分力值恰等于侧向力 而方向与侧向力相反即 水平方向分力值恰等
3、于总活塞力 即 倾覆力矩 侧向力FN和主轴颈作用于轴承上的垂直分力 FN大小相等 方向相反 在机器内部构成了一个力矩MN FNb MN力矩的方向是顺着曲轴的旋转方向 该力矩在立式压压缩机中 有使机器顺着旋转力向倾倒的趋势 所以习惯上就称做倾覆力矩 倾覆力矩与阻力矩大小相等 方向相反 但是 因为倾覆力矩是作用在机身上 而阻力矩是作用曲轴上 故二者在压缩机内不能相互抵消 当惯性力平衡好时 空负荷机器运转很平稳 但正常运转时机器就晃动起来 原因就在于此 b 各力对压缩机的作用 是不会传递到机器外边来的 它在机器内部互相平衡了 气体力只使气缸 中体和机身等有关部分 以及它们之间的连接螺钉等承受拉伸或压
4、缩载荷 故称为内力 气体力 惯性力 作用在主轴承上的活塞力中 气体力部分巳在机器内部平衡掉了 而余下的往复惯性力部分未被平衡 它能通过主轴承及机体传到机器外面来 故惯性力称为外力 或称为自由力 侧向力及倾覆力矩 往复摩擦力 内力 压缩机的阻力矩 压缩机的阻力矩是随转角周期地变化的 而驱动机的驱动力矩Md一般是一个不变的数值 虽然在机器每一转之中 阻力矩所消耗的功与驱动力矩所供给的功保持相等 由此维持压缩机的每分钟转数不变 但一转中的每一瞬时二者的数值是不相等的 因此要使主轴产生加速或减速现象 从而使曲轴瞬时转速发生变化 曲轴存在瞬时角加速度 为压缩机组中的全部旋转质量的转动惯量 为曲轴瞬时角加
5、速度 为了使压缩机曲轴瞬时速度均匀即小 故应力争使加大 所以要加飞轮 切向力和法向力 作用在曲柄销上的连杆力可分解为垂直于曲柄方向的切向力以及沿曲柄方向的法向力 切向力和法向力的大小及方向均随曲柄转角而变化 这里规定与曲轴旋转方向相反的切向力为正 由曲轴中心向外指向的法向力为正 切向力FT对曲轴中心形成的力矩为 阻力矩公式 切向力形成的力矩也就是阻力矩 上式中曲柄半径r是一个定值 因此只要研究曲轴旋转一周中切向力FT的变化规律 就可反映出曲轴一转之中阻力的变化规律 进而可以分析出压缩机驱功力矩与阻力矩之间的平衡特性 切向力FT随曲柄转角的变化规律可以根据式求得 一般是每隔50或100求得相应的
6、切向力FT 把结果标在FT 坐标图上 连成光滑的曲线 列的切向力图FT f 单作用式压缩机因为只在向盖行程 180一3600 压缩气体 列的切向力图一般也只在向盖行程中出现一个大峰 峰值大约在270 3300处 单作用压缩机列的切向力图 双作用压缩机则分别在向盖与向轴行程中都压缩气体 所以列的切向力图一般为两个大峰 峰值大约在的900 2700处 双作用压缩机列的切向力图 同样根据式则可求出不同曲柄转角 每隔50或100 时相应的法向力FR 得到列的法向力图FR f 单作用压缩机列的法向力图 双作用压缩机列的法向力图 法向力图是为曲轴强度计算 轴承间隙计算等提供依据的 总切向力图 在多列压缩机
7、中 总切向力FT值等于各列切向力与总的旋转摩擦力Ff的总和 它是外界驱动机所要克服的压缩机的总阻力 写成公式为 由于每列切向力曲线都是以该列的外止点时作为该列曲柄转角的起始点 而多列压缩机各列的曲拐之间或气缸中心线之间是有夹角的 因此在进行计算时必须注意各列切向力的相位角 在总切向力合成中应注意如下问题 1 气缸中心线彼此有某一夹角时 按旋转方向而言前置列的切向力应与后置列的切向力向前移过等于气缸中心线夹角的角度 然后相叠加 2 曲柄存在错角 如果列的曲柄错角按旋转方向而言比另一列是超前的 则超前列所超前的角度应与落后列的00相重合 即超前列的切向力按自己的座标向后移过所超前的角度 再与落后列
8、相叠加 3 如果曲柄存在错角 在每一列中气缸又彼此有某一夹角 叠加时先按 1 算出每一列的切向力 然后再依据 2 算出总切向力 4 在多级压缩机中 有时高压级的曲柄半径设计的比其余的列小 这时该列的切向力使用下式换算到同一基准后才能叠加 双作用压缩机的向盖和向轴行程所消耗的功相近时 切向力均匀 两列双作用对动式压缩机的总切向力图 曲柄错角或气缸夹角的合理配置 影响切向力的均匀性 多列的压缩机可以使切向力均匀 各列曲柄错角的超前或迟后也影响切向力的均匀性 四列对动式压缩机总切向力图 曲柄半径的考虑若各列曲柄半径不同时 应将各列切向力按下式换算到相同的曲柄半径 即旋转摩擦力该力作用在曲柄销上 并取
9、为定值 方向与旋转方向相反 故为正 总切向力与曲柄半径的乘积是总阻力矩 因此总切向力曲线就是总阻力曲线 平均切向力 通常情况下压缩机的驱动机是电动机 驱动力矩是常数 由力学知 力矩乘角位移等于功 则压缩机在一转中总阻力矩所消耗的功为 驱动力矩是常数 按照压缩机是等速运转的原则 也就是一转中所消耗的和供给的能量必须相等 驱动力矩在压缩机一转中所做的功为 根据热力计算 压缩机所需的驱动功就是压缩机的轴功 因此平均切向力也可按压压缩机轴功进行计算 平均切向力 由热力计算而得的压缩机轴功率 W 压缩机转速 r min 热力计算时所得的压缩机轴功是压缩机的指示功和摩擦功之和 计算时并没有涉及惯性力 由此
10、可见惯性力的存在 并不直接影响功率的消耗 也就是说压缩机一转之中 惯性力对外不做功 惯性力的大小只能改变压缩机中作用力的分布规律 即影响活塞力图 切向切向力图和法向力图的形状 影响压缩机零件的受力状况 飞轮矩的确定 平均切向力是一条与横坐标平行的直线 而总切向力是随曲柄转角变化的 在压缩机一转之中 总切向力在平均切向力FTm线上下波动 这说明在压缩机一转之中 其阻力矩时而大于驱动力矩 时而小于驱动力矩 也就是说 在压缩机每一转中 曲轴转过相等的角位移 阻力距与驱动力矩所消耗的功是不相等的 当总切向力大于平均切向力时 即阻力矩大于驱动力矩 此时能量不足 要使压缩机减速 当总切向力小于平均切向力时
11、 能量有余 因而使压缩机加速 B C D E是曲轴旋转角速度极值所对应的曲柄转角位置压缩机减速旋转向加速旋转过渡或者由加速向减速过渡的转折点 计算实际也代表了切向力曲线与横坐标间的面积 若将该面积用矩形面积代替 从图中看出 矩形面积的高就是平均切向力矩 数值上就等于平均驱动力 即 在压缩机上加装飞轮 利用飞轮的惯性矩来吸取多余的能量 补充不足的能量 使机器的旋转速度波动限制在某一允许的范围内 用旋转不均匀度来表示一转中角速度变化的大小 可以近似地取 随着角速度的变化 飞轮在一转之中能量变化值L为 飞轮的极惯性矩 工程中 习惯用飞轮矩GD2来表示飞轮的惯性矩 飞轮轮缘截面重心所组成圆的直径 飞轮
12、轮绿部分的重力 它约等于整个飞轮重力的0 9倍 压缩机所需之飞轮矩与一转中能量变化值L成正比 而与压缩机每分钟转数的平方n2 以及所允许的旋转不均匀度成反比 或者说若是压缩机上所加飞轮矩越大 则同样的能量变化值L所引起的曲轴旋转不均匀度就越小 能量变化值可以对总切向力曲线进行分段积分的办法求出 能量变化值应为一转中飞轮的最大多余能量 相应于时 和最大不足能量 相应于时 之差 因和可在总切向力图中找出 则对总切向力图进行分段积分 令A B段中 令A C段中 依次求出A D段 A E段和A F段中的L3 L4 L5 其中L5应等于零 再在L1 L5中找出最大值和最小值 则 若驱动机为柴油机 其驱动力矩也是随转角 变化的 用上述方法同样 可求出L值 压缩机允许的旋转不均匀度 主要决定于驱动机本身的要求 以及阻力矩和驱动机之间的传递条件 弹性连接或刚性连接 通常把压缩机的旋转不均匀度限制在下列范围内 驱动机经皮带传动驱动压缩机时 可取 电动机经 半 弹性联轴器驱动压缩机时 可取 异步电动机经刚性联轴器驱动较大功率 150kW 的压缩机时 为了减少电网中电流脉动 可取 与上相同 但属于同步电动机时 可取 在小功率的同步电动机时 国内也采用 压缩机方案对能量变化值的影响
