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1、单缸往复式压缩机的原理与惯性力分析李 宏 1 ， 胡 氢 2 （1.平顶山工业职业技术学院 ，河南 平顶山 467001；2.平顶山工学院， 河南 平顶山 467000）摘要：本文阐述了单缸往复式压缩机的工作原理，对压缩机的主要运动部件进行了运动分析，详细讨论了单缸往复式压缩机产生振动的惯性力，为压缩机的研究设计提供理论参考依据。关键词：单缸往复式压缩机 运动分析 惯性力分析An Analysis of Working Principle of the Single-cylinder Reciprocating Compressor and Inertia Force LI Hong1,HU
2、Qing2(1.Pingdingshan Industrial College of Technology,Pingdingshan 467001,China;2. Pingdingshan Institute of Technology, Pingdingshan 467000,China)Abstract: Is this article,the working principle of the single-cylinder reciprocating compressor is introduced, and the movement of the main parts of the
3、compressor is analyzed as well. The inertia force causing the vibration of the single-cylinder reciprocating compressor is also discussed in detail. In the end it provides a theoretical basis for the research and design of the compressor.Key words: single-cylinder reciprocating compressor; movement
4、analysis;inertia force analysis0 引言往复式压缩机是用来提高气体压力和输送压力气体的机械，从能量转换来看，压缩机的工作过程是将原动机的动力能转化为气体的压力能。在压缩机工作过程中会产生较大的振动和噪声，本文主要是阐述单缸往复式压缩机的工作原理及工作中产生振动的激振力分析。1 单缸往复式压缩机的原理单缸往复式压缩机是一种能量转化机械，它凭借驱动机的能量提高气体压力。如图1所示，通过曲柄连杆机构，把驱动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，从而对气体作功，提高气体压力。单缸往复式压缩机的气体循环包括三个过程：进气、压缩和排气过程。进气过程开始时，活塞3向远离阀门方向运动
5、，当气缸内的气体压力小于大气压力p 0时吸气阀8打开，排气阀1保持关闭，外界空气由吸气阀门进入气缸。当活塞3运动到距阀门最远的位置时，该过程结束，压缩机转入压缩过程。压缩过程开始后，吸气阀8关闭，整个气缸是封闭状态，活塞3向阀门方向运动，气缸内部气体被压缩。当气缸内部气体的压力大于排气阀1外部压力p之后，压缩机由压缩过程向排气过程转化。在排气过程中，吸气阀8保持关闭，气缸内部气体的压力推开排气阀1，高压气体排出气缸。活塞3运动到距阀门最近的位置时，排气过程结束。压缩机随活塞3的往复运动周而复始地重复进气、压缩、排气三个过程，以完成压缩机的正常工作。 图1 单缸往复式压缩机的工作原理图1 排气阀
6、 2 气缸 3 活塞4 活塞杆 5 滑块 6 连杆 7 曲柄 8 吸气阀 9 阀门弹簧 2 单缸往复式压缩机的运动分析和惯性力分析 单缸往复式压缩机部件多，其运动部件的运动形式复杂，各个部件都不可避免的引起压缩机的振动。但是，这些部件对压缩机振动的影响有大有小，压缩机的实际振动主要由运动部件引起。本节将对单缸往复式压缩机的惯性力简要进行理论分析。2.1 单缸往复式压缩机的组成部分及曲柄连杆机构的运动分析2.1.1 单缸往复式压缩机的主要组成部分及运动分析在基本结构上，单缸往复式压缩机主要由以下三个大部分组成1) 传递动力部分曲柄、连杆、活塞和活塞销等。2) 工作气体进、出通道及密封部分气缸、进
7、气阀、排气阀、阀片、活塞环、填料及气料调节装置。3) 辅助部分水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及各种管路123456789P02系统 。上述三大部分是往复式压缩机工作时产生振动的主要振源当压缩机运转的时候，作用于运动结构上的力主要有三种：惯性力、气体压力对作用部件所产生的作用力和相对运动表面之间的摩擦力。各个机件本身的重力其作用相对来说比较小，可以忽略不计。下面对各部件的受力情况做详细分析。往复式压缩机的运动部件主要是曲柄连杆机构。曲柄在外界动力的驱动下作旋转运动，再通过连杆的摆动转化为活塞的往复运动。为了方便研究机构的运动，我们把连杆的运动简化为两个质点的运动，如图2
8、所示，即看作一部分部件随曲柄销中心点B运动，另一部分随活塞销(或十字头销)的中心点A运动，AB之间总是保持着连杆长度 的距离。因此，曲柄连杆机构的运动主要是研究A、B两l点的运动，即活塞的运动和曲柄销的运动。2.1.2 单缸往复式压缩机活塞运动的位移、速度和加速度活塞运动的位移、速度、加速度可以从曲柄连杆机构的几何关系和运动关系中确定。图2中，O点为曲柄的旋转中心，B点为曲柄销中心，A点是活塞销中心，OB是曲柄长度，(用 表示)，AB是连杆长度(用 表示)，连杆和气缸中心线的rl夹角为。 和 是曲柄连杆机构的主要结构参数。取 与 的比值为l rl，即 。活塞离曲柄最远的位置( 点)为外止点，最
9、近的位/A置(D点)为内止点。 为活塞的行程(用 表示， )。曲柄的瞬ADs2时位置以曲柄与气缸中心线的夹角 表示，从外止点算起，在任意转角 瞬时，活塞离外止点的位移 为 ： x/)in1()co1( 2rx由上式可以看出，活塞的位移 是 角的函数。活塞的运动速度 vx可以由下式求出。图 2 曲柄连杆机构示意图dtrdttv )sin12(sin2曲柄的转动可以认为是等速的，即 t故 )sin12(sin2rv活塞的运动速度 v 仍然是 角的函数。活塞的运动加速度为： )sin1(42sin12coc 33rdtta2.1.3 曲柄销的向心加速度曲柄销绕曲柄中心以角速度 必做等速旋转运动，其中
10、心点 B 的向心加速度 为：ra2ra2.2 单缸往复式压缩机引起振动的惯性力分析上面是曲柄连杆机构的运动分析，下面来讨论往复式压缩机中引起振动的质量惯性力。曲柄连杆机构中的惯性力主要包括三个方面：一是曲柄不平衡的旋转质量所产生的离心惯性力；二是活塞往复运动所产生的惯性力；三是连杆运动所产生的惯性力。2.2.1 不平衡的旋转质量所产生的离心惯性力分析如图 3 所示，不平衡质量 ms的偏心为 e，该质点在各坐标轴的投影为：0incoe其运动速度为： xXYOBADSslr XYemso3图 3 不平衡质量示意图0cosine运动加速度为：0cosin0sinco2ee所以，质量 ms在 X, Y
11、 和 Z 方向的离心力为： 0cossini2eFszyx由于曲柄的旋转是等角速度的，转速 为常数，故离心力为：0sinco2tems由旋转产生的离心力可以通过在偏心质量的相反方向安装适当的平衡校正质量块予以抵消，平衡块的质量取决于不平衡质量和平衡块到转轴中心的距离。2.2.2 活塞做往复运动产生的惯性力分析活塞做往复运动产生的惯性力是由运动质量块质量 和加速度 决定的，即maaF2.2.3 压缩机的质量惯性力分析往复式压缩机的质量惯性力是由做往复运动的组件产生的往复惯性力和做旋转运动的组件产生的旋转惯性力构成。为了方便研究曲柄连杆机构的质量惯性力，我们将曲柄、连杆和活塞的质量等效到 O、A
12、和 B 点上，等效后系统的惯性力和等效前的相等。由于曲柄上的 0 点是固定点，所以在0 点的质量 mo=0；曲轴不平衡质量 ms集中在 B 点；连杆是活塞和曲轴之间的传动件，其运动形态复杂，需要做等效处理。由图 2 可知，连杆的长度为 ，其重心 到 B 的距离为 ，将连杆的质量lSsmC用 A 点 mCA和 B 点 mCB的质量代替系统来替换，在转换过程中，根据总质量在转化前后保持不变和连杆的质心在转化前后也不变这两条原则进行，可得一下式: )(slsCAB由上式可以解得： ， ；活塞组件的质量 集中在 A 点。整个曲CBmlpm柄连杆机构经过等效转化后，产生惯性力的质量集中在活塞销 A 和曲
13、柄销 B 两点上，即， 。CApAmCSB下面分析经过质量等效替换后的曲柄连杆机构的惯性力。如图 2 所示，可以从 X 轴和 Y 轴两个方向来分析惯性力:，0AXr 0sincoitrB上式中，r A、r B分别为 A, B 两点在坐标系上的投影。 trmtFBAx cos)(24trmtFBysin)(2是作用在沿气缸轴线方向的惯性力， 则是垂直于气缸轴线方向的力。)(tx )(tFy在上面的公式中，令 ， ，则QArBtXtx cos)(2tFBysin2在图 2 所示的坐标系中，可以利用曲柄连杆机构的几何关系把力 和 表示成曲柄转角 的xFy函数。 )cos6As4cos2A(Qcos)
14、(BA xsin2y在上边的惯性力表达式中： 0t曲柄连杆机构在 XY 平面内运动将产生垂直于该平面，即 Z 轴方向的扭矩 ，它是曲柄旋zM转角 的函数 )5sin3siin)(1*2 CCMz其中 0t质量惯性力通过主轴承和机体传出，将其称为外力，它随着曲轴的转动发生周期性变化，是压缩机的激振源，在压缩机的设计中，要采取有效的平衡措施，使机器振动降低到允许的范围内。此外，Z 轴方向上的扭矩 MZ，也不能完全平衡掉，它对运行中的压缩机也产生一定的激振作用。气体压力是指压力气体作用在承压面上的作用力，该力同时作用在活塞和气缸盖上，大小相等，方向相反，在机器内部相互平衡，可以看作是内力。相对运动表
15、面之间的摩擦力分往复摩擦力和旋转摩擦力，活塞与气缸壁、活塞杆与填料、十字头与滑道等之间的相对运动表面产生往复摩擦力；活塞销(或十字头销)与连杆小头、曲柄销与连杆大头、主轴颈与主轴承之间产生旋转摩擦力。摩擦力是成对出现的，一方面通过运动机构传递到主轴承上，另一方面也通过气缸壁和机身传递到主轴承上，这两方面的力大小相等，方向相反，可以互相抵消，也是一个内力。3 结语质量惯性力是压缩机的激振源，在压缩机的设计中，要采取有效的平衡措施，使机器振动降低到允许的范围内。气体压力、相对运动表面之间的摩擦力都是内力，不属于压缩机振动的激振源。参考文献：1赵 铁.往复式压缩机气阀故障诊断的实验研究D.西北工业大学硕士研究生学位论文，2003.2林 梅，孙嗣莹.活塞式压缩机原理M.北京：机械工业出版社，1987.作者简介：李宏（1968-），男，河南平顶山人，讲师，1991 年毕业于焦作矿业学院机械制造工艺与设备专业，现在职攻读硕士学位，主要从事煤矿机械技术方面的教学和研究工作，Tel:0375-2733686,1
