ZTY265天然氣壓縮機(jī)連桿對十字頭作用力分析*

羅淵仁，梁 政

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)形式，可分為速度型和容積型［4］。其中速度型又可分為軸流式、離心式、混流式，容積型又可分為回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式。活塞式壓縮機(jī)是往復(fù)式中的一種，ZTY265天然氣壓縮機(jī)是往復(fù)式活塞壓縮機(jī)中的一種。根據(jù)排氣量及排氣壓力來分類，它是一種中型中壓壓縮機(jī)，主要應(yīng)用在增壓站中，為管輸氣體補(bǔ)充損失的壓力。相對其他壓縮機(jī)而言，活塞式壓縮機(jī)具有以下優(yōu)點:①壓力范圍廣，從低壓到超高壓都適用;②效率高，工作原理不同，比離心式壓縮機(jī)效率高得多;③適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)相對簡單，制造技術(shù)較成熟，對加工材料和加工工藝要求較低。活塞式壓縮機(jī)的動力機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，也不可避免地有以下缺點:機(jī)器體形大而重，且具有較大的噪聲和振動，氣流有脈動型，以及易損零件較多。

活塞式壓縮機(jī)十字頭在機(jī)體柱面滑道上做往復(fù)直線運(yùn)動，它是動力傳遞的一個中間構(gòu)件，一端連接連桿另一端連接活塞桿，其動力傳遞路線為:動力活塞桿—動力十字頭—動力連桿—曲軸—壓縮連桿—壓縮十字頭—壓縮活塞桿，以此往復(fù)循環(huán)，使壓縮缸體內(nèi)完成天然氣的吸氣、膨脹、壓縮、排氣過程。從而產(chǎn)生需求的高壓氣體。

1 十字頭運(yùn)動學(xué)分析

ZTY265壓縮機(jī)的動力缸和壓縮缸對稱平衡的分布在曲軸兩端。以壓縮端為例，建立十字頭在機(jī)體滑道上運(yùn)動示意圖，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，其運(yùn)動簡圖如圖1。

圖1 十字頭運(yùn)動示意圖

為了方便運(yùn)動學(xué)分析，引入一個連桿長徑比(曲柄銷的半徑與連桿長度的比值)公式:λ=R/L，活塞式壓縮機(jī)的λ取值范圍基本為0．167～0．286，通常情況下，曲軸轉(zhuǎn)速越高，λ取值也越大。由于天然氣壓縮機(jī)壓縮端連桿長度L=603．25 mm，對應(yīng)的曲柄銷半徑R=139．7 mm。則此時λ取值為:λ=0．232。從圖3(a)中可得到以下幾何關(guān)系:

為了方便十字頭運(yùn)動學(xué)計算，以十字頭在外止點為零時刻，此時曲柄銷轉(zhuǎn)角α與X軸正向之間的夾角為0°，當(dāng)曲柄銷轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)過一定角度α?xí)r，取相關(guān)構(gòu)件建立運(yùn)動學(xué)分析簡圖［1］，如圖2。

圖2 十字頭運(yùn)動學(xué)分析示意圖

對位移S相對于時間t求一階導(dǎo)數(shù)，得到十字頭在水平方向上的速度v:

對位移S相對于時間t求二階導(dǎo)數(shù)得到十字頭的水平加速度a:

以上的十字頭位移公式、速度公式以及加速度公式都是數(shù)學(xué)上的精確解，為了使以上各式具有明確的物理意義，將按二項式展開得到無窮級數(shù)，并略去高階項。

略去高階項后:

省略高階項后，進(jìn)一步得到十字頭位移公式、速度公式以及加速度公式的另一種表現(xiàn)形式，表1中的近似解即為略去高階項后有真實物理意義的各物理量，并制作相應(yīng)的表1。由表1知，當(dāng)十字頭的各個量用近似解表達(dá)時，十字頭的位移、速度、加速度均可以看作是一階簡諧運(yùn)動和二階簡諧運(yùn)動的合成［2］。

表1 十字頭位移、速度、加速度公式

將表1中各個物理量用函數(shù)圖象表示，分別得到十字頭的位移、速度、加速度的函數(shù)圖象，如圖3所示。

圖3 十字頭運(yùn)動學(xué)函數(shù)圖象

2 連桿對十字頭作用力學(xué)分析

十字頭在水平方向的受力主要是活塞桿的拉力、壓力以及連桿在水平方向分力，自身與滑道的摩擦力;鉛垂方向受力主要是連桿在鉛垂方向分力以及自身重力。要分析連桿對十字頭作用力，首先就要分析壓縮缸體內(nèi)天然氣的吸氣、膨脹、排氣、壓縮過程。

天然氣在壓縮缸內(nèi)的壓縮排氣過程也就是活塞從一個止點向另一個止點的運(yùn)動過程。這里以活塞從外止點向內(nèi)止點運(yùn)動過程為例進(jìn)行分析，活塞從外止點向內(nèi)止點運(yùn)動過程中，活塞右側(cè)氣體壓力為恒定，大小為缸體的進(jìn)氣壓力，活塞左側(cè)氣體壓力隨活塞位置相對內(nèi)止點的距離X的減小而增大，達(dá)到排氣壓力時為定值，大小等于氣缸排氣壓力值，由氣體狀態(tài)方程可知:

式中:Pi為軸側(cè)氣體壓縮時，活塞相對內(nèi)止點距離為x時的壓強(qiáng);Sp為活塞行程，279．4 mm;Sz為軸側(cè)余隙容積折合長度，mm;Sg為蓋側(cè)余隙容積折合長度，mm;x為活塞相對外止點的距離，mm;n為壓縮過程指數(shù)(查資料［1］取值為1．36);Ps為考慮壓力損失后的實際進(jìn)氣壓力。如表2所列。

表2 zty265型天然氣壓縮機(jī)壓縮缸以及活塞參數(shù)表

由圖4可知，在活塞左側(cè)氣體壓縮過程剛剛開始時活塞位于外止點，隨著距離量x的減小，活塞左側(cè)氣體被壓縮，當(dāng)活塞左側(cè)壓縮氣體壓強(qiáng)達(dá)到排氣壓力時，壓縮過程結(jié)束，即此時Pi=5．4 MPa，此后壓縮氣體完成排氣過程。由表2可知Ps的值為1．7 MPa，則由式(6)可計算出x的值為117．7 mm。從圖3可知此時活塞的位移SP1=SP-X=161．7(mm)，由于活塞的位移x與十字頭的位移S是一致的，則由圖3(b)(十字頭位移與曲柄銷轉(zhuǎn)角的關(guān)系)可知活塞左側(cè)氣體剛剛完成壓縮過程時對應(yīng)的曲柄銷轉(zhuǎn)角α的值為92．4°，即當(dāng)0 ＜ α ＜92．4°時，活塞左側(cè)氣體處于壓縮過程;當(dāng)92．4°＜α ＜180°時，活塞左側(cè)氣體處于排氣過程。

圖4 活塞位移、行程、余隙容積折合長度之間的關(guān)系

按照以上方法，同理可知當(dāng)活塞從內(nèi)止點向外止點運(yùn)動過程中，曲柄銷轉(zhuǎn)角α為284．5°時，活塞右側(cè)氣體完成壓縮，即當(dāng)180°＜α＜285．5°時，活塞右側(cè)氣體處于壓縮過程;當(dāng)285．5°＜α＜360°時，活塞右側(cè)氣體處于排氣過程。

完成以上過程分析，即可得到曲柄銷轉(zhuǎn)動一周過程中，壓縮缸體內(nèi)氣體壓強(qiáng)跟曲柄銷轉(zhuǎn)角α之間的變化關(guān)系:

分析完缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化規(guī)律，就可以很方便的計算活塞作用力Fh(活塞左右側(cè)氣體壓強(qiáng)與作用面積的乘積)，查閱參考文獻(xiàn)［1］可以很方便地得到十字頭的慣性力，以及往復(fù)運(yùn)動摩擦力的計算方法，最終得到連桿對十字頭水平作用力可用式(8)，即計算:

F=(G+N)f+Ι+Ff+Fz-Fg(8)式中:G為十字頭重力;Ι為系統(tǒng)慣性力;Ff為活塞受到的摩擦力;f為摩擦系數(shù)，取值0．3;Fg為活塞右側(cè)氣體壓力;Fz為活塞左側(cè)氣體壓力;N為連桿對十字頭作用力鉛垂分量，大小N=F·tanβ

十字頭在機(jī)身上做往復(fù)運(yùn)動過程中，建立連桿對其作用力的簡圖，其中式(8)中各個力的方向如圖5。

圖5 連桿對十字頭作用力分析示意圖

Fz-Fg就是前面分析的活塞對系統(tǒng)作用力Fh，將系統(tǒng)慣性力，以及往復(fù)運(yùn)動摩擦力帶入式(8)中，可以得到連桿對十字頭作用力的具體表達(dá)式:

為了形象表達(dá)連桿對十字頭作用力在水平方向的分量和在鉛垂方向的分量，集合式(9)將連桿對十字頭作用力用函數(shù)圖象表示，如圖6。表3為連桿對十字頭作用力與曲柄銷轉(zhuǎn)角關(guān)系表。

表3 連桿對十字頭作用力與曲柄銷轉(zhuǎn)角關(guān)系

圖6 連桿對十字頭作用力

圖6 可知，連桿對十字頭作用力的最大值分別發(fā)生在曲柄銷轉(zhuǎn)過92．5°和285．4°。從前面氣體的壓縮狀態(tài)分析來看，作用力的最大值也就是發(fā)生在氣體剛剛被壓縮完成階段，這也和現(xiàn)在工況較相符。

為了詳盡的表達(dá)連桿對十字頭作用力在曲柄銷轉(zhuǎn)角不同位置時的值，將曲柄銷轉(zhuǎn)角α每轉(zhuǎn)10°計算一次連桿對十字頭作用力(水平分量和鉛垂分量)的大小，得到表3。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)十字頭在機(jī)身滑道上運(yùn)動規(guī)律，詳細(xì)計算了十字頭的位移、速度、加速度跟曲柄銷轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。

(2)詳細(xì)分析了十字頭在吸氣、排氣過程中缸體內(nèi)氣體壓力的變化規(guī)律。

(3)最終得到連桿對十字頭的作用力，主要分為水平作用力和鉛垂作用力。

［1］ 活塞式壓縮機(jī)設(shè)計編寫組．活塞式壓縮機(jī)設(shè)計［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1974．

［2］ Ray B C．Effects of Crosshead Velocity and Sub-zero Temperature on Mechanical Behavior Hygrothermally Conditioned Glass Fibre Reinforced Epoxy Composites．Materials Science and Engineering［J］．August，2004:39-44．

［3］ 濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［4］ 周慶智．大型往復(fù)壓縮機(jī)十字頭聯(lián)接型式結(jié)構(gòu)分析［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，2002(2):13-15．