全平衡四缸活塞壓縮機(jī)的分析與應(yīng)用

謝 翀，張 敏

（新會(huì)江裕信息產(chǎn)業(yè)有限公司，廣東江門 529000）

1 引言

活塞式壓縮機(jī)作為一種常見的機(jī)械，在日常生活和各行各業(yè)中發(fā)揮著重要作用，其結(jié)構(gòu)和形式及大小也是多種多樣。隨著生活中各種應(yīng)用產(chǎn)品的專用和小型化，對小型化、低噪聲、低振動(dòng)、無油壓縮機(jī)的需求越來越大，其可應(yīng)用于家用、醫(yī)療、美容、便攜設(shè)備等，如壓縮式霧化器、小型制氧機(jī)等。

目前相關(guān)產(chǎn)品仍多采用常規(guī)結(jié)構(gòu)雙缸無油活塞壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)或噪聲振動(dòng)大或體積較大。采用全平衡原理設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)，在噪聲、振動(dòng)以及體積方面能有較明顯的優(yōu)勢。

而利用其四缸結(jié)構(gòu)，通過流道設(shè)計(jì)，可方便地在一臺(tái)機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)雙級壓縮，或者兩缸正壓，兩缸負(fù)壓，同時(shí)不影響其平衡性。

2 壓縮機(jī)運(yùn)行關(guān)系

往復(fù)壓縮機(jī)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮氣體。通常情況下，曲柄半徑r比連桿1要短，即連桿比，全平衡活塞式壓縮機(jī)通過偏心軸與偏心套的組合，使理論上的連桿比等于1，行程可達(dá)到4r，普通結(jié)構(gòu)同曲柄半徑長度壓縮機(jī)行程則為2r。

圖1中活塞中心1、2兩端分別設(shè)置活塞工作面，即相當(dāng)于雙作用活塞，其中水平與垂直方向共兩列，構(gòu)成一臺(tái)四缸壓縮機(jī)，每旋轉(zhuǎn)一圈，4個(gè)氣缸輪流工作，行程均為4r。

氣缸內(nèi)部，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，體積減小或增大，氣體的壓力也隨之發(fā)生變化，其過程也就是吸氣、壓縮、排氣3個(gè)階段循環(huán)，因此氣體力就是旋轉(zhuǎn)角度θ的函數(shù)，即Fg=f（θ）如圖2。

相比單缸壓縮機(jī)排氣周期為360°一次，該類型壓縮機(jī)有4個(gè)氣缸根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向輪流做工，工作角度間隔90°，故每90°為一個(gè)周期。因此四缸壓縮機(jī)在同樣轉(zhuǎn)速的情況下，排氣相比單缸、雙缸壓縮機(jī)更加穩(wěn)定，而在缸徑和行程相同的情況下，可利用缸多的優(yōu)勢，降低轉(zhuǎn)速以降低運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)及噪聲。

3 平衡分析

3.1 單列分析，如圖1

選取其中一列活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，并進(jìn)行慣性力計(jì)算：

（方向與加速度相反，且只有一階往復(fù)慣性力，沒有通常壓縮機(jī)存在的二階往復(fù)慣性力）

旋轉(zhuǎn)慣性力Ir=mrrω2

其中r——曲柄半徑，同時(shí)拉桿長度同為r，因此得出以上式子

mp——單列做往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量

mr——單列做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量

3.2 雙列分析，如圖4

根據(jù)以上分析，兩列活塞再組成L形角度壓縮機(jī)

其中：曲柄錯(cuò)角θ=0°，氣缸中心線夾角γ=90°，第二列曲柄轉(zhuǎn)角270°。

（1）往復(fù)慣性力

圖1 壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖

在X軸上投影：I1X=2mprω2cosθ，I2X=0

在Y軸上投影：I1Y=0，I2Y=2mprω2cos（θ+270°）=2mprω2sinθ

所以X、Y軸上的慣性力分別為

IX=I1=2mprω2cosθ，IY=I2=2mprω2sinθ

2個(gè)慣性力合力

圖2 壓力-旋轉(zhuǎn)角度圖

圖3 單列活塞運(yùn)動(dòng)示意圖

圖4 雙列活塞運(yùn)動(dòng)示意圖

可見慣性力大小為定值。

假設(shè)慣性力方向與X軸成φ角，則

故往復(fù)慣性力的方向與曲柄方向重合，且離心向外，因此可以用加平衡質(zhì)量來平衡。

往復(fù)慣性力平衡質(zhì)量m0=

（2）無二階往復(fù)慣性力

（3）往復(fù)慣性力矩

通常類似結(jié)構(gòu)下慣性力矩微小可忽略不計(jì)，但通過設(shè)計(jì)異形活塞，令兩列活塞運(yùn)動(dòng)中心在同平面上，即b=0，往復(fù)慣性力矩為0。

（4）旋轉(zhuǎn)慣性力Ir=2mrrω2，采用平衡質(zhì)量平衡m0=

（5）旋轉(zhuǎn)慣性力矩，由平衡質(zhì)量平衡

由以上分析可得知往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力都可以用平衡質(zhì)量平衡。

總平衡質(zhì)量

4 受力分析

該設(shè)計(jì)中偏心軸連接了兩列活塞，作為主要的受力部件，承受了電機(jī)輸出的扭矩，傳動(dòng)到活塞上對氣體做功，同時(shí)承受往復(fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)慣性力，其受力情況需進(jìn)行分析，以確保零件強(qiáng)度，保證正常運(yùn)行。

4.1 活塞1受力情況，如圖5

將氣體力Fa分解，由于活塞1、活塞2通過偏心套連接，而偏心套是一個(gè)剛性的零件，F(xiàn)a2以偏心軸為支點(diǎn)，使活塞2與氣缸相作用，反作用力包括支撐力和摩擦力，大小與Fa2相等方向相同，共同作用于偏心軸，并與傳遞過去的Fal形成合力pa。

其中

4.2 活塞2受力情況

其中

4.3 合力p

因?yàn)镕a與Fb均達(dá)到排氣壓力時(shí)受力最大，即相鄰兩個(gè)氣缸同時(shí)排氣的時(shí)候，由前面的分析可以看到，這是可能出現(xiàn)的情況，所以令Fa=Fb=F（排氣壓力下的氣體力）。

5 實(shí)際應(yīng)用

通過對全平衡四缸壓縮機(jī)的分析研究，設(shè)計(jì)并制作了多款小型四缸無油空氣壓縮機(jī)，并申請了多個(gè)相關(guān)專利。

圖5 活塞1所受氣體力對偏心軸的作用示意圖

圖6 活塞2所受氣體力對偏心軸的作用示意圖

其成功應(yīng)用于壓縮式霧化器，便攜式制氧機(jī)，設(shè)備噪音振動(dòng)均優(yōu)于市場所見設(shè)備。以壓縮式霧化器為例，同等條件下測試數(shù)據(jù)，在工作壓力狀態(tài)下，最低噪聲與不同品牌相比低10dB以上，具有明顯的優(yōu)勢。

以下為根據(jù)其多缸，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用的2種方案。

5.1 靜音低轉(zhuǎn)速，如圖9

同等缸徑和行程等參數(shù)的情況下，同樣輸出時(shí)，四缸結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速只有雙缸的一半，單缸的四分之一，噪聲和振動(dòng)可大幅降低。

圖7 氣體力合力分析圖

圖8 最大受力時(shí)示意圖

圖9 低轉(zhuǎn)速靜音四缸壓縮機(jī)樣機(jī)圖

由于通常小功率電機(jī)在小于2000 m低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下效率欠佳，該種應(yīng)用方式需通過減速裝置將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后輸出至壓縮機(jī)，效率有一定下降。

5.2 小體積高轉(zhuǎn)速，如圖10

圖10 高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)樣機(jī)圖

在電機(jī)直驅(qū)的情況下，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同，與雙缸及單缸壓縮機(jī)相比，氣缸直徑和行程可變小，相應(yīng)的體積可變小，通過將壓縮機(jī)主體結(jié)構(gòu)、氣路及電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)可以達(dá)到一個(gè)較小的體積，可方便地應(yīng)用于對空間有限制的設(shè)備中。