1、往复活塞压缩机技术讲座 丁兆国 安瑞科压缩机有限公司,D型压缩机,V型压缩机,W型压缩机,1. 压缩机定义与分类, 用来压缩气体借以提高气体压力的机械 把机械能转化为气体压力能的机械 容积式（Displacement Type） 往复、回转 动力式（Dynamic Type） 离心、轴流、引射（喷射泵）、旋涡,2. 往复活塞压缩机种类,依靠一个气缸与在气缸内作往复运动的活塞构成工作腔的压缩机，均属往复活塞压缩机。驱动活塞作往复运动的机构或方式有：曲柄连杆机构、偏心轮连杆机构、斜盘或摆盘机构、电磁机构、液压或气压、内燃发动机等。一般，往复活塞压缩机仅指前两种。其它机构根据其特点均有专用名称，如斜
2、盘压缩机、隔膜压缩机等。往复活塞压缩机可简称为往复或活塞式压缩机。前者取其运动形态英语国家与日本；后者取其结构形态欧洲非英语国家；在中国标准中用全称。,2. 往复活塞压缩机种类,图1 活塞式压缩机结构总图 图2 双滑块压缩机,2. 往复活塞压缩机种类,图3 单列单缸电磁压缩机 图4 隔膜压缩机,3. 气体性质,3.1 热物理性质 如何定义一个气体状态：温度T、压力p、比容v内能U、 焓H、 熵S相变：临界压力Pc、临界温度Tc、临界曲线, 状态方程,图5 气液相变图,3. 热力学基础, 如何定义一个气体过程：与热交换有关3.2 化学性质：燃烧、爆炸、腐蚀、有毒对环境影响（温室效应，ODP）,
3、过程方程,4. 压缩机热力性能,气缸压力指示图是反映气缸内压力变化的图形；在压力随容积变化的图形中，即在pv图中所围面积代表所耗功，故也称示功图。1. 理想循环压力指示图三个过程：进气压缩排气压缩过程：等温或绝热作用：作为比较的标准，指示图代表循环消耗的功，它耗功最小。,图6 理想循环压力指示图,4.1 气缸压力指示图及其分析,4.1 气缸压力指示图及其分析,2. 实际气缸压力指示图四个过程：进气压缩排气膨胀进气过程：压缩过程：排气过程：膨胀过程：作用：反映了气缸内各种因素对工作过程的影响。,图7 级的实际循环指示图 图8 双作用气缸结构图,4.1 气缸压力指示图及其分析,3. lgplgV图
4、的功用作用： lgplgV图分析压缩与膨胀过程中的热交换、泄漏。,图9 lgplgV 图,4.1 气缸压力指示图及其分析,4. 实际测量p图p图可转化为pV图，其中VAps，s为的函数作用：反映进、排气系统压力波动对指示功的影响。,图10 某双作用压缩机中压力脉动对指示功的影响,4.1 气缸压力指示图及其分析,5. 各种进、排气系统,图11 压缩机进排气系统种类,4.2 热力性能,热力性能：排气压力、排气温度、容积流量（曾称排 气量，输气量）、功耗、效率。 1. 排气压力 取决于背压力，即排气系统内的压力； 背压力取决与进入与流出气量的多少； 级间压力的建立：前一级排气量为后一级所接纳。,图1
5、2 压缩机装置示意图 图13 级间工作压力的建立,4.2 热力性能,2. 排气温度进排气接管处测得，含排气开始的压力释放与排气过程冷却 压缩终了温度,图14 某二级空气压缩机第二级气缸内的工作过程,发生在气缸内,4.2 热力性能,3. 容积流量排气量定义：单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值。排气量常用的单位为m3/min。理论计算：影响容积流量的因素： 名义容积流量：特定进、出口压力与温度下的流量。 环境改变：海拔，温度等 故障,4.2 热力性能,4 压缩机效率等温效率 绝热效率比功率 制冷中能效比 5 多级压缩的理由排气温度、功耗、余隙、作用力
6、6 利用热力性能分析故障中医式的故障分析方法,5. 压缩机动力性能,往复压缩机动力性能是指运行时，惯性力平衡情况、转矩的平衡情况、侧向力的平衡情况等。5.1 惯性力求取 曲柄连杆机构的运动关系 速度与加速度,图15 曲柄连杆机构的运动关系,5. 压缩机动力性能,5.1 惯性力求取 往复惯性力其中： 回转惯性力,一阶往复惯性力,二阶往复惯性力,5. 压缩机动力性能,5.2 作用力分析,图16 压缩机作用力分析,气体力内力； 惯性力自由力,5. 压缩机动力性能,5.3 惯性力平衡 往复惯性力单列：平衡很复杂两列或多列： 相互抵消 用平衡重 回转惯性力平衡重平衡,图17 气缸中心线相对地平面不同位置
7、的各种配置,5. 压缩机动力性能,5.4 未平衡惯性力处置 减震原理 自由振动方程：强迫振动方程与振幅：,图18 单自由度弹性系统,图19 放大系数与/ n及的关系,5. 压缩机动力性能,5.4 未平衡惯性力处置 基础与隔震垫（无基础设计）,图21 减震器支撑的压缩机,图20 基础示意图,5. 压缩机动力性能,5.5 转矩平衡利用飞轮积蓄能量：,图22 某机器一转的总切向力图,6. 压缩机总体设计,6.1 结构形式的选择 6.2 列数选择及级在列中的分配 6.3 结构参数选择 6.4 工作腔尺寸计算 6.5 整机草图 6.6 管道布置 6.7 可靠性因素 6.8 经济性因素,7. 气缸与工作腔
8、设计,7.1 单作用与双作用气缸 7.2 低压气缸 7.3 中压气缸 7.4 高压气缸 7.5 超高压气缸 7.6 气缸套问题 7.7 气缸冷却问题 7.8 气缸润滑问题,8. 活塞与活塞杆,8.1 低压筒形 8.2 双作用活塞 8.3 高压单作用 8.4 活塞杆及其连接,9. 活塞环与填料,9.1 密封原理节流阻塞,图24 迷宫密封原理,微隙,迷宫,图23 环形间隙泄漏示意图,9. 活塞环与填料,9.2 活塞环密封密封机理: 阻塞加节流,图25 活塞环密封,9. 活塞环与填料,9.2 活塞环密封结构形式:,图27 整体活塞环与剖分活塞环,切口形式,整体剖分,图26 切口形式,9. 活塞环与填
9、料,9.2 活塞环密封活塞环道数：取决于环耐磨性、压差、速度、结构形式，124道失效活塞环材料：金属：铸铁价廉；铜质软，忍让性好非金属：可减少气缸磨损，实现无油润滑复合材料：浸渍，复合层,图28 不同转速时具有两道与六道活塞环前的压力,9. 活塞环与填料,9.3 填料密封机理： 活塞环外缘面填料 内缘面，阻塞作用更主要,图29 平面填料的结构形式,9. 活塞环与填料,9.3 填料 结构：,图30 具有三瓣和六瓣密封元件的平面填料,图31 无油润滑并具有水冷却的填函结构,平面,平面三、六瓣,各种变形爪型三瓣,锥面,T形与梯形截面欧洲，高压,锥形填料,9. 活塞环与填料,9.3 填料材料：同活塞环
10、组数: 28 9.4 前置填料：,图33 具有平面密封元件并具有前置填料的填函结构,图32 锥形填料,9. 活塞环与填料,9.5 关于充填氟塑料环问题 充填材料：石墨、MoS2、碳素纤维、玻璃纤维、铜粉、铝粉 不同气体适应性 配磨材料与加工要求,图36 光洁度与硬度对磨损量的影响,图34 不同填充剂的填料磨损因子 图35 不同性质、数量填充剂在碳氢气体中的磨损因子,9. 活塞环与填料,9.6 我国新成就,冲击强度提高135% 断裂伸长率提高146% 热变形温度提高176% 拉伸强度提高112% 磨损量下降了10倍,图37 超细纤维与玻璃纤维形貌图,图38 超细纤维填充聚四氟乙烯性能的提高,9.
11、 活塞环与填料,9.6 我国新成就,未改性碳纤维表面很光滑,改性碳纤维表面有PTFE粘结,图39 未改性碳纤维填充PTFE冲击断面的SEM（500倍）（碳纤维表面很光滑，与PTFE黏结性非常弱 ）,图40 改性碳纤维填充PTFE冲击断面的SEM（1000倍）（碳纤维表面有明显的PTFE粘结痕迹，提高了耐磨性能）,9. 活塞环与填料,9.6 我国新成就,超纤,玻璃纤维,图41b 玻纤填充PTFE（玻纤易断裂造成严重的磨粒磨损，内部多孔洞，结构粗糙，有较大的磨损率）（500倍）,图41a 超细纤维填充PTFE(500倍)（材料均匀致密，有利于转移膜的形成，磨损率特别低）,9. 活塞环与填料,9.6
12、 我国新成就,超纤填充了原贫纤区,碳纤维和玻纤填充不到的贫纤区有了超纤,图42a 超细纤维与碳纤维和玻璃纤维混杂协同填充PTFE，形成尺寸互补、功能互补，极大提高了材料的耐磨性。（1000倍）,图42b 左图中碳纤维和玻纤填充不到的贫纤区由超细纤维显微增强后的放大图（5000倍）,9. 活塞环与填料,9.6 我国新成就,图43a 纯PTFE对摩面转移膜（粗糙，易脱落，磨损率大）(400倍),图43b 超细纤维填充PTFE的对摩面转移膜（细腻致密与对磨面粘结牢固，磨损率大幅度下降）（400倍）,10. 气阀,气阀是往复压缩机中最关键的部件。往复压缩机的生存发展有赖于气阀的好坏。10.1 对气阀的
13、要求： 工作可靠 阻力损失小 形成余隙容积较小,图44 气阀的基本组成,10. 气阀,10.2 气阀工作过程,图45 气阀起闭工作过程及弹簧力不当的工作曲线,10. 气阀,10.3 气阀命名,图46 气阀的各种起闭元件形状,10. 气阀,10.4 环状、网状气阀种类 阀座通道宽、窄,图47 窄通道开式环状气阀 图48 宽通道低压进气阀,10. 气阀,10.4 环状、网状气阀种类 升程限制器结构：气垫、开式、闭式,图49 气垫阀,图50 高压闭式环状气垫阀结构,10. 气阀,10.4 环状、网状气阀种类 组合阀 簧片阀,图52 簧片阀,图51 超高压组合阀结构,10. 气阀,10.5 阻力损失
14、气阀流动阻力 阀隙流速空气50m/s,氢气200m/s 流量系数 平均流速,图53 环状阀流量系数0与H/b及p/s的关系,10. 气阀,10.5 阻力损失 与马赫数的关系 相对阻力损失 阻力损失即功率损失,图54 不同马赫数的相对压力损失曲线,10. 气阀,10.6 气阀工作过程的数学模拟运动方程流动方程容积方程,10. 气阀,10.7 气阀弹簧弹簧是压缩机中关键的关键。弹簧种类：弹簧设计：弹簧力确定，Dm，d，n，预压缩量、自振频率，稳定性,图55 螺旋弹簧 图56 悬臂式板弹簧,10. 气阀,10.8 戴维斯法检验气阀可靠性,图57 阀片运动时的特征角,1 气阀假想关闭角,即假定无气体推
15、力时,阀片在弹簧力作用下,从全开位置降落到阀座上所需时间对应的曲柄转角.,2 阀片开始脱离升程限制器,直到活塞运动达到止点所持续的时间所对应的曲柄转角.,3 阀片到达升程限制器直至活塞到达止点这一段时间所对应的曲柄转角.,10. 气阀,10.9 变工况下的气阀设计 不同进气压力对气阀工作状况的影响,图58 进、排气阀在8MPa,12MPa,18MPa进气时的工作状况,10. 气阀,10.9 变工况下的气阀设计 不同弹簧力对气阀工作状况的影响,图59 进、排气阀在弹簧系数为1000，3000，5000N/m时的工作状况,10. 气阀,10.9 变工况下的气阀设计 不同升程对气阀工作状况的影响,图
16、60 进、排气阀在升程为0.5，0.8，1.0mm时的工作状况,10. 气阀,10.9 变工况下的气阀设计 不同升程对气阀工作状况的影响,图61 进、排气阀在升程为0.5，0.8，1.0mm时的撞击速度,10. 气阀,10.10 气阀极限寿命及影响寿命的因素气阀寿命：在正常工作条件下，一个气阀的寿命取决于阀片与阀座磨损。曾经看到一个移动式空气压缩机一级进气阀，1mm厚的阀片，在不知运行多长时间后，密封边缘厚度剩下0.2mm厚依然能工作。 10.11 影响气阀寿命的因素 气体中含有杂质（尘埃、水或油、焦油、其它物质） 弹簧失效 阀片崩裂,11. 管道及其振动,11.1 机理 排气不均性形成周期激
17、发。 管道出口具有较大容器，成为开端压力波形成全波反射，产生气柱共振。 管道转弯折转过大，形成较大作用力。当压力脉动时，交变的作用力成为对管道的激发力。 管道的自振频率等于激发力频率。,图62 压力脉动,图63 全波反射的形成,图64 转角对作用力的影响,11. 管道振动,11.2 设计中预防方法 紧靠气缸排气接管设置缓冲容器， 管道出口形成闭端，使压力波成为半波反射（输气管道不通怎么办？）实现方法： 设置孔板，孔径 ，能使振幅降低2/3，形成压损 。 装设HOERBIGER止回阀本人建议，供讨论。 增加支撑改变管道自振频率实践证明，效果不大，会损坏支撑着力点，甚至支撑把管道磨穿。 尽量用半径
18、大的折转过渡，使激发力减小可能影响车间布置美观。,12. 噪声,12.1 基本概念噪声：即令人不愉快的声音。声音是一种压力波。声压：分贝：听阈、痛阈相差100万倍，计算不方便，采用对数计算值称为声压级。单位为分贝（dB），定义声功率：对封闭表面上接受的声强( )，即声功率 ，声功率级(dB)为响度：人对声音的感受是声压与声频的综合，称为响度。声级：分A，B，C三种，分别从40，70，100phon为基准，其中 40phon与人听觉较一致，故一般均用A声级。,P02105 Pa，人刚能听到听阈声压,P20 Pa， 人耳感觉疼痛痛阈声压,12. 噪声,12.2 往复压缩机噪声源 气缸内指示压力周期
19、变化压力波即声波，压缩机不打压力时运行声很轻，一打压力即变响了。 气阀开启时的气体爆破声压差突变 气流通过转角等成涡流的气流扰动声通过粗燥管壁摩擦 零件自持振动声簧片阀等 阀片启用的撞击声高速压缩机很突出 运动零件冲击声相对较小 电动机噪声（包括交流声与风扇声） 皮带传动声皮带振动,12. 噪声,12.3 噪声传递的途径 通过机器所有壁面或管道、容器、中冷器等壁面传出与壁面材料、厚度、形状、气缸有无水套等有关 空气压缩机通过进气口传出主要消声处 12.4 消声措施消声罩 一罩了之抗式（声波本身相互抵消）阻式 （声波被吸收）,消声器,13. 往复压缩机可靠性问题,13.1 引言至今，还有人认为往
20、复压缩机是可靠性不佳的机器。然而，电冰箱中的往复压缩机，无论是哪一个公司的产品都能不维修的可靠运行12年以上。那些公司还在精益求精。和各种机器一样，压缩机的可靠性是一个系统工程。它包括设计、制造、运行等一系列环节。其中设计的可靠性是第一性的，是最关键的。,13. 往复压缩机可靠性问题,13.2 可靠性概念定义：在规定任务条件下、在规定时间内，完成功定的功能。平均无故障间隔时间（MTBE）工艺压缩机平均无故障使用次数（MCBF） 冰箱空调用压缩机失效丧失功能；故障可修复的失效。 13.3 设计可靠性的内容 合理的结构方案、结构参数、整机系统确定 合理确定零、部件材料 正确的零、部件结构设计与强度
21、计算,13. 往复压缩机可靠性问题,13.4 关于螺纹连接的可靠性问题 往复压缩机中绝大部分零部件用螺纹连接。 绝大部分的连接承受交变载荷。 交变载荷下的作用力分析。螺栓的刚性应小于被紧固零件的刚性弹性螺栓每种紧固螺栓在组件图上都应注明“上紧扭矩”。,图65 螺栓受力作用图,13. 往复压缩机可靠性问题,13.5 关于气阀弹簧可靠性问题 弹簧刚性、圈数、剪切应力，当然是重要的。 螺旋弹簧的自振频率fs许多场合必须考虑到，不然会产生阀片与弹簧脱离与撞击。 柱形螺旋弹簧的稳定性要考虑。 螺旋弹簧与条形弹簧比较 气垫阀的弹簧问题,13. 往复压缩机可靠性问题,13.5 关于气阀弹簧可靠性问题,图66
22、 弹簧的自振频率,13. 往复压缩机可靠性问题,13.6 关于形位公差问题 零件的平行度与垂直度,图67 压缩机中的垂直,图68 压缩机中的同心,13. 往复压缩机可靠性问题,13.6 关于形位公差问题 对于活塞杆垂直度要求,图69 无活塞杆下垂的垂直径向跳动几何关系,图70 活塞杆下垂造成的活塞杆径向跳动,13. 往复压缩机可靠性问题,13.6 关于形位公差问题,图71 0.08英寸气缸运行间隙上活塞杆径向跳动曲线图 图72 活塞杆径向跳动计算用数据,13. 往复压缩机可靠性问题,13.7 事故分析 活塞杆断裂 预紧力，附加力，设计不当，加工不当，材质问题 曲轴断裂 设计不当，加工不当，材质问题 其它 关于不同气体爆炸、液击，连杆螺钉，十字头滑板,14. 往复压缩机经济性,往复压缩机是目前运行经济性最好的一种压缩机。14.1 运行经济性指标比功率 等温效率绝热效率制冷中能效比,14. 往复压缩机经济性,14.2 如何提高经济性 功耗组成指示功耗 轴功耗总功耗 指示图分析等温指示功与气缸冷却，气阀损失，缓冲容积影响，泄漏损失，余隙容积影响，进气预热与级间冷却 机械效率分析润滑油粘度(5070)，有油无油，pv值,14. 往复压缩机经济性,14.3 总经济性评价平均年消耗费用14.4 对往复与螺杆压缩机的我见,谢 谢,
