（机械制造及其自动化专业论文）活塞式压缩机机构平衡的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文从大连冷冻设备制造厂有限责任公司的实际需要出发，依据运动学、动力学等 理论，对制冷机械的心脏压缩机机构平衡进行分析校正，以最大限度的减小由于压缩 机机构不平衡而导致的振动，从而达到降低制冷机械的噪声，提高它的使用寿命的目的。 对产品进行深入细致的调研，寻求其产生振动的原因。综合所有因素进行对比，来 查找其产生振动的主要原因。通过调研得知大连冷冻设备厂有限责任公司目前生产的活 塞式制冷压缩机，在曲轴生产加工过程中，只进行了静平衡的校验。而刚性转子只进行 静平衡校验是不够的，机械构件在运转时产生的不平衡惯性力会引起附加的动压力，惯 性力的大小和方向成周期性变化，必将引起机械及其基础产生强迫运动。如果振动很大， 将影响机械本身的正常工作和使用寿命。 从设计的角度来说，曲柄平衡的配重质量设计是曲轴设计任务的一部分：从加工角 度出发，曲轴在毛坯的制造加工过程中的制造误差和材质不均等原因，会产生运转中的 不平衡现象。由于动平衡同时满足静平衡条件，所以经过动平衡校验的转子一定满足静 平衡条件；反之，经过静平衡校验的转子却不一定满足动平衡条件。工厂只对曲轴进行 静平衡检测，则不满足机械运转的平衡条件。曲轴在经过动平衡校验后，可以校正不平 衡量，需要对其曲轴进行进一步的平衡。 本文依据动平衡理论，建立数学模型，系统的对曲柄连杆机构进行分析。最后得到 压缩机的八缸即等效成八列连杆的往复运动的运动状态及往复惯性力、往复惯性力矩的 数学公式，最终得到所需要的合理结果。 最后对本文工作进行总结，并对数据结果进行分析，通过实验验证了设计的正确性。 关键词：压缩机；机构；平衡 活塞式压缩机机构平衡的研究 r e s e a r c ho nt 1 1 ea p p a r a t u sb a l a n c eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r a b s t r a c t t h i sp a p e ra 1 1 a t y s e sa n di m p 工i o v e st h eb a l a n c eo fm e c k m i s m so f c o m p r e s s i o ne n g i n e st o f u l 剐1t 1 1 ep r a c t i c a l 心q u i r e m e n t so fd lc o m p r e s s i o ne n g i n ef a c i l i t y a p p l y i n gm em e c h i n e t h e o r yo fk j n e s i 0 1 0 9 ya n dd y n a i n i c s ，t h i sp 印e ri sa i m i n ga tm i n i m i z i n gi t sv i b r a t i o nr e s u l t i n g f r o mt h eu n b a l a i l c eo fm e c h a l l i s m ss oa st od e c r e a s et h en o i s eo fc o m p r e s s i o ne n g i n e sa 1 1 dt o i n c r e a s et h e i r1 i f es p a n s ad e e pi n v e s t i g a t i o nw a sc 甜r i e do u tt oe x a m i n et h er e a s o n so f v i b r a t i o n s o m ed o m i n 跚t f k t o r sw h i c hr e s u l t si nv i b r a t i o na r er e c o g n i z e dc 王l r d u 曲t h ec o m p 撕s o nm e t h o d ，w h e r et h e i n 门u e n c e sf 如ma l lf a c t o r sa r ec o n 打a s t e d ni sf o u n dt h a to n l vt h ec r a n k s h 蛆ss t a t i cb a j a l l c e i sc h e c k e di nt h ep m c e s so fm a i 】u f a c t l l r i n gc o m p r e s s i o ne n g i n ei nd lc o m p r e s s i o ne n g i n e f a c i l i t y s t a t i cb a l a l l c ei sn o te n o u 曲f o rr i g i dr o t o r ，b e c a u s et h eu n b a l a n c e di n e n i af o r c e r e s u l t i n gf r o mr o t a t i o nw i l lc a u s es o m ea d d i t i o n a ld y n 鲫n i cf o r c e t h ep e r i o d i cc h a l l g eo ft l l e i n e r t i af o r c ei nm a g n i t u d ea n dd i r e c t i o nw i i ir e s u l ti nt h ef o r c e d v i b r a t i o o fm e c h a n i s m s w h e nt h ev i b r a t i o ni sn o tn e g l e c t a b l e ，i tw i l li n n u e n c et h en o m l a lu s e sa n dd e c r e a s et h e “f e s p a n so f m a c h j n e s f r o mt h ep o i mo fv i e wo fm ed e s i g n ，t h ec o u n t e n e i g h td e s i g nf o r t h eb a l a n c ei so n eo f t h et a s k so ft h ec r a i l k s h a f td e s i g n f u n h e m o r e ，f 而mt h ep o i n to fv i e wo ft h em a n u f 如t u r i n t h em a c h i n i n ge r r o ra j l dt h en o n m o m o g e n e o u sd e n s i t yo ft h em a t e r i a lw i l l r e s u l t i nt h e u n b a l a n c ep h e n o m e n o n a sm ed y n a m i cb a i a n c ea i s os a t i s 母t h ec o n d i t i o no ft h es t a t i c b a l a n c e ，t h er o t o ra d j u s t e dt od y n a m i cb a l a n c em u s tb r i n gs t a t i cb a l a l l c e t h ef a c t o r yj u s t c h e c k ss t a t i cb a 】a n c eo ft h ec r a n k s ，w l 】j c hj sf a rn d ms a t i s f y i n g 。a r e rt h ec r a n k sa r e c a l i b r a t e db yd y n a r n i cb a l a l l c e ，t h e yc a nb ec a l i b r a t e db yi m b a l a n c e t h e nm e yn e e df u n h e r b a l a l l c i n g am a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e da 1 1 das v s t e m a t i ca n a l y s i so nt h ec r 缸kl i n k a g ei s c a 疵e do u ta c c o r d i n gt ot h em e o r yo ft 1 1 ed y n a l n i cb a i a n c e t h em a t h e m a t i c a ie q u a t i o n so f r e c i p r o c a t i n gf o r c e so fi n e r t i aa 1 1 dr e c i p r o c a t i n gc o u p l e so fi n e r t i a lo ft h ee i g h c c y l i n d e r 融t e m a t i n gm o “o nw i t he i 曲tc o m b i n a t j o nl i j l l ( sa r eo b t a j n e d t h ef i n a lr e s u l t sa r er e a s o n a b l e f i n a l l y ，t h i sp a p e ra i l a l y s e sm er e s u l t so ft h ed a t aa n dp m v e st h ec o r r e c t n e s so ft h ed a t a b ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：c o m p r e s s i o ne n g i n e ；m e c h a n i s m ；b a i a n c e 人连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的开发背景 活塞式制冷压缩机是问世最早、至今还被广泛应用的一种机型。随着科学技术的发 展，制冷机械行业发生深刻的变革。制冷压缩机作为制冷设备的核心部分，它的设计精 度、使用寿命对制冷设备的整体效能起着决定性的作用，而活塞式制冷压缩机作为制冷 压缩机的先驱，在这场变革中必将担负起中流砥柱的作用。 2 1 世纪是绿色的时代，节能、低噪、环保是制冷行业发展的主题。所以立足于现有 设备，以节能、低噪、环保这些要求来对制冷压缩机进行研发。目前国内部分活塞式制 冷压缩机存在着由于振动产生的噪音问题。解决这个问题的关键方法就是对活塞式制冷 压缩机机构进行平衡设计。 大连冷冻设备制造厂有限责任公司是集制冷压缩机、制冷成套设备、钢制焊接阀门、 电控的生产和一、二、三类压力容器的设计与制造为一体的专业厂家。公司从客户的实 际要求出发为了使生产的产品更加安全、可靠、经济、实惠、耐用，不断的进行科研攻 关。现与我院合作，对个别型号的压缩机存在的振动问题进行改良，以满足客户及公司 科研的需求。 本文就是根据对大连冷冻设备制造厂有限责任公司的实际需求，不但对现有的国内 外制冷压缩机的现状及发展趋势进行系统阐述；而且对现有各种压缩机的构造、工作原 理及动力性能进行阐述和分析；对活塞式制冷压缩机机构的平衡问题进行系统的分析和 研究；对有典型代表的8 a s l 7 型活塞式制冷压缩机现存的振动问题，进行分析和设计， 力求产品在使用性能上更加安全，可靠。 1 2 制冷压缩机发展概况 1 2 1 压缩机的诞生历程 人类从很早的时候就已懂得，在较低的温度下保存食品不容易腐烂。公元前2 0 0 0 多年，西亚幼发拉底河和底格里斯河流域的古代居民就开始在坑内堆垒冰块以冷藏肉 类。中国在商朝( 公元前1 7 世纪初前1 1 世纪) 也已懂得用冰块制冷保存食品了。在 中世纪，许多国家还出现过把冰块放在特制的木柜或石柜内以保存食品的原始冰箱。直 到1 9 世纪5 0 年代，美国还有这种冰箱出售。 1 8 2 2 年，英国著名物理学家法拉第发现了二氧化碳、氨、氯等气体在加压的条件下 会变成液体，压力降低进而又会变成气体的现象，在由液体变为气体过程中会大量吸收 活塞式压缩机机构平衡的研究 热量，使周围的温度迅速下降。法拉第的这一发现为后人发明压缩机等人工制冷技术提 供了理论基础。 第一台人工制冷压缩机是由哈里森于1 8 5 1 年发明的。哈里森是澳大利亚基朗广 告报的老板，在一次用醚清洗铅字时，他发现醚涂在金属有强烈的冷却作用。醚是一 种沸点很低的液体，它很容易发生蒸发吸热现象。哈里森经过研究制出了使用醚和压力 泵的冷冻机，并把它应用在澳大利亚维多利亚的一家酒厂，供酿酒时制冷降温用。 1 8 7 3 年，德国化学家、工程师卡尔冯林德发明了以氨为制冷剂的冷冻机。林德用 一台小蒸汽机驱动压缩泵，使氨受到反复的压缩和蒸发，产生制冷作用。林德首先将他 的发明用于威斯巴登市的塞杜马尔酿酒厂，设计制造了一台工业用冰箱。后来，他将工 业用冰箱加以改进，使之小型化，于1 8 7 9 年制造出了世界上第一台人工制冷的家用冰 箱，这种蒸汽动力的冰箱很快就投入了生产。到1 8 9 1 年时，就在德国和美国售出了1 2 咖 台。 第一台用电动机带动压缩机工作的冰箱是由瑞典工程师布莱顿和盂德斯于1 9 2 3 年 发明的。后来一家美国公司买去了他的专利，于1 9 2 5 年生产出第一批家用电冰箱。最 初的电冰箱其电动压缩机和冷藏箱是分离的，后者通常是放在家庭的地窑或贮藏室内， 通过管道与电动压缩机连接，后来才合二为一。 在本世纪3 0 年代以前，冰箱使用的制冷剂大多不安全，如醚、氨、硫酸等，或易 燃、或腐蚀性强、或刺激性强等等。后来开始探寻比较安全的制冷剂，结果找到了氟里 昂。氟里昂是无毒、无腐蚀、不可燃的氟化合物，很快它就成为各种制冷设备的制冷剂 了，一直沿用了5 0 多年，但近年来人们又发现氟里昂对地球大气的臭氧层有破坏作用。 于是人们又开始寻找新的、更好的制冷剂了【“。 1 2 2 制冷压缩机发展现状 近年来，为了满足环保和市场的需要，国内电冰箱厂纷纷推出了替代c f c s ( 全氯 氟烃物质) 工质的电冰箱( 俗称无氟冰箱或环保冰箱) ；相应地，电冰箱压缩机厂也不 断开发出c f c s 工质替代的制冷压缩机。普遍使用的家用制冷机压缩机大多数使用旋转 式电动机驱动活塞作往复运动，必须有一套将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运 动的转换机构。通过对这类压缩机的动力学分析( 以曲柄连杆机构为例) 可见：作用在 曲柄连杆机构上的力主要有三种惯性力、气体力( 负载) 、摩擦力。惯性力又分为活 塞往复运动所产生的惯性力、曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产 的惯性力；压缩机的摩擦功率包括往复摩擦功率、旋转摩擦功率。其中曲柄不平衡旋转 质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产生的惯性力以及旋转摩擦功率都是因为使用旋 大连理工大学硕士学位论文 转式电动机而直接带来能量损失的项目，而往复摩擦功率的损失则很大程度上是由曲柄 造成的活塞所受到的径向力引起的。总之，这种机器总体体积庞大、传动效率低、噪声 大、磨损利害、寿命短，因此活塞式制冷压缩机具有很大的改善潜力。对于家用冰箱的 全封闭式压缩机，输入功率只有1 3 得到有效利用( 电效率约为3 0 ) 。而在商用制冷 设备中，这个比例也仅有1 3 至1 2 1 5 j 。 建国以来，制冷工业在生产、国防和科技发展的推动下，从无到有、从小到大，获 得了迅速的发展。活塞式制冷压缩机为制冷工业的建设做出了重大的贡献。 长期以来，我国的制冷技术一直落后于西方发达国家。5 0 年代，活塞式压缩机行业 从修理转向仿制和组织批量生产；6 0 年代，结合我国国情，制定了我国中小型活塞式制 冷压缩机系列标准；到7 0 年代末，除了全封闭式外，大多数是自行设计制造的系列产 品，其品种、数量、质量以及技术水平都有显著提高；8 0 年代我国完成了全封闭式制冷 压缩机标准的制定，并研制、生产了一些全封闭式压缩机【”。 目前国内生产电冰箱压缩机的生产线情况是，连杆式压缩机引进了下列生产线( 引 进地) ：日本松下公司( 广州) 、意大利伊瑞公司( 北京) 、扎努西公司( 天津) 、英 坦斯特公司( 常州) 、阿斯培拉公司( 嘉兴) ，美国怀特公司( 杭州) 、w c i 公司( 沙 市) 、西班牙c a r s a 公司( 北京) 、罗马尼亚a r c l l c 公司( 常熟) 、澳大利亚科贝 公司( 重庆) 等；滚动活塞式压缩机引进了下列生产线：日本三菱公司( 上海) 、松下 公司( 广州) 、美国惠而浦公司( 珠海) 、f e d d e r s 公司( 南京) ：滑管式压缩机引 进了下列生产线：日本日立公司( 西安) 、丹麦丹福斯s 公司( 四川) 、德国a e g 公司( 上海) 。可见，我国制冷工业落后于发达国家，并成为他们的销售市场【8 j 。 从世界范围看，活塞式压缩机发展历史悠久；具有丰富的设计、研究、制造和运行 经验；至今在各个领域中依然被广泛应用、发展着。同时，制冷压缩机的持续进步还反 映在其种类的多样化：离心式、螺杆式、滚动转子式、涡旋式等，都在被卓有成效地开 发。但是，在中小制冷量范围内仍以活塞式压缩机为主( 据统计，在1 0 0 瓦。7 5 千瓦的 小型封闭式压缩机中，活塞式占7 5 ) ；而且，随着压缩机本身可靠性和耐久性不断 提高和压缩机紧凑轻量化的追求，高速活塞式压缩机的发展是很自然的。使用直线电动 机驱动的新一代制冷压缩机，不存在旋转运动以及将电动机的旋转运动转变为活塞直线 往复运动的转换机构，结构紧凑、体积小、效率高、寿命长、可以轻松实现高速驱动。 1 2 3 制冷压缩机发展趋势 2 0 0 5 年5 月2 8 日我国制冷空调工业协会高级工程师周瑞民在北京主办的中国空调 产业绿色空调产品发展研讨会中指出：“2 1 世纪是绿色时代，制冷空调行业也应顺应这 活塞式压缩机机构平衡的研究 个时代的潮流。绿色对于制冷行业应该有两种含义。首先是企业建立一个绿色管理体系 和绿色质量保证体系，关注在制冷产品生产经营过程中，节能降耗降低成本，减少污染 物对环境的排放等问题。其次，对绿色空调产品而言，现在虽然还没有一个正式的定义， 但有两点可以肯定，即意味着对环境的保护。一是对全球大环境的保护，履行有关国际 公约如蒙特利尔议定书，为我们的子孙后代造福：二是对空调设备的使用者，使他们在 享受空调的同时，不应该受到空调运行带来的空气质量、噪声等等的侵害。另外，随 着各行各业对绿色的追求，建设绿色酒店绿色办公楼等等，其中的空调设备必须是绿 色的，空调制造行业应顺应这个潮流，把绿色空调作为制冷空调行业的发展方向”。 这也是我们面临的重要课题。节能、低噪、环保是未来制冷压缩机发展的趋势i 7 1 。 家用制冷机的节能措施有多种：变频压缩机、双转子压缩机、模糊逻辑控制、微孔 发泡、节能差压阀等。其中采用变频控制实现节能的方案正在得到广泛应用。由于采用 变频压缩机，要解决低速运转时的振动问题和润滑油供给问题，高速运转时的轴承负荷 问题、摩擦和磨损问题，因此对压缩机的设计和制造提出了更高的要求，控制系统也比 较复杂，增加了成本。而直线电机驱动的活塞式压缩机具有优良的控制性能，采用简单 的控制环路可以通过调节扫气容积来直接实现能量调节，从而达到节能的目的。 目前发达国家均采用微型低温制冷机作为红外探测器件以及高温超导器件的冷源 通常提供液氮至液氢温区的制冷温度( 约2 0 0c 至一1 5 0c ) ，因为它更容易做到微型 化、更高的可靠性和不受放置方向的限制等。低温制冷机由低温制冷器和压力波发生器 组成。其中压力波发生器是一种无阀型活塞电机一体化设计的特种直线压缩机，其电、 功转换效率可高达9 0 以上。美国宇航局及欧洲航天局从8 0 年代末至今发射的十余颗 卫星均采用了这种压缩机驱动的斯特林制冷机，它是提高卫星有效载荷和延长卫星使用 寿命的有效手段。目前，国外e 在进行将这一高新技术成果推向民用的研究。如用于家 用制冷机的直线马达制冷压缩机。直线电机利用电能直接产生直线运动，它有突出的优 点：一是结构简单。在需要直线运动的地方，采用直线电机可以实现直接传动，不需要 一套将旋转运动转变为活塞直线往复运动的中间转换机构，因而结构简化，体积缩小； 二是反应速度快，随动性好。直线电机容易做到无刷无接触运行，动子在运动中毫无机 械阻力，这是其它传统驱动装置无法竞争的优点；三是容易密封，适用性强。由于电机 本身结构简单，又可做到无接触运行，因此容易密封，经过适当浸渍、涂封，它可在各 种特殊环境中使用( 包括液态物质中) ；四是稳定可靠，寿命长。直线电机是一种直接 传动的特种电机，可实现无接触传递力，没有什么机械损耗，故障少、几乎不需要维修、 不怕振动和冲击，因此稳定可靠、寿命长；还有控制方便、额定值高、精密定位和自锁 等独特的优势。直线电机的发展和应用表明它只有向着其他驱动装置所不能满足的或使 大连理工大学硕士学位论文 用旋转电机受到限制的领域发展，才能找到直线电机独特的应用领域和优秀的应用机 型。目前用于红外探测器件和高温超导器件的低温制冷机使用一种微型、高效、高可靠 性的直线往复振荡电动机来驱动活塞式气体压缩机。 直线振荡电机有感应型直线振荡电机、推斥感应型直线振荡电机、直线同步振荡电 机等。其中前两款直线振荡电机由于始终处于启动和制动状态，能量损耗大、效率低、 发热厉害，而且漏磁大、功率因数低。而采用直线同步振荡电机驱动的微型、高效、高 可靠性的超净气体压缩机得到广泛的使用，激磁方式采用永磁式。这样既利用了直线电 机可实现直线直接传动、无接触运行带来的结构简单、随动性好、适应性强、稳定可靠、 控制性好等特点，又发挥了永磁式电机由于没有激磁绕组和对应的铜损而减少了电机体 积和重量、提高了效率、降低了成本等经济技术指标的优势。直线电机的主要缺点是没 有很好的直线运动支承、动子和定子间气隙比旋转式电机大，使得功率因数及效率降低。 1 3 本文的研究方法 从对于活塞式压缩机机构平衡的研究中得知，产生不平衡的因素有很多其中包括材 料、机件配合、动力学平衡等。所以它的研究涉及动力学、材料力学、振动学等基础学 科。在对活塞式制冷压缩机的研究中，采用理论与实际相结合，根据所要解决具体设备 8 a s l 7 型制冷压缩机。它振动的产生主要是由于曲柄活塞机构的动力不平衡造成的。本 文首先通过对各种机构平衡的方法进行分析、对比，依据实际设计需求采用了加平衡质 量的部分惯性力平衡法，对制冷压缩机动、静平衡进行分析和计算。力求达到提高设备 的性能减少由于机构不平衡导致的不良后果。 1 4 本文的主要工作 本文对活塞式制冷压缩机机构的平衡展开研究。具体工作如下： ( 1 ) 对课题开发背景、国内外活塞式制冷压缩机发展概况及研究方法进行综述。 ( 2 ) 制冷压缩机基础知识。其中包括活塞式制冷压缩机的分类、主要零部件与机构、 工作过程进行阐述，目的在于让大家了解活塞式压缩机的基本知识，为压缩机机构平衡 的研究打下基础。 ( 3 ) 曲柄连杆机构平衡的研究。结合曲柄连杆机构的特点对机构的平衡方法进行分 类分析和研究，寻求适合解决活塞式压缩机机构平衡问题的研究方法，即加平衡质量的 部分惯性力平衡法。并以单缸活塞式制冷压缩机为例进行计算，其中运用了动平衡理论， 力求达到设计要求。 ( 4 ) 活塞式压缩机机构平衡的研究。分别对几种具有典型结构的多缸压缩机工作时 产生的往复惯性力、往复惯性力矩、旋转惯性力及旋转惯性力矩进行分析，得到八缸活 活塞式压缩机机构平衡的研究 塞式压缩机的平衡条件，结合8 a s l 7 型制冷压缩机存在的振动问题进行了试验、研究， 对试验结果进行分析和总结，力求最大限度达到机构平衡、减小振动的结果。 大连理工大学硕士学位论文 2 活塞式制冷压缩机的基础知识 活塞式压缩机是问世最早，至今还广为应用的一种机型，它是利用气缸中活塞的往 复运动来压缩气缸中的气体。通常是通过曲柄连杆机构把原动机的转动变为活塞的往复 运动。 ( 如图2 1 ) 也有采用其它方法来实现的。它具有一系列为其它类型的压缩机所 不及的优点： ( 1 ) 能适应较广阔的压力范围和制冷量要求。 ( 2 ) 热效率高，单位电耗相对较少，特别是在偏离设计工况运行时更为明显。 ( 3 ) 对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工比较容易，造价也较低廉。 ( 4 ) 技术上较为成熟，生产使用上积累有丰富的经验。 ( 5 ) 装置系统比较简单。相比之下，螺杆式制冷机系统中需要装设大容量油分离器； 离心式制冷机系统中要配置工艺要求高的增速齿轮箱，复杂的润滑油系统和密封油系统 等。 活塞式制冷压缩机的上述特点使它在各种制冷用途，特别是在中小制冷量范围内， 成为制冷机中应用最广、生产批量最大的一种机型。但是，与此同时，也要看到活塞式 制冷压缩机有其不足之处： ( 1 ) 转速受到限制。单机输气量大时，机器显得笨重，电动机尺寸也相应较大。 ( 2 ) 结构复杂，易损件多，维修工作量大。 ( 3 ) 运转时有振动。 ( 4 ) 输气不连续，气体压力有波动等。 图2 1 具有曲柄连杆机构的活塞式制冷压缩机 f i g 2 1r e c i p r o c a t i n gr e 埘g e r a c i o nc o m p r e s s o rw i t hc r a n kl i n km e c h a n i s mp i c t u r e 活塞式压缩机机构平衡的研究 2 1 活塞式制冷压缩机的分类 活塞式压缩机的机型很多，可以根据它的各种主要特征予以分类【”。 2 1 1 按制冷量分类 按压缩机的制冷量大小可分为大型、中型和小型三种。依据g b l 0 8 7 1 1 9 8 9 规定， 标准制冷量在5 8 0 k w 以上的为大型制冷压缩机；5 8 k w 以下的为小型；居中的属中型。 我国的高速多缸新系列产品均属中小型压缩机的范围，大型的有非系列产品8 a s 2 5 型， 其标准制冷量为1 1 6 0 k w 。 大型制冷压缩机多用于石油化工流程、大型空调。中型机则广泛用于冷库、冷藏运 输，一般的工业和民用事业的制冷和空调装置。而小型机则用于商业制冷设备、医疗设 备、低温实验和小型空调器、电冰箱中。 2 1 2 按密封方式分类 制冷系统内的制冷工质是不允许泄露的。从防止泄露所采取的密封结构方式来看， 制冷压缩机可分为开启式和封闭式，而后者又可进一步分为半封闭式和全封闭式两种。 开启式压缩机( 如图2 2 ) 的曲轴功率输入端伸出机体之外，通过传动装置与原动 机相连接。曲轴伸出部位装有防止泄露的轴封装置。由于轴封装置不可能实现绝对可靠 的密封，故工质的泄出和外界空气的渗入是难以避免的。 图2 28 1 2 5 a c g ( 8 a s l 2 5 ) 型制冷压缩机剖面图 f i g 2 2t y p e8 1 2 5 a c g ( 8 a s l 2 5 ) c r o s s - s e c t i o d i a g f a m0 fr e f r i g e r a t i o nc o m p 陀s s o r 大连理工大学硕十学位论文 采用封闭式的结构可以避免或大大减少泄露。封闭式压缩机所配用的电动机和压缩 机是一起装在同一机体内并用一根主轴，因而可以不用轴封装置，减少了泄露的可能性， 同时又可降低噪声，用吸入的低温工质冷却电动机，有利于机器的小型轻量化。 半封闭式( 如图2 3 ) 和全封闭式压缩机( 如图2 4 ) 在密封形式上的区别在于：前 者的机体装配后如有必要仍可拆卸，其密封面以法兰连接，靠垫片或垫圈密封；而后者 在电动机压缩机组装入机壳后，上下机壳接合处则被焊封，所以，对机器的使用寿命要 求高，应能保证长期使用，不需拆检。 图2 3b 8 7 f - 2 0 ( 8 f s 7 b ) 型压缩机总体结构图 f i g 2 31 r y p eb 8 7 f _ 2 0 ( 8 f s 7 b ) i n t e f a l 船s u m p t i o nd i a g r a mo fc o m p f e s s o r 活塞式压缩机机构平衡的研究 图2 42 f v 5 0 型全封闭压缩机剖面图 f i g 2 4t y p e2 5 qc r o s s - c t i o nd i a 口曲0 fa l l - s e a l e dc o 呷f c s r 密封式压缩机除了上述的基本结构型式外，还有一种所谓屏蔽型全封闭式压缩机。 与基本型相比，屏蔽型在电动机的修理上比较简便，即当定子绕组损坏时，无需开壳便 可进行更换。但是，这却带来结构工艺的复杂性，尺寸质量大，功率消耗约多1 0 左右， 故而应用较少。 2 1 3 按转速分类 压缩机按其转速可以分为低速、中速和高速三种。尽管单从转速出发而不顾及压缩 机的尺寸大小来衡量其高速性是不全面的，而且实际上亦未曾定出明确的界限标准，可 是，依据一般习惯认为，转速在1 5 0 6 0 0 r p m 之间的为中速，6 0 0 r p m 以上的属高速。现 代多缸压缩机多属于高速范围，它可以较小的外形尺寸获得较大的制冷量，而且便于与 电动机直连。但是，转速的提高势必要求压缩机在结构、材料、制造精度等方面都要采 取相应的技术措施来保证其可靠性和耐久性。 2 1 4 按气缸布置方式分类 压缩机的气缸布置方式( 图2 5 ) 直接影响到外形尺寸和质量的大小。根据这一结 构特征，压缩机可分为卧式、立式和角度式。 大连理工大学硕士学位论文 匿制 d ：、b 刈 ￥尸 j 走 彻直立武耻) 囊痿式v 鬻 带胃移 呻 蠢凌w - 日囊童或y 群 孵囊度谴s 撑 图2 5 气缸的不同布置方式 f i g 2 5d i 蠡f c r e n tl a y o u tm e t h o do fa i rc y l i n d e r 卧式压缩机的气缸水平布置，这样，厂房的高度可以较低，整个机器都在视野范围 之内，便于维护管理：此外，管道的布置和曲轴、连杆的装拆也比较方便。但是，过去 老式的单列或双列卧式压缩机，由于动力平衡性差，机器转速不能提高，因而显得非常 庞大笨重，已经属于淘汰之列。如今只有对称平衡式压缩机，由于其两列活塞始终是相 对运动的，动力平衡性好，因此，转速可以提高，在大型制冷压缩机中应用较多。 立式压缩机的占地面积小，活塞重量不作用在气缸壁上，故而气缸和活塞的磨损较 小而均匀；机体承受的载荷主要是垂直的拉压应力，受力情况较好，形状可做得简单轻 便些：其安装基础亦因抗垂直振动的能力强而尺寸较小。但是，大型立式压缩机的高度 大，必须设置操作平台，拆装、维护管理均不方便。中小型压缩机中，除单、双缸外， 亦很少采用立式的。 角度式压缩机的气缸轴线间在垂直于曲轴的平面内具有一定的夹角，其排列形式有 v 型、w 型、y 型、s 型等。它具有结构紧凑，质量小，动力平衡性较好等特性，因而在 现代中小型高速多缸压缩机系列中获得最广泛的应用。 2 1 5 按气阀布置方式分类 压缩机气阀的不同布置方式会造成制冷工质进出气缸的不同流动方向。按此，压缩 机可分为顺流式和逆流式两种。 活塞式压缩机机构平衡的研究 顺流式压缩机的吸气阀一般是布罱在活塞顶上，排气阀布置在气缸顶部的阀板上， 这样，气体吸入和排出气缸的流向是不变的。这种吸排气阀的布置方式增大气阀的流通 截面，减少对吸入蒸汽的加热，有利于提高压缩机的性能指标。但是，由此却增加了活 塞的高度，质量和结构的复杂性，不利于压缩机向高转速的方向发展。但是，吸气阀装 在活塞顶上排除了用顶开吸气阀片的输气量调节方式，j 下是由于这些原因，在现代高速 多缸压缩机中，这种气阀布置形式已不采取。 逆流式压缩机的吸、排气阀或者都布置在气缸顶部的阀板上，或是另把吸气阀设在 气缸套上部的法兰周围，这样，蒸汽进入和离开气缸的流向都是相反的。他主要的优点 在于活塞结构简单，高度可缩短，可以采用铝合金制造，质量小，有利于提高转速，所 以，在现代高速压缩机中得到普遍应用。 2 1 6 按活寒往复运动转换机构分类 最常见的是采用曲柄连杆机构，其又可分为无十字头式和有十字头式两种。 无十字头式压缩机的特点是结构简单，高度和质量都较小；但是它只能做成单作用 式( 只有活塞的一端是对气体进行压缩的工作腔，另一端与曲轴箱相通) ，气缸容积的 利用不充分，气缸壁面因受侧向力作用而易磨损。尽管如此，它是现代中小型压缩机的 主要结构型式。 十字头式压缩机的特点是曲柄连杆中的侧压力由十字头来承受，减少了活塞和气缸 问的摩擦和磨损；它可制成双作用式( 活塞两端都是压缩气体的工作腔) ，充分利用了 气缸的容积。在结构中，压缩机要增添十字头、活塞杆及添函等部件，使结构及其润滑 复杂化，尺寸质量增大，因而只有在大型低速压缩机中才有应用。 另外还有按其它特征，如压缩级数、冷却方式、使用工质等进行分类的。 2 2 活塞式制冷压缩机的型号和基本参数 活塞式压缩机的型号表述方式，根据g b l 0 8 7 1 1 9 8 9 中的规定。 小型活塞式单级制冷压缩机的型号表示如下： 口 口口。 行程：用阿拉伯数字表示，单位为m m 制冷剂：用f 表示 缸数和缸径：用阿拉伯数字表示，缸径单位c m 示例：2 5 f 4 4 ，表示2 缸、缸径5 0 m m 、制冷剂为氟利昂、行程为4 4 m m 。 大连理工大学硕士学位论文 开启式压缩机的基本参数规定：气缸直径为5 0 i i l m 、6 0 i i l m ，转速范围为 6 0 0 1 5 0 0 r n l i n 。半封闭式压缩机基本参数规定：气缸直径为3 0 i n m 、4 0 m m 、5 0 m m 、6 0 m m ， 名义转速为1 4 4 0 r m i n 。 目前国内厂家在样本等资料上，仍习惯沿用老的压缩机型号表示方法，即： 压缩机型式：半封闭式用b 表示，空封闭式用q 表示，开启式苇表示 气缸直径，以c m 表示 气缸排列方式：如v 、- 、s 彤等 i ：i 冷剂类型：氟利昂用p 表示，氢月 表示 压缩机气缸敦：用阿拉伯数字表示 示例：8 a s l 7 表示8 缸、制冷剂为氨、气缸排列方式为扇形、气缸直径为1 7 0 m m 的开启式压缩机【3 】。 2 3 活塞式制冷压缩机的主要零部件与结构 2 3 1 基本结构 各种活塞式制冷压缩机的制冷量、外形、制冷剂、用途等不尽相同，但基本结构和 组成主要零件都大体相同，即包括机体、曲轴、连杆组件、活塞组件、吸排气组件、气 缸套组件等。( 如图2 1 ) 为一台具有曲柄连杆结构的2 f 6 3 型活塞式制冷压缩机的结 简图。 如图所见，单作用压缩机气缸可变工作容积的基本构成和工作原理如下：圆筒形的 气缸、顶部设置的吸排气阀与活塞共同构成可变工作容积。连杆的大头与曲轴相连，小 头通过活塞销与活塞连接，当曲轴在原动机的驱动下旋转时，通过曲柄、连杆、活塞销 的传动，使活塞在气缸内做往复直线运动，其行程为曲柄半径( 偏心距) r 的两倍。而 吸排气阀的阀片分别被气阀弹簧压在缸体上部的内、外阀座上，靠阀片上下两侧气体的 压力差自动开启，控制着工质蒸汽进、出气缸的通道。 曲柄每旋转一周，活塞往复运动一次，可变工作容积中将完成一个包括气体的吸入、 压缩和排出过程在内的工作循环。它可将一定数量的工质蒸汽由压缩机的吸气腔输往排 气腔。而且使输入的低温、低压的工质压缩后变成高温、高压的工质进入冷凝器。【2 2 】 活塞式压缩机机构平衡的研究 2 3 2 活塞式制冷压缩机主要零部件与结构 ( 1 ) 活塞组。活塞组是活塞、活塞销、活塞环等的总称。活塞组在连杆的带动下 在气缸内作往复运动，在进气阀部件的配合下完成吸入、压缩和输送气体的作用。 ( 如图2 6 ) 所示为典型的筒形活塞组部件图。 图2 。6 筒形活塞组部件图 f i g 2 ，6c o m p o n e n t a lc h a r to f b a i i e lt y p ep i s t o ng r o u p 1 ) 活塞：2 ) 气环；3 ) 油环：4 ) 活塞销；5 ) 弹簧挡圈 活塞。筒形活塞分顶部、环部和裙部三部分。活塞上面封闭圆筒部分称为顶部。 顶部与气缸及气阀座构成封闭的工作容积。活塞上装活塞环及油环的部位称为环部。环 部以下称为裙部，裙部有活塞销座。有的结构中裙部下方装有刮油环。 活塞顶部做成下凹或锥形( 如图2 7 a ) 是为了适应气阀组的结构，以达到减少余隙 容积的目的。( 图2 7 b ) 所示的活塞为平顶，它的加工最为简单。( 图2 7 c ) 所示的 活塞顶部局部下凹，是为了与进气阀凸出气缸部分相适应。活塞顶部的内侧有时有加强 筋，用来提高活塞顶部的承压能力。 活塞环部是安放气环和油环的部位。装油环的环槽钻有回油孔，使油环刮下的油通 过回油孔回到曲轴箱。小型活塞没有气环和油环，它们通常在活塞的外圆车削出一道或 几道环槽，以便达到曲径密封的作用。 人连理工大学硕士学位论文 活塞裙部是承受活塞侧压力和支撑活塞销的部位。由于销座部分壁比较厚，为避免 活塞受热后因膨胀不均匀而影响活塞的正常工作，因而裙部往往做成椭圆状，或在销座 的活塞外圆上制成凹陷形状。小型铸铁活塞尺寸小，刚度大，热膨胀系数小，因而可不 必在裙部加工成凹陷状或椭圆状。 画霹露 ( i i 鞭捧壤碧 秭硬静节孤 蝴璜静瑚怖下凹 图2 7 筒形活塞结构图 f i g 2 7a s s u i n p t i o nd i a g f a mo fp i s t o nb a r i e l t y p c 活塞的材料一般采用灰铸铁或锕硅铝合金。铸铁活塞因密度大，运行时惯性大，导 热性差。因此，近来被铜硅铝合金所取代。铜铝合金不仅质量轻、导热性好，而且便于 硬模铸造，并且具有良好的抗磨性，但由于膨胀系数较大，因而气缸与活塞之间的间隙 也适当的放大。 活塞销。活塞销用来连接活塞和连杆小头。连杆通过活塞销带动活塞做往复运 动。活塞销结构简单一般制成中空的圆柱体。活塞销可以固定在销座上，也可以允许在 销座上有些转动，这样可使活塞销磨损均匀，延长使用寿命。为了防止活塞销轴向位移 而伸出活塞时擦伤气缸，销座孔内可以采用软金属塞或采用弹簧挡圈。 活塞环。活塞环有气环和油环两种。气环的作用是密封气缸的工作容积，防止 压缩气体通过气缸壁与活塞表面之间的间隙漏到曲轴箱。油环的作用是刮下附着于气缸 壁上多余的润滑油，并使壁面上油膜分布均匀。 气环的密封作用( 如图2 8 ) 所示。嵌入活塞环槽中的气环与活塞一道装入气缸后， 由于气环的弹性而产生的预紧力，使气环外圆柱面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面。 压缩机工作时，被密封的高压( p 2 ) 气体不能从环周与气缸壁之间通过，便进入气环与 环槽形成的间隙，将气环推向压力较低( 岛) 的一侧，即使气环紧贴到环槽的下面，形 成第二密封面。同时作用在气环内圈面稍低于p 2 的气体压力又大大加强了第一密封面 的密封作用。 活塞式压缩机机构平衡的研究 赞一彩射 赘辩翥 图2 8 气环的密封作用 f i g 2 8b 1 a n k e t i gf l l i l c t i o no fc a u s t i cr i n g 为了使活塞环本身具有弹性，环中必须开有切口，切口形式有直切口、斜切口和塔 切口三种。活塞环在安装时，应将各环的切口位置相互错开，以减少气体的泄漏。 压缩机在工作时，润滑油由连杆大头甩到气缸壁上，而气环本身也具有一种泵油作 用，这将使缸壁上的润滑油带入气缸内。气环的泵油作用( 如图2 9 ) 所示。活塞在气 缸内做往复运动时，气环在气体压力、本身的往复惯性力以及与气缸壁之间的摩擦力的 作用下，在槽内的两侧面之间不断做上下的相对运动。当活塞下行而气环紧靠槽上端面 时，由气环从缸壁上刮下的润滑油被挤入气环下端和环内圆面间隙中( 图2 9 a ) 。之后 气环在环槽中的位置从上面移向下面时，原来在气环下部和环内圆面间隙中的润滑油将 有一部分被挤入气环的上侧间隙中( 如图2 9 b ) 。气环如此不断地上下移动，润滑油就 会逐渐上升而进入气缸内( 如图2 9 c ) 。 毳| 蓊| 霾 f时b)扣 图2 9 气环的泵油作用 f i g 2 9i n j e c t i o nf u e lf l o w f u n c t i o no fc a u s t i cr i n g 大连理t 大学硕士学位论文 气环的泵油作用显然有利于润滑活塞环与气缸壁之间的摩擦面，但过多的润滑油进 入气缸，会随制冷剂进入管道系统。这样，即增加了润滑油的消耗量，也会影响冷凝器 和蒸发器的传热效果。因此，需要在活塞上加装一道刮油环，把过多的润滑油刮下，使 气缸壁上仅留下一层薄薄的油膜供润滑和密封。 油环的刮油作用是依靠环的结构及其与环槽的配合来实现的，( 如图2 1 0 ) 所示为 种结构简单的油环，它的3 4 的工作面调试上带有2 0 。3 0 。的锥角。安装时，将圆 锥面向着活塞顶的一面，不可反装。当活塞上行时，气缸壁上的楔形油膜对油环圆锥面 产生的压力迫使油环收缩而与气缸壁之间形成间隙，使润滑油在油环下漏过，( 如图 2 1 0 a ) 所示。当活塞下行时，油膜对油环锥面的压力消失，油环张开，而与气缸壁紧贴， 靠其下端面尖锐的边缘把附在缸壁上的润滑油刮下( 如图2 1 0 b ) 所示。被刮下的润滑 油通过活塞上的泄油孔排回曲轴箱。这种油环的刮油效果较差。另外一种油环的结构( 如 图2 1 0 6 c ) 所示，这种油环的外圆柱面中央开槽，形成两个刮油工作面，与气缸壁的接 触比压( 活塞环作用于气缸壁上的弹力大小称为比压) 较高，且排油通畅，因此刮油效 果好。这种形式的刮油环被广泛应用于国产中小型压缩机中。 嘞 图2 1 1 0 油环的刮油作用 f 塘2 1 0f r i z i n go fo i lc a t c hr i n g ( 2 ) 连杆组。连杆组部件( 如图2 1 1 ) 所示。它是由小头衬套、连杆体、大头轴瓦、 连杆螺栓、大头盖、螺母及开口销等