往复活塞压缩机技术讲座郁永章

往复活塞压缩机技术讲座郁永章第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2.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。第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2.往复活塞压缩机种类 图1活塞式压缩机结构总图图2双滑块压缩机第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2.往复活塞压缩机种类

图3单列单缸电磁压缩机图4隔膜压缩机第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六3.热力学基础3.1如何定义一个气体

状态：温度T、压力p，比容v

过程：与热交换有关

——

状态方程——

过程方程第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4.气缸压力指示图及其分析

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p—v图中所围面积代表所耗功，故也称示功图。

4.1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5理想循环压力指示图第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4.气缸压力指示图及其分析4.2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6级的实际循环指示图图7双作用气缸结构图第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4.气缸压力指示图及其分析4.3lgp－lgV图的功用

作用：

lgp－lgV图分析压缩与膨胀过程中的热交换、泄漏。

图8lgp－lgV图第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4.气缸压力指示图及其分析4.4实际测量p－θ图

p－θ图可转化为p－V图，其中V＝Ap•s，s为θ的函数作用：反映进、排气系统压力波动对指示功的影响。图9某双作用压缩机中压力脉动对指示功的影响第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4.气缸压力指示图及其分析4.5各种进、排气系统图10压缩机进排气系统种类第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5.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。5.1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11压缩机装置示意图图12级间工作压力的建立第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5.热力性能5.2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13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第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5.热力性能5.3容积流量

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

故障第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5.热力性能5.4压缩机效率

等温效率

绝热效率

比功率

制冷中能效比5.5利用热力性能分析故障

中医式的故障分析方法

第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.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。

6.1惯性力求取

曲柄连杆机构的运动关系

速度与加速度

图14曲柄连杆机构的运动关系第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.压缩机动力性能6.1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第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.压缩机动力性能6.2作用力分析图15压缩机作用力分析气体力——内力；惯性力——自由力第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.压缩机动力性能6.3惯性力平衡

往复惯性力

单列：平衡很复杂

两列或多列：

①相互抵消

②用平衡重

回转惯性力

平衡重平衡图16气缸中心线相对地平面不同位置的各种配置第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.压缩机动力性能6.4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17单自由度弹性系统图18放大系数β与ω/ωn及μ的关系第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.压缩机动力性能6.4未平衡惯性力处置

基础与隔震垫（无基础设计）

图20减震器支撑的压缩机图19基础示意图第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.压缩机动力性能6.5转矩平衡

利用飞轮积蓄能量：

图21某机器一转的总切向力图第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.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。

7.1对气阀的要求：工作可靠阻力损失小形成余隙容积较小

图22气阀的基本组成第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.2气阀工作过程

图23气阀起闭工作过程及弹簧力不当的工作曲线第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.3气阀命名图24气阀的各种起闭元件形状第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.4环状、网状气阀种类阀座通道宽、窄

图25窄通道开式环状气阀图26宽通道低压进气阀第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.4环状、网状气阀种类升程限制器结构：气垫、开式、闭式图27气垫阀图28高压闭式环状气垫阀结构第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.4环状、网状气阀种类组合阀簧片阀

图30簧片阀图29超高压组合阀结构第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.5阻力损失

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31环状阀流量系数α0与H/b及p/s的关系第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.5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32不同马赫数的相对压力损失曲线第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.6气阀工作过程的数学模拟

运动方程

流动方程

容积方程第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.7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33螺旋弹簧图34悬臂式板弹簧第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.8戴维斯法检验气阀可靠性

图35阀片运动时的特征角θ1——气阀假想关闭角,即假定无气体推力时,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.θ2——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.θ3——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.第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.9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36进、排气阀在8MPa,12MPa,18MPa进气时的工作状况第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.9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37进、排气阀在弹簧系数为1000，3000，5000N/m时的工作状况第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.9变工况下的气阀设计

不同升程对气阀工作状况的影响图38进、排气阀在升程为0.5，0.8，1.0mm时的工作状况第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.9变工况下的气阀设计

不同升程对气阀工作状况的影响图39进、排气阀在升程为0.5，0.8，1.0mm时的撞击速度第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.气阀7.10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。7.11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

阀片崩裂第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.1密封原理

节流

阻塞

图41迷宫密封原理微隙迷宫图40环形间隙泄漏示意图第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.2活塞环密封

密封机理:

阻塞加节流图42活塞环密封第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.2活塞环密封

结构形式:图44整体活塞环与剖分活塞环切口形式整体剖分图43切口形式第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料

8.2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，1～24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45不同转速时具有两道与六道活塞环前的压力第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.3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46平面填料的结构形式第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.3填料

结构：

图47具有三瓣和六瓣密封元件的平面填料图48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，高压锥形填料第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.3填料

材料：同活塞环

组数:2~88.4前置填料：

图50具有平面密封元件并具有前置填料的填函结构图49锥形填料第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.活塞环与填料8.5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53光洁度与硬度对磨损量的影响

图51不同填充剂的填料磨损因子图52不同性质、数量填充剂在碳氢气体中的磨损因子第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六9.管道振动9.1机理

排气不均性形成周期激发。

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54压力脉动图55全波反射的形成图56转角对作用力的影响第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六9.管道振动9.2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：

①

设置孔板，孔径，能使振幅降低2/3，形成压损。

②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。

尽量用半径大的折转过渡，使激发力减小——可能影响车间布置美观。第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六10.噪声10.1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。P0＝2×10－5

Pa，人刚能听到——听阈声压P＝20

Pa，人耳感觉疼痛——痛阈声压第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六10.噪声10.2往复压缩机噪声源

气缸内指示压力周期变化——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——皮带振动第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六10.噪声10.3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10.4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——第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六11.往复压缩机可靠性11.1引言至今，还有人认为往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。第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六11.往复压缩机可靠性11.2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。11.3设计可靠性