（动力机械及工程专业论文）新型圆活塞容积泵的研究.pdf

新型圆活塞容积泵的研究 摘要 活塞容积式泵是依靠工作元件在泵缸内作往复或回转运动，使工作容 积交替地增大和缩小，以实现液体或气体的吸入和排出。工作元件作往复 运动的容积式泵称为往复泵，作回转运动的称为回转泵。活塞容积泵可以 应用于制冷压缩机，空气压缩机，真空泵，液压泵等各种容积泵。而往复 压缩机是最早应用于制冷系统的。 目前，广泛使用的两种容积泵都存在各自的缺点，往复活塞式是通过 曲柄连杆机构驱动，使结构复杂，体积大，转速低。滚动活塞式结构简单， 体积小，转速高，但是容积利用率低。 本实用新型活塞容积泵是一种不用曲柄连杆机构的新型圆活塞容积 泵，它融合了往复活塞式和滚动活塞式容积泵两者的优点，解决了往复活 塞式容积泵结构复杂、转速低和滚动活塞式容积泵容积利用率低的问题， 同时让活塞有一定的转动自由度，解决了摩擦磨损大的问题。 本课题以将活塞容积泵应用到制冷压缩机上为例，运用s o li dw o r k s 软件设计了这种新型活塞容积泵的结构，用v i s u a lb a s i c 编程计算了与传 统曲柄连杆机构活塞式压缩机相比在运动学、热力学、动力学等方面的优 点，分析了在减少摩擦、振动、泄漏等方面的特点。结论表明，这种新型 压缩机摩擦与磨损小，结构简单，驱动方便，容积利用率高，有广阔的应 用前景。 关键词：活塞容积泵活塞摩擦泄漏 i r e s e a r c ho nt h en e wr o u n dp i s t o n p o s i t i v e d i s p l a c e 匝n tp 啪 a bs t r a c t p i s t o np o s i t i v e d i s p l a c e m e n tp u m pf i n i s hw o r k i n gd e p e n d e do nt h ee l e m e n t a d v a n c ea n dr e t u mm o v e m e n to rr o t a t ei nt h ec y l i n d e r , m a d et h ew o r k i n g c a p a c i t ya l t e r n a t ec h a n g eb e t w e e ne n l a r g en a r r o w i n g ，t or e a l i z et h e a i ro rl i q u i d i n h a l eo rd i s c h a r g e t h ew o r k i n ge l e m e n tw i t ha d v a n c ea n dr e t u r nm o v e m e n ti s c a l l e dr e c i p r o c a t i n gp u m p ，t h ew o r k i n ge l e m e n tw i t hr o t a t ei sc a l l e dr o t a r y p u m p p i s t o np o s i t i v e d i s p l a c e m e n tp u m pc a nu s ef o rr e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o r ， a i rc o m p r e s s o r ，v a c u u mp u m p ，f l u i dc o m p r e s s o ra n ds oo n b u tr e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o ri st h ee a r l i e s tt ob eu s e df o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m n o w , t h et w ot y p e so fw i d e s p r e a dp o s i t i v e - d i s p l a c e m e n tp u m p sh a v ee a c h d i s a d v a n t a g e ，r e c i p r o c a t i n gp i s t o n t y p ei sd e r i v e dt h r o u g hc r a n kc o n n e c t i n gl i n k , m a d et h ec o n s t r u c t i o nc o m p l e xa n dv o l u m eb i g g e ra n ds p e e do fr o t a t i o nl o w e r r o l l i n gm o v e m e n tp i s t o nt y p eh a ss i m p l ec o n s t r u c t i o n ，l i t t l ev o l u m ea n dh i g h s p e e d o fr o t a t i o n ，b u tl o w c a p a c i t yu t i l i z a t i o nr a t i o t h en e wr o u n dp i s t o np o s i t i v e d i s p l a c e m e n tp u m pi sn e wt y p eo fp i s t o n p o s i t i v e - d i s p l a c e m e n tp u m pw i t h o u tc r a n kc o n n e c t i n gl i n k i th a st h ee x c e l l e n c e b o t hr e c i p r o c a t i n gp i s t o nt y p ea n dr o l l i n gm o v e m e n tp i s t o nt y p e ，r e s o l v e st h e p r o b l e m sw i t hr e c i p r o c a t i n gp i s t o np u m p sc o n s t r u c t i o nc o m p l e x ，l o ws p e e do f r o t a t i o na n dr o l l i n gm o v e m e n tp i s t o np u m p sl o wc a p a c i t yu t i l i z a t i o nr a t i o ，i t a l s oh a st h ep i s t o nw i t hr o t a r ym o v e m e n tf r e e d o m ，r e s o l v e st h ep r o b l e m sw i t h i t ) l g g e rt r i c t i o na n da b r a s i o n t h i st h e s i sp u t st h en e wr o u n dp i s t o np o s i t i v e d i s p l a c e m e n tp u m pt ou s e r e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o ra sa ne x a m p l e ，u s e ss o l i dw o r k sd e s i g nt h en e w p u m p sc o n s t r u c t i o n ，u s e sv i s u a lb a s i ca c c o u n tt h ea d v a n t a g ew i t hk i n e m a t i c s ， t h e r m o d y n a m i c s ，d y n a m i c sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc r a n kc o n n e c t i n gl i n k p i s t o nc o m p r e s s o r a n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i ca b o u tr e d u c i n gt h ef r i c t i o n ， a b r a s i o n ，l e a ka n ds oo n t h er e s u l ti n d i c a t e st h en e wp u m ph a sl i t t l ef r i c t i o n a n da b r a s i o n , s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，c o n v e n i e n td r i v 吣，h i 曲c a p a c i t yu t i l i z a t i o n r a t i o ，a n dh a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：p i s t o np o s i t i v e d i s p l a c e m e n t ；p u m p ；p i s t o n ；f r i c t i o n ；l e a k i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作：盔嬲 刎年咖多日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲强蛾翩虢包壤妒蝌月玎日 新型圆活塞容积泵的研究 第一章绪论 1 1 活塞式压缩机的发展历程 公元前1 5 0 0 年我国商代劳动人民发明的木制风箱，是往复压缩机的雏形。近代空 气压缩机的鼻祖，当推公元1 6 4 0 年在德国制造成功的机械真空泵。7 0 年代初期，德 国德累斯顿技术大学提出了著名的各类压缩机技术演化完善度评价曲线，表明往复活塞 压缩机的历史最久远、变革进程最长、完善度最高，即使其它类型压缩机随后崛起，并 且技术发展迅猛，使往复活塞式压缩机七十年代前在各种应用领域的全面垄断地位发生 了不小的变化。不过，由往复式压缩机自身固有的结构特点和工作特性所决定，迄今为 止，它不仅在世界工艺流程中用于中高压力、大中小容量领域，还在若干专用场所拥有 牢固的技术经济优势，并占有压倒性的份额。2 0 世纪5 0 年代初的国民经济恢复时期， 各类矿山亟需采掘用空气压缩机，我国压缩机制造业遂应运而生，从1 9 5 0 年，我国开 始制造压缩机以来，制造技术已经越来越成熟，各种压缩机产品型号齐全，广泛应用于 空气动力、输送、工艺制冷流程中。例如，低密度乙烯聚合用超高压压缩机，迄今仍由 往复压缩机所独占，为其它类型压缩机所无从问鼎n 1 。 近2 0 年来，无论是在国际上还是国内，活塞式压缩机主要用于以下几方面： 在各种矿山机械中，用各种空气压缩机驱动风镐、风钻等； 炼油及石油化工企业多种装置及流程所需多品种、大中功率、中高压力氢气压缩机； 石油、天然气企业天然气输送及天然气回注采油用多品种大中功率、高压力天然气 压缩机； 冰箱、冷库、空调用中小功率制冷压缩机。 活塞式压缩机分为滚动活塞式和往复活塞式两种。滚动活塞式压缩机具有结构简单、 零部件少、体积小、重量轻、往复运动部件少、振动和噪声较小等特点，滚动转子压缩 机比相同制冷量的往复压缩机零件少5 0 ，体积减少6 0 ，重量轻3 5 。c o p 值高出1 5 。 在结构上，可把余隙容积做的很小，基本上没有膨胀气体的干扰。此外无吸气阀，使流 动阻力小，导致容积效率高、能效比高。滚动转子压缩机的这些特点使其在汽车空调系 统中得到了广泛应用。 滚动活塞压缩机的发展至今有大约7 0 年的历史。它首先是从美国2 0 世纪3 0 年代开始 发展起来的，当时美国v i l t e r 公司生产的该种压缩机理论排气量为2 5 - 一4 5m 3 m i n 。其 f - 西大掌硕士掌位论文 新型圆活塞客积泵的研究 次瑞士e s c h e r - w y s s 公司也开始生产这种压缩机，排气量范围是0 8 - 1 6m 3 m i n ，轴功 率7 5 一 - 1 4 6 k w 。此后，陆续有众多厂家为把滚动活塞压缩机用于小型制冷装置而进行了 不懈地努力瞳1 。 滚动活塞压缩机作为制冷装置的主机，于2 0 世纪5 0 年代在全球风行一时，但所采用 的复杂结构与系统难以与当时崛起的螺杆压缩机相竞争，与传统的活塞压缩机也无法抗 衡。7 0 年代以后由于对节能和舒适性的要求越来越高，滚动活塞压缩机开始在小型空调、 热泵、家用冰箱中得到越来越广泛的应用，在小容量范围( 0 3 - s k w ) 有替代往复压缩机 的趋势。这主要是因为它具有如下特点：体积小、结构简单、运转平稳、噪声低，尤其 是能适应较大的工况变化( 压力变化) 。一般情况下，与具有相同制冷量的往复压缩机相 比，其零件少1 3 ，体积、重量均仅为往复的l 2 左右，耗电量少1 0 ，而效率提高l o 以上。在众多厂家及研究人员的不懈努力下，目前滚动活塞压缩机用于小型冷藏与空 调方面已日趋成熟，日本、美国、丹麦、瑞士等国均已成批生产滚动活塞压缩机。但这 种压缩机也有不利之处：( 1 ) 转子和气缸的间隙应严格保证，否则会明显降低压缩机的 可靠性和效率，因此，制造精度要求高；( 2 ) 由于在有相对运动的部位必须有油润滑， 而这种压缩机仍有气阀，因此，该机型既不易设计成无油型，也不易采用其它无气阀回 转式压缩机所采用的喷油系统；( 3 ) 用于热泵运转时制热量小。 往复活塞式压缩机的运动形式是活塞在气缸内作往复运动。它通常使用曲柄连杆机 构作为运动传送机构。 传统的往复式压缩机常用的曲柄连杆机构，如图1 1 所示： i 气缸2 曲轴3 曲轴箱4 连杆5 活塞6 捧气管7 排气腔8 捧气阀9 吸气阀l o 吸气腔l l 吸气管 2 新型圆活塞容积泵的研究 图i - 1 曲柄连杆机构 f i g1 - 1c r a n k - d r i v e nr o di n s t i t u t i o n 往复活塞式压缩机应用到制冷系统上，根据结构又可以分为以下几种： ( 1 ) 全封闭往复式压缩机 如图1 2 所示为全封闭制冷压缩机。全封闭制冷压缩机的特点是将压缩机与电动机 一起组装在一个密闭的罩壳内，形成一个整体，从外表看只有压缩机的进、排气管和电 动机引线。通过整个制冷系统接口的全部焊接解决了整个制冷系统工作过程中制冷剂的 泄漏，大大地提高了整个制冷系统工作的可靠性。但活塞压缩机固有的进排气伐片故障、 曲轴连杆活塞这些将电机旋转运动转换为往复直线运动对效率的影响、转动部分的抱轴 卡涩、活塞余隙对效率的影响等问题并没有解决。从容量看，绝大多数全封闭往复式压 缩机都不超过o 5 k w ，主要应用于家用电冰箱、冷冻柜和小型商用制冷设备中，世界市 场年需求量约为8 5 0 0 万台。除具备以r 2 2 为制冷剂的压缩机生产能力外，所有的全封 闭往复式压缩机生产商，都可生产h f c ( r 1 3 4 a ，r 4 0 4 a ，r 4 0 7 c ，有些厂家甚至可生 产r 5 0 7 ) 机型，他们中多数还具备h c ( 碳氢化合物，如：r 6 0 0 a ：异丁烷，r 2 9 0 ：丙烷) 机型的生产能力。 l 壳体2 垫圈3 电动机定子4 电动机转子5 进气包6 进气管7 曲轴8 平衡块9 连杆1 0 活塞 1 l 气缸盖1 2 线板1 3 气缸1 4 捧气管1 5 下轴承1 6 端盖1 7 稳压室 图1 2 全封闭往复活塞式压缩机剖面图 f i g1 - 2t o t a l l ye n c l o s e dt y p ep i s t o n - t y p ec o m p r e s s o r 3 广西大掌硕士掌位论文新型圆活塞容积泵的研究 绿色冰箱( 使用h c 为制冷剂的冰箱) 在一些地区很受欢迎，在欧洲( 如德国和一 些北欧国家) ，它们已成为非常普通的白色家电，目前市场占有率已超过5 0 “1 。中国 的几家生产h c 机型的压缩机厂商都被世界几大压缩机巨头所操纵，如伊莱克斯、恩布 拉科、松下等。 ( 2 ) 半封闭式往复压缩机 如图1 3 所示。这两种类型的往复式压缩机在a c r 行业中最为传统，有关它们 在制冷领域的发展形势和封闭式往复压缩机相似。不同的是，对这两种机型，受欢迎的 制冷剂是氨和c 0 2 而不是h c 。美国和世界的项级制造商，如谷轮、c 砌y l e c a 耐e r 、 l t e r 、约克m c q u a y 等都在继续生产高品质的半封闭开启式产品。由于它们在世界各 地都建立了自己的销售、维护和维修服务网络，即使在旋转式压缩机发展势头迅猛的形 势下，它们的领先地位仍无人可敌。 l 外壳2 电动机3 进气管4 进气过滤器5 连杆6 阀板7 捧气管8 油泵9 油过滤器 图1 3 半封闭式压缩机 f i gi 3a e e e 鹃i b l e 唧r e s s o r ( 3 ) 开启式往复压缩机 开启式压缩机的曲轴功率输出端伸出机体，通过联轴器或带轮和和原动机相连接， 它的特点是容易拆卸、维修，但密封性比较差，工质容易泄漏，因此曲轴外伸端有轴封 装置。因为泄漏大，直接影响工作效率，在小型压缩机中已经不常见。 关于往复式压缩机零部件：随着欧美往复式压缩机在世界市场上的扩散，相应的零 部件更换业务也发展起来。勿庸置疑，用户都希望能用原生产厂家的零部件来进行设备 维护，但考虑到价格和发货时间等因素，一些用户还是倾向于使用其他供应商提供的零 4 新型圆活塞容积泵的研究 部件。因此，特定零部件经销商就逐渐多了起来。高可靠性，冷却效果高，低噪音，低 排气脉冲，零部件的精密加工，保证压缩机的运转效率高，良好的冷却降低了应力的产 生，延长了机器的寿命。特制的阀片设计，确保压缩机的耐液击能力高。内置安全装置 保证压缩机的可靠运行。宽广的运转工况，广泛适用于冷冻、冷藏陈列柜，自动贩售机， 商用冰箱，制冷机，除湿机，低温试验设备，以及专用低温设备等。 1 2 活塞式压缩机的新进展 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户的需要和激烈的市场竞争，研究与开发一 直在广泛而深入地进行着，这些研究状况与成果，通过许多刊物、国际性会议、专利与 新产品得到了充分体现。当今世界上最集中体现的是下列国际性的学术会议：( 1 ) 由美国 普度大学举办的“国际压缩机工程会议 ( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o re n g i n e e r i n g c o n f e r e n c ea tp u r d u e ) ；( 2 ) 由西安交通大学举办的“国际压缩机技术会议 ( t h e i n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o rt e c h n i q u ec o n f e r e n c e ) ；( 3 ) 由英国流体机械工程学会与 伦敦城市大学举办的“国际压缩机及其系统会议 ( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o ra n d i t ss y s t e mc o n f e r e n c e ) ；( 4 ) 主要由德国德来斯登技术大学与奥地利贺尔碧格公司负 责的“欧洲往复压缩机论坛 ( t h ee u r o p e a nf o r u mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ) 。 此外还有俄罗斯流体工程学会与彼得堡技术大学举办的国际压缩机会议的有关论文等。 这些会议所发表的论文基本上体现了当今世界上压缩机的研究状况和水平。总的来讲， 压缩机研究都是围绕下列方向进行的n n ：( 1 ) 不断提高压缩机的经济性和可靠性；( 2 ) 根 据生产发展需要开发新产品；( 3 ) 应用新工艺与新材料；( 4 ) 降低制造成本；( 5 ) 降低噪 声n 2 。 1 驱动机构的变化 传统的往复压缩机是由旋转电机通过曲柄连杆机构使活塞产生往复运动。近年来， 国际上涌现出依靠电磁振荡作用的直线电机直接驱动活塞往复运动的压缩机，目前仅限 于小功率压缩机上。电磁振动活塞式压缩机是利用电磁力及弹簧共振力作动力源，直接 推动活塞往复运动进行工作的，具有体积小、重量轻、机械效率高等特点，但整机效率 低、排气压力低是其弱点。 2 结构的变化 英格索兰公司推出v i p 型压缩机，这是2 0 世纪5 0 年代起，大型往复压缩机从一般 卧式变成对动式后，结构上的又一创新，其主要创新点是十字头，活塞杆直接连接于十 5 新型圆活塞容积泵的研究 字头销上，使十字头只承受侧向力，需要用叉型连杆小头。实际使用的运动件最大作用 力为8 0 0 1 0 0 0 k n ，是目前世界上最大的往复用压缩机。 3 新材料及合成润滑油的应用 聚醚酮，质量轻，作为气阀阀片时可用较大的升程，并且噪声较小。聚苯胺脂，具 有自润滑性能，可以解决长期困扰气缸无油润滑时活塞环的冷流问题，而且密封的压力 可突破过去限制的1 5 m p a 。合成润滑油。可用于排气温度超过1 8 0 的压缩机。 4 新工艺应用 激光照射提高气缸内壁的耐磨性，并且应用大型数控加工中心，使加工精度提高。 5 新型工质压缩机 各种新型工质的压缩机仍然是研究的热门，其市场会在一定滞后时间后得到发展。 目前最热门的应当是c 0 2 压缩机了，特别是跨临界循环。各种类型，包括活塞、滑片以 及螺杆等的c 0 2 压缩机均在研发与应用中。 6 线性( 直线) 压缩机 线性压缩机是往复式压缩机的一种型式，由于电动机的直线运动可以直接带动活塞 的往复运动，从而避免了曲柄连杆机构的复杂性和由此带来的机械功耗，可以在较大范 围内保持效率不变。线性压缩机关键技术是压缩机油路系统的设计、电动机线性位移极 限点的有效控制，以及相应的防撞技术。 1 3 课题的研究背景及意义 压缩机作为一种通用机械，它的种类很多，用途很广，广泛应用于国民生产各个行 业中，随着科学技术的进步，特别是近年来石油、化工、塑料和合成材料以及制冷工艺 的发展，国家对压缩机的需求量越来越大，对压缩机产品质量的要求也越来越高。而这 些压缩机中往复活塞压缩机占主要份额，因此了解活塞式压缩机的特性，对其性能的改 进有很大的经济意义。 一 活塞式压缩机的适用压力范围广，因为依靠容积变化的原理工作，所以不论其流量 大小，都能达到很高的工作压力。目前已制成低、中、高、超高压各种压缩机，其中工 业上超高压压缩机的工作压力可达3 5 0 m p a ( 3 5 0 0 k g f c m 2 ) 。因压缩过程属封闭过程， 所以热效率较高，适应性强。排气量范围广，且受排气压力变化的影响较小，当介质质 量改变时，其容积排量和排气压力的变化也较小。缺点是转速不高，机器大而重；结构 复杂，易损件多，维修量大；排气不连续，造成气流脉动；运转时有较大的震动和噪音。 6 新型圆活塞容积泵的研究 压缩机是制冷系统的核心耗能部件，提高制冷系统效率的最直接有效手段是提高压 缩机的效率，它将带来系统能耗的显著降低。同时这样还能避免仅在系统上采取措施( 如 一味加大换热器面积等) 所造成的材料消耗的大量增加。近年来，随着世界上能源紧缺 形势的日益严重，各个国家越来越重视节能工作，对耗能产品的效率提出了越来越高的 要求。由于各种损失诸如摩擦、泄漏、有害传热、电机损失、流动阻力、噪声振动等的 存在，压缩机工作时实际效率远低于理论效率。因此，从理论上讲，任何能够降低任意 一种损失的措施都能够提高压缩机的效率。这一客观事实导致了对压缩机的节能研究范 围广、方向宽，研究课题与研究成果多种多样。 目前国际上对压缩机的节能研究工作主要集中在几个方面：研究润滑特性、压缩机 轴承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高压缩机效率；降低泄漏损失以提高压缩机的 效率；采用变频或变容技术通过制冷系统的输出与用户负荷的最佳匹配来实现节能。有 关这方面的内容特别是变频技术目前已相对较为成熟且广为人知。气阀的研究是一个古 老的课题但也是一个永恒的课题，改进气阀的设计以提高压缩机效率的研究永无止境也 永有收获。这方面的研究非常之多，从气阀材料、运动规律、结构优化到适用理论、测 试方法等包罗万象。总之，关于压缩机节能方面的研究已成为近年来制冷行业的一个首 要热点问题。 普遍使用的家用制冷压缩机大多数使用旋转式电动机驱动活塞作往复振荡，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。通过对这类制冷压缩机 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往复惯性力、 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两项都是因为使用旋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。 综上所述，本课题的研究意义在于：本新型活塞容积泵是提供一种不用曲柄连杆机 构的新型圆活塞容积泵，它融合了往复活塞式和滚动活塞式容积泵两者的优点，解决了 往复活塞式容积泵结构复杂、转速低和滚动活塞式容积泵容积利用率低的问题，同时让 活塞有一定的转动自由度，解决了摩擦磨损大的问题。在此基础上，提出了新型圆活塞 7 新型圆活塞容积泵的研究 容积泵的结构，并从机构学、运动学、热工学和密封理论等角度切入，通过建立压缩机 的数学模型，获取具有低摩擦、低泄漏概念的创新结构压缩机。 1 4 本文所做的工作 本文提出了一种新结构的圆活塞容积泵，并将容积泵应用在制冷压缩机上。对工作 原理做了阐述，运用s o l i dw o r k s 软件对这种新结构圆活塞容积泵进行详细设计，包括 整体组装，各个零部件的零件图，并用v i s u a lb a s i c 编程模拟活塞的运动，计算其运动 特性，同时进行了热力计算，动力计算等。对新结构的进气系统、排气系统、密封系统 等作了分析，在泄漏方面与传统曲柄连杆机构作了对比。 通过对比表明，这种新结构圆活塞容积泵应用到制冷压缩机上，在提高效率、简化 机构、减小摩擦与振动、降低磨损等方面效果明显，有广阔的应用前景。 8 广西大掌硕士掌位论文 新型圆活塞容积泵的研究 第二章新型圆活塞容积泵的结构及原理 采用曲柄连杆机构是传统往复活塞式压缩机沿用的传动机构，现在正面临着以螺杆 压缩机为代表的回转式压缩机的挑战，特别是中小型压缩机，其形势更为严峻。但往复 活塞式压缩机已有百余年历史，在设计、工艺等方面已趋完善，在大型及部分中型高压 比压缩机中占有无法替代的优势；对于微小型压缩机，关键在于扬长避短，开发各种新 型往复活塞式压缩机。运动转换机构是指把曲轴的回转运动转化为活塞往复运动的机 构，它直接影响压缩机的密封、泄漏，它对压缩机的结构尺寸、动力特性等更是有着重 要影响。因此，往复活塞式压缩机的近代发展往往与运动转换机构的发展紧密联系在一 起。 本课题正是用新型的传动机构取代曲柄连杆机构，通过新机构解决密封、泄漏等问 题，从而提高压缩机的动力特性、能效特性，减少磨损、摩擦、振动等问题。 2 1 新型圆活塞容积泵的结构 对于传统曲柄连杆结构活塞压缩机在结构上存在的不足之处，主要表现在： d 1 ) 传统曲柄连杆机构的活塞式压缩机曲轴半径与连杆长度之比力= 芸，一般取值在 上 11 到 之间，大大增加了机构的体积和重量，制约了活塞压缩机小型化的发展。 4o 2 ) 曲柄连杆机构会产生很大的惯性力和惯性力矩，需要用大小相同方向相反的惯 性力和惯性力矩来平衡。平衡的方法一是加大重基础，另则可以在机内设置平衡块。两 种方法都加大了机构的重量，而且容易产生很大的振动和摩擦。 3 ) 活塞在连杆的带动下会产生往复质量惯性力，而往复质量惯性力沿着气缸轴线的 方向不断变化，在轴线上是没有地方可以放大小和方向不断变化的平衡重物，这样就增 加了活塞对气缸壁的冲击，造成很大的磨损和噪声。 4 ) 压缩机的各个运动副之间存在有比较高的相当运动速度，比如传动轴和连杆之间， 连杆和活塞之间，由此必然会产生较大的摩擦和磨损。 5 ) 往复运动的活塞和气缸内壁之间是线接触的密封方式，由于活塞速度的剧烈变化 和本身的振动，很难避免冷媒从高压的压缩腔窜逸至低压的活塞外部，从而导致了较大 的内部泄漏损失。 本设计就针对传统曲柄连杆活塞压缩机所存在的上述弊端，提出了一种新型的圆活 9 广西大掌硕士学位论文新型圆活塞容积泵的研究 塞压缩机。 本新型圆活塞压缩机主要有主动轴、从动轴、活塞、活塞销、气缸、前后密封盖、 前后端盖、两侧气阀盖和进、排气阀限位片等零部件组成，核心部分如图2 1 所示： 5 6 7 3 l 润黹油道2 主动轴3 气缸4 进气口5 排气口6 活寨销7 活塞 图2 1 压缩机的核心零部件 f i g2 - 1m a j o re l e m e n t so f c o m p r e s s o r 活塞安装在气缸内，活塞销把主动轴、从动轴和活塞连成一体，气缸上部有进气管 和排气管，气缸左右两侧都开有槽，槽内有进气孔、排气孔、进气道和排气道，进排气 道分别与上部的进、排气管相通，进排气孔与气缸相通，形成从进气管一进气道一进气 孔一气缸一排气孔一排气道一排气管一个完整的循环，两侧的进排气孔上安装进排气簧 片和进排气阀限位片，用来控制进排气量。在左右侧槽底内，排气孔的下面开有润滑油 孔，从气缸排出的高压气体附带出润滑油，经润滑油孔进入到润滑油道内，气缸壁内开 有循环润滑油道，和主动轴、从动轴、气缸相通，润滑油用来润滑各个运动部件，以减 小摩擦和磨损，并能降低噪声和振动。如图2 2 所示： 1 0 广西大学硕士学位论文新型圆活塞容积泵的研究 7 9 10 6 4 2 1 润滑油道2 润滑油孔3 排气孔4 从动轴5 排气道6 排气u7 进气口8 进气道9 进气孔1 0 主动轴 图2 2 压缩机核心部件的侧面图 f i g2 - 2s i d ep i c t u r eo ft h em a j o re l e m e n t s 气缸的前后装有端盖，用于固定主动轴和从动轴，并连接气缸，形成一个整体。前 后端盖上装有密封盖，用于密封气缸的前后两侧，形成一个封闭腔。其整体图如2 3 ： 6 8 9 10 1 右侧气阀盖2 后密封盖3 后端盖4 气缸5 排气管6 左侧气阀盖7 前端盖8 进气管9 前密封盖1 0 主动轴 5 4 3 2 ， 新型圆活塞容积泵a , o z ：3 1 究 图2 - 3 压缩机的整体图 f i g2 - 3e n t i r e t yp i c t u r eo f c o m p r e s s o r 2 2 新型圆活塞压缩机的工作原理 本新型圆活塞压缩机的工作原理是：当主动轴在原动机的驱动下绕自身旋转中心转 动时，带动固定在其上的活塞销绕主动轴中心旋转，活塞销再带动活塞在气缸内作往复 运动。活塞在气缸内处于中间位置时( 为了便于说明选此位置) ，在活塞的左、右侧均 有相等容积的气腔，当活塞向右运动时，右侧气腔容积减小，气体被压缩，此时右侧进 气阀片关闭，排气阀片随着压力增大，当压力大到能克服背压后打开并排出高压气体， 同时左侧气腔容积增大，形成真空，并抽吸气体进入气腔，此时左侧进气阀片打开，排 气阀片关闭。同理，当活塞向左运动时，左侧气腔容积减小，气体被压缩，此时左侧进 气阀片关闭，排气阀片随着压力增大，当压力大到能克服背压后打开并排出高压气体， 同时右侧气腔容积增大，形成真空，并抽吸气体进入气腔，此时右侧进气阀片打开，排 气阀片关闭。可见，不论活塞向左或向右运动，活塞总有一侧气腔进气，一侧气腔压缩 和排气，进、排气是同步进行的，大大提高时间和空间的利用率。当排气阀片打开时高 压气体排出，并带出润滑油，经气液分离网片，润滑油进入循环油道，高压气体给润滑 油以压力，以克服润滑的流动阻力。其活塞位置图如图2 4 所示。 2 l i 气缸2 活塞 图2 - 4 活塞位置简图 f i g2 - 4p i s t o np o s i t i o np i c t u r e 本容积泵核心部件的运动也是靠活塞的上下往复运动，吸进气体、压缩气体、排出 气体，完成循环，基本原理与传统活塞式压缩机一致，运动情况可以用v i s u a lb a s i c 编 程模拟，如图2 5 所示： 1 2 新型圆活塞容积泵的研究 l i 图2 - 5 活塞运动模拟 f i g2 - 5p i s t o nm o v e m e n ts i m u l a t i o n 图中：0 - 代表主动轴旋转中心，o z 代表活塞销中心，0 3 代表活塞中心，0 。0 2 = 1 2 5 m m ， 0 2 0 3 = 1 6 5 m m 。主动轴旋转速度( - ) = 3 0 0 0 r m i n 。 本新型圆活塞容积泵的优点是： 1 、活塞销将主动轴和活塞连成一体，它们之间没有相对运动，大大降低了运动损失， 并减少了振动和噪声。活塞销和活塞之间几乎没有磨损，增加了零部件的耐用性。 2 、活塞两侧分别开有进、排气孔，活塞的一次运动就可以完成吸气、排气两步动作， 与传统活塞压缩机相比，效率提高了一倍。 3 、活塞销和活塞之间没有相对运动，当活塞销旋转时，给活塞一个侧向运动力，使 活塞向上下有轻微摆动，以此形成活塞与气缸壁之间的油膜，大大提高了密封性。 4 、活塞做成中空，质量减轻很多，加上和活塞销连成一体，往复惯性力很小，振动 和噪声就减小很多。 本新型圆活塞容积泵的缺点： l 、重要零部件主动轴、活塞销和活塞工艺要求很高，活塞与气缸之间的配合要求精密， 增加了工艺难度。 。 2 、主要零件集中在气缸上，气缸的制造工艺非常复杂，要求也高，不利用批量生产。 广西大掌硕士掌位论文 新型圆活塞容积泵的研究 第三章新型圆活塞容积泵的结构设计 3 1 主要设计参数 3 1 1 技术参数 名义冷量：7 0 0 0 w 能效比：2 8 转速：3 0 0 0 r m i n 排气温度： 1 2 0 冷冻机油：p o e ( e s t e r ) 5 0 0 m l 最大油温： 9 5 制冷剂：r 1 3 4 a 重 量： 5 0 0 ) ，最大硬度偏差不超过6 个单位。 另外为了减少传递过程中的能量损失，对活塞销的尺寸精度及行位公差要求较高，是一 个工艺难点。 关于活塞：如图3 5 ， 广西大学硕士掌位论文新型圆活塞容积泵的研究 图3 - 5 活榘 f i g3 - 5p i s w n 活塞是本压缩机重要的工作零件之一，它的工作情况直接决定了压缩机的效率。因 为活塞的工作情况是在3 0 0 0 d m i n 的主动轴的带动下作往复直线运动，速度变化非常快， 加速度很大，也是产生振动和噪声的主要原因，而质量是决定振动和噪声大小的一个重 要因素，因此本压缩机的活塞做成铸铝中空的，这样就可以最大程度的减轻活塞重量， 又不影响活塞的正常工作。如图3 - 6 ，活塞中心距活塞销孔中心的距离为1 6 5 m m ，活塞 直径4 6 m m ，厚度为3 4 m m ，中空直径为3 6 m m 。 2 1 活塞销孔2 中空活塞 图3 6 中空活塞剖面图 f i g3 - 6h o l l o wp i t o nc r o s s s e c t i o n 在制造方面，采用模具进行一次性铸造，而要预留的活塞销孔j 下好用作铸造时的浇 铸孔和砂型的透气孔。因为活塞销和活塞的配合、活塞和气缸的配合直接决定了系统的 密封性，因此要求活塞和活塞销孔的尺寸精确，形位公差精度很高。活塞边缘和气缸的 1 9 广西大掌硕士学位论文新型圆活塞容积泵的研究 工作室直接接触，高速往复运动时，具有一定的摩擦，压缩气体时会产生高温，为了提 高活塞的耐磨性，对其表面氮化处理，总渗氮层深度为o 3 m m 。 关于气缸：如图3 7 ， 7 8 9 10 11 三二一。一一6 i _ 5 1 润褙油孔2 进气孔3 进气门阀片螺钥孔4 进气道5 排气管6 进气管 7 排气道8 排气孔9 端盖螺钉孔l o 润滑油道1 l 密封盖螺钉孔 图3 7 气缸 f i g3 - 7c y l i n d e r 气缸是整个压缩机最重要、形状和工艺最复杂的零部件，其它零件都是围绕着它来 安装的。气缸不仅要形成压缩机的工作室，还承担进排气道和润滑油道，以及与外部管 路的连接。气缸要先用铸铁铸外形，然后铣槽、转孔，为提高工作室的耐磨性，要对工 作室表面进行氧化处理。对孔的尺寸精度要求高，配合要严格符合精度要求，防止泄漏。 关于左右阀盖：如图3 8 ， 新型圆活塞容积泵的研究 圈3 8 恻盂 f i g3 - 8v a l v ec a p 左右阀盖是安装在气缸两侧的零部件，主要作用是固定进排气阀片，形成封闭的进 排气道，并密封气缸的两侧。它对工艺和尺寸的要求不是很高，安装时在接触面槽内加 垫橡胶圈，以保证密封良好。材质选用铸铁。 关于气缸端盖：如图3 - 9 ， 图3 - 9 气缸盖板 f i g3 - 9c y l i n d e rc a p p i n gp l a t e 端盖的主要作用是密封气缸并连接密封盖，为了更好的密封，安装时在接触槽内要 加挚直径l m m 的橡胶圈，端盖的材质一般选用铸铁，对尺寸精度和工艺性要求不是很 2 l 广西大掌硕士掌位论文新型圆活塞容积泵的研究 关于前后密封盖：如图3 1 0 ， 图3 1 0 后搿封箍和前搿封盂 f i g3 - 10b a c ka n df r o n ta i r t i g h tc o v e r 前后密封端盖的主要作用是连接、支撑主动轴和从动轴，并密封气缸两端。前密封端 盖要支撑主动轴并密封整个系统，对孔的尺寸精度要求很高，它直接决定了气缸是否会 产生向外的泄漏，从而影响系统的效率。整个零部件的材质选用铸铁，主动轴高速旋转 时，会和前端盖的主动轴孔产生很大摩擦，因此要对端盖孔内进行渗氮处理，渗氮厚度 在0 3 m m 。 关于进、排气簧阀片：如图3 1 1 ， 图3 1 i 进、排气簧阀i f i g3 - 11 a i r i na n da i r - o u ts p r i n gv a l v e 迸、排气阀片是控制进、排气孔打开和闭合的重要零部件。它根据工作室内气体压力 广西大掌硕士掌位论文新型圆活塞容积泵的研究 的大小变化而控制进、排气孔的打开和闭合，选材一般用黄铜，质地优良，要求弹性良 好。 关于排气阀限位片：如图3 1 2 ， 图3 - 1 2 排气阎限位斤 f i g3 - 12a i r - o u tv a l v es p a c i n g 排气阀限位片是控制排气孔丌度的零部件。当工作室的压力达到一定的值，排气簧 片阀被高压气体顶开，排气阀限位片就是限制簧片的开度，并固定簧片。当排气结束， 进气阀打开，开始进气时，排气阀要关闭，形成密封空间，防止泄漏。选材也用铸铁， 尺寸精度要求不高。 进气阀限位片：如图3 1 3 ， 图3 1 4 进气阀限位片 f i g3 - 14a i r - i nv a l v es p a c i n g 2 3 广西大掌硕士掌位论文新型圆活塞容积泵的研究 进气阀限位片是固定进气簧片阀，将进气簧片阀安装在限位片的槽内，两端孔是螺 栓孔，用螺栓固定在气缸的槽内，形成一个封闭腔。材质选用铸铁，尺寸精度要求一般。 关于密封件：本压缩机的密封部位既有动态密封又有静态密封。考虑到本压缩机采 用r 1 3 4 a ( 或r 4 1 0 a ) 作为制冷剂，由于制冷剂对密封件的材料有特殊要求，故决定静 态密封件采用耐热氢化腈基丁二烯橡胶h - n b r 制做，动密封件采用充填聚四氟乙烯 p t f e 制做，充填剂主要为碳素纤维、石墨和二硫化钼等。对于主动轴封和从动轴封， 必要时还可以采用石墨制做成密封轴套，这样既耐漏又耐磨。 3 2 3 主要附件 本压缩机的主要附件有：密封橡胶圈、气液分离网和进排气管( 接头) 等，分述如 下： 关于密封橡胶圈：密封是影响压缩机工作效率的重要因素，本压缩机要求零件组装 时都要加垫直径l m m 的橡胶密封圈，要求形状和接触面吻合，用紧固螺钉固定时，将 橡胶圈压扁，形成完全密封。 关于气液分离网：由不锈钢丝网制成，安放在左右侧盖板内的排气口上，作用是把 排出来的高压气体中含的大颗粒润滑油分离出来。从气缸排出来的高压气体，因为含油 量较高，油经气液分离网时，由于润滑油微粒的尺寸较大，无法通过气液分离网的丝网 空隙而被分离出来；气体分子通过丝网空隙进入排气道，再通过排气管排出压缩机外； 被分离出的润滑油聚积到左右盖板底部的润滑油孔，在高压气体的动力下，进入整个润 滑循环系统。 关于进排气管：进、排气管的外接均采用软质脱氧铜管制成，通过钎焊方式焊接 在筒壳上，各配管( 接头) 与进、排气管的焊接必须密封和牢靠，在3 4 m p a 气体压力 下维持5 分钟不得出现泄漏。 3 3 迸气流速与排气流速及马