小型超高压隔膜式压缩机的研制

小型超高压隔膜式压缩机的研制

一、隔膜式压缩机膜式压缩机是一种特殊的结构体积式压缩机，具有压缩幅度大、密封良好、压缩气体不受润湿和其他固体杂质污染的特点。因此适用于压缩高纯度、稀有贵重、易燃易爆、有毒有害、具有腐蚀性以及高压等气体。目前国内生产的隔膜式压缩机体积流量一般在5m3/h以上,最高排气压力在100MPa以下,这类隔膜式压缩机不仅个头大,而且很笨重,移动较困难。而体积流量在5m3/h以下,排气压力在100～200MPa的产品为数甚少。尤其在实验室为一些小型试验件做科研试验时,非常需要一种小型化、易移动、压力高的产品。而实际上往往用5m3/h的机型替代,这样势必造成不必要的能源浪费。为满足上述要求,设计了一种小型超高压隔膜式压缩机,填补了此类机型空白。二、工作方法和原则1.增压装置设计小型超高压隔膜式压缩机的结构如图1所示,主要由电动机、蜗杆减速器、机座、曲轴、开槽摆动杠杆、一级低压缸体组件、二级高压缸体组件、一级低压柱塞、二级高压柱塞、一级自动补油装置、二级自动补油装置及其高压管路连接件等零部件组成。与传统隔膜式压缩机在结构上相比,小型超高压隔膜式压缩机具有以下特点。(1)采用蜗杆副作为动力传动装置用来传递两交错轴之间的运动和动力。与传统隔膜式压缩机动力由电动机通过V带传动相比,减速传动比范围大,结构尺寸紧凑,承载力强,传动平稳,无噪声,使用寿命长,工作安全可靠,并在一定条件下可实现反向自锁等。从而大大减小隔膜式压缩机的外形尺寸和重量。(2)运动部件采用曲柄旋转—摆动导杆机构主要作用是将动力装置的旋转运动转换成柱塞的往复直线运动,并输出动力。该机构利用省力杠杆原理,开槽摆动杠杆动力臂长,阻力臂较短,从而大大减轻电动机及蜗杆减速装置的工作负荷,节省能源。这样电动机功率较传统压缩机可以减小很多,电动机的体积也就相应变小。(3)采用新型柱塞式二级增压结构实现曲轴每旋转360°,压缩机即完成一个工作循环,带动高、低压两级柱塞各完成一次吸气和排气过程,此两级柱塞吸气与排气过程相位正好相差180°。而传统隔膜式压缩机只有一次吸、排气过程,与之相比,小型超高压隔膜式压缩机工作效率提高近一倍,通过二级增压工作压力得到大幅度提高,最大可达200MPa。而压缩机的运动部件减少,重量减轻,占地面积减小,便于搬运携带,方便实验室作科学试验。(4)采用液压油自动补偿装置主要作用是保证液压油在工作循环过程中自动定量补充液压油,使液压工作腔保持足够的液压油。而传统隔膜式压缩机采用液压油补偿泵,导致机型结构复杂,体积较大,不利于维护保养,故障率高。2.自动补油装置(1)小型超高压隔膜式压缩机工作原理压缩机工作时,动力由电动机直接通过蜗杆减速装置传递至主机曲轴,曲轴带动开槽摇动杠杆左右摆动,开槽摇动杠杆通过导向轴分别与一、二级柱塞活动连接,至此将旋转运动转换为往复直线运动,通过柱塞驱动缸体内的液压油,将力均匀地传递至膜片,使膜片作往复运动,从而达到提高介质压力的目的。曲轴每旋转1周,带动开槽摇动杠杆左右摆动各一次,压缩机即完成一个工作循环,带动高、低压两级柱塞各完成一次吸气和排气过程,气体一般先进入一级低压缸体内,经一级柱塞压缩将压力提升至70MPa输送至二级缸体内,再经二级柱塞压缩至用户所需压力200MPa后供给用气设备使用。(2)自动补油装置的工作原理柱塞在吸油过程中,位于柱塞顶部的工作油腔容积增大,工作油腔内压力降低,注油器内部的工作油压力大于进油止回阀内弹簧弹力和工作容积压力之和时,进油止回阀打开,部分工作油进入油腔;在压缩过程中,该工作油腔容积慢慢缩小,油腔内压力慢慢升高,工作容积压力高于调压阀内弹簧弹力时,进油止回阀关闭,调压阀打开,工作油进入注油器。在自动调压阀的作用下自动调节液压缸内进、排油压力,多余的油通过自动调压阀排出回流到注油器。三、主要技术和结构设计1.最大排气压力体积流量:0.015m3/h。级数:2。进气压力≥0.35MPa。最大排气压力200MPa。工作频率48次/min。减速装置速比:30∶1。电动机特性:功率为1hP(1hP=745W),电压230/380V,转速1450r/min,频率50Hz。2.填有真空液力冲击试验由于液压油的惯性,使得柱塞在缸体内往复运动不能过快,否则液柱跟不上柱塞的运动速度,缸体内液压油腔可能填不满,将产生真空,造成液力冲击,使金属隔膜损坏。因此,根据手动液压泵设计经验,初步确定柱塞工作频率在45～50r/min较合理,选择电动机转速1450r/min,推算出减速装置速比i=1450r/min÷48r/min≈30:1,考虑结构紧凑,设计蜗杆减速装置,经反复测试,完全满足性能要求。3.压力和流量缸体组件是隔膜式压缩机的关键部件,主要由缸体(包括配油盘)、缸盖、金属膜片、高压密封组合和进气、排气止回阀等零部件组成,如图2所示。为了减小产品体积,将配油盘与缸体设计成一个整体,省去单件配油盘。在缸体与缸盖各有一形状特殊的曲面,一组金属膜片夹紧在中间,形成两个空腔:位于缸盖侧为气腔,位于缸体侧为液压油腔。压缩机膜头采用静态O形环密封,O形环材质为特氟龙或者合成的弹性材料制成,使用寿命长,无动态密封,保证气体压缩时无泄漏。另外,O形环密封可减小缸盖螺栓紧固力矩。液压油自动补偿装置是用来补充液压油使膜片在压缩行程终了时能紧贴缸盖曲面,排尽气腔内压缩气体。主要由进油止回阀、注油器、调压阀及管路连接件等零部件组成。隔膜式压缩机一般使用两个相同的液压油自动补偿装置分别安装在两个缸体组件上,为两个缸体服务。省去了液压油补偿泵,结构简单,工作可靠。4.柱塞和组合密封结构为了能把气体压缩至200MPa,按逐级增压的方式,把压力分为70MPa和200MPa两个压力段,均选择为柱塞式,柱塞材料采用合金结构钢15CrA,渗碳层深度0.5～0.8mm,淬火55～60HRC,表面镀铬。采用高压轴用组合密封结构,如图2所示,此结构安装方便,体积小,压力高,密封性好。因此具有活塞式隔膜压缩机不可代替的优势。四、超高压酶基