新型摇摆活塞式无油润滑空气压缩机的研究

2022-10-25

上世纪70年代出现了摇摆活塞式无油润滑空气压缩机, 它的特点是可以提供不含油污的清洁空气, 所以广泛应用于医疗行业、食品行业、电子行业和装饰等行业。摇摆活塞式压缩机采用活塞与连杆一体结构, 导致在活塞工作中不仅有往复运动还伴随摇摆运动, 所以, 对活塞上装配的密封环有很高的要求。近年来, 摇摆活塞式空气压缩呈现出良好的发展势头, 本文阐述了对现今摇摆活塞式压缩机结构及工作方式的改进方法。

一、新型无油润滑压缩机的结构设计及工作原理

1. 结构特征

新型压缩机的主要配件包括:气缸、活塞、密封环、连接杆、曲轴及曲轴箱等。活塞与连接杆一体, 活塞盖板将密封环紧紧压在活塞上。密封环选用具备自润滑性的材料并被做成皮碗状, 内部填充聚四氟乙烯, 运用其柔韧变形的补偿性适应活塞摇摆运动。

新型压缩机与传统压缩机结构形式的不同表现在:新型压缩机的气缸偏离曲轴的旋转轴线, 具体说来, 气缸距离压缩机形成的一侧存在一个偏置量e, 使活塞、密封环及连接杆的摆幅相对于气缸轴线不再具有对称性。这样做的效果是活塞和密封环在压缩运动时摆动幅度变小, 即压缩运动更接近直线, 有效减了对气缸侧壁的压力, 同时减小了密封环的椭圆变形量, 也使气缸的密封性增强。另一方面, 活塞和密封环在压缩活动中对气缸的摆动幅度更大, 即活塞和密封环与气缸侧壁之间存在更大空隙, 并将此侧隙作为压缩机的进气通道。现有的摇摆活塞式压缩机在其工作过程中活塞运动皆为对称布局, 即进气与压缩过程中的侧隙是相同的, 如果进气活动中留出较大侧隙作为进气通道, 则压缩过程中无法保障密封环的密封性, 两者很难做到兼顾[1]。

2. 侧隙进气原理

活塞从上止点向下止点运动的过程中, 压缩机内部容积不断增大并形成真空环境, 这时候活塞、密封环与气缸侧壁间出现侧隙, 新鲜冷空气经由曲轴箱穿过该侧隙然后进入压缩机工作内腔;当活塞从下止点向上止点运动时, 压缩机内腔容积不断缩小, 其内部气体受到压缩压力逐渐升高, 同时活塞、密封环与气缸内部间侧隙随之变小, 密封环在压力作用下膨胀后紧贴气缸内壁形成密封环境。活塞和密封环在气体进入压缩机的过程中扮演了“阀门”的角色, 所以, 压缩机不需要配置进气阀也可以实现换气过程[2]。

二、空气压缩机建模原理

要保障驱动杆工作时对摆杆有更大的转动角度γ, 使曲柄顺时针运动。设曲柄OA自上止点I经过角度a, 时, 相应活塞顶形心P从上止点下一距离x, 连接杆对奇光中轴线摆动角度设为β摆杆摆动角度为φ

三、新型压缩机设计案例介绍

1. 压缩机的设计参数及布局原理

新型压缩机选用了立式布局及电机直连的驱动方式。加设的摆杆装置布局在曲柄轴下部, 此外, 相对于曲柄轴的中轴线气缸实行偏离设置, 这样做有利于减小压缩机体积, 新型压缩机的高度为18.6cm, 比同样规格的老旧机型压缩了6cm, 并且压缩幅度高达24%, 这样大幅压缩体积同时降低了包装及运输费用, 特别是对于出口为主的产品来说, 大大增加了集装箱的运输量, 节省了巨大的运输费用[3]。新型压缩机与传统压缩机一样均采用过量平衡方法, 在曲柄轴上加装了一个过量的离心平衡部件, 以此实现对部分活塞连杆组件形成的往复运动的惯性平衡[4]。

2. 对新型压缩机的实验及评估

新型压缩机与同转速、同排量并且缸径相等的传统压缩机性能测试对比结果。从上表可以看出, 新型压缩机噪音降低了1d B (A) , 密封环的使用寿命提高了约10%, 这是由于在摆杆装置的约束下, 活塞连接杆摆幅减小带来的效果。同时, 从实验情况来看, 摆杆装置未出现异常情况, 说明其设计原理可行, 工作情况可靠[5]。

同时为了充分了解活塞对气缸壁的敲击对于压缩机噪音的影响程度, 在空载环境能下对于新旧两种压缩机进行了噪音值测试。实验结果表明, 新型空气压缩机的空载噪声值等于71b B (A) , 传统压缩机空载情况下的噪声值等于73d B (A) 。

结束语

通过摇摆结构有效约束连杆及活塞的运动方式, 明显的降低了活塞和连接杆在气缸中的摇摆幅度, 降低了活塞和密封环对气缸的摩擦和敲击强度, 有效的减小了压缩机的噪声, 延长了密封环的使用年限。同时, 通过设计中的合理布局, 使压缩机的体积更小, 节约了压缩机包装及运输过程中的成本。总体看来, 摆杆往复活塞无油润滑空气压缩机具有鲜明的优缺点, 尚需进一步的改进和完善。

摘要：传统曲柄连杆结构的活塞式空气压缩机因其工作时连杆摆动幅度较大, 对气缸的侧压力和换向拍击造成了巨大的摩擦损耗及机械噪音。文中论述了一种新型的往复活塞式无油润滑空气压缩机, 此种空气压缩机在在原有基础上加设一个摆杆装置, 使连杆及活塞在工作过程中的运动近乎直线, 从而减小活塞和密封环对气缸侧壁的压力及敲击力度。

关键词：空气压缩机,无油润滑,摇摆活塞