往復(fù)活塞壓縮機(jī)技術(shù)講座郁永章ppt課件

1、往復(fù)活塞壓縮機(jī)技術(shù)講座郁永章 西安交通大學(xué)1.壓縮機(jī)定義 用來壓縮氣體借以提高氣體壓力的機(jī)械 把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能的機(jī)械 2.往復(fù)活塞壓縮機(jī)種類 依靠一個(gè)氣缸與在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞構(gòu)成工作腔的壓縮機(jī)，均屬往復(fù)活塞壓縮機(jī)。 驅(qū)動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或方式有：曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心輪連桿機(jī)構(gòu)、斜盤或擺盤機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、液壓或氣壓、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)等。 普通，往復(fù)活塞壓縮機(jī)僅指前兩種。其它機(jī)構(gòu)根據(jù)其特點(diǎn)均有專用名稱，如斜盤壓縮機(jī)、隔膜壓縮機(jī)等。 往復(fù)活塞壓縮機(jī)可簡稱為往復(fù)或活塞式壓縮機(jī)。前者取其運(yùn)動(dòng)形態(tài)英語國家與日本；后者取其結(jié)構(gòu)形態(tài)歐洲非英語國家；在中國標(biāo)準(zhǔn)中用全稱。2.往復(fù)活塞壓縮機(jī)種類圖1 活塞

2、式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)總圖 圖2 雙滑塊壓縮機(jī)2.往復(fù)活塞壓縮機(jī)種類 圖3 單列單缸電磁壓縮機(jī) 圖4 隔膜壓縮機(jī)3. 熱力學(xué)基礎(chǔ) 3.1 如何定義一個(gè)氣體 形狀：溫度T、壓力p，比容v 過程：與熱交換有關(guān) ( , , )0F p v T pvRTpVmRT 或 狀態(tài)方程1 122p vp v1 122kkp vp v 過程方程1 122nnp vp v4.氣缸壓力指示圖及其分析 氣缸壓力指示圖是反映氣缸內(nèi)壓力變化的圖形；在壓力隨容積變化的圖形中，即在pv圖中所圍面積代表所耗功，故也稱示功圖。 4.1 理想循環(huán)壓力指示圖 三個(gè)過程：進(jìn)氣緊縮排氣 壓縮過程：等溫或絕熱 作用：作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，指示圖 代表循環(huán)

3、消耗的功，它耗功最小。 圖5 理想循環(huán)壓力指示圖4.氣缸壓力指示圖及其分析4.2 實(shí)際氣缸壓力指示圖 四個(gè)過程：進(jìn)氣緊縮排氣膨脹 進(jìn)氣過程： 壓縮過程： 排氣過程： 膨脹過程：作用：反映了氣缸內(nèi)各種因素對(duì)工作過程的影響。 圖6 級(jí)的實(shí)際循環(huán)指示圖 圖7 雙作用氣缸結(jié)構(gòu)圖4.氣缸壓力指示圖及其分析4.3 lgplgV圖的功用 作用： lgplgV圖分析壓縮與膨脹過程中的熱交換、走漏。 圖8 lgplgV 圖4.氣缸壓力指示圖及其分析4.4 實(shí)際測(cè)量p圖 p圖可轉(zhuǎn)化為pV圖，其中VAps，s為的函數(shù) 作用：反映進(jìn)、排氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)對(duì)指示功的影響。圖9 某雙作用壓縮機(jī)中壓力脈動(dòng)對(duì)指示功的影響4.氣缸

4、壓力指示圖及其分析4.5 各種進(jìn)、排氣系統(tǒng)圖10 壓縮機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)種類5.熱力性能 熱力性能：排氣壓力、排氣溫度、容積流量曾稱排氣量，輸氣量）、功耗、效率。5.1 排氣壓力 取決于背壓力，即排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力； 背壓力取決與進(jìn)入與流出氣量的多少； 級(jí)間壓力的建立：前一級(jí)排氣量為后一級(jí)所接納。圖11 壓縮機(jī)裝置示意圖 圖12 級(jí)間工作壓力的建立5.熱力性能5.2 排氣溫度 進(jìn)排氣接管處測(cè)得，含排氣 開始的壓力釋放與排氣過程冷卻 壓縮終了溫度 1nnddsspTTp121nndspTTp圖13 某二級(jí)空氣壓縮機(jī)第二級(jí)氣缸內(nèi)的工作過程發(fā)生在氣缸內(nèi)5.熱力性能 5.3 容積流量 定義：單位時(shí)間內(nèi)壓縮機(jī)最

5、后一級(jí)排出的氣體，換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的壓力和溫度時(shí)的氣體容積值。排氣量常用的單位為m3/min。 理論計(jì)算： 影響容積流量的因素： 名義容積流量：特定進(jìn)、出口壓力與溫度下的流量。 環(huán)境改變：海拔，溫度等 缺點(diǎn)011111hvpTlQVn5.熱力性能5.4 壓縮機(jī)效率 等溫效率 絕熱效率 比功率 制冷中能效比 5.5 利用熱力性能分析故障 中醫(yī)式的故障分析方法 is iisshWWad iadshWW20/COPqW3/minkW m6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能 往復(fù)壓縮機(jī)動(dòng)力性能是指運(yùn)行時(shí)，慣性力平衡情況、轉(zhuǎn)矩的平衡情況、側(cè)向力的平衡情況等。 6.1 慣性力求取 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 速度與加速度

6、 圖14 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系2211 cos11sinsrsinsin2dsds dvrdtddt2(coscos2 )dvardt6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.1 慣性力求取 往復(fù)慣性力 其中： 回轉(zhuǎn)慣性力2(coscos2 )sssImam r2IcosssIm r一階往復(fù)慣性力2IIcos2ssIm r二階往復(fù)慣性力2rrIm r6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.2 作用力分析圖15 壓縮機(jī)作用力分析氣體力內(nèi)力； 慣性力自由力6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.3 慣性力平衡 往復(fù)慣性力 單列：平衡很復(fù)雜 兩列或多列： 相互抵消 用平衡重 回轉(zhuǎn)慣性力 平衡重平衡圖16 氣缸中心線相對(duì)地平面不同位置的各種配置6.

7、 壓縮機(jī)動(dòng)力性能222cosnd zIztdtm6.4 未平衡慣性力處置 減震原理 自由振動(dòng)方程： 強(qiáng)迫振動(dòng)方程與振幅：220zd zmK zdt 圖17 單自由度彈性系統(tǒng)211zzznIIAKK圖18 放大系數(shù)與/ n及的關(guān)系6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.4 未平衡慣性力處置 基礎(chǔ)與隔震墊無基礎(chǔ)設(shè)計(jì)） 圖20 減震器支撐的壓縮機(jī)圖19 基礎(chǔ)示意圖6. 壓縮機(jī)動(dòng)力性能6.5 轉(zhuǎn)矩平衡 利用飛輪積蓄能量： 圖21 某機(jī)器一轉(zhuǎn)的總切向力圖223600LGDn7. 氣閥 氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)中最關(guān)鍵的部件。往復(fù)壓縮機(jī)的生存發(fā)展有賴于氣閥的好壞。 7.1 對(duì)氣閥的要求：工作可靠阻力損失小形成余隙容積較小 圖22

8、 氣閥的基本組成7. 氣閥7.2 氣閥工作過程 圖23 氣閥起閉工作過程及彈簧力不當(dāng)?shù)墓ぷ髑€7. 氣閥7.3 氣閥命名圖24 氣閥的各種起閉元件形狀 7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類 閥座通道寬、窄 圖25 窄通道開式環(huán)狀氣閥 圖26 寬通道低壓進(jìn)氣閥7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類升程限制器結(jié)構(gòu)：氣墊、開式、閉式圖27 氣墊閥圖28 高壓閉式環(huán)狀氣墊閥結(jié)構(gòu)7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類 組合閥 簧片閥 圖30 簧片閥 圖29 超高壓組合閥結(jié)構(gòu) 7. 氣閥7.5 阻力損失 氣閥流動(dòng)阻力 閥隙流速 空氣50m/s,氫氣200m/s 流量系數(shù) 平均流速 圖31 環(huán)狀閥流量系數(shù)0與H

9、/b及p/s的關(guān)系22vp (sinsin2 )2pvvAvrA1vpvmvvAvvA7. 氣閥7.5 阻力損失 與馬赫數(shù)的關(guān)系 相對(duì)阻力損失 阻力損失即功率損失 圖32 不同馬赫數(shù)的相對(duì)壓力損失曲線,vvMakRTa 音速222(sinsin2 )82kppM pp7. 氣閥7.6 氣閥工作過程的數(shù)學(xué)模擬 運(yùn)動(dòng)方程 流動(dòng)方程 容積方程2021()()spvd hpp AZP HhdM11211kkkcssvsvssscd Vd ppkpkpAR TpdpkpdV222sin2sin82 1sincdVD sd7. 氣閥7.7 氣閥彈簧 彈簧是壓縮機(jī)中關(guān)鍵的關(guān)鍵。 彈簧種類： 彈簧設(shè)計(jì)：彈簧力

10、確定，Dm，d，n，預(yù)壓縮量、 自振頻率，穩(wěn)定性 圖33 螺旋彈簧 圖34 懸臂式板彈簧7. 氣閥7.8 戴維斯法檢驗(yàn)氣閥可靠性 圖35 閥片運(yùn)動(dòng)時(shí)的特征角2123/2,/0.7當(dāng)時(shí)，壽命較長1 氣閥假想關(guān)閉角,即假定無氣體推力時(shí),閥片在彈簧力作用下,從全開位置降落到閥座上所需時(shí)間對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.2 閥片開始脫離升程限制器,直到活塞運(yùn)動(dòng)達(dá)到止點(diǎn)所持續(xù)的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.3 閥片到達(dá)升程限制器直至活塞到達(dá)止點(diǎn)這一段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì) 不同進(jìn)氣壓力對(duì)氣閥工作狀況的影響圖36 進(jìn)、排氣閥在8MPa,12MPa,18MPa進(jìn)氣時(shí)的工作狀況7. 氣閥7.9 變

11、工況下的氣閥設(shè)計(jì) 不同彈簧力對(duì)氣閥工作狀況的影響圖37 進(jìn)、排氣閥在彈簧系數(shù)為1000，3000，5000N/m時(shí)的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì) 不同升程對(duì)氣閥工作狀況的影響圖38 進(jìn)、排氣閥在升程為0.5，0.8，1.0mm時(shí)的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計(jì) 不同升程對(duì)氣閥工作狀況的影響圖39 進(jìn)、排氣閥在升程為0.5，0.8，1.0mm時(shí)的撞擊速度7. 氣閥7.10 氣閥極限壽命及影響壽命的因素 氣閥壽命：在正常工作條件下，一個(gè)氣閥的壽命取決 于閥片與閥座磨損。 曾經(jīng)看到一個(gè)移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣閥，1mm厚的閥片，在不知運(yùn) 行多長時(shí)間后，密封邊緣厚度剩下0

12、.2mm厚依然能工作。7.11 影響氣閥壽命的因素 氣體中含有雜質(zhì)塵埃、水或油、焦油、其它物質(zhì)） 彈簧失效 閥片崩裂8. 活塞環(huán)與填料8.1 密封原理 節(jié)流 阻塞 圖41 迷宮密封原理微隙迷宮3lq =0.26d pl圖40 環(huán)形間隙泄漏示意圖52.19 10空氣 -5壓 縮 機(jī) 油 (1200 2400) 108. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封 密封機(jī)理: 阻塞加節(jié)流圖42 活塞環(huán)密封8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封 結(jié)構(gòu)形式:圖44 整體活塞環(huán)與剖分活塞環(huán)切口形式整體剖分圖43 切口形式8. 活塞環(huán)與填料 8.2 活塞環(huán)密封 活塞環(huán)道數(shù)：取決于環(huán)耐磨性、壓差、速度、結(jié)構(gòu)形式，124道

13、失效 活塞環(huán)材料： 金屬：鑄鐵價(jià)廉；銅質(zhì)軟，忍讓性好 非金屬：可減少氣缸磨損，實(shí)現(xiàn)無油潤滑 復(fù)合材料：浸漬，復(fù)合層 圖45 不同轉(zhuǎn)速時(shí)具有兩道 與六道活塞環(huán)前的壓力8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料 密封機(jī)理： 活塞環(huán)外緣面 填料 內(nèi)緣面，阻塞作用更主要圖46 平面填料的結(jié)構(gòu)形式8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料 構(gòu)造： 圖47 具有三瓣和六瓣密封元件的平面填料 圖48 無油潤滑并具有水冷卻的填函結(jié)構(gòu)平面平面三、六瓣各種變形爪型三瓣錐面T形與梯形截面歐洲，高壓錐形填料8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料 資料：同活塞環(huán) 組數(shù): 288.4 前置填料： 圖50 具有平面密封元件并具有前置填料的填函結(jié)構(gòu)圖49

14、錐形填料8. 活塞環(huán)與填料8.5 關(guān)于充填氟塑料環(huán)問題 充填材料： 石墨、MoS2、碳素纖維、 玻璃纖維、銅粉、鋁粉 不同氣體適應(yīng)性 配磨材料與加工要求圖53 光潔度與硬度對(duì)磨損量的影響 圖51 不同填充劑的填料磨損因子圖52 不同性質(zhì)、數(shù)量填充劑在碳?xì)錃怏w中的磨損因子9.管道振動(dòng)9.1 機(jī)理 排氣不均性形成周期激發(fā)。 管道出口具有較大容器，成為開端壓力波形成全波反射，產(chǎn)生氣柱共振。 管道轉(zhuǎn)彎折轉(zhuǎn)過大，形成較大作用力。當(dāng)壓力脈動(dòng)時(shí)，交變的作用力成為對(duì)管道的激發(fā)力。 管道的自振頻率等于激發(fā)力 頻率。 圖54 壓力脈動(dòng)圖55 全波反射的形成圖56 轉(zhuǎn)角對(duì)作用力的影響9.管道振動(dòng)9.2 設(shè)計(jì)中預(yù)防方

15、法 緊靠氣缸排氣接管設(shè)置緩沖容器， 管道出口形成閉端，使壓力波成為半波反射輸 氣管道不通怎么辦？） 實(shí)現(xiàn)方法： 設(shè)置孔板，孔徑 ，能使振幅降 低2/3，形成壓損 。 裝設(shè)HOERBIGER止回閥本人建議，供討論。 增加支撐改變管道自振頻率實(shí)踐證明，效果 不大，會(huì)損壞支撐著力點(diǎn)，甚至支撐把管道磨穿。 盡量用半徑大的折轉(zhuǎn)過渡，使激發(fā)力減小可 能影響車間布置美觀。 184bclVV，hd(0.3 0.5)inD10.噪聲 10.1 基本概念 噪聲：即令人不愉快的聲音。聲音是一種壓力波。 聲壓： 分貝：聽閾、痛閾相差100萬倍，計(jì)算不方便，采用對(duì)數(shù)計(jì)算值 稱為聲壓級(jí)。單位為分貝dB），定義 聲功率：對(duì)

16、封閉表面上接受的聲強(qiáng)( )，即聲功率 ，聲 功率級(jí)(dB)為 響度：人對(duì)聲音的感受是聲壓與聲頻的綜合，稱為響度。 聲級(jí)：分A，B，C三種，分別從40，70，100phon為基準(zhǔn)，其中 40phon與人聽覺較一致，故一般均用A聲級(jí)。P02105 Pa，人剛能聽到聽閾聲壓P20 Pa， 人耳感覺疼痛痛閾聲壓020lgppLp2pIaWIdA120010lg,10WWLWWW10.噪聲10.2 往復(fù)壓縮機(jī)噪聲源 氣缸內(nèi)指示壓力周期變化壓力波即聲波，緊縮 機(jī)不打壓力時(shí)運(yùn)行聲很輕，一打壓力即變響了。 氣閥開啟時(shí)的氣體爆破聲壓差突變 氣流通過轉(zhuǎn)角等成渦流的氣流擾動(dòng)聲通過粗燥 管壁摩擦 零件自持振動(dòng)聲簧片閥

17、等 閥片啟用的撞擊聲高速壓縮機(jī)很突出 運(yùn)動(dòng)零件沖擊聲相對(duì)較小 電動(dòng)機(jī)噪聲包括交流聲與風(fēng)扇聲） 皮帶傳動(dòng)聲皮帶振動(dòng)10.噪聲10.3 噪聲傳遞的途徑 通過機(jī)器所有壁面或管道、容器、中冷器等壁面?zhèn)?出與壁面材料、厚度、外形、氣缸有無水套等有關(guān) 空氣壓縮機(jī)通過進(jìn)氣口傳出主要消聲處10.4 消聲措施 消聲罩 一罩了之 抗式聲波本身相互抵消） 阻式 （聲波被吸收）消聲器11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.1 引言 至今，還有人認(rèn)為往復(fù)壓縮機(jī)是可靠性不佳的機(jī)器。然而，電冰箱中的往復(fù)壓縮機(jī)，無論是哪一個(gè)公 司的產(chǎn)品都能不維修的可靠運(yùn)行12年以上。那些公司還在精益求精。 和各種機(jī)器一樣，壓縮機(jī)的可靠性是一個(gè)系統(tǒng)工程。

18、它包括設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等一系列環(huán)節(jié)。其中設(shè) 計(jì)的可靠性是第一性的，是最關(guān)鍵的。11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.2 可靠性概念 定義：在規(guī)定任務(wù)條件下、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成功定的功能。 平均無故障間隔時(shí)間MTBE）工藝壓縮機(jī) 平均無故障使用次數(shù)MCBF） 冰箱空調(diào)用壓縮機(jī) 失效喪失功能；缺點(diǎn)可修復(fù)的失效。11.3 設(shè)計(jì)可靠性的內(nèi)容 合理的結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)參數(shù)、整機(jī)系統(tǒng)確定 合理確定零、部件材料 正確的零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.4 關(guān)于螺紋連接的可靠性問題 往復(fù)壓縮機(jī)中絕大部分零部件用螺紋連接。 絕大部分的連接承受交變載荷。 交變載荷下的作用力分析。 螺栓的剛性應(yīng)小于被緊固零件的剛性彈性螺栓 每種緊固螺栓在組件圖上都應(yīng)注明“上緊扭矩”。圖57 螺栓受 力作用圖 11.往復(fù)壓縮機(jī)可靠性11.5 關(guān)于氣閥彈簧可靠性問題 彈簧剛性、圈數(shù)、