第4章-活塞式壓縮機(jī)中作用力分析2

單列壓縮機(jī)中作用力的分祈活塞力當(dāng)壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其往復(fù)慣性力、氣體力、往復(fù)摩擦力都是沿每列的氣缸中心線方向。它們的代數(shù)和被稱之為列的活塞力當(dāng)壓縮機(jī)空負(fù)荷時(shí)，氣體力為零，活塞力為慣性力和摩擦力之和；當(dāng)滿負(fù)荷而突然停車時(shí)，慣性力和摩擦力為零，氣體力就是活塞力。如果停車的位置剛好為活塞止點(diǎn)位置，這時(shí)的活塞力比其他工況的活塞力都要大。壓縮銘牌上所標(biāo)注的活塞力就是活塞處在止點(diǎn)時(shí)的氣體力。壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的活塞力隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化單作用壓縮機(jī)列的活塞力圖雙作用壓縮機(jī)列的活塞力圖作用力的分析連桿是擺動(dòng)的，設(shè)它和氣缸軸線間擺動(dòng)的夾角為

，并假定向曲軸旋轉(zhuǎn)的同方向擺動(dòng)為正值，向旋轉(zhuǎn)的相反方向?yàn)樨?fù)值，活塞力分為兩個(gè)力，連桿力Fl和側(cè)向力FN連桿力使連桿受拉伸的連桿力為正

為正值

為負(fù)值

側(cè)向力

順旋轉(zhuǎn)方向壓向氣缸(或十字頭導(dǎo)軌)的側(cè)向力為正

連桿力Fl沿著連桿軸線傳到曲柄銷中心點(diǎn)B，它對(duì)曲軸產(chǎn)生兩個(gè)作用一個(gè)作用是連桿力相對(duì)于曲軸中心構(gòu)成一個(gè)力矩，其值為其方向與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反，故稱為阻力矩，并規(guī)定阻止曲軸旋轉(zhuǎn)的力矩為正

作用在曲柄銷軸頸上的旋轉(zhuǎn)摩擦力Fr引起旋轉(zhuǎn)摩擦力矩Mf也起阻止曲軸旋轉(zhuǎn)的作用，兩力矩疊加得連桿力另一個(gè)作用是使曲軸的主軸頸向主軸承上作用一個(gè)力-FN該力可以分解為水平方向和垂直方向曲兩個(gè)分力：垂直方向的分力值恰等于側(cè)向力，而方向與側(cè)向力相反即水平方向分力值恰等于總活塞力，即傾覆力矩

側(cè)向力FN和主軸頸作用于軸承上的垂直分力-FN大小相等，方向相反，在機(jī)器內(nèi)部構(gòu)成了一個(gè)力矩MN=FNb。MN力矩的方向是順著曲軸的旋轉(zhuǎn)方向，該力矩在立式壓壓縮機(jī)中，有使機(jī)器順著旋轉(zhuǎn)力向傾倒的趨勢(shì)，所以習(xí)慣上就稱做傾覆力矩。傾覆力矩與阻力矩大小相等，方向相反。但是，因?yàn)閮A覆力矩是作用在機(jī)身上，而阻力矩是作用曲軸上，故二者在壓縮機(jī)內(nèi)不能相互抵消當(dāng)慣性力平衡好時(shí)，空負(fù)荷機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，但正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器就晃動(dòng)起來(lái)，原因就在于此b各力對(duì)壓縮機(jī)的作用是不會(huì)傳遞到機(jī)器外邊來(lái)的，它在機(jī)器內(nèi)部互相平衡了。氣體力只使氣缸、中體和機(jī)身等有關(guān)部分，以及它們之間的連接螺釘?shù)瘸惺芾旎驂嚎s載荷，故稱為內(nèi)力。氣體力慣性力作用在主軸承上的活塞力中，氣體力部分巳在機(jī)器內(nèi)部平衡掉了，而余下的往復(fù)慣性力部分未被平衡，它能通過(guò)主軸承及機(jī)體傳到機(jī)器外面來(lái)．故慣性力稱為外力，或稱為自由力側(cè)向力及傾覆力矩往復(fù)摩擦力內(nèi)力壓縮機(jī)的阻力矩壓縮機(jī)的阻力矩是隨轉(zhuǎn)角

周期地變化的，而驅(qū)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩Md一般是一個(gè)不變的數(shù)值。雖然在機(jī)器每一轉(zhuǎn)之中，阻力矩所消耗的功與驅(qū)動(dòng)力矩所供給的功保持相等，由此維持壓縮機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)不變，但一轉(zhuǎn)中的每一瞬時(shí)二者的數(shù)值是不相等的，因此要使主軸產(chǎn)生加速或減速現(xiàn)象從而使曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，曲軸存在瞬時(shí)角加速度為壓縮機(jī)組中的全部旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為曲軸瞬時(shí)角加速度為了使壓縮機(jī)曲軸瞬時(shí)速度均勻即小，故應(yīng)力爭(zhēng)使加大

，所以要加飛輪

切向力和法向力

作用在曲柄銷上的連桿力可分解為垂直于曲柄方向的切向力以及沿曲柄方向的法向力切向力和法向力的大小及方向均隨曲柄轉(zhuǎn)角而變化，這里規(guī)定與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反的切向力為正、由曲軸中心向外指向的法向力為正切向力FT對(duì)曲軸中心形成的力矩為阻力矩公式切向力形成的力矩也就是阻力矩。上式中曲柄半徑r是一個(gè)定值，因此只要研究曲軸旋轉(zhuǎn)一周中切向力FT的變化規(guī)律，就可反映出曲軸一轉(zhuǎn)之中阻力的變化規(guī)律，進(jìn)而可以分析出壓縮機(jī)驅(qū)功力矩與阻力矩之間的平衡特性切向力FT隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律可以根據(jù)式求得,一般是每隔50或100求得相應(yīng)的切向力FT，把結(jié)果標(biāo)在FT—

坐標(biāo)圖上，連成光滑的曲線——列的切向力圖FT-f()單作用式壓縮機(jī)因?yàn)橹辉谙蛏w行程(180一3600)壓縮氣體，列的切向力圖一般也只在向蓋行程中出現(xiàn)一個(gè)大峰，峰值大約在270～3300處。單作用壓縮機(jī)列的切向力圖雙作用壓縮機(jī)則分別在向蓋與向軸行程中都?jí)嚎s氣體，所以列的切向力圖一般為兩個(gè)大峰，峰值大約在的900～2700處雙作用壓縮機(jī)列的切向力圖同樣根據(jù)式則可求出不同曲柄轉(zhuǎn)角(每隔50或100)時(shí)相應(yīng)的法向力FR，得到列的法向力圖FR＝f()單作用壓縮機(jī)列的法向力圖雙作用壓縮機(jī)列的法向力圖

法向力圖是為曲軸強(qiáng)度計(jì)算、軸承間隙計(jì)算等提供依據(jù)的總切向力圖在多列壓縮機(jī)中，總切向力FT值等于各列切向力與總的旋轉(zhuǎn)摩擦力Ff的總和，它是外界驅(qū)動(dòng)機(jī)所要克服的壓縮機(jī)的總阻力。寫(xiě)成公式為由于每列切向力曲線都是以該列的外止點(diǎn)時(shí)作為該列曲柄轉(zhuǎn)角的起始點(diǎn)，而多列壓縮機(jī)各列的曲拐之間或氣缸中心線之間是有夾角的，因此在進(jìn)行

計(jì)算時(shí)必須注意各列切向力的相位角在總切向力合成中應(yīng)注意如下問(wèn)題：（1)氣缸中心線彼此有某一夾角時(shí)，按旋轉(zhuǎn)方向而言前置列的切向力應(yīng)與后置列的切向力向前移過(guò)等于氣缸中心線夾角的角度，然后相疊加；（2)曲柄存在錯(cuò)角，如果列的曲柄錯(cuò)角按旋轉(zhuǎn)方向而言比另一列是超前的，則超前列所超前的角度應(yīng)與落后列的00相重合，即超前列的切向力按自己的座標(biāo)向后移過(guò)所超前的角度，再與落后列相疊加；（3）如果曲柄存在錯(cuò)角，在每一列中氣缸又彼此有某一夾角，疊加時(shí)先按（1）算出每一列的切向力，然后再依據(jù)（2）算出總切向力；（4）在多級(jí)壓縮機(jī)中，有時(shí)高壓級(jí)的曲柄半徑設(shè)計(jì)的比其余的列小，這時(shí)該列的切向力使用下式換算到同一基準(zhǔn)后才能疊加。雙作用壓縮機(jī)的向蓋和向軸行程所消耗的功相近時(shí)，切向力均勻

兩列雙作用對(duì)動(dòng)式壓縮機(jī)的總切向力圖曲柄錯(cuò)角或氣缸夾角的合理配置，影響切向力的均勻性；多列的壓縮機(jī)可以使切向力均勻，各列曲柄錯(cuò)角的超前或遲后也影響切向力的均勻性。四列對(duì)動(dòng)式壓縮機(jī)總切向力圖曲柄半徑的考慮若各列曲柄半徑不同時(shí)，應(yīng)將各列切向力按下式換算到相同的曲柄半徑，即旋轉(zhuǎn)摩擦力該力作用在曲柄銷上，并取為定值，方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，故為正?？偳邢蛄εc曲柄半徑的乘積是總阻力矩，因此總切向力曲線就是總阻力曲線平均切向力通常情況下壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)力矩是常數(shù)

由力學(xué)知，力矩乘角位移等于功，則壓縮機(jī)在一轉(zhuǎn)中總阻力矩所消耗的功為驅(qū)動(dòng)力矩是常數(shù)按照壓縮機(jī)是等速運(yùn)轉(zhuǎn)的原則，也就是一轉(zhuǎn)中所消耗的和供給的能量必須相等驅(qū)動(dòng)力矩在壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)中所做的功為根據(jù)熱力計(jì)算，壓縮機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功就是壓縮機(jī)的軸功。因此平均切向力也可按壓壓縮機(jī)軸功進(jìn)行計(jì)算平均切向力由熱力計(jì)算而得的壓縮機(jī)軸功率(W)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min)

熱力計(jì)算時(shí)所得的壓縮機(jī)軸功是壓縮機(jī)的指示功和摩擦功之和，計(jì)算時(shí)并沒(méi)有涉及慣性力，由此可見(jiàn)慣性力的存在，并不直接影響功率的消耗，也就是說(shuō)壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)之中，慣性力對(duì)外不做功，慣性力的大小只能改變壓縮機(jī)中作用力的分布規(guī)律，即影響活塞力圖、切向切向力圖和法向力圖的形狀，影響壓縮機(jī)零件的受力狀況飛輪矩的確定

平均切向力是一條與橫坐標(biāo)平行的直線，而總切向力是隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的，在壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)之中，總切向力在平均切向力FTm線上下波動(dòng)。這說(shuō)明在壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)之中，其阻力矩時(shí)而大于驅(qū)動(dòng)力矩，時(shí)而小于驅(qū)動(dòng)力矩。也就是說(shuō)，在壓縮機(jī)每一轉(zhuǎn)中，曲軸轉(zhuǎn)過(guò)相等的角位移，阻力距與驅(qū)動(dòng)力矩所消耗的功是不相等的。當(dāng)總切向力大于平均切向力時(shí)，即阻力矩大于驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)能量不足，要使壓縮機(jī)減速；當(dāng)總切向力小于平均切向力時(shí)，能量有余，因而使壓縮機(jī)加速B、C、D、E是曲軸旋轉(zhuǎn)角速度極值所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角位置壓縮機(jī)減速旋轉(zhuǎn)向加速旋轉(zhuǎn)過(guò)渡或者由加速向減速過(guò)渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)計(jì)算實(shí)際也代表了切向力曲線與橫坐標(biāo)間的面積，若將該面積用矩形面積代替，從圖中看出，矩形面積的高就是平均切向力矩，數(shù)值上就等于平均驅(qū)動(dòng)力，即

在壓縮機(jī)上加裝飛輪。利用飛輪的慣性矩來(lái)吸取多余的能量，補(bǔ)充不足的能量，使機(jī)器的旋轉(zhuǎn)速度波動(dòng)限制在某一允許的范圍內(nèi)。用旋轉(zhuǎn)不均勻度來(lái)表示一轉(zhuǎn)中角速度變化的大小可以近似地取隨著角速度的變化，飛輪在一轉(zhuǎn)之中能量變化值L為飛輪的極慣性矩工程中，習(xí)慣用飛輪矩GD2來(lái)表示飛輪的慣性矩飛輪輪緣截面重心所組成圓的直徑飛輪輪綠部分的重力，它約等于整個(gè)飛輪重力的0.9倍壓縮機(jī)所需之飛輪矩與一轉(zhuǎn)中能量變化值L成正比，而與壓縮機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的平方n2，以及所允許的旋轉(zhuǎn)不均勻度

成反比?；蛘哒f(shuō)若是壓縮機(jī)上所加飛輪矩越大，則同樣的能量變化值L所引起的曲軸旋轉(zhuǎn)不均勻度就越小能量變化值可以對(duì)總切向力曲線進(jìn)行分段積分的辦法求出，能量變化值應(yīng)為一轉(zhuǎn)中飛輪的最大多余能量(相應(yīng)于時(shí))和最大不足能量(相應(yīng)于時(shí))之差。因和可在總切向力圖中找出，則對(duì)總切向力圖進(jìn)行分段積分。令A(yù)—B段中令A(yù)—C段中依次求出A－D段、A—E段和A－F段中的L3、L4、L5，其中L5應(yīng)等于零，再在L1、…、L5中找出最大值和最小值，則若驅(qū)動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)，其驅(qū)動(dòng)力矩也是隨轉(zhuǎn)角

變化的，用上述方法同樣可求出L值壓縮機(jī)允許的旋轉(zhuǎn)不均勻