擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機動平衡設(shè)計分析

肖容美

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

0 引言

往復(fù)活塞式壓縮機因其活塞存在往復(fù)運動而派生出較大的往復(fù)慣性力，是造成壓縮機振動及噪聲的一個主要根源，同時也是影響壓縮機工作可靠性的重要因素[1，2]。在小型空氣壓縮機領(lǐng)域，為了追求小的體積，兩極電機取代四極電機的高速化已成潮流，隨著轉(zhuǎn)速的成倍增長，往復(fù)慣性力造成的負(fù)面影響越發(fā)突顯，對其進(jìn)行平衡勢在必行。為了提高無油壓縮機的使用壽命，最近出現(xiàn)了一種擺桿約束型往復(fù)活塞式空氣壓縮機[3～6]，與傳統(tǒng)機型相比，由于它增設(shè)了一個作擺動運動的擺桿機構(gòu)，因此壓縮機的振動特性更加復(fù)雜，不僅存在活塞連桿組件的往復(fù)慣性力，而且還存在擺桿機構(gòu)的搖擺慣性力，如果繼續(xù)沿用慣常的動平衡經(jīng)驗對往復(fù)慣性力進(jìn)行平衡消減，將很難獲得好的減振效果。鑒此，本文以該類型壓縮機作為研究對象，探討在復(fù)合有擺桿搖擺運動的情形下采用過量平衡技術(shù)減低壓縮機敏感方向振動強度的最優(yōu)布局方案。

1 擺桿約束型壓縮機簡介

圖1為擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機的結(jié)構(gòu)示意圖[4]。區(qū)別于傳統(tǒng)搖擺往復(fù)活塞式壓縮機，該機型增設(shè)了一個擺桿機構(gòu)，此時曲柄銷不再直接驅(qū)動連桿，而是通過一個驅(qū)動桿去驅(qū)動擺桿，接著再由擺桿去驅(qū)動連桿作往返運動，從而達(dá)成壓縮機工作腔容積的周期性改變。

圖1 擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The swing-rod restrained type reciprocating piston air compressor structure diagram

新型壓縮機的特點是，在擺桿的約束下活塞連桿組件以近乎直線往返的方式進(jìn)行工作，由此減少了連桿相對于氣缸軸線的擺動幅度，亦即意味著減少了活塞對氣缸的拍擊強度，這樣一來既降低了壓縮機的機械噪聲，特別地還提高了密封環(huán)的使用壽命和工作可靠性，而這正是當(dāng)前搖擺往復(fù)活塞式壓縮機急需解決的瓶頸問題。

2 擺桿約束型壓縮機動平衡分析

2.1 動平衡布局方案

與傳統(tǒng)搖擺往復(fù)活塞式壓縮機相比，擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機由于擺桿機構(gòu)的存在，因此具有更加復(fù)雜的運動機構(gòu)和振動特性：一方面在鉛垂方向，活塞連桿組件派生的往復(fù)慣性力導(dǎo)致壓縮機出現(xiàn) “上串下跳”的振動現(xiàn)象；另一方面在水平方向，擺桿機構(gòu)產(chǎn)生的搖擺慣性力又使得壓縮機出現(xiàn) “水平繞圈”的運動趨勢。經(jīng)驗告訴我們，沿鉛垂方向的振動對安裝在壓縮機上的儀表裝置及控制系統(tǒng)具有更大的破壞性，因此必須嚴(yán)格加以限制。

眾所周知，往復(fù)慣性力的平衡通常需要設(shè)置專門的平衡軸來實現(xiàn)，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。出于簡化，本文采用過量平衡法對其進(jìn)行平衡消減，亦即在曲軸上布置平衡質(zhì)量超過旋轉(zhuǎn)慣性力所需平衡質(zhì)量的平衡塊，利用其產(chǎn)生的過量離心慣性力派生的沿氣缸軸向方向的分力對付活塞連桿組件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力。鑒于擺桿機構(gòu)存在搖擺慣性力的事實，所置平衡塊的大小、位置和方位均與傳統(tǒng)做法有所不同。

圖2 擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機動平衡布置圖Fig.2 The swing-rod restrained type reciprocating piston air compressor dynamic balance model

2.2 動平衡設(shè)計計算

圖3為擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機的機構(gòu)簡圖，其中x為活塞自上止點下移的位移，與之對應(yīng)的是曲柄銷從極限位置Ⅰ轉(zhuǎn)過角度α、擺桿轉(zhuǎn)過角度β。假設(shè)壓縮機旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr產(chǎn)生的離心慣性力為Fr、平衡塊質(zhì)量mp產(chǎn)生的離心平衡力為Fp、活塞連桿組件質(zhì)量mL產(chǎn)生的往復(fù)慣性力為Fj、均質(zhì)擺桿質(zhì)量mb產(chǎn)生的搖擺離心慣性力為Fb。圖3 中的rp為平衡塊的旋轉(zhuǎn)半徑、φ為相對于曲柄銷的角度方位。

本文計算涉及到的參數(shù)有：電機轉(zhuǎn)速n=2890r/min，連桿的長度L=90mm，擺桿的長度Lb=90mm，擺桿的擺臂半徑R=62mm，擺臂的旋轉(zhuǎn)軸心與氣缸軸線的距離H=88mm，驅(qū)動桿的長度Lk=50mm，曲柄的半徑r=9.25mm，連桿的質(zhì)量mL=0.13kg，擺桿的質(zhì)量 mb=0.268kg，等效離心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr=0.21kg，其中驅(qū)動桿的質(zhì)量用等效質(zhì)量替代：曲炳端的質(zhì)量并入離心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、擺桿端的質(zhì)量并入擺桿質(zhì)量。本文利用軟件Matlab 編制相應(yīng)的計算軟件，將上述參數(shù)代入后即可計算出相關(guān)的離心慣性力為Fr、離心平衡力為Fp、往復(fù)慣性力Fj和搖擺離心慣性力Fb，通過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)即可尋找出較優(yōu)的平衡塊質(zhì)量mp及其布局角度方位φ。為簡化起見，計算中略去擺桿的搖擺慣性力矩。

圖4為只進(jìn)行曲柄銷離心慣性力平衡而未對往復(fù)慣性力進(jìn)行平衡時，壓縮機活塞連桿組件往復(fù)慣性力和擺桿搖擺慣性力的計算結(jié)果。由圖可見活塞連桿組件往復(fù)慣性力屬于不對稱幅值的上下波動型，其最大量值達(dá)到了200N，并在活塞上止點附近呈 “上竄”態(tài)勢，而在下止點附近則呈 “下蹲”態(tài)勢，這種作用方式顯然對壓縮機的工作不利。由圖4 還可以得知，擺桿產(chǎn)生的搖擺離心慣性力雖然量值不大，僅有大約50N 左右，但其主要朝單方向水平作用，因此對往復(fù)慣性力的平衡具有一定的干擾。

圖5為對活塞連桿組件往復(fù)慣性力實施動平衡時，不同過量平衡塊布置方位φ對平衡效果的影響程度，其中平衡質(zhì)量mp=280g。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平衡塊布置在φ=-15°時（傳統(tǒng)機型平衡塊的布置相位為φ=0°）， 對往復(fù)慣性力的消減效果最為明顯，慣性力最大消減數(shù)值可以達(dá)到100N，降幅超過50%。

圖3 擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機機構(gòu)簡圖Fig.3 The Schematic diagram of mechanism of swing-rod restrained type reciprocating piston air compressor

圖4 活塞連桿組件往復(fù)慣性力和擺桿搖擺離心慣性力Fig.4 The Reciprocating inertia force on Piston-connecting rod assembly and Swing inertia force on swing link

圖5 過量平衡塊角度方位φ對平衡效果的影響Fig.5 Effects of excessive balance angle range φ on balance effect

圖6 過量平衡塊質(zhì)量mp 對往復(fù)慣性力平衡效果的影響Fig.6 Effects of excessive balance mass mpon balance effect forthe reciprocating inertia force

圖7 過量平衡塊質(zhì)量mp 派生的水平慣性力水平Fig.7 The horizontal inertial force derive from theexcessive balance mass mp

圖6和圖7為對活塞連桿組件往復(fù)慣性力實施動平衡時，不同過量平衡塊質(zhì)量mp對平衡效果的影響程度。分別選擇四種質(zhì)量 mp=1.3mr、mp=1.45mr、mp=1.6mr和mp=1.75mr進(jìn)行計算。容易看出，隨著平衡質(zhì)量mp的增加，往復(fù)慣性力Fj的總體數(shù)值在減少，但其派生的水平慣性力Fi卻在增加。綜合考慮優(yōu)化鉛垂方向以及水平方向的平衡效果，取平衡塊的質(zhì)量為mp=1.45mr和mp=1.6mr較佳，注意到傳統(tǒng)過量平衡中一般取mp=1.15～1.3mr，可見新機型的過量質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)做法中的過量質(zhì)量。

為了驗證上述平衡方案的平衡效果，課題組選擇平衡塊質(zhì)量mp=1.45mr（亦即平衡塊的過量質(zhì)量百分比為45%）及布置相位φ=-15°的動平衡方案進(jìn)行實際裝機試驗，結(jié)果表明壓縮機在鉛垂方向的振動強度明顯減弱，對壓縮機系統(tǒng)的破壞性獲得改善，工作可靠性有所提高，另外壓縮機的整機噪聲下降了1dB（A）。

3 結(jié)束語

擺桿約束往復(fù)活塞式壓縮機，由于擺桿機構(gòu)的存在，致使其動平衡變得復(fù)雜。為了有效消減壓縮機在鉛垂方向的往復(fù)慣性力，可以采用過量平衡法對其進(jìn)行平衡消減。與傳統(tǒng)做法不同的是，新機型中過量平衡塊的最優(yōu)布置方位不再恰好與壓縮機的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr反相，而是布置在mr反相位置逆轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)過15°左右的位置；另外，新機型平衡塊的過量質(zhì)量亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)過量平衡法中的過量質(zhì)量，達(dá)到了mp=1.45～1.6mr的水平。按照上述布局方案進(jìn)行平衡塊的設(shè)置，既可以大幅度消減鉛垂方向的往復(fù)慣性力Fj，同時又不至于派生出過大的水平慣性力Fi，實踐證明能有效緩解壓縮機在鉛垂敏感方向的振動強度，從而有利于提高壓縮機的工作可靠性。

[1]馬東.活塞式壓縮機機構(gòu)平衡的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[2]白亮亮，唐良寶.基于ADAMS的活塞壓縮機動平衡虛擬設(shè)計[J].流體機械，2008，6.

[3]耿愛農(nóng)，李辛沫，陳君立，等.一種往復(fù)活塞式壓縮機[P].中國專利：ZL201120096499.2，2011.

[4]耿葵花，耿愛農(nóng)，李辛沫，等.擺桿約束往復(fù)活塞式無油潤滑空氣壓縮機的研究[J].中國機械工程，2012，11.

[5]耿愛農(nóng)，耿葵花，李辛沫，等.新型搖擺活塞式無油潤滑空氣壓縮機的研究[J].中國機械工程，2011，18.

[6]杜時光.擺桿約束型往復(fù)活塞式無油空氣壓縮機的理論和仿真研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2012.