往復壓縮機活塞桿反向角計算及分析

張澤偉

摘要：往復活塞式壓縮機是社會中各行的大型工業(yè)都不可或缺的設備。尤其在石油相關行業(yè)中大量使用該種壓縮機，成為了該行業(yè)的核心設備。本文首先進行往復式活塞壓縮機反向角以及其在變工況環(huán)境下的基于熱力學、動力學計算，在計算的基礎上得到了不同工況下的綜合活塞力圖，根據綜合活塞力圖分析分析了工況變化對反向角的影響規(guī)律。

關鍵詞：往復壓縮機;動力計算;變工況;反向角

1?引言

反向角的反向程度大小與十字頭銷、銅套的損壞程度以及壓縮機工作正常與否有著密不可分的關系。銅套和十字頭銷工作中緊緊貼合且受到加速度大的改變沖擊，因此一個足夠的反向角用來讓他們得到充分的潤滑、冷卻。倘若十字頭在十字頭銷所受到的合力作用下貼緊于活塞側，這時相對的一側會出現一個縫隙。在重力、壓力相關因素作用下，潤滑油流入該縫隙，潤滑和冷卻該側的零部件[1]。若十字頭銷所受合力僅指向一個方向，并且十字頭銷自始至終壓緊在銅套的一側，那么受壓的另一側始終沒有間隙，冷卻和潤滑狀況十分惡劣，十字頭銷和銅套便會迅速損壞，影響往復式壓縮機正常的工作。

2 反向角的定義

當曲軸旋轉360度過程中，作用在十字頭銷和銅套而且和氣缸中心線方向一致的總負載分量，角度產生180度變化，這個負向載荷連續(xù)作用的時間段內表征的曲柄轉角，叫做反向角。其中API618準則確定反向角不得低于15度，ARIAL公司規(guī)定最小反向角不得低于25度，COOPER公司制定準則其反向角不得小于30度[2]

3 往復式活塞壓縮機的動力計算

在這里把L型往復式活塞壓縮機動力計算程序作為引例，其具備如下功能：（1）初始數據部分：根據任務書得到原始數據。（2）熱力計算部分：根據初始數據計算有關熱力參數，為后續(xù)的動力計算部分做一個鋪墊。（3）動力計算部分：計算各級活塞壓縮機的往復慣性力、氣體力和摩擦力，進而計算得到綜合活塞力和總切向力[3]。

往復式活塞壓縮機動力計算初始數據截圖如圖1所示：

在第1列單元數據表中鍵入曲柄轉角α的數值，每隔5°進行一次取點分析計算，從0°到360°共取73個點。根據公式分別作出活塞的位移x-α、速度c-α、加速度a-α的運動曲線。

同樣借助于excel表格，計算往復慣性力并繪制一階、二階往復慣性力隨曲柄轉角變化情況;I級氣缸和II級氣缸氣體力隨活塞行程的變化情況。

綜合活塞力圖的繪制有助于更加直觀的看到綜合活塞力隨曲柄轉角的變化趨勢，并且能看到一級綜合活塞力和二級綜合活塞力的受影響程度。同樣，也能從綜合活塞力圖中看到壓縮機反向角的大小，對于Excel軟件中直接計算得到的反向角也是一個檢驗。在依次得到了氣體力、往復慣性力、往復摩擦力及其隨轉角的變化關系曲線之后，就可以疊加進行綜合活塞力的合成了。新圖線是綜合活塞力P隨曲柄轉角α的變化圖線。如圖2所示：

3.1性能參數與反向角的關系

壓縮機在變工況條件下工作時，工況的變化會引起壓縮機活塞桿反向角的變化。其中相對余隙容積α、壓縮機進氣溫度T、吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機轉速n等五個性能參數是影響壓縮機反向角的最主要的幾個因素，針對這幾個關鍵因素借助于往復式活塞壓縮機進行系統的模擬和研究，并分析原因然后總結相應的規(guī)律。規(guī)律可以用來指導實際應用而且可為壓縮機的節(jié)能、安全穩(wěn)定運行提供很好的理論依據。

（1）余隙容積α對反向角的影響關系

借助于Excel軟件依次鍵入不同的α值，從而得到不同反向角進而生成相對余隙容積α—反向角關系曲線：可以明顯看到，隨著相對余隙容積α逐漸增加，反向角在逐漸變小;在0.06—0.14的范圍內曲線陡降，反向角減小趨勢十分明顯。據此分析，盡可能減小相對余隙容積，（改變余隙容積可以影響容積系數λ，從而改變排氣量，進而影響反向角）可以有效增大反向角。但是余隙容積不能越小越好，因為留有一定的余隙容積可以有效避免活塞和氣缸的沖擊磨損，延長壓縮機的使用壽命、提高安全系數。因此，在適當范圍內盡量減小相對余隙容積可以增大反向角。

（2）吸氣溫度T對反向角的影響關系

從10°C到50°C每隔10度選取一個節(jié)點取樣分析;在保證其他因素不變的情況下，本曲線圖借助于Excel軟件依次鍵入不同的溫度值，從而得到不同反向角進而生成的吸氣溫度與反向角關系曲線，可以明顯看到，隨著吸氣溫度的升高，一級氣缸和二級氣缸的反向角都在逐漸減小，且在吸氣溫度越高的情況下，曲線下降越陡峭。所以適當選取進氣溫度可以升高反向角。從兩條曲線上來看，吸氣溫度的改變對一級和二級反向角的影響不同，其中對末級即二級氣缸反向角影響明顯，所以通過這個規(guī)律可以有效指導壓縮機的實際生產應用，優(yōu)化資源配置并延長壓縮機使用壽命。

（3）吸氣壓力Ps對反向角的影響關系

一級進氣壓力Ps，從0.1MPa到0.275MPa每0.025MPa選去一個計算點;在保證其他因素不變的情況下，借助于Excel軟件依次鍵入不同的壓力值，從而得到吸氣壓力Ps與反向角關系曲線，可以明顯看到，就一級氣缸來看，隨著一級進氣壓力的升高，反向角先升高（升高幅度大，曲線陡峭）后降低（曲線過渡平緩），在0.175MPa左右達到峰值。二級氣缸反向角變化趨勢和一級大體相同，也在0.225MPa左右存在峰值，但是升高和降低階段變化趨勢不同（升高過程平緩，降低過程曲線變化陡峭）且在吸氣溫度越高的情況下，曲線下降越陡峭。對比二者我們可以明顯看到，二級氣缸的反向角的變化情況明顯滯后于一級。究其原因來看，吸氣壓力Ps的改變會改變級間壓比，最后影響綜合活塞力變化，進而導致反向角變化。一級進氣壓力過低或者過高，都會嚴重消耗壓縮機的使用壽命，增加能耗。所以適當選取吸氣壓力可以有效增大反向角。

同樣的，排氣壓力對反向角的影響與之類似，下面不再贅述。

（4）壓縮機轉速n對反向角的影響關系

從375r/min到475r/min每隔25個單位選取一個計算點，在保證其他因素不變的情況下，借助于Excel軟件依次鍵入不同的壓縮機轉速值，從而得到壓縮機轉速n與反向角的關系曲線。可以明顯看到，對于一級氣缸來說，隨著壓縮機轉速n的增大，反向角先增大后減小，在380r/min左右出現峰值（峰值左側曲線升高趨勢明顯，峰值右側，曲線下降平緩）。而對于二級氣缸來說，反向角一直隨壓縮機轉速n的增加而增大。究其原因總結來看，在其他因素不變情況下，轉速n會影響壓縮機排氣量Q，進而影響綜合活塞力來影響反向角大小。所以在實際的生產應用中，要適當選取壓縮機轉速n，轉速太大會引起壓縮機的震動甚至引發(fā)喘振工況;轉速太小則無法滿足生產要求，適當的轉速則既滿足上述要求，又會有較好的反向角。

4 改善往復壓縮機反向角的主要措施

（1）為了使壓縮機在工作過程中不會出現較大的波動甚至發(fā)生機組故障情況，每當往復壓縮機在工藝流程中組分發(fā)生改變時，需要對反向角的熱力計算部分和動力計算部分進行核算，進而得到新的綜合活塞力從而得到反向角的數值大小。如果反向角過小，要控制相關工藝流程并且完善和改進相關控制系統。

（2）改進壓縮機的控制系統。比如采用氣量無級調節(jié)系統，實時監(jiān)測系統運行的壓力、溫度、液位、吸排氣量等因素，從而反饋得到吸、排氣閥的工作狀況，有效避免壓縮機組長周期、高負載或者低負載下運行[4]。

（3）壓縮機氣缸的合理布置也有很大影響。氣缸布置的合理，會有合適的余隙容積保障壓縮機在最佳條件下工作，能適應操作工況大范圍的變化，提高壓縮機的安全系數。

參考文獻：

[1]Z Jiang，D K Harrison，K Cheng.Computer-aided design and manufacturing of scroll compressors[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，（5）：145-151

[2]陳海峰，石磊.基于Excel的往復壓縮機動力計算[J].天津職業(yè)院校聯合學報，2013，（8）：86-90

[3]鄧晶，鐘蔚，杜利.用解析法在Excel環(huán)境下進行壓縮機動力計算[J].計算機應用，2012，（6）：57-78

[4]李錦龍，馮樂軍，宮蘭華等.基于復算性熱、動力計算的往復式壓縮機參數分析[J].石油化工設備，2012，（5）：82-84