第5章-活塞式压缩机惯性力平衡1
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，
ms 2 2ms
ms 2 wenku.baidu.com 2ms
惯性力和力矩均能平衡
两列往复、旋转质量各自相等时，两列对动式结构的惯性力（矩） 平衡效果是相当好的
21
三列对动式结构
四列对动式结构
22
多置式压缩机结构
对置式压缩机的气缸置于机身的两侧， 但相对列的活塞部件运动不对称。
根据运动的特点分为三种类型： 1、主副连杆的对置式压缩机（与单列或者多列的立式相同） 2、连杆并列的对置式压缩机（可以看作是气缸轴线错开180度角度式） 3、各列均有自己的曲拐的对置式压缩机（参照多列立式）
'' FIIS ms'' r 2 cos 2(90 ) ms'' r 2 cos 2
M I max ms r 2a M I min ms r 2a
11
Fr' mr' r 2
Fr'' mr'' r 2
12
2
当两列的往复运动质量和旋转运动质量相等，b=c=a/2往复 惯性力与旋转惯性力和合力矩
FIr FIr ,1 FIr ,2 mr1r 2 mr 2 r 2 0
由于两列对动式结构的气缸中心线并不重合，往复、旋转惯 性力都会产生不平衡的惯性力矩，分别为其中一列的惯性力 与列间距的乘积
19 20
多列对动式结构
ms1 ms 3 ms
多列对动式结构
一些大型压缩机利用两列对动式结构在惯性力平衡上的优势，采用三列及 三列以上的对动式结构，通过合理配置曲拐错角，能将惯性力矩也平衡掉 当各列往复运动质量满足 ms1 ms 3 ms 当各列往复运动质量满足 ms1 ms 2 ms 3 =ms 4
合成后的往复惯性力矩不等于零，会形成振动激发源，合成后 的旋转惯性力矩尽管不为零，但可以通过加平衡质量的方法平 衡。总体讲，这种结构型式的惯性力（矩）平衡效果也是很不 错的。 两列对动式结构
FIr 0
' M Is ams r 2 (cos cos(240 ))
'' M Is
9 10
FI 0 FII 2ms r 2 cos 2
Fr 0
FI (ms' ms'' )r 2 cos
FII (ms' ms'' ) r 2 cos 2 Fr ( mr' mr'' ) r 2
2
M I ms r a cos
M I (ms' b ms'' c)r 2 cos
3 ams r 2 ( 3 cos sin ) 2
3 a ms r 2 ( 3 cos 2 sin 2 ) 2
17 18
' M Ir 3amr r 2
3
这样布置的压缩机通常称为“对称平衡型”压缩机，这种压 缩机虽然曲拐错角也为1800，但两列缸对称布置于曲轴两 侧，与两列气缸在曲轴同侧 =1800 的情况不同。按活 塞处于外止点时．曲柄销转角 =00 的规定，两列的转角 是相同的（ 1 = 2 ）。同时两列的运动方向相反，所 以从整个机器看．两列的往复惯性力的方向是相反的．其 合力为：
FI ms r 2 (cos sin )
FII 0
Fr 2mr r 2
一阶往复惯性力的合力矩 二阶往复惯性力的合力矩 旋转惯性力的合力矩
由上述计算可知， 900 两列压缩机，仅二阶往复惯性力在 机器中得到平衡，但两列为双作用时，可得到较为均匀的切 向力曲线，这对于大型压缩机减小飞轮尺寸是有利的，所以 0 常为两列双作用采用，两列均为单作用的压缩机取 180 一阶往复惯性力的极值位置
m p (0.15 ~ 0.2)ms
r ro
3
4
总上所述，在单列往复活塞压缩机中设置平衡质量，能够平衡其旋转惯 性力，并转移部分一阶往复惯性力。总的平衡质量 mb 为
卧式压缩机
多列压缩机惯性力的平衡 两列以上的压缩机称为多列压缩机由于列数较多，可以通过其结构的 合理布置，使惯性力得到部分或者全部平衡。常见的平衡方法有两种，一 种是通过各列曲拐错角的合理配置；另一种是在同一曲拐上配置几列气缸， 通过各列气缸中心线夹角的合理布置。 列指气缸中心线数或者连杆数
M II (ms' b ms'' c) r 2 cos 2 M r (mr' b mr'' c)r 2
M II 0
M r mr r 2 a
FII 2ms r 2 cos 2
求导
sin 2 =0
=00、 900、 1800 或2700
FII max 2ms r 2 FII min 2ms r 2
假设各列往复、旋转质量分别相等，即
M I max M Im ix
2 ms r 2 a 2 2 ms r 2 a 2
ms1 ms 2 ms 3 ms
mr1 mr 2 mr 3 mr
列间距相同 则可得到合成后的一、二阶往复惯性力 及旋转惯性力
二阶柱复惯性力合力矩的极值和相应的转角位置也可用同样方法求得
8
F m r
'' r '' r
2
7
如果两列的往复运动质量和旋转运动质量均相等，即
ms' ms'' ms
并且
mr' mr'' mr
b＝c＝a／2，则得
由此可见，倘若两列的往复运动质量，旋转运动质量相等，就可以使一 阶往复惯性力、二阶往复惯性力矩和旋转惯性力得以平衡。其中一阶往 复惯性力的影响最大，能够完全平衡是很重要的。为此，在压缩机设计 时，往往把低压列的大活塞采用铝制或焊接结构而把高压列的小活塞制 成实心的铸铁活塞，以保证两列往复质量相等，从而达到完全平衡一阶 往复惯性力的目的。 由于每列的曲柄连杆机构都取相同的式样、尺寸，它自动地使每列 的旋转质量相等。 另一影响较大的是一阶往复惯性力矩不能平衡而只能用缩小列间距 离来减小其数值。 二阶往复惯性力的影响不大，不能平衡而任其存在。 旋转惯性力矩则可以用加装平衡重的方法子以平衡。 不能平衡的惯性力和惯性力矩的极值与相对应的转角位置可以如下求出
2 amr r 2 2
13
M r ( mr r 2b) 2 ( mr r 2c ) 2
一阶往复惯性力合力矩的极值位置
14
sin cos 0
tg 1
MI
0
1 mr r 2a (cos sin ) 2
45
225
0
曲拐错角为 120 的三列 立式（或卧式）结构
'' FIIS ms'' r 2 cos 2(180 )
Fr (ms' ms'' )r 2 M I (ms' b ms'' c)r 2 cos
M II (ms' b ms'' c) r 2 cos 2 M r (mr' b mr'' c)r 2
旋转惯性力合力及合力矩可在每个曲柄上装平衡重的方法加以平衡
15 16
' ' ' ' FIs FIs ,1 FIs ,2 FIs ,3 ms1r 2 cos ms 2 r 2 cos(120 ) ms 3r 2 cos(240 ) 0
' '' '' '' FIs FIs ,1 FIs ,2 FIs ,3 ms1r 2 cos ms 2 r 2 cos 2(120 ) ms 3r 2 cos 2(240 ) 0
压缩机惯性力的平衡
惯性力及惯性力矩的平衡 单列压缩机
（1）旋转惯性力的平衡 若在曲柄的相反方向距离曲轴旋转中心 ro 的位置安装一块平衡质量为 mo ，使平衡 质量产生的离心力 mo r0 2 与旋转惯性力
平衡重点安装方式
FIr mr r 2
大小相等而方向相反，即
m0 r0 2 mr r 2
适用范围： 大型压缩机应用非常的普遍。卧式压缩机对安装 和基础的要求高。
23
ms1 ms 2 ms
如果两列的往复质量、旋转质量各自相等，即
ms1 ms 2 ms
mr1 mr 2 mr
' ' ' 2 2 FIs FIs ,1 FIs ,2 ms1r cos ms 2 r cos 0
，
'' '' '' 2 2 FIs FIs ,1 FIs ,2 ms1r cos 2 ms 2 r cos 2 0
FII (ms' ms'' ) r 2 cos 2
F m r cos
' IS ' s 2
' FIIS ms' r 2 cos 2
Fr' mr' r 2
第二列的惯性力，若以第一列 曲柄转角 为基准，则得
'' FIIS ms'' r 2 cos(180 )
1
立式或卧式压缩机
两列曲拐错角为1800压缩机 第一列各惯性力为
特点：气缸中心线平行配置在曲轴同一侧
将两列的惯性力分别转化到系统的质心平面s—s上则得合力 和合力矩如下
一阶往复惯性力的合力 二阶往复惯性力的合力 旋转惯性力的合力 一阶往复惯性力的合力矩 二阶往复惯性力的合力矩 旋转惯性力的合力矩
FI (ms' ms'' )r 2 cos
m0 m r r r0
，
则旋转惯性力被平衡掉
1
2
（2）往复惯性力的平衡及转移 实际上，单列压缩机的1阶往复惯性力采用简单的方式 是无法平衡，二阶往复惯性力则根本无法平衡 单列压缩机加装平衡重，只能将一阶往复 惯性力转过900 在单列卧式压缩机中常将一阶往复惯性 力的30％～50％转移至水平方向， 其平衡质量 m p r m p (0.3 ~ 0.5)m s ro 在立式压缩机中常将一阶往复惯性 力的15％～20％转移至水平方向， 其平衡质量 m p
第一种类型，运动情况和单列的压缩机完全相同，仅往复质 量为两侧往复质量之和，多列时，其平衡情况与多列立式和 卧式压缩机相同，因为两侧气缸在同一轴线上，使气体力能 相互抵消一部分，改善运动机构和轴承的受力，超高压压缩 机采用 第二种类型 一般均为偶数列，运动情况 与V型压缩机将夹角扩大到 1800相同
两列曲拐错角为900压缩机 第一列各惯性力为
' FIS ms' r 2 cos
' FIIS ms' r 2 cos 2
二阶往复惯性力的极值位置为 将 值代入： 当 =00 或者 当 =900 或者
=1800时 =2700时 求导
Fr' ms' r 2
第二列的惯性力，若以第一列 曲柄转角 为基准，第二 列超前第一列900
cos sin 0
MI 1 mr r 2a (cos sin ) 2
FI ms r 2 (cos sin )
FI min 2mS r 2 FIm ax 2mS r 2
tg 1
1350 3150
M II ms r 2 cos 2
mb m0 m p [mr (0.30 ~ 0.50)ms ]
立式压缩机
r r0
r mb m0 m p [mr (0.15 ~ 0.20)ms ] r0
在多列压缩机中，各列的惯性力组成了一个空间力系，因 而除了出现惯性力的平衡问题外，还出现了惯性力矩的平 衡问题。
5
6
从理论上讲，可以用图所示的正反转质量 平衡系统来实现往复惯性力的完全平衡。 一阶正反转质量的转速与压缩机的转速相 同，它们在水平方向的离心力相互抵消， 垂直方向的分力之和等于一阶往复惯性力， 而方向相反。二阶正反转质量的转速为压 缩机转速的2倍，即可同样平衡二阶往复惯 性力。 然而这样的结构由于过分复杂，迄今在压 缩机中末得到应用。
M I ms r 2 a cos
当 =00 时 当 =1800
sin =0
第一列各惯性力为
' FIS ms' r 2 cos
' FIIS ms' r 2 cos 2
第二列各惯性力为
'' FIIS ms'' r 2 cos(90 ) ms'' r 2 sin
ms 2 2ms
ms 2 wenku.baidu.com 2ms
惯性力和力矩均能平衡
两列往复、旋转质量各自相等时，两列对动式结构的惯性力（矩） 平衡效果是相当好的
21
三列对动式结构
四列对动式结构
22
多置式压缩机结构
对置式压缩机的气缸置于机身的两侧， 但相对列的活塞部件运动不对称。
根据运动的特点分为三种类型： 1、主副连杆的对置式压缩机（与单列或者多列的立式相同） 2、连杆并列的对置式压缩机（可以看作是气缸轴线错开180度角度式） 3、各列均有自己的曲拐的对置式压缩机（参照多列立式）
'' FIIS ms'' r 2 cos 2(90 ) ms'' r 2 cos 2
M I max ms r 2a M I min ms r 2a
11
Fr' mr' r 2
Fr'' mr'' r 2
12
2
当两列的往复运动质量和旋转运动质量相等，b=c=a/2往复 惯性力与旋转惯性力和合力矩
FIr FIr ,1 FIr ,2 mr1r 2 mr 2 r 2 0
由于两列对动式结构的气缸中心线并不重合，往复、旋转惯 性力都会产生不平衡的惯性力矩，分别为其中一列的惯性力 与列间距的乘积
19 20
多列对动式结构
ms1 ms 3 ms
多列对动式结构
一些大型压缩机利用两列对动式结构在惯性力平衡上的优势，采用三列及 三列以上的对动式结构，通过合理配置曲拐错角，能将惯性力矩也平衡掉 当各列往复运动质量满足 ms1 ms 3 ms 当各列往复运动质量满足 ms1 ms 2 ms 3 =ms 4
合成后的往复惯性力矩不等于零，会形成振动激发源，合成后 的旋转惯性力矩尽管不为零，但可以通过加平衡质量的方法平 衡。总体讲，这种结构型式的惯性力（矩）平衡效果也是很不 错的。 两列对动式结构
FIr 0
' M Is ams r 2 (cos cos(240 ))
'' M Is
9 10
FI 0 FII 2ms r 2 cos 2
Fr 0
FI (ms' ms'' )r 2 cos
FII (ms' ms'' ) r 2 cos 2 Fr ( mr' mr'' ) r 2
2
M I ms r a cos
M I (ms' b ms'' c)r 2 cos
3 ams r 2 ( 3 cos sin ) 2
3 a ms r 2 ( 3 cos 2 sin 2 ) 2
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' M Ir 3amr r 2
3
这样布置的压缩机通常称为“对称平衡型”压缩机，这种压 缩机虽然曲拐错角也为1800，但两列缸对称布置于曲轴两 侧，与两列气缸在曲轴同侧 =1800 的情况不同。按活 塞处于外止点时．曲柄销转角 =00 的规定，两列的转角 是相同的（ 1 = 2 ）。同时两列的运动方向相反，所 以从整个机器看．两列的往复惯性力的方向是相反的．其 合力为：
FI ms r 2 (cos sin )
FII 0
Fr 2mr r 2
一阶往复惯性力的合力矩 二阶往复惯性力的合力矩 旋转惯性力的合力矩
由上述计算可知， 900 两列压缩机，仅二阶往复惯性力在 机器中得到平衡，但两列为双作用时，可得到较为均匀的切 向力曲线，这对于大型压缩机减小飞轮尺寸是有利的，所以 0 常为两列双作用采用，两列均为单作用的压缩机取 180 一阶往复惯性力的极值位置
m p (0.15 ~ 0.2)ms
r ro
3
4
总上所述，在单列往复活塞压缩机中设置平衡质量，能够平衡其旋转惯 性力，并转移部分一阶往复惯性力。总的平衡质量 mb 为
卧式压缩机
多列压缩机惯性力的平衡 两列以上的压缩机称为多列压缩机由于列数较多，可以通过其结构的 合理布置，使惯性力得到部分或者全部平衡。常见的平衡方法有两种，一 种是通过各列曲拐错角的合理配置；另一种是在同一曲拐上配置几列气缸， 通过各列气缸中心线夹角的合理布置。 列指气缸中心线数或者连杆数
M II (ms' b ms'' c) r 2 cos 2 M r (mr' b mr'' c)r 2
M II 0
M r mr r 2 a
FII 2ms r 2 cos 2
求导
sin 2 =0
=00、 900、 1800 或2700
FII max 2ms r 2 FII min 2ms r 2
假设各列往复、旋转质量分别相等，即
M I max M Im ix
2 ms r 2 a 2 2 ms r 2 a 2
ms1 ms 2 ms 3 ms
mr1 mr 2 mr 3 mr
列间距相同 则可得到合成后的一、二阶往复惯性力 及旋转惯性力
二阶柱复惯性力合力矩的极值和相应的转角位置也可用同样方法求得
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F m r
'' r '' r
2
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如果两列的往复运动质量和旋转运动质量均相等，即
ms' ms'' ms
并且
mr' mr'' mr
b＝c＝a／2，则得
由此可见，倘若两列的往复运动质量，旋转运动质量相等，就可以使一 阶往复惯性力、二阶往复惯性力矩和旋转惯性力得以平衡。其中一阶往 复惯性力的影响最大，能够完全平衡是很重要的。为此，在压缩机设计 时，往往把低压列的大活塞采用铝制或焊接结构而把高压列的小活塞制 成实心的铸铁活塞，以保证两列往复质量相等，从而达到完全平衡一阶 往复惯性力的目的。 由于每列的曲柄连杆机构都取相同的式样、尺寸，它自动地使每列 的旋转质量相等。 另一影响较大的是一阶往复惯性力矩不能平衡而只能用缩小列间距 离来减小其数值。 二阶往复惯性力的影响不大，不能平衡而任其存在。 旋转惯性力矩则可以用加装平衡重的方法子以平衡。 不能平衡的惯性力和惯性力矩的极值与相对应的转角位置可以如下求出
2 amr r 2 2
13
M r ( mr r 2b) 2 ( mr r 2c ) 2
一阶往复惯性力合力矩的极值位置
14
sin cos 0
tg 1
MI
0
1 mr r 2a (cos sin ) 2
45
225
0
曲拐错角为 120 的三列 立式（或卧式）结构
'' FIIS ms'' r 2 cos 2(180 )
Fr (ms' ms'' )r 2 M I (ms' b ms'' c)r 2 cos
M II (ms' b ms'' c) r 2 cos 2 M r (mr' b mr'' c)r 2
旋转惯性力合力及合力矩可在每个曲柄上装平衡重的方法加以平衡
15 16
' ' ' ' FIs FIs ,1 FIs ,2 FIs ,3 ms1r 2 cos ms 2 r 2 cos(120 ) ms 3r 2 cos(240 ) 0
' '' '' '' FIs FIs ,1 FIs ,2 FIs ,3 ms1r 2 cos ms 2 r 2 cos 2(120 ) ms 3r 2 cos 2(240 ) 0
压缩机惯性力的平衡
惯性力及惯性力矩的平衡 单列压缩机
（1）旋转惯性力的平衡 若在曲柄的相反方向距离曲轴旋转中心 ro 的位置安装一块平衡质量为 mo ，使平衡 质量产生的离心力 mo r0 2 与旋转惯性力
平衡重点安装方式
FIr mr r 2
大小相等而方向相反，即
m0 r0 2 mr r 2
适用范围： 大型压缩机应用非常的普遍。卧式压缩机对安装 和基础的要求高。
23
ms1 ms 2 ms
如果两列的往复质量、旋转质量各自相等，即
ms1 ms 2 ms
mr1 mr 2 mr
' ' ' 2 2 FIs FIs ,1 FIs ,2 ms1r cos ms 2 r cos 0
，
'' '' '' 2 2 FIs FIs ,1 FIs ,2 ms1r cos 2 ms 2 r cos 2 0
FII (ms' ms'' ) r 2 cos 2
F m r cos
' IS ' s 2
' FIIS ms' r 2 cos 2
Fr' mr' r 2
第二列的惯性力，若以第一列 曲柄转角 为基准，则得
'' FIIS ms'' r 2 cos(180 )
1
立式或卧式压缩机
两列曲拐错角为1800压缩机 第一列各惯性力为
特点：气缸中心线平行配置在曲轴同一侧
将两列的惯性力分别转化到系统的质心平面s—s上则得合力 和合力矩如下
一阶往复惯性力的合力 二阶往复惯性力的合力 旋转惯性力的合力 一阶往复惯性力的合力矩 二阶往复惯性力的合力矩 旋转惯性力的合力矩
FI (ms' ms'' )r 2 cos
m0 m r r r0
，
则旋转惯性力被平衡掉
1
2
（2）往复惯性力的平衡及转移 实际上，单列压缩机的1阶往复惯性力采用简单的方式 是无法平衡，二阶往复惯性力则根本无法平衡 单列压缩机加装平衡重，只能将一阶往复 惯性力转过900 在单列卧式压缩机中常将一阶往复惯性 力的30％～50％转移至水平方向， 其平衡质量 m p r m p (0.3 ~ 0.5)m s ro 在立式压缩机中常将一阶往复惯性 力的15％～20％转移至水平方向， 其平衡质量 m p
第一种类型，运动情况和单列的压缩机完全相同，仅往复质 量为两侧往复质量之和，多列时，其平衡情况与多列立式和 卧式压缩机相同，因为两侧气缸在同一轴线上，使气体力能 相互抵消一部分，改善运动机构和轴承的受力，超高压压缩 机采用 第二种类型 一般均为偶数列，运动情况 与V型压缩机将夹角扩大到 1800相同
两列曲拐错角为900压缩机 第一列各惯性力为
' FIS ms' r 2 cos
' FIIS ms' r 2 cos 2
二阶往复惯性力的极值位置为 将 值代入： 当 =00 或者 当 =900 或者
=1800时 =2700时 求导
Fr' ms' r 2
第二列的惯性力，若以第一列 曲柄转角 为基准，第二 列超前第一列900
cos sin 0
MI 1 mr r 2a (cos sin ) 2
FI ms r 2 (cos sin )
FI min 2mS r 2 FIm ax 2mS r 2
tg 1
1350 3150
M II ms r 2 cos 2
mb m0 m p [mr (0.30 ~ 0.50)ms ]
立式压缩机
r r0
r mb m0 m p [mr (0.15 ~ 0.20)ms ] r0
在多列压缩机中，各列的惯性力组成了一个空间力系，因 而除了出现惯性力的平衡问题外，还出现了惯性力矩的平 衡问题。
5
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从理论上讲，可以用图所示的正反转质量 平衡系统来实现往复惯性力的完全平衡。 一阶正反转质量的转速与压缩机的转速相 同，它们在水平方向的离心力相互抵消， 垂直方向的分力之和等于一阶往复惯性力， 而方向相反。二阶正反转质量的转速为压 缩机转速的2倍，即可同样平衡二阶往复惯 性力。 然而这样的结构由于过分复杂，迄今在压 缩机中末得到应用。
M I ms r 2 a cos
当 =00 时 当 =1800
sin =0
第一列各惯性力为
' FIS ms' r 2 cos
' FIIS ms' r 2 cos 2
第二列各惯性力为
'' FIIS ms'' r 2 cos(90 ) ms'' r 2 sin