往复式活塞压缩机轻量化设计

往复式活塞压缩机轻量化设计

一、前言

压缩机噪声按其性质可分为机械性质噪声源和空气动力性噪声源两大类。机械性噪声的控制应从控制振动、撞击及传递入手，这就需要降低激振力、降低受激系统的响应和减少受激辐射面积。

降低激振力的主要措施就是：1)减少运动部件的冲击;2)提高平衡精度(其中减少不平衡的惯性力和惯性力矩是减少往复压缩机整体振动特别重要的措施);3)降低往复质量，可大大降低不平衡的往复惯性力，从而降低激振力和振动。

二、不平衡惯性力和惯性力矩

往复式空压机由于受力情况复杂，较一般回转式空压机的振动更大。如何平衡机组内部的各种力，消除振源对空压机减振降噪具有关键的意义。

1、初始数据

2、惯性力的计算(假设两列往复运动质量相等)

1)旋转惯性力： JR= MR1Rω2+MRLRLω2

2)往复惯性力

A、Ⅰ阶往复惯性力:

B、Ⅱ阶往复惯性力：

3)惯性力计算结果(表2)

3、惯性力的平衡

Ⅰ阶往复惯性力为椭圆路径。Ⅱ阶往复惯性力为圆路径，其角速度为曲轴的一倍(详见

图2)。所以，在曲轴反向加平衡铁的方法不能完全将Ⅰ阶、Ⅱ阶往复惯性力平衡。

旋转惯性力主要由连杆、曲柄销、曲柄产生，连杆、曲柄销的旋转质量产生的旋转惯性力：

Jr=MR1Rω2+MRLRLω2

依据“兰切斯特法”平衡原理，平衡铁MP除了平衡旋转惯性力外，还须转换Ⅰ阶往复惯性力。平衡铁产生的旋转惯性力：

Jpr=MPRPω2

平衡铁的重径积为[2]：

MpRp=MsR+Jr/ω2

两个Ⅰ阶平衡量MPⅠ用以平衡转换后的Ⅰ阶惯性力，每个Ⅰ阶平衡铁的重径积为: MpⅠRⅠ=0.25MsR

两个Ⅱ阶平衡量MpⅡ用以平衡转换后的Ⅰ阶惯性力，每个Ⅱ阶平衡铁的重径积为：MpⅡRⅡ=0.433MsRλ

通过优化各运动件的质量，可基本平衡惯性力，使得空压机振动降低约10%，噪声约可降低3～4dB(A)。

三、轻量化的设计

1、活塞-连杆的轻量化

经对往复式空压机的振源和声源的分析，及对测试数据的分析，发现机组二列活塞部位的数值较大。为此，从下列方面实行减振降噪的措施。

对二列活塞的运动部件进行轻量化改进，达到降低惯性力，减少机组的振动和冲击力。将活塞-连杆等运动零件的材料改为钛合金材料，在保持材料原有强度的前题下，零件的重量减轻了42.7%，降低了惯性力矩。

2、连杆计算

已知：B=2.8 cm; b=2.2 cm;

H=4.25 cm;h=3.25 cm;

1)连杆杆身截面几何力学(图8)

A、面积

A=B H-bh=2.8×4.25-2.2×3.25=4.75 cm2

B、截面二次矩

C、重心到相应边的距离

D、截面模型

E、回转半径

2)连杆强度校核

A、活塞力F活i

∵ P3=8.5 MPa;A3=0.00197 m2;

P4=40 MPa;A4=0.000445 m2;

∴ 三级活塞力：F活3=P3A3=8.5×0.00197=16.75kN

四级活塞力：F活4=P4A4=40×0.000445=17.8kN

B、应力校核σ

3)总应力

已知：F=FS+Fr =8.73+5.629=14.359

A=4.75 cm2;L=26.4 cm;C=0.00015～0.0005(取C=0.000325)

Ix=11.62 cm4;IY=7.83 cm4;

A、连杆运动平面X-X的总应力

B、连杆运动平面Y-Y的总应力

4)惯性矩核算

为了提高强度和刚性，在连杆体的最薄弱环节作了增厚处理，连接圆弧由R30改成R100，厚度由35 mm增加至37 mm。惯性矩提高了14.9%。

改进前：B1=2.8 cm; b1=2.2 cm;H1=3.5 cm;h1=2.5 cm;

改进后：B2=2.8 cm; b2=2.2 cm;H2=3.7 cm;h2=2.7 cm;

A、改进前的惯性矩：

B、改进前的惯性矩：

C、惯性矩的增加度：

四、其它措施

1、气缸盖、罩的改进

由于气缸内气体压力脉动和活塞的摆动和横向运动产生的敲击声。造成缸盖、缸罩的结构共振声。为此，采取了以下措施：

1)增加了缸盖内容积，以改变膨胀共振频率。

2)在Ⅲ、Ⅳ级排气阀出口处增设了混合阻抗性消声装置。

3)在缸盖中用NOPD(非阻塞性颗粒)阻尼机理，增加了抗振性能，大大减少了振动力。

4)将缸罩的金属材料改为高分子材料，增加了吸音性能，形成了吸音降噪部件。

2、气阀阀片改进

气阀阀片采用高分子PEEK材料，它具有运动惯量小，抗冲击能强，冲击速度降低，冲击力减小，阀片的激振量降低，减小阀片对阀座的敲击声，同时，PEEK材料与阀座的密封性好，且密封面不易破坏。

3、振动传递的阻隔

在曲轴两端的轴承座处，添加阻尼材料，增加了振动质量，提高了机械阻抗，达到了阻隔振源的传递途径。

4、基座的改进

机组基座采用组合式方式，在压缩机和电机下端壁墙中增加了非阻塞性颗粒，来提高底座的强度刚性和阻尼特性，有效地防隔振动途径，减少振动能量，改善机组整体的减振能力。

五、效果

经过轻量化优化设计及降振减噪的措施，每列活塞-连杆的重量减轻了26.67%，惯性力和惯性力矩减少了约20%。由于往复运动件重量的减轻，减少了空压机的机架和基础的冲击力。由于在减少振源的同时，对振动的途径采取阻隔措施，预见机组的振动烈度可降低，噪声降低3～4dB(A)。