直线引导型压缩机的设计概述

王丙强

摘要：压缩机的结构设计对于压缩机的功能和性能来说是非常重要的。传统的压缩机设计是曲轴与连杆直接相连，这样就造成了与活塞连接的一端对活塞产生侧向力，使活塞与气缸之间产生加剧磨损。本文对这个问题做出方案，从压缩机的工作原理出发，探索如何去解决这个问题，并重点讨论了直线引导型压缩机的原理及优点，以及在设计制造环节中的设计布置与思路。

关键词：压缩机；压缩机设计；压缩机原理；直线引导型压缩机

一、压缩机的概述及其原理

压缩机的主要部件一般包括气缸、活塞、冷却器、气阀、曲轴和连杆等。根据压缩机的工作原理，压缩机一般包括容积式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机是指通过工作腔容积的变化来压缩气体的机械设备。而速度式压缩机是指借助于高速旋转的叶轮来实现将气体进行压缩的机械设备。

活塞式压缩机是最为常见的一种压缩机。活塞式压缩机包括气缸、活塞和气阀等主要部件。活塞在气缸中往复运动，使得气缸的工作容积呈周期性的变化，通过周期性的工作容积变化来实现周期性地压缩气体，进而为压缩机提供动力来源。

二、传统压缩机的缺点

传统的往复式压缩机在工作过程中会产生振动和受力不平衡的问题。这主要体现在活塞在做直线运动时，对气缸壁的作用而产生的一些问题。

当曲轴转动时，曲轴带动与之相连接的连杆运动，而连杆则带运活塞一起运动，在活塞进行往复运动时，与活塞连接的连杆的一端也随之一起运动，而连杆的另一端是与曲轴连接，曲轴作旋转运动，这就造成活塞作直线往复运动，与活塞连接的连杆的一端是作往复直线运动，而连杆的另一端随着曲轴做旋转运动。但是这样就会产生一个问题，连杆作用到活塞上的作用力是一个方向变化的力，该力可以分解为与活塞运动方向一致的力和一个与活塞运动方向垂直的力，换句话说，在活塞运动过程中，连杆除了施加给与活塞运动方向的一致的力外，还施加了一个使活塞压向气缸壁的侧向力。

正是由于这个侧向力的存在，才增加了活塞与气缸壁之间的摩擦和磨损，并且由此还引起了噪音和振动。

三、直线引导型压缩机的原理及优点

正是由于传统的往复式压缩机在活塞运动中产生的诸多问题，导致活塞在工作过程中容易造成磨损和振动，为了解决这个问题，市场上推出了一种直线导向约束往复活塞式压缩机，

如图1所示，直线导向约束往复活塞式压缩机的主要部件包括壳体、气缸、曲柄销、连杆、活塞和副连杆等。如图所示，活塞5安装在气缸2的内部，连杆4的一端与活塞5连接在一起，连杆4的一端与副连杆6的一端连接在一起，而副连杆6的另一端与曲轴销3连接在一起。连杆4包括一根与活塞5直接相连的直杆和一个框架。

当曲轴旋转时，曲轴带动副连杆6进行旋转运动，而副连杆6通过与连杆4的连接点带动连杆4作直线往复运动。为了使连杆4尽可能地作直线运动，在气缸的内部设置有导管或套10，以约束连杆4的摆动。连杆4包括一个直杆和一个框架。连杆4的框架上设置了一个滚轮7，同时在对应的壳体上设置有导轨，导轨设置成滚轮7能够在导轨上直线往复运动，为了使连杆4可靠地沿着导轨8进行滑动，还在连杆4上设置有弹簧9，弹簧9的一端设置在连杆4上，另一端设置在壳体内侧，弹簧9的安装位置左右对称。

与传统的压缩机相比，直线导向约束往复活塞式压缩机具有两个连杆：连杆4和副连杆6。由于曲轴与活塞之间有两个连杆，利用副连杆6做了缓冲，进一步地保证了连杆4的直线运动，从而进一步减小了活塞5受到的侧向力，达到进一步地减小活塞5与气缸2之间的磨损，延长了活塞的使用寿命，以及延长压缩机的维修保养时间。

四、直线引导型压缩机的设计

由于在制造过程中，部件的材质、部件的选型和部件制造都会对压缩机的工作性能产生重要影响。因此，必然对部件的材质、部件的选型和部件制造格外重视。

如图2所示，在压缩机的工作过程中，由于连杆4的直杆部分受到活塞5和连杆4的框架部分连续不断地冲击，连杆4的直杆部分的材质一定要选用耐磨、耐抗击力和搞疲劳的特点。导管或套10既可以设计成在气缸内部，也可以安装在气缸外部。从安装的方便性角度来看，设置在气缸外部更方便安装与维护。

在选用导管或套10时，需要考虑其光滑度、圆度及圆柱度，以使其与连杆4的直杆部分相匹配。

弹簧9也属于易损件，根据连杆4的受力分析，计算出弹簧9所需要施加的力。在选用时，选择比计算出来的理论的力值要大20-50%的弹簧，也就是说，选用的弹簧要具有一定的工作裕度值。

为了安装和维护方便，连杆4的直杆部分和和连杆4的框架部分可以考虑制成为一体结构。

图1

如图2所示，在设计中滚轮7的位置可以做适当的变换，例如，将滚轮7设置在壳体的一侧，而将导轨设置在连杆4的相应的一侧。

图2

为了使产品的多样化和性能改进，在设置滚轮7时，可以考虑在连杆4的框架部分的两侧各设置一个滚轮7，同时在相对应的壳体的部位设置导轨，以与滚轮7相配合。根据这个思路，为了使连杆4更精确地沿着直线运动，也可以布置多个滚轮。由于设置了在缸体的两侧设置了导轨，达到了两侧的作用力平衡，因此，可以省掉弹簧9

两侧的滚轮7也可以设置在壳体的两侧，而相应的导轨则设置在连杆4的框架部分上。类似地，在这样结构的设计下，也可以考虑多个滚轮，以更好地达到使连杆4更精确地沿着直线运动的效果。

结束语

直线引导型压缩机已经在市面上出现，与传统的曲轴与连接直接相连的压缩机相比，这是一款经过精心改良的压缩机，具有一个连杆和副连杆。通过增加一个副连杆，使与活塞直接连接的连杆的往复运动更接近直线，减少或消除活塞受到的侧向力，从而进一步地降低活塞与气缸之间的摩擦，降低了活塞的磨损，延长了活塞的使用寿命，也延长了压缩机的维修保养时间。

参考文献：

[1]杨昭，谭晶莹，李喜宏.冷库压缩机变频技术节能原理与经济效益分析[J].压缩机技术，2014.

[2]陈可坚.活塞式天然气压缩机使用与维护[M].石油工业出版社，2012.

[3]基于HHT的往复压缩机故障诊断研究[D].赵海峰.东北石油大学，2011.