1、活塞式压缩机的受力分析活塞式压缩机的受力分析 O r+LLABBAAS=2rxCrr曲柄连杆机构简化图曲柄连杆机构简化图 1hPLANRTBOPLPLPNr h压缩机作用力分析图压缩机作用力分析图 2 gghPp FgPPI第一节、简述压缩机的动力学第一节、简述压缩机的动力学 一、一、运动学运动学 二、压缩机中的作用力二、压缩机中的作用力 三、压缩机中惯性力的平衡三、压缩机中惯性力的平衡 1、运动学原理、运动学原理 活塞式压缩机曲柄连杆机构的任务是将主活塞式压缩机曲柄连杆机构的任务是将主轴的旋转运动，通过连杆转化为活塞（或者是轴的旋转运动，通过连杆转化为活塞（或者是十字头）的往复运动。十字头）
2、的往复运动。 运动时：运动时： 曲柄作旋转运动；曲柄作旋转运动； 连杆作平面运动；（可看作一部分随曲柄连杆作平面运动；（可看作一部分随曲柄作旋转运动，另一部分做往复运动）；作旋转运动，另一部分做往复运动）； 活塞（十字头）做往复运动；活塞（十字头）做往复运动； 我们重点是我们重点是 研究往复运动研究往复运动。活塞行程活塞行程: （曲柄半径）（曲柄半径） ；连杆比连杆比: ； 连杆长度，通常连杆长度，通常 总在总在1/31/6之间。之间。 行程、连杆比行程、连杆比2sr/rLL 2、曲柄机构的运动分析、曲柄机构的运动分析 （1）活塞的位移）活塞的位移 式中：式中： 曲柄转角（一般规定活塞在外曲柄
3、转角（一般规定活塞在外 止点时止点时 =0 ）。）。 1 cos/4 1 cos2xr活塞的速度及加速度活塞的速度及加速度 （ 2）活塞的速度）活塞的速度 及加速度及加速度 。 对位移求导：对位移求导： 因为因为 （角速度为常数）（角速度为常数） 转速转速)，/ sin/2sin2/cdx dtdx dddtrddt /30ddtn ncj活塞的速度、加速度、旋转加速度活塞的速度、加速度、旋转加速度故速度：故速度：加速度：加速度： 曲柄销质点的旋转加速度：曲柄销质点的旋转加速度： 。sin/2sin2cr2 /= coscos2/dc dtdc dddtjr2jrr 3、曲柄连杆机构运动时的惯
4、性力、曲柄连杆机构运动时的惯性力 往复惯性力：往复惯性力： 即往复惯性力等于运动质量乘加速度，其即往复惯性力等于运动质量乘加速度，其方向和加速度方向相反。方向和加速度方向相反。2(coscos2 )ssIm jmr 往复质量：往复质量： = 活塞质量活塞质量(含活塞环等）含活塞环等）+活塞杆质量活塞杆质量+ 十字头质量十字头质量+（0.3-0.4)连杆质量。连杆质量。 因因动力计算中规定使连杆产生拉伸应力的动力计算中规定使连杆产生拉伸应力的力为正，反之为负力为正，反之为负故式中将负号去掉。故式中将负号去掉。 2sm222(coscos 2)coscos 2sssIIIIm rm rm rII一
5、阶一阶往复惯性力往复惯性力 为一阶往复惯为一阶往复惯性力。其变化的周期等于曲轴转一周的时性力。其变化的周期等于曲轴转一周的时间。间。 当当 时，为最大值时，为最大值: （外止点（外止点) ； 为最小为最小: (内止点内止点)。2cosIsIm r002maxIsIm r01802maxIsIm r 称为二称为二阶惯性力。阶惯性力。 其变化周期为曲轴转半其变化周期为曲轴转半周的时间，最大值在曲轴旋转一周周的时间，最大值在曲轴旋转一周中出现两次即中出现两次即 =0、180时，时， ；最小值也出；最小值也出现两次，发生在现两次，发生在 =90，270时，时， 。二阶往复惯性力二阶往复惯性力2cos2
6、IIsIm r2II massIm r2minIIsImr往复惯性力往复惯性力 从上面可看出：从上面可看出： 二阶惯性力的最大值仅为一阶惯性力的二阶惯性力的最大值仅为一阶惯性力的 倍。倍。 一、二阶往复惯性力总作用在气缸轴线上。一、二阶往复惯性力总作用在气缸轴线上。 4、旋转惯性力、旋转惯性力(离心力）离心力） 大小：大小： ， 大小不变大小不变（ 角速度认为它是角速度认为它是 不变的、均速的，实际上是不变的、均速的，实际上是有些变化的）。有些变化的）。2rrIm r 旋转惯性力旋转惯性力 旋转惯性力的作用方向始终沿着曲柄旋转惯性力的作用方向始终沿着曲柄半径指向外，而且半径指向外，而且规定使曲
7、柄承受拉伸为规定使曲柄承受拉伸为正值，受压缩为负值正值，受压缩为负值，故式中负号可不顾，故式中负号可不顾及。及。 旋转质量旋转质量=曲轴的旋转质量曲轴的旋转质量+（0.60.7）连杆质量。）连杆质量。rm 一、压缩机运行时的作用力一、压缩机运行时的作用力 空负载运行中：曲柄连杆机构只产生惯空负载运行中：曲柄连杆机构只产生惯性力和摩擦力。性力和摩擦力。 满负载运行而突然在止点停车时，压缩满负载运行而突然在止点停车时，压缩机中只有最大气体力作用在有关零件上。机中只有最大气体力作用在有关零件上。 压缩机运行时的作用力压缩机运行时的作用力 满负载正常运行时：压缩机中满负载正常运行时：压缩机中作用力主要
8、为：作用力主要为： 缸内的气体力缸内的气体力 ; 往复惯性力往复惯性力 ; 旋转惯性力旋转惯性力 ; 摩擦力摩擦力 ; 旋转摩擦力旋转摩擦力 。gPIrIfPrP 1)、气体力：、气体力： 是个变化值。是个变化值。( 气体压力气体压力) 。其值决定。其值决定 的大小和的大小和活塞面积活塞面积 。 气体力既作用在活塞顶面，也作用在气体力既作用在活塞顶面，也作用在气缸盖内壁（见图气缸盖内壁（见图2）。）。 对单作用压缩机：对单作用压缩机： 对曲柄连杆机构对曲柄连杆机构起压缩作用。起压缩作用。 气体力gghPp FgpgPhFgP气体力 对双作用机：活塞向盖行程（压对双作用机：活塞向盖行程（压缩作用
9、）和向轴行程时（拉伸作缩作用）和向轴行程时（拉伸作用），气体力对曲柄连杆机构交替用），气体力对曲柄连杆机构交替地作用着压缩和拉伸力。地作用着压缩和拉伸力。气体力为内力 作用在气缸盖上的气体力作用在气缸盖上的气体力 则与作用在则与作用在活塞上的力活塞上的力 大小相等，方向相反。并通过大小相等，方向相反。并通过气缸盖上等固定件一直传递到主轴承上和通气缸盖上等固定件一直传递到主轴承上和通过曲柄连杆机构也传递至主轴承上的气体力过曲柄连杆机构也传递至主轴承上的气体力相互抵消，故相互抵消，故称为内力称为内力。但该力使固定机件但该力使固定机件及连接螺栓受其交变载荷作用，成为这些零及连接螺栓受其交变载荷作用，
10、成为这些零件的主要载荷。件的主要载荷。 gPgP卧式机器设计支承的问提卧式机器设计支承的问提 卧式机器由于气缸轴线方向串联有机身、卧式机器由于气缸轴线方向串联有机身、中体、接筒以及级差式气缸等零件而使机器中体、接筒以及级差式气缸等零件而使机器过长，为支承其重量应过长，为支承其重量应设计成为不要限制其设计成为不要限制其轴向位移的支承轴向位移的支承。否则会使中体与机身连接。否则会使中体与机身连接法兰处受力不均，甚至造成中体连接螺栓在法兰处受力不均，甚至造成中体连接螺栓在下半周者断裂事故。下半周者断裂事故。 惯性力、活塞力 2）、惯性力）、惯性力 ，也是交变力。其，也是交变力。其和气体力构成活塞力。
11、即：和气体力构成活塞力。即： (使连杆受拉伸为正、压缩为负使连杆受拉伸为正、压缩为负)。 3）、活塞力）、活塞力 ，传递至十字头，传递至十字头 销（或活塞销）时，分解为两个力：侧销（或活塞销）时，分解为两个力：侧 向力向力 及连杆力及连杆力 (见图见图2）。）。 由图由图2知：知： IgPPIPNLPtgNP/cosLPP侧向力、连杆力侧向力、连杆力 的作用点的作用点 侧向力侧向力 作用于十字头滑道上或气作用于十字头滑道上或气缸工作面上（筒形活塞）；连杆力缸工作面上（筒形活塞）；连杆力 作作用于连杆轴线上，是连杆所承受的主要用于连杆轴线上，是连杆所承受的主要负载，它可传递至曲柄点负载，它可传递
12、至曲柄点 B 处，对主轴处，对主轴中心中心 O 构成一个力矩构成一个力矩 和一个力和一个力 （作用于主轴承上）见图（作用于主轴承上）见图 2 。 LPLPLP hN 连杆与气缸中心的夹角连杆与气缸中心的夹角 上式是根据上式是根据 及及 以及图以及图2中中 , r 和和 与与 的垂直关系而推出的。的垂直关系而推出的。由于力矩由于力矩 和曲轴转向相反，起着阻止曲轴和曲轴转向相反，起着阻止曲轴旋转的作用，故旋转的作用，故称为阻力矩称为阻力矩。 阻力矩阻力矩/tg N P/cosLP PhhLPcM sincomLcP hP rM自由力自由力 至于至于 又可（又可（ ）再分解）再分解为一个侧向力为一个
13、侧向力 和活塞力和活塞力 。 和十字头销上的和十字头销上的 构成一个力矩构成一个力矩 (图图2)； 活塞力活塞力 。 LP/cosLP PgPPINPNNNh自自 由由 力力 气体力和从固定件传来的气体力相互气体力和从固定件传来的气体力相互抵后，主轴抵后，主轴O点处只作用着惯性力点处只作用着惯性力 。它和曲柄销中心它和曲柄销中心B点处作用着的旋转惯点处作用着的旋转惯性力（离心力），这两个力无法在内部性力（离心力），这两个力无法在内部平衡，都会传到机器外，故平衡，都会传到机器外，故称自由力或称自由力或外力外力。I 4）从另一方面讲，曲柄销上的力）从另一方面讲，曲柄销上的力 也可分解成下列两力：也
14、可分解成下列两力：T、R （1）、）、 是与曲柄销垂直的力是与曲柄销垂直的力 称为称为切向力（定义反旋转时为正）切向力（定义反旋转时为正）并等于并等于 ： 切向力、阻力矩切向力、阻力矩LPTsin()/cosTP切向力、阻力矩切向力、阻力矩 切向力切向力 对主轴形成的力矩为：对主轴形成的力矩为： 可见与前述可见与前述 完全相同，完全相同，实际上就是阻力矩，即实际上就是阻力矩，即 。Tsin()/cosT rPrCLMp hcMT r （2）另一个与曲柄方向平行的力）另一个与曲柄方向平行的力 (见图见图2)，称为法向力：，称为法向力： 它作用在曲柄销上，（定义使曲柄它作用在曲柄销上，（定义使曲柄
15、拉伸为正）拉伸为正） 影响曲柄的摩损）影响曲柄的摩损）法向力法向力Rcos()/cosRPR余下的力、力矩余下的力、力矩 综上所述：压缩机在运行中的作用综上所述：压缩机在运行中的作用力（除平衡的外）其余下下列几项：力（除平衡的外）其余下下列几项： 倾覆力矩倾覆力矩 ； 阻力矩阻力矩 ； 惯性力惯性力 以及旋转惯性力以及旋转惯性力 。NhcLMP hTrIrI 二、压缩机中各力的影响作用（指剩余二、压缩机中各力的影响作用（指剩余的力、力矩）的力、力矩） 1)倾覆力矩倾覆力矩 经推导经推导: 即数值上等于阻力矩，作用在机身上、即数值上等于阻力矩，作用在机身上、下方，方向基本上是顺曲轴转向。下方，方
16、向基本上是顺曲轴转向。N hsin() / coscNhP rTrM倾覆力矩倾覆力矩 对立式机器而言，有使机器倾倒之势，对立式机器而言，有使机器倾倒之势，故称倾覆力矩，它在机器内无法得到平衡，故称倾覆力矩，它在机器内无法得到平衡，并会导致机器振动（特别是立式机器）。并会导致机器振动（特别是立式机器）。 对于卧式对于卧式 机器，机器， 垂直作用在中体垂直作用在中体导轨上，故不易发生振动现象，但中体刚导轨上，故不易发生振动现象，但中体刚性不足时，仍会导致固定件垂直于地面的性不足时，仍会导致固定件垂直于地面的振动。振动。 N h 倾覆力矩最终由机身下方的地基螺栓所承倾覆力矩最终由机身下方的地基螺栓所
17、承受并传至基础。受并传至基础。 当压缩机与驱动机共处在同一基础之上当压缩机与驱动机共处在同一基础之上时，驱动机的固定件（如电动机的定子，柴时，驱动机的固定件（如电动机的定子，柴油机机身）上的反倾覆力矩和压缩机的倾覆油机机身）上的反倾覆力矩和压缩机的倾覆力矩在基础内可相互抵消，就是瞬时不完全力矩在基础内可相互抵消，就是瞬时不完全相等，但差值不大，易被基础承受之。相等，但差值不大，易被基础承受之。 2）阻力矩）阻力矩 是与是与驱动力矩驱动力矩 相反的力矩。作用在曲相反的力矩。作用在曲柄销上的柄销上的 （或（或 ）起到阻止压缩）起到阻止压缩机旋转的作用，实际上就是压缩机的机旋转的作用，实际上就是压缩
18、机的耗功。耗功。阻力矩阻力矩cLMP hTrdMLPT 3）惯性力）惯性力 及及 以及他们的以及他们的矩矩 、 ，由前述可知，惯性力随，由前述可知，惯性力随曲轴转角而周期性的变化着，且为自由力曲轴转角而周期性的变化着，且为自由力而传至基础上，引起基础振动，由于振动，而传至基础上，引起基础振动，由于振动，噪声也会大，会缩短基础及周围建筑物的噪声也会大，会缩短基础及周围建筑物的寿命。严重时会使建筑物因共振而毁坏。寿命。严重时会使建筑物因共振而毁坏。 惯性力及其力矩惯性力及其力矩IrIIMrM惯性力及其力矩惯性力及其力矩 振动还会消耗能量，影响机器正常运振动还会消耗能量，影响机器正常运转，有时会使紧
19、固螺栓松动，使零件过载转，有时会使紧固螺栓松动，使零件过载而破坏。而破坏。 基础的不均匀下沉，有时也是惯性振基础的不均匀下沉，有时也是惯性振动引起的。动引起的。 故惯性力是我们不喜欢的。故惯性力是我们不喜欢的。综上所述，在活塞式压缩机中，综上所述，在活塞式压缩机中，气体力属于内力，一般不传到机器外气体力属于内力，一般不传到机器外边来；边来； 往复惯性力和往复惯性力和旋旋转转惯性惯性力是自由力是自由力能传到机器外边，并可能导致机器力能传到机器外边，并可能导致机器振动。振动。 倾覆力矩属自由力矩也能传到机器外倾覆力矩属自由力矩也能传到机器外边，但是当压缩机和驱动机置于同一底边，但是当压缩机和驱动机
20、置于同一底座上或者压缩机与驱动机机身连成整体座上或者压缩机与驱动机机身连成整体时，传出来的力矩是时，传出来的力矩是 和和 之差。之差。 阻力矩和驱动力矩不一致需要用飞阻力矩和驱动力矩不一致需要用飞轮来均衡。轮来均衡。cMdM1、旋转惯性力的平衡包括静、动两个平衡。、旋转惯性力的平衡包括静、动两个平衡。 静平衡静平衡可使旋转质量力平衡；可使旋转质量力平衡； 动平衡动平衡可使旋转质量力、旋转惯性力矩可使旋转质量力、旋转惯性力矩都得到平衡。都得到平衡。 第三节、压缩机中惯性力的平衡第三节、压缩机中惯性力的平衡 单列压缩机旋转惯性力可在两侧曲柄下单列压缩机旋转惯性力可在两侧曲柄下各加一个平衡重，每块平
21、衡重为各加一个平衡重，每块平衡重为 ，可，可使使 。 各列机型，则依靠列间夹角各列机型，则依靠列间夹角，曲柄错，曲柄错角角的排列，可轻易的达到的排列，可轻易的达到 ，但无法使但无法使 。/ 2rm0,0rrIM0rI0rM 2、往复惯性力的平衡（针对、往复惯性力的平衡（针对D型、型、M型讲）型讲） D型对动式压缩机型对动式压缩机 当相对列的往复质量相等并为当相对列的往复质量相等并为 ，曲，曲柄半径相同并为柄半径相同并为 r 时，因其相对列的位时，因其相对列的位移、速度、加速度数值均相等而方向相反，移、速度、加速度数值均相等而方向相反，故一阶惯性力二阶惯性力和旋转惯性力都故一阶惯性力二阶惯性力和
22、旋转惯性力都相互抵消。相互抵消。往复惯性力的平衡的平衡问题往复惯性力的平衡的平衡问题smD型对动式压缩机型对动式压缩机 仅剩未平衡的惯性力矩：仅剩未平衡的惯性力矩： 为列间距为列间距 2cosIsMm raa22cosIIsrsMm raMm ra 但由于但由于 较小（因位于机身较小（因位于机身两侧）故上述力矩不大，不去管两侧）故上述力矩不大，不去管他们，也可通过加平衡重的方法他们，也可通过加平衡重的方法给与消除。给与消除。D型对动式压缩机型对动式压缩机aM型机的平衡问题型机的平衡问题 M型，是四列对动式的机器时，其平型，是四列对动式的机器时，其平衡性更好（两对列夹角为衡性更好（两对列夹角为9
23、0）。）。 四列组合其合成切向力较好，但也存在四列组合其合成切向力较好，但也存在一、二阶惯性力矩，可通过加平衡锤的方法一、二阶惯性力矩，可通过加平衡锤的方法去除。去除。 六列时，如曲柄三对列的错角为六列时，如曲柄三对列的错角为60时，可使一、二阶惯性力及其矩全部平衡。时，可使一、二阶惯性力及其矩全部平衡。对动式压缩机的缺点：对动式压缩机的缺点： 1）、两相对列中，总有一列十字头上作）、两相对列中，总有一列十字头上作用的侧向力向上。而在两止点位置是侧向力用的侧向力向上。而在两止点位置是侧向力消失。其重力向下，造成十字头在运行中有消失。其重力向下，造成十字头在运行中有敲击声并导致活塞杆摆动，影响填料的密封敲击声并导致活塞杆摆动，影响填料的密封性和耐久性。性和耐久性。 2）仅两列对动式时）仅两列对动式时,总切向力曲线很不总切向力曲线很不均匀，使飞轮矩要大些。均匀，使飞轮矩要大些。对动式压缩机的缺点对动式压缩机的缺点
