【壓縮機(jī)網(wǎng)】1、引言

 

　　安瑞科（蚌埠）壓縮機(jī)有限公司前身為蚌埠壓縮機(jī)總廠，20世紀(jì)60年代引進(jìn)蘇聯(lián)的VF-1.1/350型空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)逾50多年，現(xiàn)已落后于現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，而同類技術(shù)參數(shù)的國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)均落后于國(guó)外產(chǎn)品。基于我國(guó)國(guó)防事業(yè)的飛速發(fā)展，依據(jù)空軍某部提出的高壓力、小型化、輕量化空氣壓縮機(jī)的要求，經(jīng)分析研究提出研發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)的空氣壓縮機(jī)，支持國(guó)防基礎(chǔ)裝備的需要。

 

　　2、項(xiàng)目來(lái)源與指標(biāo)要求

 

　　空氣壓縮機(jī)的基本技術(shù)要求：

 

　　通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)與該要求相近的產(chǎn)品為德國(guó)某品牌18.1-11-5型空壓機(jī)。該型壓縮機(jī)主機(jī)為4列星型結(jié)構(gòu)，皮帶傳動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)速1320r/min，風(fēng)冷5級(jí)壓縮，1、3、5級(jí)各1列，2、4級(jí)級(jí)差式一列，最終排氣壓力50MPa，公稱容積流量為0.55m³/min。技術(shù)差異：流量略低，相差22%；機(jī)組凈重470kg，超重70kg；外形尺寸1840mm×830mm×1515mm，長(zhǎng)度與高度方向較大，同時(shí)由于使用場(chǎng)合的特殊性，自主開發(fā)更為重要。

 

　　3、項(xiàng)目研發(fā)思路與初步方案

 

　　經(jīng)查考文獻(xiàn)并結(jié)合所需的技術(shù)參數(shù)確定為研究方向：

 

　　（1）吸氣壓力由于海拔范圍較寬，50MPa排氣壓力下，總壓縮比最小496海拔為零，最大835海拔4500m；由于總壓縮比較大，氣量較小，現(xiàn)有產(chǎn)品VF-1.1/350為4級(jí)壓縮，確定本案采用五級(jí)壓縮，平均壓縮比3.46~3.84；氣缸設(shè)計(jì)時(shí)，前級(jí)壓縮比應(yīng)取大值，末級(jí)壓縮比相對(duì)要小，以適應(yīng)海拔高度的變化對(duì)壓縮比的影響，保證在全海拔條件下滿足排壓50MPa。

 

　　（2）壓縮級(jí)數(shù)超過(guò)5級(jí)，若壓縮機(jī)列數(shù)不大于4列，則需設(shè)計(jì)級(jí)差式結(jié)構(gòu)，考慮到可靠性與快速維護(hù)性，新開發(fā)機(jī)型列數(shù)大于5列，壓縮機(jī)列數(shù)偶數(shù)列最好，最終確定為6列，一級(jí)氣缸相對(duì)其他缸徑相差較大，可分為兩缸，同時(shí)參考低壓氣泵取高壓縮比，使高壓級(jí)壓縮比相對(duì)較小，適合海拔變化。

 

　　（3）由于所要求的尺寸不足以采用皮帶傳動(dòng)，電機(jī)與壓縮機(jī)需采用直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，在重量極輕的前提下，設(shè)計(jì)采用高轉(zhuǎn)速減小機(jī)件尺寸與重量，電機(jī)轉(zhuǎn)速確定為1465r/min，基礎(chǔ)件按此轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

　　（4）直聯(lián)驅(qū)動(dòng)的6列5級(jí)壓縮機(jī)總長(zhǎng)度需小于1050mm，剔除4極180L電機(jī)總長(zhǎng)度719.5mm，可設(shè)計(jì)的空間僅余460.5mm，對(duì)壓縮機(jī)基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。參考《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)》，星形、核潛艇用3K-30A型高壓空壓機(jī)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)三維模擬與驗(yàn)證，從而確定了單重列6星型主副連桿結(jié)構(gòu)的型式。壓縮機(jī)機(jī)身與B35電機(jī)的法蘭盤直接聯(lián)接，曲軸與電機(jī)軸伸采用剛性直聯(lián)，設(shè)計(jì)主副連桿結(jié)構(gòu)替代6條連桿，保證電機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)扇整合軸系凈長(zhǎng)度尺寸970mm。

 

　　（5）壓縮機(jī)材料盡可能選用鋁合金材料，確定機(jī)身、分離器、框架等全部采用鋁材，電機(jī)按鋁殼材料選用，電機(jī)重約123kg。確定研發(fā)樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。
 

 

　　4、項(xiàng)目實(shí)施與技術(shù)說(shuō)明

 

　　上述研究方向與技術(shù)參數(shù)確定后，安瑞科壓縮機(jī)有限公司組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)近一年的設(shè)計(jì)、制造、組裝與測(cè)試，成功研發(fā)出50MPa星型空氣壓縮機(jī)（圖1）的樣機(jī)。
 

 

　　50MPa星型空氣壓縮機(jī)主體技術(shù)采用六星型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖2），壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是參照蘇聯(lián)七星型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式，6列氣缸均布于機(jī)身圓周表面，連桿為主副連桿結(jié)構(gòu)，使各氣缸中心線位于同一平面內(nèi)，活塞力與往復(fù)慣性力均通過(guò)連桿集中于同一連桿盤，在中心連桿盤先進(jìn)行綜合抵消大部分，剩余部分再傳遞給曲軸，區(qū)別于其他多列多條連桿，作用于曲軸不同平面上的復(fù)雜受力條件。
 

 

　　六星型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡分析計(jì)算：對(duì)于單排六列星型壓縮機(jī)，氣缸夾角為60°，各列的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量均相等，各列往復(fù)慣性力如表3所示。
 

 

　　將各列慣性力合成得：

 

　　（自平衡）

 

　　分析得出下列結(jié)論：一階慣性力的合力為定值3msrω2，且始終處于曲柄方向向外，因此可以在曲軸曲柄相反方向裝設(shè)平衡重進(jìn)行平衡；二階往復(fù)慣性力的合力為0，結(jié)構(gòu)滿足自平衡；旋轉(zhuǎn)慣性力也可用平衡重平衡；同時(shí)由壓縮機(jī)采用主副連桿結(jié)構(gòu)，各列連桿、氣缸均在一個(gè)中心平面內(nèi)，所以不存在往復(fù)慣性力矩和旋轉(zhuǎn)慣性力矩。六星型主副連桿結(jié)構(gòu)的高平衡性能使得壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也無(wú)需基礎(chǔ)安裝。經(jīng)樣機(jī)試車驗(yàn)證，機(jī)組實(shí)測(cè)振動(dòng)值＜10.0mm/s，優(yōu)于壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)限定值45.0mm/s。

 

　　主副連桿結(jié)構(gòu)在對(duì)曲軸的平衡重設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，是通過(guò)迭代公式計(jì)算及SolidWorks 的三維模擬仿真分析（圖3），并結(jié)合了動(dòng)平衡機(jī)的驗(yàn)證，確定出準(zhǔn)確的平衡精度。
 

 

　　主副連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本案的六星型壓縮機(jī)連桿采用了一主五副的組合式結(jié)構(gòu)（圖4），其結(jié)構(gòu)尺寸確定后，就需考慮加工、組裝與維護(hù)等方面的可操作性、可維護(hù)性與低成本。經(jīng)過(guò)三維模擬、受力分析、加工工藝驗(yàn)證最終采用了主連桿桿體分體式，主連桿桿體與主連桿盤通過(guò)雙銷固定，傳遞動(dòng)力；副連桿與主連桿盤采用單銷聯(lián)接，可以自由擺動(dòng)；除主連桿固定銷外，其余連桿銷孔內(nèi)裝有滾針軸承；所有銷孔尺寸統(tǒng)一，聯(lián)接后采用擋圈限位，整個(gè)連桿組件沒有一個(gè)螺紋連接；該組合式主副連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，互換性強(qiáng)，安全性能高。
 

 

　　在小型化設(shè)計(jì)方面，首先確定了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速采用4極電機(jī)直驅(qū)，壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速為1465r/min，行程按60mm，活塞平均速度僅2.93m/s，保證氣閥工作可靠性；連桿大小頭中心距175mm，連桿比為0.17，使活塞或?qū)蚧钊麑?duì)氣缸壁的側(cè)壓力較小；主機(jī)水平布置的氣缸分別為1級(jí)和2級(jí)，使連桿直接驅(qū)動(dòng)活塞，沒有導(dǎo)向活塞，使壓縮機(jī)寬度方向尺寸最小，滿足800mm的要求；上下方向的3、4、5級(jí)均有導(dǎo)向活塞，既保證高壓活塞密封的可靠性，又不影響機(jī)組總體高度尺寸。電機(jī)軸插入機(jī)身內(nèi)與曲軸剛性直聯(lián)，驅(qū)動(dòng)端沒有軸承支撐，曲軸僅在風(fēng)扇端有一個(gè)軸承支撐，加上電機(jī)2個(gè)軸承，整個(gè)軸系為3點(diǎn)支撐；軸系同時(shí)利用了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量替代了飛輪，使得整個(gè)軸系長(zhǎng)度最短，保證機(jī)組總長(zhǎng)度的限制條件。海拔高度0~4500m寬范圍的設(shè)計(jì)方案。壓縮機(jī)熱力計(jì)算時(shí)按平原常壓（1.013bar(A)）吸氣時(shí)前級(jí)壓縮比取較大值，如一級(jí)壓縮比大于4，末級(jí)壓縮比小于3，從而保證在高海拔（4500m@0.59bar(A)）低吸氣壓力時(shí)，最終排壓50 MPa時(shí)末級(jí)壓比低于4.2，排氣溫度＜200℃，滿足高海拔下的排氣壓力指標(biāo)。壓縮配用電機(jī)按高原條件取降容系數(shù)0.77，取功率22kW，留有充分功率富裕度。

 

　　高海拔排量核算：大氣壓力為0.59bar （A），相對(duì)濕度≤95%@30℃（按最大負(fù)荷假設(shè)），空氣含水量為43748.566×10的6次冪 ，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出的高壓50MPa的氣量為Q'=0.7×（0.59/1.013）×（1-0.0437）=0.39m3/min。

 

　　壓縮機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的大量應(yīng)用了鋁合金材料，對(duì)機(jī)組總質(zhì)量指標(biāo)加以控制，機(jī)身、活塞、低壓級(jí)氣液分離器等采用了ZL108、ZL401、2A12、7075等鋁材，根據(jù)耐磨與防腐的要求進(jìn)行表面陽(yáng)極化處理；框架、管夾、箱體蓋板等采用6061、1060等鋁合金型材；風(fēng)扇葉輪采用鋁合金，電動(dòng)機(jī)采用鋁殼型較鑄鐵電機(jī)輕120kg，電氣控制箱采用不銹鋼板壓制，使得整體機(jī)組重量滿足≤400kg的要求。未來(lái)可針對(duì)1～3級(jí)銅換熱管進(jìn)行鋁管替換、低壓氣缸蓋采用鑄鋁、高壓空冷器氣腔采用彎管焊接等優(yōu)化設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步降低機(jī)組總質(zhì)量。

 

　　50MPa星型空氣壓縮機(jī)的主要工藝流程（圖5）。在機(jī)組上方集成一個(gè)空濾器，箱體外的空氣過(guò)濾后通過(guò)金屬軟管分別進(jìn)入2個(gè)1級(jí)氣缸，1級(jí)氣缸與氣泵設(shè)計(jì)相同，氣閥采用閥板式，閥損小、效率高。由于2個(gè)氣缸缸徑小，冷卻效果極好，即使壓縮比大于4，實(shí)際排氣溫度仍小于100℃，1級(jí)氣缸同時(shí)回收各級(jí)氣缸泄漏進(jìn)機(jī)身內(nèi)的油氣，達(dá)到潤(rùn)滑氣缸與防止油氣污染機(jī)組的目的。4級(jí)與5級(jí)氣缸是向下結(jié)構(gòu)，與鉛垂面相差約30°，活塞采用柱塞式結(jié)構(gòu)，缸套采用GCr15材料，較耐磨；5級(jí)氣閥采用極小的單進(jìn)、單排結(jié)構(gòu)，直徑僅16mm，經(jīng)驗(yàn)證工作可靠。空氣經(jīng)5次壓縮、5級(jí)冷卻、級(jí)間分離、未級(jí)除油過(guò)濾后輸出高壓空氣；選用高壓電磁閥作為自動(dòng)閥，通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)定期排污和自動(dòng)停機(jī)時(shí)放空卸荷。

 

　　50MPa星型空氣壓縮機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本機(jī)要求為全風(fēng)冷設(shè)計(jì)，需通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，原設(shè)計(jì)方案有2種方式，一種是電機(jī)風(fēng)扇換成大的葉輪，在葉輪前布置空冷器，由葉輪吸風(fēng)先冷卻空冷器，再對(duì)電機(jī)表面冷卻，最后對(duì)壓縮機(jī)氣缸表面進(jìn)行冷卻；另一種是在壓縮機(jī)曲軸的外伸軸安裝風(fēng)扇葉輪，在氣缸之間布置冷卻盤管，風(fēng)扇吸風(fēng)同時(shí)對(duì)盤管和氣缸進(jìn)行冷卻，電機(jī)由自身風(fēng)扇冷卻。這2種方式經(jīng)對(duì)比，在要求極小尺寸的前提下，只有后一種方式更加有利。設(shè)計(jì)中選用了風(fēng)量較大、噪聲低、質(zhì)量輕的鋁合金葉輪，保證機(jī)組具有完備的冷卻效果。壓縮機(jī)機(jī)身由鋁合金鑄造而成，在油池表面鑄有散熱筋，潤(rùn)滑油直接通過(guò)機(jī)身散熱；各級(jí)氣缸、導(dǎo)向缸、缸蓋表面均設(shè)計(jì)有散熱筋加強(qiáng)散熱；除4級(jí)與5級(jí)氣缸之間為機(jī)身，其他各氣缸之間均布置冷卻盤管，提高風(fēng)扇迎風(fēng)面的利用率；1~3級(jí)冷卻均采用紫銅盤管作為冷卻器，4級(jí)與5級(jí)高壓冷卻器采用304不銹鋼翅片管焊接而成，安全性高、冷卻效果極好，空氣冷卻后僅高于環(huán)境溫度3~5℃。

 

　　50MPa星型空氣壓縮機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于六星壓縮機(jī)油池較低，為滿足潤(rùn)滑可靠，在機(jī)身油池內(nèi)部安裝有齒輪泵，齒輪泵通過(guò)曲軸軸伸上的皮帶輪驅(qū)動(dòng)泵油，潤(rùn)滑油經(jīng)調(diào)壓、過(guò)濾分別向曲軸連桿機(jī)械、3級(jí)導(dǎo)向缸、4級(jí)缸套、5級(jí)缸套供油潤(rùn)滑與冷卻，每個(gè)供油點(diǎn)均設(shè)有可調(diào)節(jié)油量的節(jié)流閥，可控制單點(diǎn)出油量；2級(jí)氣缸與1級(jí)氣缸通過(guò)飛濺潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油泵安裝于油池內(nèi)，避免了噪聲與外漏。

 

　　50MPa星型空氣壓縮機(jī)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電機(jī)功率較小，同時(shí)啟停時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)放空，載荷較小，主回路（電機(jī)功率22kW） 設(shè)計(jì)為直接啟動(dòng)方式，熱繼電器保護(hù)；控制回路采用PLC程序控制，壓力變送器和溫度傳感器檢測(cè)控制模式，進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)；采用觸摸屏顯示的人機(jī)操作界面，具有實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)、故障提示、參數(shù)修改等功能。采用寬工作溫度（-40~60℃）型的PLC和觸摸屏一體機(jī)（PLC+HMI+I/O+通訊），結(jié)構(gòu)緊湊小巧，擴(kuò)展能力強(qiáng)，模擬量輸入回路具有隔離特性；控制箱內(nèi)采用電伴熱帶加熱方式，壓縮機(jī)主機(jī)油池采用電加熱，機(jī)身外部設(shè)有空間加熱器，用以滿足-40℃的環(huán)境溫度存儲(chǔ)與啟動(dòng)加熱要求。

 

　　機(jī)組供電為三相四線制，AC380V /50Hz，供電總功率22kW。主回路采用AC380V，主回路的控制回路及電磁閥控制回路采用AC220V，其余控制回路及檢測(cè)回路采用DC24V。

 

　　控制系統(tǒng)可以滿足“一鍵啟停”的要求，PLC和觸摸屏（圖6）均采用HORHER編程組態(tài)軟件Cscape9.20CN，軟件功能強(qiáng)大，具有64位浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算，多路PID自整定和字符串操作；擴(kuò)展內(nèi)存最大可達(dá)32G，可存儲(chǔ)程序、歷史數(shù)據(jù)記錄、屏幕截圖等，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙記錄功能。根據(jù)壓縮機(jī)特性與控制邏輯，編制特定程序?qū)嚎s機(jī)電磁閥、電加熱、電機(jī)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，保證機(jī)組的可靠運(yùn)行，簡(jiǎn)化操作人員的技能要求。控制元件內(nèi)置有CAN總線端口，RS232/RS485串口，USB端口，以太網(wǎng)端口，支持遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)訪問和維護(hù)；同時(shí)支持多種通訊協(xié)議：Modbus/CANooen /ProfiBUS/Ethercan等。

 

　　50MPa星型空氣壓縮機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)（除電機(jī)為工廠試驗(yàn)的鑄鐵電機(jī)，重量不作考核），壓力、流量、溫度、功率、噪聲等通過(guò)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，技術(shù)參數(shù)完全合格，并通過(guò)行業(yè)專家委員會(huì)的新產(chǎn)品鑒定。

 

　　2017年通過(guò)50MPa星型空氣壓縮機(jī)的成功研制，又引申設(shè)計(jì)出撬裝式移動(dòng)式氣源站系統(tǒng)，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，突破單一的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)思維，把干燥器、氣瓶組、儀表操作板等設(shè)備高度集成撬裝一體化、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)聯(lián)鎖控制，目前已實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)應(yīng)用。

 

　　參考資料

　　[1] 郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：10.

　　[2] 李登科貴著.李維臨整晤.航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1952：2.