車載制氧機(jī)用壓縮機(jī)設(shè)計研究

鄭繼明，鄭宇，伍權(quán)，鄧國江，李志強

（1.貴州師范大學(xué)a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院，b.機(jī)械與控制仿真重點實驗室，貴陽 550014；2.貴州華烽電器有限公司，貴陽 550006；3.貴州省機(jī)電設(shè)計研究院，貴陽 550001）

0 引言

車載制氧機(jī)可用于各種機(jī)動車輛，如小汽車、大客車、工程車以及坦克裝甲車，在高原缺氧地區(qū)尤為重要，有著巨大的市場需求。然而國內(nèi)目前空壓機(jī)體積大、噪音高、效率低、壽命短，不適應(yīng)車載制氧需求，車載制氧機(jī)的核心部件車載制氧機(jī)壓縮機(jī)的微型化技術(shù)、壓縮機(jī)活塞無油自潤滑技術(shù)已成為其生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，針對這一需求，對其進(jìn)行研發(fā)。

1 車載制氧機(jī)要求的主要技術(shù)參數(shù)

1）空壓機(jī)。氧氣流量10 L/min 以上，壓力為150 kPa時，流量應(yīng)不低于7.5 m3/h。2）電動機(jī)參數(shù)。額定直流電壓：（24±4）V，功率不大于1 000 W；電壓低于18 V 時空壓機(jī)應(yīng)能正常啟動，壓力150 kPa，電流不大于26 A，轉(zhuǎn)速1 750±10 r/min。3）氧氣濃度：93%±3%（海拔3 500～4 700 m為63%～54%）。4）氧氣出口壓力：40～60 kPa。5）工作環(huán)境溫度：-43～+46 ℃。

2 車載用無油壓縮機(jī)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 車載用無油壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化技術(shù)

車載用無油壓縮機(jī)對環(huán)境使用工況要求高，可在-43～+46 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作，最高工作海拔達(dá)到4 700 m。對其性能要求，首先是工作要可靠，其次由于是裝在車上使用，必須減小壓縮機(jī)體積和重量、節(jié)約能耗、降低噪聲。

2.1.1 壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)選型與運動分析

活塞式壓縮機(jī)是一種高效壓縮機(jī)，排氣范圍較廣，且不受壓力高低的影響，能適應(yīng)較廣闊的壓力范圍，制氧機(jī)的中壓縮機(jī)是氣體分離用壓縮機(jī)，故選用活塞式壓縮機(jī)。

活塞式壓縮機(jī)由曲軸、連桿、活塞組成，是一對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。對其作相關(guān)運動性能分析，工作過程中曲柄任意轉(zhuǎn)角時，設(shè)活塞的位移為x，點A 與點B 間的距離為行程S，且S=2r；并定義連桿比λ=r/L（r為曲柄半徑，L為連桿長度），可由圖1 分析得到活塞的速度υ公式［1］。

圖1 活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

又cosβ=（1-λ2sin2α）0.5，則

由此可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速是壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有很大影響。連桿比λ＝r/L 是壓縮機(jī)設(shè)計的重要參數(shù)，由圖也可以看出λ 越大，可減小壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)尺寸越小，但滑塊側(cè)壓力越大，活塞環(huán)與氣缸壁間的摩擦力也就越大，活塞環(huán)磨損越大。從提高活塞環(huán)的使用壽命角度看，λ 應(yīng)盡量取小值；從減小壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸角度看，λ 應(yīng)取大值。

2.1.2 壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計及主要機(jī)構(gòu)尺寸確定

圖2 氣缸布置示意圖

壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)采用對稱平衡型，氣缸豎立布置，在電機(jī)軸的兩端各布置一個氣缸，兩主軸相對兩列氣缸的曲柄錯角為180°，結(jié)構(gòu)設(shè)計時由于曲柄較短，工作行程較小，采用偏心輪式結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

由以上壓縮機(jī)運動分析可知，連桿比λ 既影響壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，也影響活塞的磨損，綜合考慮壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、活塞環(huán)與氣缸壁間的摩擦力、轉(zhuǎn)速高（1 750±10 r/min）的因素，確定曲柄半徑r=8.25 mm，連桿長度L=72.75 mm、連桿比為0.113 4，汽缸內(nèi)徑63 mm，整體裝配圖如圖3 所示。

圖3 裝配圖

2.2 高分子復(fù)合型填充自潤滑活塞材料配方實驗及制備

由于車載制氧機(jī)制出的氧氣被駕乘人員直接呼吸，必須是潔凈無污染的氧氣，壓縮機(jī)的活塞環(huán)必須采用無油自潤滑活塞環(huán)，即采用具有自潤滑性能的非金屬活塞環(huán)，故無油潤滑活塞環(huán)是全無油潤滑壓縮機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，是壓縮機(jī)中的易損件，直接影響壓縮機(jī)的排氣量、功率、密封性和可靠性，需要優(yōu)化自潤滑活塞材料配方，提高活塞材料的耐磨性、導(dǎo)熱性、減小線性膨脹，提高自潤滑性能，延長壽命、降低噪音。

無油潤滑壓縮機(jī)的活塞環(huán)主要由非金屬自潤滑材料制造，磨損量計算式［2］：

式中：Δh為徑向磨損量，mm；K為磨損系數(shù)，m3/（N·m）；P為活塞與氣缸壁間接觸壓力，Pa；υ為活塞環(huán)的平均速度，m/s；t為磨損時間。由式（1）可知，Pυ 值是無油潤滑壓縮機(jī)設(shè)計過程中的重要參數(shù)，活塞環(huán)徑向磨損量隨接觸壓力P、平均速度υ 的增加而加大。

對小型往復(fù)活塞式無油潤滑壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速宜在600～1 000 r/min 之間取值。排氣量越大，取值宜越?。?］。本研究中電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750±10r/min，轉(zhuǎn)速偏高，提高活塞耐磨性、導(dǎo)熱性以及抗拉強度是活塞材料的關(guān)鍵技術(shù)之一；該壓縮機(jī)工作環(huán)境溫度范圍為-43～+46 ℃，上、下溫差接近100 ℃，要求活塞具有較高的溫度穩(wěn)定性，即較小的線性膨脹系數(shù)是活塞材料的關(guān)鍵技術(shù)之二。

文獻(xiàn)［4］分析了石墨、銅粉、玻璃纖維組分對無油自潤滑活塞環(huán)材料耐磨性、導(dǎo)熱性、抗拉強度、溫度穩(wěn)定性的影響，本研究通過多次試驗確定了復(fù)合型填充自潤滑活塞材料中石墨、銅粉、玻璃纖維等材料的最佳配方；另外溫度復(fù)合型填充自潤滑活塞材料磨損率急劇上升，為加強活塞、活塞缸的冷卻效果，在壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了冷卻系統(tǒng)，即在電機(jī)兩端軸上接近壓縮缸（見圖3）安裝風(fēng)扇葉片，提高氣缸的冷卻效果，通過這些措施，滿足了壓縮機(jī)特殊使用環(huán)境對自潤滑活塞材料的要求。

3 性能測試

圖4 測試樣機(jī)

將該壓縮機(jī)接入變壓吸附制氧裝置系統(tǒng)中如圖4，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對壓縮機(jī)性能進(jìn)行了測試，主要性能指標(biāo)如表1所示。

數(shù)據(jù)顯示，壓縮機(jī)各項性能指標(biāo)均達(dá)到用戶要求。

表1 壓縮機(jī)性能指標(biāo)

4 結(jié)語

研制的車載制氧機(jī)用無油壓縮機(jī)，經(jīng)性能測試及特殊環(huán)境適應(yīng)檢測，數(shù)據(jù)顯示該壓縮機(jī)產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，能滿足用戶需求，為我國車載制氧機(jī)生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

［1］申永勝.機(jī)械原理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［2］韋玉堂，朱玉峰，張鈞，等.全無油潤滑壓縮機(jī)活塞環(huán)的磨損及其對策［J］.潤滑與密封，2010，35（5）：99-102.

［3］彭培關(guān)，彭寶成，于新奇.全無油潤滑壓縮機(jī)的試驗研究［J］.河北工業(yè)科技，2007，24（6）：332-335.

［4］朱圣東，鄧健，吳家聲.無油潤滑壓縮機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.