往復壓縮機活塞桿反向角計算及分析

張澤偉

摘要：往復活塞式壓縮機是社會中各行的大型工業(yè)都不可或缺的設(shè)備。尤其在石油相關(guān)行業(yè)中大量使用該種壓縮機，成為了該行業(yè)的核心設(shè)備。本文首先進行往復式活塞壓縮機反向角以及其在變工況環(huán)境下的基于熱力學、動力學計算，在計算的基礎(chǔ)上得到了不同工況下的綜合活塞力圖，根據(jù)綜合活塞力圖分析分析了工況變化對反向角的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：往復壓縮機;動力計算;變工況;反向角

1?引言

反向角的反向程度大小與十字頭銷、銅套的損壞程度以及壓縮機工作正常與否有著密不可分的關(guān)系。銅套和十字頭銷工作中緊緊貼合且受到加速度大的改變沖擊，因此一個足夠的反向角用來讓他們得到充分的潤滑、冷卻。倘若十字頭在十字頭銷所受到的合力作用下貼緊于活塞側(cè)，這時相對的一側(cè)會出現(xiàn)一個縫隙。在重力、壓力相關(guān)因素作用下，潤滑油流入該縫隙，潤滑和冷卻該側(cè)的零部件[1]。若十字頭銷所受合力僅指向一個方向，并且十字頭銷自始至終壓緊在銅套的一側(cè)，那么受壓的另一側(cè)始終沒有間隙，冷卻和潤滑狀況十分惡劣，十字頭銷和銅套便會迅速損壞，影響往復式壓縮機正常的工作。

2 反向角的定義

當曲軸旋轉(zhuǎn)360度過程中，作用在十字頭銷和銅套而且和氣缸中心線方向一致的總負載分量，角度產(chǎn)生180度變化，這個負向載荷連續(xù)作用的時間段內(nèi)表征的曲柄轉(zhuǎn)角，叫做反向角。其中API618準則確定反向角不得低于15度，ARIAL公司規(guī)定最小反向角不得低于25度，COOPER公司制定準則其反向角不得小于30度[2]

3 往復式活塞壓縮機的動力計算

在這里把L型往復式活塞壓縮機動力計算程序作為引例，其具備如下功能：（1）初始數(shù)據(jù)部分：根據(jù)任務(wù)書得到原始數(shù)據(jù)。（2）熱力計算部分：根據(jù)初始數(shù)據(jù)計算有關(guān)熱力參數(shù)，為后續(xù)的動力計算部分做一個鋪墊。（3）動力計算部分：計算各級活塞壓縮機的往復慣性力、氣體力和摩擦力，進而計算得到綜合活塞力和總切向力[3]。

往復式活塞壓縮機動力計算初始數(shù)據(jù)截圖如圖1所示：

在第1列單元數(shù)據(jù)表中鍵入曲柄轉(zhuǎn)角α的數(shù)值，每隔5°進行一次取點分析計算，從0°到360°共取73個點。根據(jù)公式分別作出活塞的位移x-α、速度c-α、加速度a-α的運動曲線。

同樣借助于excel表格，計算往復慣性力并繪制一階、二階往復慣性力隨曲柄轉(zhuǎn)角變化情況;I級氣缸和II級氣缸氣體力隨活塞行程的變化情況。

綜合活塞力圖的繪制有助于更加直觀的看到綜合活塞力隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化趨勢，并且能看到一級綜合活塞力和二級綜合活塞力的受影響程度。同樣，也能從綜合活塞力圖中看到壓縮機反向角的大小，對于Excel軟件中直接計算得到的反向角也是一個檢驗。在依次得到了氣體力、往復慣性力、往復摩擦力及其隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線之后，就可以疊加進行綜合活塞力的合成了。新圖線是綜合活塞力P隨曲柄轉(zhuǎn)角α的變化圖線。如圖2所示：

3.1性能參數(shù)與反向角的關(guān)系

壓縮機在變工況條件下工作時，工況的變化會引起壓縮機活塞桿反向角的變化。其中相對余隙容積α、壓縮機進氣溫度T、吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機轉(zhuǎn)速n等五個性能參數(shù)是影響壓縮機反向角的最主要的幾個因素，針對這幾個關(guān)鍵因素借助于往復式活塞壓縮機進行系統(tǒng)的模擬和研究，并分析原因然后總結(jié)相應的規(guī)律。規(guī)律可以用來指導實際應用而且可為壓縮機的節(jié)能、安全穩(wěn)定運行提供很好的理論依據(jù)。

（1）余隙容積α對反向角的影響關(guān)系

借助于Excel軟件依次鍵入不同的α值，從而得到不同反向角進而生成相對余隙容積α—反向角關(guān)系曲線：可以明顯看到，隨著相對余隙容積α逐漸增加，反向角在逐漸變小;在0.06—0.14的范圍內(nèi)曲線陡降，反向角減小趨勢十分明顯。據(jù)此分析，盡可能減小相對余隙容積，（改變余隙容積可以影響容積系數(shù)λ，從而改變排氣量，進而影響反向角）可以有效增大反向角。但是余隙容積不能越小越好，因為留有一定的余隙容積可以有效避免活塞和氣缸的沖擊磨損，延長壓縮機的使用壽命、提高安全系數(shù)。因此，在適當范圍內(nèi)盡量減小相對余隙容積可以增大反向角。

（2）吸氣溫度T對反向角的影響關(guān)系

從10°C到50°C每隔10度選取一個節(jié)點取樣分析;在保證其他因素不變的情況下，本曲線圖借助于Excel軟件依次鍵入不同的溫度值，從而得到不同反向角進而生成的吸氣溫度與反向角關(guān)系曲線，可以明顯看到，隨著吸氣溫度的升高，一級氣缸和二級氣缸的反向角都在逐漸減小，且在吸氣溫度越高的情況下，曲線下降越陡峭。所以適當選取進氣溫度可以升高反向角。從兩條曲線上來看，吸氣溫度的改變對一級和二級反向角的影響不同，其中對末級即二級氣缸反向角影響明顯，所以通過這個規(guī)律可以有效指導壓縮機的實際生產(chǎn)應用，優(yōu)化資源配置并延長壓縮機使用壽命。

（3）吸氣壓力Ps對反向角的影響關(guān)系

一級進氣壓力Ps，從0.1MPa到0.275MPa每0.025MPa選去一個計算點;在保證其他因素不變的情況下，借助于Excel軟件依次鍵入不同的壓力值，從而得到吸氣壓力Ps與反向角關(guān)系曲線，可以明顯看到，就一級氣缸來看，隨著一級進氣壓力的升高，反向角先升高（升高幅度大，曲線陡峭）后降低（曲線過渡平緩），在0.175MPa左右達到峰值。二級氣缸反向角變化趨勢和一級大體相同，也在0.225MPa左右存在峰值，但是升高和降低階段變化趨勢不同（升高過程平緩，降低過程曲線變化陡峭）且在吸氣溫度越高的情況下，曲線下降越陡峭。對比二者我們可以明顯看到，二級氣缸的反向角的變化情況明顯滯后于一級。究其原因來看，吸氣壓力Ps的改變會改變級間壓比，最后影響綜合活塞力變化，進而導致反向角變化。一級進氣壓力過低或者過高，都會嚴重消耗壓縮機的使用壽命，增加能耗。所以適當選取吸氣壓力可以有效增大反向角。

同樣的，排氣壓力對反向角的影響與之類似，下面不再贅述。

（4）壓縮機轉(zhuǎn)速n對反向角的影響關(guān)系

從375r/min到475r/min每隔25個單位選取一個計算點，在保證其他因素不變的情況下，借助于Excel軟件依次鍵入不同的壓縮機轉(zhuǎn)速值，從而得到壓縮機轉(zhuǎn)速n與反向角的關(guān)系曲線。可以明顯看到，對于一級氣缸來說，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速n的增大，反向角先增大后減小，在380r/min左右出現(xiàn)峰值（峰值左側(cè)曲線升高趨勢明顯，峰值右側(cè)，曲線下降平緩）。而對于二級氣缸來說，反向角一直隨壓縮機轉(zhuǎn)速n的增加而增大。究其原因總結(jié)來看，在其他因素不變情況下，轉(zhuǎn)速n會影響壓縮機排氣量Q，進而影響綜合活塞力來影響反向角大小。所以在實際的生產(chǎn)應用中，要適當選取壓縮機轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)速太大會引起壓縮機的震動甚至引發(fā)喘振工況;轉(zhuǎn)速太小則無法滿足生產(chǎn)要求，適當?shù)霓D(zhuǎn)速則既滿足上述要求，又會有較好的反向角。

4 改善往復壓縮機反向角的主要措施

（1）為了使壓縮機在工作過程中不會出現(xiàn)較大的波動甚至發(fā)生機組故障情況，每當往復壓縮機在工藝流程中組分發(fā)生改變時，需要對反向角的熱力計算部分和動力計算部分進行核算，進而得到新的綜合活塞力從而得到反向角的數(shù)值大小。如果反向角過小，要控制相關(guān)工藝流程并且完善和改進相關(guān)控制系統(tǒng)。

（2）改進壓縮機的控制系統(tǒng)。比如采用氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行的壓力、溫度、液位、吸排氣量等因素，從而反饋得到吸、排氣閥的工作狀況，有效避免壓縮機組長周期、高負載或者低負載下運行[4]。

（3）壓縮機氣缸的合理布置也有很大影響。氣缸布置的合理，會有合適的余隙容積保障壓縮機在最佳條件下工作，能適應操作工況大范圍的變化，提高壓縮機的安全系數(shù)。

參考文獻：

[1]Z Jiang，D K Harrison，K Cheng.Computer-aided design and manufacturing of scroll compressors[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，（5）：145-151

[2]陳海峰，石磊.基于Excel的往復壓縮機動力計算[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學報，2013，（8）：86-90

[3]鄧晶，鐘蔚，杜利.用解析法在Excel環(huán)境下進行壓縮機動力計算[J].計算機應用，2012，（6）：57-78

[4]李錦龍，馮樂軍，宮蘭華等.基于復算性熱、動力計算的往復式壓縮機參數(shù)分析[J].石油化工設(shè)備，2012，（5）：82-84