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單側彈簧線性無油靜音空壓機可行性實驗研究

2019-08-23

單惻彈簧線性無油靜音空壓機可行性為采用單側彈簧的線性壓縮機的原理示意圖。無油靜音空壓機靜止時,通過將活塞初始位置布置于上死點位置,與活塞相連的彈簧處于自由長度狀態,運行時,在氣體荷載的作用下,活塞由初始位置(上死點)偏移到的運動中心后,在上死點和下死點之間往復運行。

對于單側彈簧線性無油靜音空壓機,當線性壓縮機的設計行程幅值確定為X時,則活塞初始位置與運動中心之間的距離4X等于活塞的設計行程幅值,即4X=X,該偏移量是由氣體力荷載的作用產生。

2.2樣機的設計與開發根據線性無油靜音空壓機的設計排氣容積和設計工況等條件,對活塞行程與直徑進行優化設計,確定其設計行程,根據設計工況下氣體力線性化結果確定諧振彈簧的剛度及運動部件的質量,然后進行線性壓縮機的結構設計。

為設計開發的單側彈簧線性壓縮機樣機的結構示意圖。壓縮機樣機主要包括:由內定子、外定子、永磁體動子和勵磁線圈構成的線性電機、氣缸、活塞、諧振彈簧、吸氣閥及排氣閥等部件。其中諧振彈簧采用圓柱螺旋壓縮彈簧布置在電機動子和壓縮機機身之間。

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為設計開發的動磁式單側彈簧線性壓縮機樣機,其主要參數如表1.單側彈簧線性壓縮機樣機3樣機可行性驗證,在定頻率定排氣壓力情形下,一定電壓范圍內,單側彈簧線性壓縮機運動中心到上死點距離隨著電壓的升高保持定值,這與前面結構形式分析時單側彈簧線性壓縮機的運動中心到上死點距離(4X)由氣體力荷載的作用產生,即排氣壓力不變,運動中心到上死點距離(4X)也不變。當電壓繼續增加,壓縮機的運動中心到上死點距離(4X)會出現激增,這是因為出現嚴重撞缸導致壓縮機行程不對稱而使運動中心到上死點距離(4X)出現較大增幅。

定排氣壓力空氣壓縮試驗中發現,當排氣壓力低于設計排氣壓力時,壓縮機行程沒有到達設計行程就會出現撞缸的現象。的(b)中所示,出現嚴重的撞缸現象前,相同排氣壓力下,壓縮機行程隨電壓的升高呈現線性增加。在這個線性區內會有輕微的撞缸現象發生,但因為我們采用了類似菌狀閥的排氣結構設計,即便出現輕微的撞缸,也不會使得壓縮機的運行參數出現紊亂;不同排氣壓力下,排氣壓力值越高,達到上死點位置所需要的電壓值越大。

因而單側彈簧線性無油靜音空壓機控制中可以通過調整電壓值來讓活塞在運動過程中達到上死點的位置,同時保證壓縮機不出現撞缸。

中(b)和(c)分別顯示,在定頻率定排氣壓力情形,一定的電壓區域內,壓縮機行程和功率隨電壓的增加線性地增加,當電壓超過這個區域后,活塞行程、功率都出現一個激增的現象,出現這種情形我們認為是壓縮機出現了嚴重的撞缸現象,導致壓縮機運行各參數出現了不穩定。

3.3不同諧振彈簧剛度的空氣壓縮,相同排氣壓力下,采用4組彈簧作為諧振彈簧組的線性壓縮機行程小于采用2組彈簧的壓縮機,即單側彈簧線性壓縮機金屬諧振彈簧剛度越大,其行程越??;當壓縮機達到相同的行程時,金屬諧振彈簧剛度大的壓縮機所對應的排氣壓力會更高。這與樣機結構形式分析的單側彈簧線性壓縮機的偏移量(運動中心到上死點距離)是由氣體力荷載的作用產生相一致。

(b)中所示,一定閥門開度情形下,單側彈簧線性壓縮機排氣壓力隨電壓的增加而增加。

(c)中所示,單側彈簧線性壓縮機單位行程的功耗會隨電壓變化出現明顯的先增加后減少再增加的規律。因為定閥門開度時,隨著電壓的增加,壓縮機排氣壓力增加,相應行程增加,帶來被壓縮的空氣量增加以及銅損增加。這些等因素使得單位行程壓氣功耗增加。當電壓繼續增加時,由壓縮氣體等效剛度與金屬彈簧構成的諧振單元剛度使得壓縮機固有頻率與供電頻率相接近,壓縮機趨近共振狀態,此時壓縮機效率接近峰值,因而單位行程壓氣功耗出現明顯下降;而當電壓繼續增加時,排氣壓力繼續增加,壓縮機遠離共振區,其功耗又會因壓縮氣體量的增加、銅損增加等因素使得其單位行程壓氣功耗再度增加。

(c)中還可以看出,采用2組金屬彈簧作為諧振彈簧組的壓縮機相比采用4組金屬彈簧的壓縮機出現共振點所需的電壓值高。因為壓縮機接近共振狀態時,需壓縮氣體等效彈簧剛度與金屬彈簧構成的諧振單元剛度使得壓縮機固有頻率與供電頻率相接近,對應的電壓值也高。因而采用2組金屬彈簧作為諧振單元的單側彈簧壓縮機出現共振時所需電壓值較高。

壓縮機排氣壓力、活塞行程、功率及單位行程耗功隨電源頻率的變化規律。

(d)分別為定閥門開度下,單側彈簧線性壓縮機變頻性能曲線。

單側彈簧線性壓縮機變頻性能曲線(c)所示,壓縮機的功率隨著電源頻率的加而減少,是因為排氣壓力降低和壓縮機行程減少(a)和(b)所示,排氣壓力和壓縮機行程隨著電源頻率的增加而減少,這是因為壓縮機排氣壓力較低,沒有達到設計時動子質量和諧振彈簧剛度理想匹配區域,因而壓縮機固有頻率較低,隨著供電頻率的增加壓縮機遠離共振區域,造成排氣壓力降低和行程減少;另外在相同的頻率時,通過增大電壓可以提高排氣壓力,對應壓縮機活塞行程也會增加,這是因為壓縮機的運動中心位置隨著排氣壓力的增加遠離上死點位置使得行程增加。

共同作用導致壓縮氣體耗功減少。

(d)所示,壓縮機單位耗功隨頻率的增加而增加。因為電源頻率較低時接近壓縮機的固有頻率,此時壓縮機效率高,當增加電源頻率,使得壓縮機遠離共振區域,效率降低,造成壓縮機單位耗功量增加;在頻率相同情形下,增加電壓使得排氣壓力增加,從而壓縮機單位耗功量也增加。

在定閥門開度下,單側彈簧線性壓縮機變頻性能實驗表明,壓縮機工作在其固有頻率附近又有較高的效率,因而在對單側彈簧線性壓縮機設計時為得到較高的頻率特性,需要設計壓縮機的供電頻率和固有頻率比約等于1,通常略大于1.由于單側彈簧線性壓縮機活塞初始位置與運動中心之間的距離等于活塞的設計行程幅值即4X =X,因此單側彈簧線性壓縮機選用的彈簧剛度值較小,為得到單側彈簧線性壓縮機較好的頻率特性,在電源頻率一定的情形下,壓縮機運動部件的質量也會減小。從產品節材角度來說,單側彈簧線性壓縮機利用了壓縮氣體作為氣體彈簧來減少諧振彈簧的用量,同時達到減少壓縮機運動部件質量,使得壓縮機的運動慣性減少,達到線性壓縮機輕型化的目的。

4結論通過對一種新型動磁式單側彈簧線性壓縮機樣機的開發,并在此基礎上進行了樣機可行性空氣壓縮實驗研究。得出了以下結論:通過樣機空氣壓縮實驗,結果驗證了單側彈簧線性壓縮機的可行性,且其具有利用壓縮氣體作為氣體彈簧來減少諧振彈簧的用量,同時減少壓縮機運動部件質量,實現線性壓縮機輕型化的優點;樣機實驗表明,當壓縮機排氣壓力工況變化時,可以通過調節電壓值來保證壓縮機活塞在上死點位置運行。

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