氣體壓縮裝置的製作方法
2023-07-23 02:07:36
專利名稱：氣體壓縮裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體壓縮裝置。
背景技術：
氣體壓縮裝置，通稱壓縮機，是一種用來輸送氣體並提高氣體壓力的流體機械，目前已廣泛應用於國民經濟和國防建設的各個領域。其主要用途有以下幾個方面
①利用壓縮氣體所具有的壓力勢能為其它設備提供動力；
②用於製冷和氣體分離；
③用於化學工業中的合成及聚合工藝；
④提高氣體壓力以便於存儲、運輸及管道輸送等。壓縮機的種類很多，按工作原理可分為「速度式」和「容積式」兩大類型。速度式壓縮機的工作原理是先提高氣體分子的運動速度，再急速降低速度，將氣體分子所具有的運動動能轉化為壓力勢能，從而達到提高氣體壓力的目的。按氣體在壓縮機中流動方向的不同，速度式壓縮機又可分為「離心式」和「軸流式」兩大類型。速度式壓縮機的效率通常不及容積式壓縮機，而且由於其葉片線形複雜、製造工藝要求高，以及穩定工況區較窄、氣量調節範圍較小等原因，目前還不適用於中小排氣量以及壓力比較高的場合。容積式壓縮機是目前應用最為廣泛的氣體壓縮裝置。其工作原理是通過直接壓縮氣體，使單位體積內氣體分子的數量增加，從而達到提高氣體壓力的目的。按工作腔和運動部件形狀的不同，容積式壓縮機又可分為「往復式」和「迴轉式」兩大類型。每種類型又包括多種不同的結構形式如往復式壓縮機主要包括「活塞式」和「隔膜式」等結構形式；迴轉式壓縮機主要包括「滾動轉子式」、「滑片式」、「螺杆式」以及「渦旋式」等結構形式。容積式壓縮機的主要特點一是工作腔容積的變化只取決於機構的尺寸，因此排氣量與排氣壓力的關聯性不大，工作穩定性較好，使用壽命較長。二是氣體的吸入和排出是依靠工作腔容積的變化，與氣體性質關係不大，因此適應性較強並且容易達到較高的壓力。在兩類容積式壓縮機中，相比於往復式壓縮機，迴轉式壓縮機具有體積小、重量輕、效率高、動力平衡性好、流量脈動小、振動小、噪音低、輸氣係數高以及氣量調節範圍較寬等優點，目前在很多場合有逐步取代往復式壓縮機的趨勢。然而迴轉式壓縮機也有其局限性一是由於其工作腔為金屬間隙密封，隨著壓力比的提高，洩漏損失也急速增加。二是高速迴轉的金屬部件，摩擦和磨損較大且不易修復，限制了其使用壽命。三是核心零件形狀複雜、加工精度要求高，一定程度上增加了製造成本。往復式壓縮機的運動部件(活塞或隔膜)作直線往復運動，因此可以採用填料密封的方式，減少了工作腔的洩漏損失，甚至可以實現無洩漏密封，從而提高了壓力比範圍，特別適用於高壓(IOMPa至IOOMPa)甚至超高壓(IOOMPa以上)的場合。而且密封件磨損後可以更換，沿長了壓縮機的使用壽命。傳統的往復式壓縮機多採用機械傳動方式，其中以曲軸連杆機構最為普遍。其主要缺點是機械效率低、慣性負載力大、動力平衡性差、振動衝擊大、噪音高、活塞線速度高、密封結構複雜、密封件壽命短、密封件更換不方便、氣缸發熱嚴重、需要增加強制冷卻裝置、 體積大、重量大、不允許頻繁起動和停止、難於實現氣量調節等。二十世紀九十年代，國外研製開發出一種採用新型機械傳動方式的往復式壓縮機，即所謂的「十字滑塊」壓縮機，也稱作「曲柄滑塊」壓縮機。與傳統的往復式壓縮機相比，其機械效率高、動力平衡性好、振動小、 噪音低、結構緊湊，但無法解決傳統的往復式壓縮機的其它缺陷。近些年來，國內外有些廠家還研製開發出一種採用液壓傳動方式、氣液複合缸結構的直線往復式壓縮機。與傳統的往復式壓縮機相比，其結構簡單、活塞線速度低，密封結構簡潔、氣缸發熱較低、允許頻繁起動和停止、便於實現氣量調節等，但由於無法克服活塞換向過程中的慣性負載力的突變，因此衝擊和噪音仍然比較大。本申請也應當屬於容積式壓縮泵，其中與本申請比較相近的是目前應用較多的活塞式空氣壓縮泵，工作原理也比較簡單，其基本原理是通過活塞的往復運動及氣缸蓋上的配氣機構實現吸氣和壓縮，其驅動裝置一般是電機或者內燃機，並且公知的活塞式空氣壓縮泵都是單缸配置，體積排氣量比偏大。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種通過驅動方式的改變而使體積排氣量比變小的氣體壓縮裝置。本發明採用以下技術方案
該發明氣體壓縮裝置，包括具有活塞杆的氣缸，還包括一主軸和安裝在主軸上的轉子， 以及驅動主軸轉動的驅動裝置；所述氣缸有多個，且所有氣缸以所述主軸軸線為軸周向均布，其中氣缸的活塞杆以主軸為基準徑向沿伸並與所述轉子形成凸輪機構。依據上述結構，氣缸的個數受到的限制相比於既有的活塞式壓縮泵要小，在相同的空間內可以布置多個氣缸，從而使得體積排氣量比變的較小。另外，凸輪機構的特點是速度慢，那麼相應地，氣缸的活塞的線速度就會比較低，從而使得氣缸的密封結構得以簡化， 不僅降低了密封件的成本，而且沿長了密封件的使用壽命，減少了後期維護頻率和費用。另一方面，考慮到協同作用，較慢的排氣會影響排氣量，但多個氣缸的協同配合可以有效地解決這一點。上述氣體壓縮裝置，所述驅動裝置為液壓馬達。上述氣體壓縮裝置，所述液壓馬達配有獨立的液壓控制迴路。上述氣體壓縮裝置，其所述轉子的個數為廣3個，配置在每個轉子的氣缸為一列， 每列氣缸的個數為壙12個。上述氣體壓縮裝置，所述轉子具有四段工作曲線，且工作曲線繞轉子基圓均布。上述氣體壓縮裝置，所述工作曲線通過過渡曲線與基圓連接或者相互間通過過渡曲線連接，其中過渡曲線為次數大於5的高次曲線。上述氣體壓縮裝置，所述活塞杆與所述轉子滾動配合。上述氣體壓縮裝置，還包括安裝在所述主軸上的軸流風扇。上述氣體壓縮裝置，還包括所述主軸經傳動機構驅動的吹向所述氣缸的子風機。上述氣體壓縮裝置，還包括連接管路，而該連接管路包括連接所述氣缸排氣口的排氣管路和連接所述氣缸進氣口的進氣管路。
圖1為依據本發明的一種氣體壓縮裝置的主視結構原理圖。圖2為依據本發明的一種氣體壓縮裝置的左剖結構示意圖。圖3為轉子工作曲線示意圖。圖如-圖4d為氣缸的結構示意圖。圖5為配置了軸流風扇的氣體壓縮裝置的結構示意圖。圖6a-圖6f為液壓控制系統的液壓迴路簡圖。圖7為二級壓縮機組系統流程示意圖。圖中1、進氣閥，2、排氣閥，3、氣缸，4、進氣管路，5、排氣管路，6、滾子，7、轉子，8、 主軸，9、軸流風扇，10、液壓馬達，11、平衡腔，12、回程腔，13、洩漏腔，14、子風機，15、小帶輪，16、同步帶，17、大帶輪。
具體實施例方式參照說明書附圖1，其示出了一種氣體壓縮裝置，包括具有活塞杆的氣缸3，還包括一主軸8和安裝在主軸上的轉子7，以及驅動主軸轉動的驅動裝置；所述氣缸有多個，且所有氣缸以所述主軸軸線為軸周向均布，其中氣缸的活塞杆以主軸為基準徑向沿伸並與所述轉子形成凸輪機構。這裡的多是區別於使用單個氣缸的氣體壓縮裝置，當然，現在也存在雙泵頭活塞式壓縮泵，其基本結構是電機布置在中間，兩根輸出軸，通過曲柄連杆結構實現活塞的驅動，結構比較複雜，且體積偏大。當然，這裡的多是受到安裝空間限制的，取決於主軸周邊的安裝尺寸。更具體地說是如附圖1中所示的用於氣缸安裝的機架的尺寸。不過與機架相關聯的尺寸是氣缸的工作行程和轉子的大小，機架只能算是附屬構件，決定多的上限是轉子的大小和氣缸的工作行程。據此，本領域的技術人員易於實現。這是一個方面。另一個方面則是轉子有多個的情形，多個轉子依次設置在主軸上，對應多組氣缸，這個時候需要考慮主軸的輸出功率和所需要的整體的排氣量。關於機架，在機構上普遍存在，以上沒有特別說明，機架被認為是機構中相對固定的構件。如前所講的氣缸，其機架實際上應當被認為是安裝座，應當是使所述氣缸處於其活塞杆以主軸為基準徑向沿伸的構造的部件，本領域的技術人員應當能夠清楚地理解。以上是本發明的基本結構，其要點在於活塞式壓縮泵驅動裝置設置方式的改變。傳統的往復式壓縮機主要有曲軸連杆機構和曲柄滑塊機構兩種傳動方式。從輸入軸到氣缸，一般要經過曲軸(或曲柄)、連杆(或滑塊)以及十字頭等多個零部件的傳動。這些零部件不僅結構複雜、加工及裝配精度要求高，而且傳動副多為滑動摩擦，阻力大、易磨損、 發熱嚴重、傳動效率不高，必須採用稀油潤滑以及密閉式機身結構，從而進一步增加了製造成本。本方案採用凸輪傳動這一低速機構，從輸入軸到氣缸，只有主軸、轉子和可能存在的滾輪三個零部件。這些零部件結構簡單、對加工設備及製造工藝要求不高，而且主軸與機架之間、轉子與滾輪之間均為滾動摩擦，阻力小、損失小、傳動效率高，不需要稀油潤滑，也不需要密閉式機身。
較佳地，所述驅動裝置為液壓馬達10，液壓馬達的調速性能比較好，尤其是其轉速與供油速度有嚴格的線性關係，也就是能夠做到精確的無級調速，進而保證有效的調整整個氣體壓縮裝置的排氣量。另外，液壓馬達的輸出功率非常高，在評價動力設備的功率體積比中，液壓馬達是相對較好的，結構緊湊，並且相對應的液壓源可以遠距離設置，方便動力的遠距離傳輸。對於防爆等特殊應用條件下，液壓馬達尤其特殊的優勢，不會出現電火花，或者內燃機那樣的明火，安全性能好。進一步地，所述液壓馬達配有獨立的液壓控制迴路，當然也可以配套使用，獨立的液壓控制迴路可以保證一致性好，便於後期的維護。承前所述，轉子可以配置多個，但要求主軸的輸出功率比較高，液壓馬達在較小體積的情況下可以輸出比較大的功率，可以適配。較佳地，所述轉子的個數為廣3個，配置在每個轉子的氣缸為一列，每組氣缸的個數為壙12個。這裡需要考慮幾個問題，第一個問題是同組氣缸的排氣控制，若依次排氣，那麼氣缸越多，必然排氣宏觀的脈動性降低，保證壓縮氣體輸出的穩定性；若同時吸氣同時排氣，則容易保證相對較高的壓力，但脈動性可能會大一些，這裡的可能也涉及多個方面，第一個方面是同時排，也就是存在的工作曲線保證了同時排，那麼每個主軸轉動周期內會有氣缸的多個工作行程，抵消了一定的脈動性，在一個方面是多個轉子的配合使用，依序排氣，保證輸出較高的氣壓和較低的脈動性。除此之外， 下面還會有述及，假定工作曲線數目小於氣缸數目，必然不會存在同時進氣、同時排氣的情形。氣缸數量倍增、工作轉速降低、流量密度增大、流量脈動減小的情形下，對於往復式壓縮機而言，傳統的往復式壓縮機，受傳動方式所限，每一列對應的氣缸數量通常只有 1 2個。為了增加排氣量，通常的技術手段是增大單個氣缸的工作容積(即活塞迎風面積與行程的乘積)、或者沿驅動軸方向增加壓縮機的列數、或者提高驅動軸的工作轉速等等。 前兩種技術手段分別使得壓縮機的徑向尺寸和軸向尺寸加大、整機重量增加、流量密度(即單位體積或重量對應的的排氣量)減小。而工作轉速的提高使得壓縮機的振動和噪音加重、 磨損和發熱加劇，進而增加了維修頻率和維護成本，降低了使用壽命。對於本方案，多個氣缸圍繞一個轉子沿周向布置，若將一個轉子及其作用的一組氣缸也稱之為一列，可以採用每一列對應的氣缸數量為不小於4的偶數。這意味著，在氣缸工作容積以及壓縮機徑向尺寸相同的條件下，該氣體壓縮裝置每一列可以布置更多數量的氣缸。另外，該氣體壓縮裝置同樣允許沿主軸方向增加工作列數，從而使整機氣缸數量成倍地增加。那麼其一，在相同排氣量的條件下，氣缸數量成倍地增加使得主軸的工作轉速可以成倍地降低，從而減少了由於高轉速而帶來的諸多弊端，使得整機振動小、噪音低、磨損和發熱不明顯、降低了維修頻率、節省了維護成本、提高了使用壽命。其二，由於氣缸數量增加的倍數大於工作轉速降低的倍數，而且轉子旋轉一周，每個氣缸完成多次壓縮(匹配工作曲線)，因此在相同體積或重量的條件下，雖然工作轉速降低，但排氣量仍然很大。其三，隨著氣缸數量的增加，也使得被壓縮氣體在宏觀上的流量脈動性相應地減小。尤其當列與列之間的轉子沿周向按一定的角度錯開布置時，流量的脈動性更為消減。如附圖1和附圖3所示，是四個氣缸的情形，四段工作曲線，分成兩對，形成兩個不同工作行程，工作形程較短的一對可以用來進行過渡，保證排氣的質量。因此，氣缸的個數最好採用偶數個，便於配置，且容易保證排氣質量。因此，進一步地，所述工作曲線通過過渡曲線與基圓連接或者相互間通過過渡曲線連接，其中過渡曲線為次數大於5的高次曲線，當然，次數也不能過高，過高計算量大，設計製造比較麻煩，一般低於等於8次是可行的。參見說明書附圖3，圖中轉子外緣工作面為變矢徑弧面，其剖面外廓由八段弧線構成，即
兩段半徑為R的大圓弧-M-A2和C3-C4 ； 兩段半徑為r的小圓弧B2-B3和D4-D1 ；
四段矢徑為P的過渡曲線D1-A1，A2-B2, B3-C3和C4-D4，進一步地防止產生剛性衝
擊ο四段過渡曲線被設計成高次曲線，其一般表達式為 P ( φ ) =C0+C1 Φ +C2 Φ2 +. . . Cn φ 「
其中P——過渡曲線矢徑 φ—矢徑P在其區間內的角位移 C—常係數
為避免因速度、加速度以及加速度變化率突變造成的剛性衝擊及柔性衝擊，減小氣缸活塞往復運動過程中的振動與噪聲，方程次數η不得小於5。為了減小摩擦，所述活塞杆與所述轉子滾動配合。另外需要注意的是，活塞杆回程有多種方式，一種簡單的方式是轉子工作曲線的斷面可以是T型槽，T型槽內設置連接活塞杆的滾子6，這樣回程的驅動力就來自轉子。另一種情形是採用外源性回程方式，如說明書附圖附圖4d，通過液壓或者氣壓迴路形成一個回程力，這在氣動和液壓方面較常用，若採用液壓回程方式，則可自液壓控制迴路引出一分支迴路，經減壓閥與回程腔相連通；若採用氣壓回程方式，則可自最終排氣管路引出一分支迴路，經減壓閥與回程腔相連通。採用液壓或氣壓回程的方式，最突出的優點是回程力可以通過減壓閥實現無級調節，同時避免了由於採用機械回程所帶來的複雜結構以及磨損和噪音。其不足之處是增加了指示功，並使氣缸結構變得複雜。圖示洩漏腔的主要功能是在氣、液兩種工作介質之間增加一道洩漏途徑，一旦密封件破損，可以及時觀察或檢測，避免了兩種工作介質相互滲透和汙染。當採用氣壓回程方式時，可以取消洩漏腔，從而使氣缸結構得以簡化。圖示平衡腔的主要功能是抵消部分活塞作用力，節省指示功。同時，附圖4還表示了實際使用要求配置兩類氣缸型式，即單級缸和雙級缸。圖如和圖4b所示為兩種單級缸的結構示意圖。圖如和圖4d所示為兩種雙級缸的結構示意圖。圖中回程腔工作介質可以是液壓油，也可以是被壓縮氣體本身，比如取自終端排氣管路5的壓縮氣體，算是回程的第三種情形。若回程腔工作介質即為被壓縮氣體本身時，可以取消洩漏腔13，從而使氣缸結構
7得以簡化。氣體壓縮會生熱，當然，為此，本方案還包括安裝在所述主軸上的軸流風扇9，以進行散熱。進一步地，還包括所述主軸經傳動機構驅動的吹向所述氣缸的子風機14，如附圖 5所示，圖中所述傳動機構為同步帶傳動機構，子風機直接吹響氣缸，以更好的對氣缸散熱。較佳地，還包括連接管路，而該連接管路包括連接所述氣缸排氣口的排氣管路和連接所述氣缸進氣口的進氣管路，方便整體的配氣。關於進、排氣控制，進氣控制可以直接採用單向閥進行控制，當然單向閥的漏氣率較高，因此還可以採用氣門機構進行控制，氣門機構可以採用凸輪機構，驅動端配置在所述主軸上。附圖1所示的進排氣控制都是採用單向閥，屬於移動相對簡單的控制方式。如果想控制比較大的壓力，最好採用氣門機構。級和列的配置
級的配置氣體壓縮裝置的級數取決於最終排氣壓力與初始進氣壓力的比值。該氣體壓縮機可以根據不同氣體、不同使用要求實現多種級的組合配置。例如 1. 1單級壓縮單級缸 1. 2 二級壓縮單級缸一單級缸、雙級缸 1. 3三級壓縮單級缸一單級缸一單級缸、單級缸一雙級缸 1. 4......
列的配置氣體壓縮機的列數不僅與級數有關，還取決於排氣量的大小。該氣體壓縮機可以根據不同氣體、不同使用要求實現多種列的組合配置。例如
2.1單機多列即多個氣缸徑向均布並固定安裝在一臺機架上。例如單機四列、單機六列、單機八列。。。2.2多機串聯即一個主軸同時驅動多臺壓縮機。例如雙機串聯、三機串聯、四
機串聯。2. 3多機並聯即多臺壓縮機並聯使用。例如雙機並聯、三機並聯、四機並聯…… 安裝方式該氣體壓縮機可以根據不同的場地採取不同的安裝方式。例如，臥式安裝
主軸水平布置；
立式安裝主軸垂直布置； 傾斜安裝主軸傾斜布置； 組合安裝即多機、多種安裝方式的組合。液壓控制系統
由於該氣體壓縮機的主驅動元件為低速大扭矩液壓馬達，因此在實際應用中，最好配置相應的液壓控制系統。液壓控制系統主要用以驅動液壓馬達，可以方便地調節其輸出扭矩及輸出轉速。 對於靠液壓回程的氣缸，還可以方便地調節液壓回程力的大小。由於液壓控制系統可以方便地實現空載起動以及卸荷停機，因此該氣體壓縮裝置可以隨時啟動和停止。另外，由於液壓控制系統可以方便地調節並限制系統壓力，因此可以有效地避免壓縮機因超載而造成設備損壞及人身傷害。
圖6所示為幾種典型的液壓控制系統迴路簡圖。其中(a)至(C)為開式系統迴路； 其中(d)至(f)為閉式系統迴路。在實際應用中，可以根據具體情況選擇使用。電氣控制系統
電氣控制系統用以控制及監控整個壓縮機組的工藝流程。對於易燃易爆氣體，電氣控制系統還應符合相應的防爆等級標準。壓縮機組在整個氣體壓縮的工藝流程中，除了壓縮裝置及其液壓、電氣控制系統外，還應配置如氣體淨化、穩壓、冷卻等附屬設備，從而組成一個完整的壓縮機組。圖7所示為由該氣體壓縮機組成的二級壓縮機組的系統流程示意圖。在實際應用中，可以根據具體情況選擇配置。
權利要求
1.一種氣體壓縮裝置，包括具有活塞杆的氣缸(3)，其特徵在於還包括一主軸(8)和安裝在主軸上的轉子(7)，以及驅動主軸轉動的驅動裝置；所述氣缸有多個，且所有氣缸以所述主軸軸線為軸周向均布，其中氣缸的活塞杆以主軸為基準徑向沿伸並與所述轉子形成凸輪機構。
2.根據權利要求1所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於所述驅動裝置為液壓馬達(10)。
3.根據權利要求2所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於所述液壓馬達配有獨立的液壓控制迴路。
4.根據權利要求1所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於所述轉子的個數為廣3個，配置在每個轉子的氣缸為一列，每列氣缸的個數為壙12個。
5.根據權利要求4所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於所述轉子具有四段工作曲線，且工作曲線繞轉子基圓均布。
6.根據權利要求5所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於所述工作曲線通過過渡曲線與基圓連接或者相互間通過過渡曲線連接，其中過渡曲線為次數大於5的高次曲線。
7.根據權利要求1、4、5或6所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於所述活塞杆與所述轉子滾動配合。
8.根據權利要求1所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於還包括安裝在所述主軸上的軸流風扇。
9.根據權利要求8所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於還包括所述主軸經傳動機構驅動的吹向所述氣缸的子風機。
10.根據權利要求1所述的氣體壓縮裝置，其特徵在於還包括連接管路，而該連接管路包括連接所述氣缸排氣口的排氣管路和連接所述氣缸進氣口的進氣管路。
全文摘要
該公開了一種氣體壓縮裝置，包括具有活塞杆的氣缸，還包括一主軸和安裝在主軸上的轉子，以及驅動主軸轉動的驅動裝置；所述氣缸有多個，且所有氣缸以所述主軸軸線為軸周向均布，其中氣缸的活塞杆以主軸為基準徑向沿伸並與所述轉子形成凸輪機構。依據本發明能夠使體積排氣量比變小。
文檔編號F04B27/047GK102297113SQ20111022621
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者範曉林 申請人:範曉林