振動極小的二級活塞式壓氣機的製作方法
2023-10-05 18:44:29 2
專利名稱：振動極小的二級活塞式壓氣機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於二級活塞式壓氣機的活塞配置，它包括一曲軸、多個氣缸及在其中運行的活塞，其中設計有兩個或更多個低壓級和至少一個高壓級，並且還涉及一種具有這樣的活塞設置的用於鐵路車輛的活塞式壓氣機。
按照DE-PS 765 994的配置的特徵在於，氣缸和曲柄半徑設計成使慣性力儘可能良好地平衡。沒有提及作為激振分量的氣體壓力。關於各自壓縮級的各個氣缸的配置沒有進行比較。
在鐵路車輛製造中以日益增長的規模採用輕型結構。現代的輕型結構的車體構造例如由鋁擠壓型材構成或支座構造由薄板構成，它們常常具有接近空氣供給設備的壓氣機的轉速之固有頻率。在這樣的結構中採用活塞式壓氣機常常是不可能的，因為常常超過了允許的固體傳聲水平。
這種情況歸因於，活塞式壓縮機因曲柄機構上的擺動質量引起構造形式決定的慣性力和慣性力矩以及由氣體壓力產生力矩。特別是在鐵路車輛領域中常常使用的二級活塞式壓氣機的情況下產生了很不均勻的轉矩。如一個這樣的壓氣機的典型的負載力矩的分析所表明的，絕大部分的負載力矩相應於活塞式壓縮機的旋轉頻率，該頻率常常位於20至30Hz的範圍內。這些頻率又對於處在乘客車廂內的人們是可以很好地感覺到的，因為例如小腿與延伸過的膝關節一起的固有頻率可能約為20Hz。
活塞式壓氣機的上述負載力矩與電機相互配合產生一繞壓氣機轉軸的激振力矩，傳統的活塞式壓氣機設備的慣性力矩繞壓氣機轉軸顯著小於繞其他的諸軸的。由於繞壓氣機轉軸的彈性支座的傳遞方式一般比例如垂直方式更接近於旋轉頻率，這樣的扭轉振動一般不能象其他的激振分量那樣好地被隔離，其中傳遞方式對傳遞慣性力起著較大的作用。
按照本發明，該問題通過顯著減小主要由氣體壓力產生的負載力矩中的第一階部分來解決，其中通過非通常的活塞配置同相位地疊加兩個或更多個低壓級並且相對於高壓級位錯約180°。這在結構上通過這樣來達到，即在為包括一曲軸、多個氣缸及在其中操作的活塞的二級活塞式壓氣機之活塞配置中，設計有兩個或更多個低壓缸和至少一個高壓缸，兩個或三個或更多個低壓缸相對於高壓缸這樣配置，即兩個或更多個低壓缸同相位地或小於±15°位錯地並且相對於一個或更多個高壓缸位錯180°±20°地進行壓縮操作。
本發明認識到，通過所有的低壓缸相對於一個或更多個高壓缸的相位偏移，也可達到由扭轉力線圖產生的第一階的顯著減小並從而達到繞壓氣機轉軸的激振力矩的減小。
在本發明的第一種實施形式中在活塞配置中涉及機油潤滑的活塞配置。
但特別優選的是活塞配置為一「無油的」無潤滑運轉的活塞配置。在本發明的一種特定的實施形式中活塞配置設計成3缸配置，具有兩個低壓缸和一個高壓缸，其中一個高壓缸位於另一低壓缸的對面。這樣的配置是特別節省結構空間的。顯然也可以設想使用本發明原理的有4、5或6個缸的配置。
按照一有利的實施形式，通過使用較重的活塞可以明顯減小扭轉力線圖中的壓力峰值，因為提高的活塞動能轉換為壓縮功。特別是諸氣缸的活塞應該具有這樣大的質量，即可以減小切向力線圖中的壓力峰值，其中進入切向力線圖中的慣性力在對於活塞壓氣機的典型轉速範圍1000r/min至2000r/min，特別是1500r/min內的壓力峰值時大於在壓力峰值時的氣體壓力的15％。在本申請中扭轉力矩曲線/曲柄半徑被理解為切向力線圖。
在一有利的實施形式中設定，例如在一種3缸的配置中將位於高壓缸一側的低壓缸的質量，也就是活塞和/或連杆的質量選成使其能平衡位於對面的低壓活塞以及高壓活塞，後兩者安裝在同一個曲拐上。其中平衡不僅可以在活塞上也可以在連杆上實現。因增加活塞質量達到的質量平衡降低了連杆上的軸承載荷。
除藉助附加質量的質量平衡外，也可能藉助隨同運行的無功活塞來平衡擺動質量。在本申請中一不作壓縮功的活塞被理解為屬於一無功活塞。
有利的方式是將活塞配置成使各低壓活塞通過曲軸箱同相位地進氣，其中在進氣過程中兩沉入曲軸箱的低壓級將空氣推入到壓縮腔中。由此減少低壓級中的進氣負壓並改善充氣量。在一特別有利的實施形式中，這種效果通過在從空氣過濾器殼體到曲軸箱的進氣管上插裝一止回閱而得以加強。通過一止回閥的設置改進了特別是無潤滑運轉活塞配置的效率。
除活塞配置外，本發明還提供一種包括這樣的活塞配置的活塞式壓氣機，特別是供鐵路車輛之用，其按有利的方式包括一電機驅動的驅動裝置。該活塞配置也可以用於工業領域中的壓縮空氣產生設備中。
按照現有技術，由一個壓氣機的慣性力和氣體壓力產生的示於
圖1中的負載力矩的付裡葉分析可以分解為以下幾部分第1階40Nm第2階20Nm第3階7Nm負載力矩的絕大部分相應於活塞式壓縮機的旋轉頻率，其常常位於20、25或30Hz。這些頻率對於例如處在鐵路車輛的乘客車廂內的人們是可以很好地感覺到的。這樣，小腿與延伸過的膝關節一起的固有頻率可能約為20Hz。
活塞式壓氣機的負載力矩與電機相互配合產生一繞壓氣機縱軸的激振力矩，其中傳統的活塞式壓氣機設備的慣性力矩繞壓氣機縱軸顯著小於繞其他諸軸的。繞壓氣機縱軸的彈性支座的傳遞方式通常比例如垂直方式更接近於旋轉頻率，傳遞方式對傳遞慣性力起著較大的作用。這樣的扭轉振動一般不能象其他的激振分量那樣好地被隔離。
按照本發明，傳統的活塞式壓氣機的振動問題將通過顯著降低由氣體壓力產生的負載力矩的絕大部分中的第一階部分來解決。通過一種活塞配置來達到第一階的這種降低，其中同相位地疊加兩個或更多個低壓級並且相對於高壓級錯開約180°。
這樣的配置的切向力線圖示出圖2中。如圖1中那樣，標記1表示由氣體壓力產生的力矩，3表示由慣性力和氣體壓力產生的力矩而5表示由慣性力產生的力矩。
按照圖2的曲線的付裡葉分析得到以下結果第一階19Nm第二階28Nm第三階7Nm第一階的部分顯著降低了，其下降到一繞壓氣機縱軸的降低的振動激勵。因此在乘客車廂中不受歡迎的振動可以被大大地減小或幾乎被完全避免。
圖3中舉例示出具有本發明的一種活塞配置的活塞式壓氣機。圖3中所示的實施形式涉及一種3缸對置式配置，具有構成低壓級的兩個低壓缸20、22和一個設置在一低壓級前面的高壓缸24，但不限於此。
三氣缸的活塞40、42和44藉助於球軸承或滾子軸承34通過連杆32支承在共同的曲軸上。
為了裝置的冷卻，在曲軸30的端面設置一風扇葉輪36，其在曲軸30旋轉過程中為箱體38提供空氣冷卻，箱體內設置有兩個低壓級和一個高壓級。
在圖3中所示位置，低壓缸的活塞40、42位於最頂部位置。高壓活塞44位於氣缸的上端。如果曲軸30運轉，則低壓缸的兩活塞40、42同相位地並相對於高壓級的活塞44位錯180°地運動。
圖3中所示的實施形式涉及一種具有通過曲軸箱的抽氣導向裝置的無油壓縮的活塞式壓氣機。
各個活塞40、42、44藉助於密封元件50相對於氣缸密封。曲軸30的驅動藉助於電機60來實現。
以下將更詳細地描述圖3中所示的活塞式壓氣機的工作原理在低壓級中的壓縮過程中，通過同相位從曲軸箱38進入的大的低壓活塞40、42增大了曲軸箱38內的空氣容積。空氣被吸入曲軸箱內。在空氣吸入壓縮腔的過程中，低壓活塞40、42進入曲軸箱38內。與此同時曲軸箱38內的容積減小，其中空氣從曲軸箱38內被吸入到低壓級的壓縮腔，亦即低壓活塞40、42的活塞下部將空氣從曲軸箱38內推進到低壓級的壓縮腔中。因此相對於按照現有技術的實施形式減小了低壓級中的抽氣負壓。當在從空氣過濾器殼體到曲軸箱38的進氣管上插裝一止回閥時，可以支持這種效果，其中特別是改進了效率。
按照本發明的活塞式壓氣機的另一優點如下由於活塞式壓氣機的強的波動負載力矩產生了扭轉不均勻性。這被電機60所加強，因為電機60相位偏移地對負載峰值起作用，而且在壓氣機的力矩要求降低時就是如此。由此通過旋轉產生的轉速波動在按照現有技術的活塞式壓氣機中可能例如為±14％。這種影響至今只能通過使用較大的飛輪質量來減小，但這由於重量原因早已就不符合要求。此外，電機60顯著提高了電流耗量並明顯將功率因數降到0.6，因此在按照現有技術的實施形式中必須採用尺寸過大的電機。通過本發明大大降低了負載力矩的第一階，從而減小了這種影響。扭轉不均勻性變小，按照本發明其例如從0.15降至0.08。電機的電流耗量下降。在本發明的一種配置中，功率因數顯著提高，例如從功率因數Lf＝0.7提高到0.8。
通過使用較重的活塞，在一進一步構成的實施形式中，可以明顯降低扭轉力線圖中的壓力峰值，因為提高的活塞功能轉換為壓縮功。特別優選的是，該氣缸的活塞具有這樣大的質量，即可以減小切向力線圖中的壓力峰值，其中進入切向力線圖中的慣性力在轉速範圍1000r/min至2000r/min之間的壓力峰值時大於在壓力峰值時的氣體壓力的15％。
按這樣的方式和方法還能夠進一步降低在所有的階中的激振力矩。
為了達到擺動的和旋轉的質量的質量平衡，將位於高壓缸一側的低壓缸的質量選擇成使其能平衡位於對面的低壓活塞以及高壓活塞。平衡不僅可以在活塞上也可以在連杆上實現。因增加活塞質量達到的質量平衡降低連杆的軸承載荷。這對位於高壓缸一側的低壓級的活塞銷軸承上的負載是有利的，因為這種負載是由於鄰近的高壓級而受到不良的冷卻。
圖4a-4d中示出本發明的具有諸對置的氣缸的配置。圖4a示出一種3缸的配置，如以上所詳述的那樣。按照本發明，圖4b示出一種6缸的配置，圖4c示出一種4缸的配置而圖4d示出一種5缸的配置。高壓活塞用標記44、46表示而低壓活塞用標記40、41、42和43表示。高壓缸用標記24、26表示而低壓缸用標記20、21、22和23表示。除180°V式活塞配置外也可設想一些直列式壓縮機。
圖5a示出一種本發明的4缸直列式壓縮機，圖5b示出一3缸直列式壓縮機。
圖6中示出一具有一隨同運行的無功活塞50的3缸直列式壓縮機，該無功活塞不產生壓縮功而僅用作質量平衡。如圖4a-4d中那樣，高壓活塞用44而低壓活塞用40、42表示，高壓缸用24而低壓缸用20、22表示。
因此利用本發明，首次提供一種活塞配置和一種活塞式壓氣機供使用，用其可以降低不符合要求的第一階的振動，如其在按照現有技術的活塞式壓氣機中由壓縮力所引起的。
這種情況從圖7a-7c中可特別好地理解。圖7a中示意地示出具有按照本發明的兩個低壓缸20、22和一個高壓缸24的壓氣機。此外示出例如在鐵路車輛上的四個可能的懸掛裝置70、72、74、76。諸氣缸位於x-y平面內，z軸沿懸掛裝置70、72、74、76的方向垂直於氣缸軸線。
圖7b示出在按照現有技術的一壓氣機中的壓氣機振動的第1階沿z軸方向的隨時間的變化曲線。圖7c示出在按照本發明的一壓氣機中的壓氣機振動的第1階沿z軸方向的隨時間的變化曲線。由圖7b和7c中的振幅的比較可以得出結論按照本發明的壓氣機的振幅比現有技術的至少減半。在一本發明的特別優選的實施形式中，本發明的壓氣機的振幅僅為現有技術的壓氣機的振幅的三分之一。
附圖標記清單1 氣體壓力產生的力矩3 慣性力和氣體壓力組合的力矩5 慣性力產生的力矩20、22、23 低壓缸24、26、28 高壓缸30 曲軸32 連杆34 球軸承36 風扇葉輪38 箱體40、42、43 低壓活塞44、46、48 高壓活塞49 密封元件50 無功活塞60 電機70、72、74、76 懸掛裝置
權利要求
1.一種用於二級活塞式壓氣機的活塞配置，它包括1.1一曲軸(30)，1.2多個氣缸(20、22、24)及在其中運行的活塞(40、42、43、44、46、48)，其中1.3設計有兩個或更多個低壓缸和至少一個高壓缸，其特徵在於，兩個或三個或更多個低壓缸(20、22、23)相對於高壓級這樣配置，即兩個或更多個低壓缸(20、22、23)同相位地或小於±15°位錯地並且相對於一個或更多個高壓缸(24、26、28)位錯180°±20°地進行壓縮操作。
2.按照權利要求1所述的活塞配置，其特徵在於，活塞配置為機油潤滑的活塞配置。
3.按照權利要求1所述的活塞配置，活塞配置為無潤滑運轉的活塞配置。
4.按照權利要求1至3之一項所述的活塞配置，其特徵在於，活塞配置包括6缸、5缸、4缸或3缸的配置，其中具有兩個或更多個低壓缸(40、42、43)和一個或更多個高壓缸(44、46、48)。
5.按照權利要求1至4之一項所述的活塞配置，其特徵在於，活塞配置設計成3缸的配置，其包括兩個低壓缸(20、22)和一個高壓缸(24)，其中一個高壓缸(24)和一個低壓缸(22)位於另一低壓缸(20)的對面。
6.按照權利要求1至5之一項所述的活塞配置，其特徵在於，氣缸(20、22、23、24、26、28)的活塞(40、42、43、44、46、48)具有這樣大的質量，即可以減小切向力線圖中的壓力峰值，其中進入切向力線圖中的慣性力在轉速範圍1500r/min至2000r/min之間的壓力峰值時大於在壓力峰值時的氣體壓力的15％。
7.按照權利要求1至6之一項所述的活塞配置，其特徵在於，擺動質量(活塞、連杆)的質量平衡藉助於在至少一個活塞(20、22、23、24、26、28)上和/或在一個連杆上的附加質量來實現。
8.按照權利要求1至7之一項所述的活塞配置，其特徵在於，擺動質量的質量平衡藉助於隨同運行的無功活塞(50)來實現。
9.按照權利要求1至8之一項所述的活塞配置，其特徵在於，質量平衡藉助於在曲軸(30)上的附加質量來實現。
10.按照權利要求1至9之一項所述的活塞配置，其特徵在於，活塞配置設計成使低壓級的活塞同相位地通過曲軸箱(38)進氣，其中在進氣過程中兩插入曲軸箱(38)內的低壓活塞(40、42、43)將空氣擠進壓縮腔。
11.按照權利要求1至10之一項所述的活塞配置，其特徵在於，在通向曲軸箱(38)的進氣口上設置一止回閥。
12.一種特別用於鐵路車輛的活塞式壓氣機，其特徵在於，其活塞配置包括按照權利要求1至11之一項所述的活塞配置。
13.按照權利要求12所述的活塞式壓氣機，其特徵在於，該活塞式壓氣機包括一電機驅動的驅動裝置(60)。
全文摘要
本發明涉及一種用於二級活塞式壓氣機活塞配置，它包括一曲軸、多個氣缸及在其中運行的活塞，其中設計有兩個或更多個低壓級和至少一個高壓級。本發明的特徵在於，兩個或更多個低壓缸相對於高壓級這樣配置，即兩個或更多個低壓缸同相位地或小於±15°位錯地並且相對於一個或更多個高壓缸位錯180°±20°地進行壓縮操作。
文檔編號F04B27/02GK1413292SQ00817489
公開日2003年4月23日 申請日期2000年12月20日 優先權日1999年12月21日
發明者弗蘭克·邁耶, 麥可·哈特爾, 斯特凡·施奈德 申請人:克諾爾-布裡姆斯軌道車輛系統有限公司