综述
SUMMARY

压缩机气缸组件现状及重要性论述

 压缩机气缸组件现状及重要性论述
  众所周知,往复活塞式空压机最核心的运动机构就是曲柄连杆机构,这个机构是机械设计的四大通用机构之一,其气缸组件的作用是不能被忽略的,毕竟,空压机工作的时候产生的所有运动惯性力和气体作用力,全部是由气缸组件来承担的……
  文/吴广忠
 
 
  一、常见空压机的分类
  空气压缩机(简称空压机)的作用是将电能转化成压缩空气的压力能,供气动设备使用。空压机按压力高低可分成低压型(0.2~1.0MPa)、中压型(1.0~10MmPa)和高压型(>10MPa)。通过缩小气体的体积,来提高气体的压力的方法称为容积型;通过提高气体的速度,让动能转化成压力能,来提高气体压力的方法称为速度型。
  下面我们来给大家分别介绍一下现在市场主流空压机的工作原理:
  1.活塞式空压机的原理——电动机启动后,直接或者间接带动压缩机曲轴旋转,通过曲柄连杆机构转化为活塞在气缸内的往复运动。
  大体分为三个工作工程,分别是“吸气过程”“压缩过程”“排气过程”。当活塞由气缸盖侧向曲轴运动时,气缸容积增大,缸内压力低于大气压力,外界空气经滤清器、吸气阀进入气缸,完成吸气过程;到达下止点后,活塞由曲轴侧向气缸盖侧运动,吸气阀关闭,气缸容积逐渐变小,缸内空气被压缩,压力升高,完成压缩过程;当压力达到一定值时,排气阀被顶开,压缩空气经管路进入储气罐内,完成排气过程;如此压缩机周而复始地工作,不断地向储气罐内输送压缩空气,使罐内压力逐渐增大,从而获得所需的压缩空气。
  单级活塞式空压机,常用于0.3-0.7MPa压力范围的系统。单级空压机压力超过0.6MPa,就会导致产生的热量太大,空压机工作效率太低,故常使用两级活塞式空机。若最终压力为1.0MPa及以上,则第1级通常压缩至0.3MPa。设置中间冷却器是为了降低第2级活塞的进口空气温度,以提高空压机的工作效率。
  往复式有油空压机若冷却良好,排出空气温度约为70-180℃;若冷却不好,可达200℃以上。为防止高温下因油雾炭化变成铅黑色微细炭粒子,非常微细的油粒子高温下氧化,而形成焦油状的物质(俗称油泥),必须使用厂家指定的不易氧化和不易变质的压缩机油,并要定期更换。
  2.螺杆式单级压缩空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动,使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化,空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧,实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端,阴转子的槽与阳转子的齿被主电机驱动而旋转,如图表1。
  若转子和机壳之间相互不接触,则不需润滑,这样的空压机便可输出不含油的压缩空气。它可连续输出无脉动的流量大的压缩空气,出口空气温度为60℃左右。
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  3.离心式压缩机的工作原理是气体进入离心式压缩机的叶轮后,在叶轮叶片的作用下,一边跟着叶轮作高速旋转,一边在旋转离心力的作用下向叶轮出口流动,并受到叶轮的扩压作用,其压力能和动能均得到提高,气体进入扩压器后,动能又进一步转化为压力能,气体再通过弯道、回流器流入下一级叶轮进一步压缩,从而使气体压力达到工艺所需的要求,如图表2。
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  4. 滑片式空压机由转子、定子、滑片组成。转子回转过程中,左半部(输入口)吸气。在右半部,滑片逐渐被定子内表面压进转子沟槽内,滑片、转子和定子内壁围成的容积逐渐减小,吸入的空气就逐渐地被压缩,最后从输出口排出压缩空气,如图表3。
  由于在输入口附近向气流喷油,对滑片及定子内部进行润滑、冷却和密封,故输出的压缩空气中含有大量油分,所以在输出口需设置油雾分离器和冷却器,以便把油分从压缩空气中分离出来,冷却后循环再用。
  上述几种常见的空压机,用来压缩气体的机构完全不同,但是用来支撑和受力的气缸组件,倒是还有些类似的地方。
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  二、什么是气缸组件
  首先,我们来解释一下什么是空压机,通常也被叫做气泵(air pump)。它是从一个封闭空间排出空气,或者从一个封闭空间添加空气的装置。气泵多为电动气泵,以电力为动力,通过电力不停压缩空气产生气压。气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力,往复运动的圆筒形金属机件是曲柄连杆,固定不动的圆筒形金属机件是气缸组件。
  另外还有一种集成式的气动元件也称作“气缸”,它是一个组件包含活塞和缸体等部件,是以气体为动力源的。它是气压执行元件,压缩空气通过电磁阀控制气缸作机械运动。最终把空气压力转换为机械能输出,通常是作为动力输出用。我们这里提到的空压机的气缸组件,就相当于“气缸”的缸体部分,主要起到支承和密封的作用,下面我们来具体介绍一下气缸组件。
 
  气缸组件主要包括气缸体、气缸套、气缸盖、气缸垫等主要部件。
  1. 气缸体的主要功用:①空压机的骨架,支承曲柄连杆机构运动件;②形成冷却水道、油道、气道;③安装配气机构、供油系统等附件;④承受内燃机工作时所产生的惯性力和气体作用力;
  气缸体的主要技术要求:a.保证足够的刚度和强度。工作时,应保证气缸体变形最小,有利于降低振动、噪声;b.有良好的冷却性能;c.有足够的耐磨性,保持压缩室的密封性,耐磨性直接关系到气缸体的使用寿命。
  气缸体的结构形式:①普通式(平分式):加工方便;②龙门式刚度与强度好,加工复杂;上述两种广泛用于中、小功率的空压机上,如图表4。
压缩机气缸组件现状及重要性论述
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  多缸的排列形式决定了空压机的总体尺寸和结构特点,对气缸体的强度和刚度也有较大影响,并关系到气泵的总体布置情况。
  气缸体的材料:一般采用铸铁或铸铝的。铸铁材质的气缸成型复杂、加工麻烦、整体重量较重,某些牌号的材料有自润滑功能,例如球磨铸铁。铸铝材质的气缸成型简单、加工方便,整体轻巧,耐磨性差,多镶嵌铁缸套或者表面电镀涂层,综合成本较高。
  气缸体的散热问题:为了保证冷却的均匀性,一般在气缸外围采用单体式散热片布局,鼻梁区和进气、排气门处多布置;然后再借助空气的流动来实现散热的目的。有些时候也需要采用一些辅助导流结构,例如挡风板、挡风罩来控制气流的流向和发散方式,如图表5。
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  2. 气缸套的主要功用:a.导向作用;b.组成工作空间;c.延长缸体使用寿命。
  气缸套的工作条件:高温、高压作用;高相对运动速度且润滑不良;机械应力与热应力,易磨损。
  气缸套的材料:采用强度好并且耐磨的材料,一般为优质灰铸铁或合金钢
  气缸套的分类:①干式:不与冷却水接触,壁厚1~3mm;水密封性好。机体刚度好;加工要求高;②湿式:与冷却水接触,壁厚5~9mm,安装与定位:环形凸缘密封:凸肩下表面,环孔间橡胶圈,如图表6。
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  3. 气缸盖的主要功用:①封闭气缸,组成压缩室;②安装各种零、部件,如气门、气门弹簧等。③气缸盖上还布置有进、排气道、冷却水套、润滑油道等。
  气缸盖的结构形式:1)整体式--尺寸紧凑,但结构复杂,铸造较难;2)分体式--每缸(或2~3缸) 一个缸盖,利于产品系列化。
  气缸盖的构造特点: 结构复杂。
  气缸盖的工作条件:①高压;②高温。
  气缸盖的材料:要求热强度高、铸造性能好,常用铸铁和铝合金。
  4. 气缸垫是一般安装缸盖与缸体之间的垫片,主要功用为密封。
  气缸垫的工作条件:①高压;②高温;③油、水、气腐蚀。
  气缸垫的技术要求:强度和弹性好,且耐蚀。
  气缸垫的材质以及分类:①金属-石棉衬垫;②金属衬垫,用硬铝板、冲压钢片等制成。
  以上就是气缸组件各个部分的主要功用、特点和结构形式,以及常见的制作材料,从整体上给大家一个直观的概念和认识。
 
  三、总结
  气缸组件是整个能量转换过程的场地提供者,也是参与能量转换过程所有零件的支承者,更是能量转换过程的参与者。
 
  参考文献
  [1] 成大先 机械设计手册[M].化学工业出版社.2007
  [2] 陆宁 机械原理[M].机械工业出版社.1997
  [3] JB/T 8934-1999.直联便携式往复活塞空压机[S].1999
  [4] 活塞式压缩机编写组. 活塞式压缩机设计[M].机械工业出版社.1974
  [5] 金光熹,杨绍侃编.压缩机可靠性[M]. 机械工业出版社, 1989
 
  作者简介
  吴广忠(1980.04—),男,汉族,山东省青岛市人,大学本科(工学学士),毕业于青岛科技大学,中级工程师,研究方向:空气压缩机。
 
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