1、2气缸；3平衡缸；4机体；5飞轮；6曲轴；7轴承；9十字头；10活塞杆；11填料函；12活塞；13活塞环；14进气阀活塞从止点0至止点1所走的距离S，称为一个行程。在理论循环中，活塞一个行程所能吸进的气体，在压力p1状态下其值为V1=FsSm3，式中Fs为活塞面积，m2；S为活塞行程，m。图83 压缩机级的理论循环压缩机把气体自低压空间压送到高压空间需要消耗一定的功，压缩机完成一个理论循环所消耗的功为图8-3的01230所围区域的面积，即进气过程中气体对活塞所作的功p1V1相当于00110所围的面积；压缩过程中活塞对气体所作的功相当于11221所围的面积。假定气体对活塞所作的功为负值，活塞对气
2、体所作功为正值，则三者之和为即图8-3中01230所围区域的面积。由于自1至2的压缩过程中，指数越小，过程曲线越平坦，因此可知过程指数越小，压缩机循环消耗的功也越小。在压缩循环中，压缩过程中所消耗的外功将全部变成热量。在绝热压缩过程中，这些热量将全部转变为气体的内能，使气体温度升高，并全部被气体带出压缩机；在等温压缩循环中，等温压缩的功将变成热量，并通过气体全部传给了外界，气体排出压缩机时，温度没有什么改变；在多变压缩过程中，气体传出一部分热量，一部分热量变成气体内能被气体所带走。如果压缩机绝热循环及多变循环中排出的气体，再通入冷却器中等压冷却至气体吸入前的原始温度，则气体内能和气体进入压缩机
3、前相同。必须指出，在这种情况下，虽然压缩气体所消耗的外功全部变成了热量。传给了外界，使气体的内能并无增加，但借助于外功的作用，使气体的体积缩小了，从而使压力得到提高。8.1.3 往复式压缩机级的实际循环 图8-4是由指示器在实际机器某级上测得的压力容积变化曲线，通称级的指示图，即为压缩机的实际循环图。它与理论循环图8-3的区别是：有余隙容积V0的存在，使高压气体不可能全部排出气缸，在活塞改变行程后，出现了V0内高压气体的膨胀线；图8-4 压缩机的实际循环吸气及排气过程中压力均非不变值，所以水平线变为波形内线；由于气阀及管道阻力损失的存在，使实际吸入压力线总低于名义吸入压力p1的水平线，排气压力
4、线则高于名义排气压力p2；由于气体与缸壁等有热量交换，所以压缩及膨胀过程指数是一个始终变化的数值；除此之外还存在着气体的泄漏等。显然它影响了吸入气体量和耗功，既不像图8-3那样全部吸气行程都吸入气体，也不是只耗面积为12301那么少的功。8.1.4 往复式压缩机的受力 往复式压缩机在正常运转时，作用于运动机构上的主要有惯性力、气体压力的作用力气体力和相对运动表面之间产生的摩擦力。1.惯性力 压缩机中各运动零件的运动若为不等速运动或旋转运动时，便会产生惯性力。惯性力的大小与方向决定于运动零件的质量和加速度，等于两者之乘积，其方向和加速度方向相反。2.气体力 气缸内的气体压力也是随着活塞的运动，即
5、随着曲轴转角而变化的。作用在活塞上的气体力，为活塞两侧各相应气体压力和各该活塞作用面积的乘积之差值。3.摩擦力 相对运动表面互相作用的摩擦力，其方向始终与运动方向相反，其大小则随曲轴转角而变化，但其规律比较复杂。4.作用力的分析 往复式压缩机运动件受力状况简图见图8-5。曲柄处于任意的转角时，气体作用力Pg和往复惯性力I合成的活塞力P，作用在十字头销或活塞销A上，然后再沿着连杆传递过去。由于连杆是相对于气缸轴线摆动的，它和气缸轴线间摆动的夹角为，故传递到连杆上点A的作用力PL=P/cos，式中P=Pg+I。同时，因为十字头是由十字头导轨导向的，也产生了一个压向十字头导轨的分力侧向力N，N=Pt
6、g。连杆力PL沿着连杆轴线传到曲柄销中心点B，它对曲轴产生两个作用，一个作用是连杆力相对于曲轴中心构成一个力矩my=PLh =Pr Nm；另一个作用是使曲轴的主轴颈在主轴上产生一个作用力PL。PL可以分解为水平方向和垂直方向两个分力，垂直方向分力N=PLsin=Ptg，水平方向分力P=PLcos。此外主轴承上还作用有离心力Ir。5.惯性力的平衡 作用在主轴承上的活塞力P，其中的气体力部分Pg已在机器内部平衡掉、余下的往复惯性力部分I却未被平衡掉，它要通过主轴承及机体传到机器外面的基础上。由图8-5 作用力分析于往复惯性力I的方向和数值随着曲轴转角周期地变化，因而能够引起机器及基础的振动。此外，
7、还有数值不变但作用线方向随曲轴转角周期地改变的旋转惯性力Ir也作用在主轴承上，也会引起机器作相应的振动。过大的振动能使基础产生不均衡的沉降，影响厂房寿命，影响操作人员的健康，影响附近地区精密器械的操作，此外，振动还会无谓地消耗能量，严重时能达到压缩机总功的5%。采用增大基础的办法来减少振动需要增加基建费用，消耗大量的物力和人力，因此我们应尽量设法在机器内部把惯性力平衡掉。不平衡旋转质量所造成的离心力Ir的平衡比较简单，只要在曲柄的相反方向装上适当的平衡重量，使两者所造成的离心力互相抵消即可。往复惯性力的平衡比较复杂，在单列压缩机中，往复惯性力是无法简单地予以平衡的。但是，用加平衡重的方法，可以
8、改变一阶惯性力的方向，使其从沿着气缸轴线的方向转移到气缸轴线垂直的方向，原来的二阶往复惯性力I2则仍保持原状。在单列的卧式压缩机中，我们经常利用上述方法，将水平方向的一阶往复惯性力I1的30%50%转移至垂直方向，以期减轻水平方向上机器的振动。在多列压缩机中，可以使往复惯性力在机器内部彼此间得到部分的或全部的平衡。平衡方法的原则：一种是利用惯性力本身的特点，使各列的曲轴错角合理地配置，使惯性力互相抵消；另一种是在同一曲拐上配置几列，各列轴线间夹角合理地配置，使各列惯性力的合力为某一不变的数值，且始终作用在曲柄方向。这样，就可以利用加平衡重的办法来平衡它。8.2 往复式压缩机的分类 1.按排气压
9、力分类 （1）低压压缩机 0.2P0.98MPa（2）中压压缩机 0.989.8MPa （3）高压压缩机 9.898.0MPa （4）超高压压缩机 98.0MPa 2.按消耗功率分类 （1）微型压缩机 10kW （2）小型压缩机 10100kW （3）中型压缩机 100500kW （4）大型压缩机 500kW 3.安排气量分类 （1）微型压缩机 1m3/min （2）小型压缩机 110m3/min （3）中型压缩机 1060m3/min （4）大型压缩机 60m3/min 4.按气缸中心线的相对位置分类 见图8-6。图8-6 气缸中心线位置分类（a）立式；（b）一般卧式；（c）对称平衡式或对动
10、式；（d）V型角度式；（e）L型角度式；（f）W型角度式；（g）T型角度式；（h）、（i）扇型角度式；（j）星型角度式（1）立式：气缸中心线与地面垂直。（2）卧式：气缸中心线与地面平行，其中包括一般卧式、对置式和对动式（对置平衡式）。（3）角度式：气缸中心线彼此成一定角度，其中包括L型、V型、W型、扇型和星型等。5.按曲柄连杆机构分类可分为有十字头压缩机和无十字头压缩机。6.按活塞在气缸内作用情况分类 （1）单作用式：气缸内仅一端进行压缩机循环。（2）双作用式：气缸内两端都进行同一级次的压缩循环。（3）级差式：气缸内一端或两端进行两个或两个以上不同级次的压缩循环。7.按压缩机级数分类 （1）单
11、级压缩机：气体经一级压缩达到终压。（2）两级压缩机：气体经两级压缩达到终压。（3）多级压缩机：气体经三级以上压缩达到终压。8.按压缩机列数分类 （1）单列压缩机：气缸配置在机身一侧的一第中心线上。（2）双列压缩机：气缸配置在机身一侧或两侧的两条中心线上。（3）多列压缩机：气缸配置在机身一侧或两侧两条以上中心线上。9.按冷却方式分类可分为气（风）冷式压缩机和水冷式压缩机。10.按机器工作地点分类可分为固定式压缩机和移动式压缩机。8.3 往复式压缩机的技术参数1.排气量往复式压缩机的排气量，通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值，排气量常用的单位
12、为m3/min或m3/h。压缩机的额定排气量（压缩机铭牌上标注的排气量），是指特定的进口状态时的排气量。2.排气压力往复式压缩机的排气压力通常是指最终排出压缩机的气体压力，排气压力应在压缩机末级排气接管处测量，常用单位为MPa。一台压缩机的排气压力并非固定，压缩机铭牌上标注的排气压力是指额定排气压力，实际上，压缩机可在额定排气压力以下的任意压力下工作，并且只要强度和排气温度等允许，也可超过额定排气压力工作。3.转速往复式压缩机曲轴的转速，常用r/min表示，它是表示往复式压缩机的主要结构参数。4.活塞力活塞力为曲轴处于任意的转角时，气体力和往复惯性力的合力，它作用于活塞杆或活塞销上。活塞力已成
13、为压缩机系列化、规格化的一个主要参数，常用单位为t（吨）。我国推荐的系列为1、2、3.5、5、5.5、8、12、15、22、32和45（t）。5.活塞行程往复式压缩机在运转中，活塞从一端止点到另一端止点所走的距离，称为一个行程，常用单位为m（米）。6.功率往复式压缩机消耗的功，一部分直接用于压缩气体，称为指示功，另一部分用于克服机械摩擦，称为摩擦功，主轴需要的总功为两者之和，称为轴功。单位时间内消耗的功称为功率，常用单位为瓦（W）或千瓦（kW）。压缩机的轴功率为指示功率和摩擦功率之和。8.4 往复式压缩机的运行及调节1.排气量调节 选用压缩机的条件之一就是用气系统的最大耗气量。系统的实际耗气量
14、是可能变化的。当耗气量小于压缩机的排气量时，系统中压力不断提高。由于往复式压缩机的排气量不会因背压的升高而自动降低，此时，若不采取措施减少排气量，系统压力将会达到不允许的程度，这就要求对压缩机的排气量进行调节，以适应变化了的耗气量的要求。对排气量调节的要求是：连续调节，即希望压缩机的排气量在所需的调节范围内连续地改变，使排气量随时和耗气量相等。通过压缩机排气和不排气进行的调节称为间断调节；调节方法经济性好，即调节时，单位排气量功耗要少；调节系统结构简单、安全可靠、操作维修方便。排气量调节的方法主要有转速调节、管路调节、吸气阀调节、辅助容积调节。1）转速调节 转速调节分连续和间断调节两种。（1）
15、连续地变速调节 不计泄漏时，压缩机的排气量就是每单位时间内吸入的气体体积量。它与转速有关，要求减少排气量时，可用降低单位时间内的循环数，即降低驱动机的转速来达到。（2）间断地停转调节 当压缩机用不可变速驱动机驱动时，采用压缩机暂时停止运转的办法来调节排气量。当耗气量小于压缩机的排气量时，压缩机出口储气罐压力升高。当压力上升到规定的上限时，压力继电器切断驱动机电源，使驱动机停止运转。这时储气罐耗气而压力下降，当压力降低到规定的下限时，压力继电器接通电源，压缩机启动，又开始供气。这就是压缩机采用间断地停止运转而降低供气量的方法。该方法的优点是：易于实现自动控制、停转后不消耗动力、经济性好。缺点是频
16、繁启动、停机，增加零部件的磨损，启动动力消耗大。如有较大的储气罐，可减少启动次数。2）管路调节 管路调节包括切断吸气调节、节流吸气调节和回流调节 （1）切断吸气调节 对于大、中型压缩机采用频繁的停转调节是不允许的。这时，可以利用专门阀门切断吸气管路，使排气量为零，得到间断调节。此时功率消耗约为正常工况指示功率消耗的2%3%。这种调节方法的特点是气缸停止吸气期间，缸内气体几乎不消耗活塞的机械功。缺点是缸内气体温度过高，可能引起润滑油的热分解；对单作用压缩机，缸内气体压力降到大气压力以下时，可能从活塞环处向缸内吸进空气和润滑油，这对一些不允许和空气混合的气体压缩机，应禁止采用这种调节方法。（2）节
17、流吸气调节 在压缩机的进气管路上装节流阀，使吸入气缸的气体节流降压，减少排气量。这种调节方法的优点是可以实现无级调节。缺点是节流程度不大时，气体耗功增大。这种方法在工业中很少应用。（3）回流调节 回流调节即吸、排气管连通调节。在压缩机的排气管路上装设旁通管，并与吸气管相连。在旁通管路上安装阀门。当需要降低压缩机的供气量时，打开旁通管路上的阀门，一部分或全部排出的气体便又回到吸气管路中，这样就达到了排气量调节的目的。吸、排气管的连通分自由连通和节流连通两种。3）顶开吸气阀调节 顶开吸气阀调节有全行程和部分行程顶开吸气阀调节之分。（1）全行程顶开吸气阀调节 调节时，借助完全顶开吸气阀调节装置（图8
18、7）的压叉2使吸气阀片在压缩机循环的全部行程中始终处于开启状态，机器空转，排气量为零，从而获得排气量的调节。图88为全行程顶开吸气阀调节的示功图，由图可见，调节工况耗功很小。图87 全行程顶开吸气阀的装置 图88 全行程顶开吸气阀示功图1升程挡板；2压叉；3弹簧；4顶杆；5压阀罩；6阀盖；7小活塞；8密封圈 调节器是这样工作的，压缩机正常工作时，由于弹簧3的弹力作用，调节器的压叉2及小活塞7被向上顶起，压叉下面与阀片不接触。当系统的用气量减少，储气罐内的气体压力升高到某一定值时，此气体压力经阀盖6上的气道传至小活塞7的上面，迫使小活塞推着压叉下降顶开阀片，压缩机停止供气。这种调节方法的特点是设
19、备简单，顶开吸气阀时，功耗极小，故广泛用于压缩机的气量调节。（2）部分行程顶开吸气阀调节 这种调节方法是在压缩机循环的部分行程将吸气阀打开，当活塞运行到某预定位置时，吸气阀又关闭，在剩余行程中气体完成正常的压缩与排气。根据吸气阀顶开时间的长短，可以得到不同的排气量。这种调节方法的优点是操作方便，设备比较简单，能实现无级调节。缺点是调节的稳定性不太好。一般用于大、中型压缩机。4）辅助容积调节 每台压缩机都有固定的余隙容积。辅助容积调节就是再增设一辅助余隙容积，调节时把补充余隙容积与原固定余隙容积接通，使余隙容积增大，吸气量降低，达到排气量调节的目的。辅助容积示意图及调节时的示功图见图8-9及图8
20、-10。这种调节方法经济可靠；缺点是对于低压力比的情况，调节范围小，且辅助容积所占的空间位置较大，故多用于高压力比的压缩机。图8-9 调节排气量的辅助容积 图8-10 增大余隙容积进行调节时的示功图1螺杆；2小汽缸；3小活塞；4气缸8.5 往复式压缩机的发展状况往复式压缩机的发展趋向是：（1）向高压、高速、大容量发展。某些化工部门，提高压力可以提高合成效率，所以相应的压缩机工作压力也不断提高。如合成氨用的压缩机工作压力达到60MPa及100MPa，而合成聚乙烯用压缩机的压力已达350MPa。高转速、短行程结构的应用，使机器占地面积、金属消耗量大为降低。大型压缩机的转数一般为250500r/mi
21、n，中型为5001000r/min，小型为10003000r/min。（2）提高压缩机效率。压缩机是一种消耗巨大能量的机器，如1000台排气压力为0.9MPa，排气量为20m3/min的压缩机，就需12.5万千瓦的动力。因此，注意提高压缩机效率，对节约能源具有重大意义。而通过合理设计，提高其效率5%10%，是完全有可能做到的。（3）延长压缩机机组的使用寿命。活塞环、填料等易磨损零部件，采用耐磨工程塑料，如填充聚四氟乙烯、MC尼龙6、聚甲醛等材料，不但延长使用寿命，而且可实现少油润滑或无油润滑。（4）按系列化、通用化、标准化进行设计、生产，以利提高产量、质量，缩短制造周期，便于产品变形。（5）压
22、缩机气缸进出口都设有缓冲罐，位置都紧靠气缸进出口。目的是减少往复式压缩机压缩气体的脉冲，减少机组的振动与阻力损失。（6）大型压缩机内部冷却系统采用闭路循环，不仅减少冷却水的用量，并且起到净化冷却水的作用，从而提高各级冷却器的冷却效率，改善压缩机的运行工况，提高压缩机的出力。（7）大、中型压缩机配备报警、联锁装置。对于用在石油化工或其他连续性生产的系统中使用的压缩机尤为有用。例如，马达定子温度、工艺气出口温度、水压、油压、机身振动、活塞杆沉降等报警、联锁装置。（8）采用全密封迷宫式活塞，常用于食品、医药工业有特殊要求的地方。8.6 往复式压缩机的结构特点和主要部件8.6.1机体 1）机体的基本结
23、构型式 根据压缩机不同的结构型式，机体可分为卧式机体、对置机体、立式机体、角度式机体。 （1）立式压缩机采用立式机体，一般由三部分组成。在曲轴以下的部分称为机座（无十字头的立式压缩机的机座习惯称曲轴箱）。机座上有主轴承座孔，在机座以上，中体以下的部分称为机身，位于机身与气缸间的部分，称为中体。对于中、小型的立式机体，为了简化结构，常把机身与中体铸在一起。对于微型无十字头的立式压缩机，机体常铸成一体。中体、机身、机座铸成一体的机体统称为曲轴箱。 （2）卧式压缩机采用卧式机体，由机身与中体组成，常铸成整体的。卧式机体分为刺刀型机身与叉型机身（图811）。安装曲柄轴的刺刀型机身与安装曲拐轴的叉型机身
24、的不同点仅是后者比前者多了一个主轴承。（3）对称平衡与对置式压缩机采用对置机体（图812）。机体一般由机身和中体组成，中体配置在曲轴的两侧，用螺栓与机身连接在一起。机身可做成多列的，如两列、四列、六列等。机身为上端开口的匣式结构，具有较高的刚性。机身下部的容积可以贮存润滑油，存油量的多少，按照润滑系统设计的要求而定。如果要求箱体容积能贮存全部润滑油，则机身下部的容积必须按能贮存58min油泵油量进行设计。另外应该考虑传动机构不应触及最高油面。主轴承安置在与气缸中心线平行的板壁上，板壁上布置有筋条，机身顶部装有呼吸孔或呼吸器，使机身内部与大气相通，降低油温和机身内部压力，不使油从联接面处挤出来。
25、（4）角式压缩机采用L型（图813）、V型、W型、扇型等机体。V型、W型与扇型压缩机，传动机构多为无十字头结构，机体也多采用曲轴箱型式。L型压缩机，传动机构多为有十字头结构。机体的主轴承都采用滚动轴承。图8-11 卧式机体（a）刺刀型机身；（b）叉型机身图8-12 对置式机体8.6.2曲轴 往复式压缩机曲轴有两类：一种是曲柄轴（开式曲轴），一种是曲拐轴（闭式曲轴）。曲柄轴大多用于旧式单列或双列卧式压缩机，这种结构现在已很少使用。曲拐轴的结构如图8-14所示。现在大多数压缩机都采用这种结构。图8-13 L型机身 拐轴的组成： （1）主轴颈 主轴颈装在主轴承中，它是曲轴支承在机体轴承座上的支点，每
26、个曲轴至少有两个主轴颈。对于曲拐的曲轴，为了减少由于曲轴自重而产生的变形，常在当中再加上一个或多个主轴颈。这种结构使曲轴长度增加。 （2）曲柄销 曲柄销装在连杆大头轴承中，由它带动连杆大头旋转，为曲轴和连杆的连接部分。因此，又把它称为连杆轴颈。（3）曲柄 也叫做曲臂，它是连接曲柄销与主轴颈或连接两个相邻曲柄销的部分。 （4）轴身 曲轴除曲柄、曲柄销、主轴颈这三部分之外，其余部分称轴身。它主要用来装配曲轴上其他零件、部件如齿轮油泵等（一般装在轴端，轴端设计成1：10的锥度或设计成圆柱形，或带有法兰等）。图814 曲拐轴1主轴颈；2曲柄（曲臂）；3曲拐颈（曲柄销）；4通油孔；5过渡圆角；6键槽；7
27、轴端 曲轴可以做成整体的，也可以作成半组合和组合式的。现在，大多数压缩机均采用整体式曲轴。图815 曲轴的平衡重 近年来，大多数压缩机的曲轴常常被作成空心结构，这种空心结构的曲轴非但不影响曲轴的强度，反而能提高其抗疫劳强度，降低有害的惯性力，减轻其无用的重量。实践证明，空心曲轴比实心曲轴抗疲劳强度约提高50%。 此外，为了抵消曲轴不平衡质量所引起的回转惯性力，曲柄下端通常配有平衡重。如图815所示。8.6.3连杆及连杆螺栓 （1）连杆的基本结构型式 连杆是将作用在活塞上的推力传递给曲轴，又将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动的机件。图816 连杆1小头；2杆体；3大头；4连杆螺栓；5大头盖；6
28、连杆螺母连杆包括杆体、大头、小头三部分，如图816所示。杆体截面有圆形、环形、矩形、工字形等。圆形截面的杆体，机械加工最方便，但在同样强度时，具有较大的运动质量，适用于低速、大型以及小批生产的压缩机。工字形截面的杆体在同样强度时，具有较小的运动质量，但其毛坯必须模锻或铸造，适用于高速及大批量生产的压缩机。图817 大头为闭式的连杆 对于小头的结构，近年来由于小头轴承都用整体的磷青铜轴套，使连杆小头的结构大为简化。有时，希望小头轴瓦磨损后能够调整，则常采用图817所示的结构，靠螺钉拉紧斜铁来调整磨损后的轴瓦与十字头销间的间隙。这种结构常用于大型压缩机。考虑到降低机器的高度，也有把小头制成叉形的结
29、构，如图818所示。它的特点是装配调整方便；十字头与活塞杆连接紧凑，但是工艺性不好。图818 小头为叉形的连杆 使用曲拐时，大头都采用剖分的结构，如图816所示。大头盖与连杆体用螺栓连接。连杆螺母锁紧后，必须加上防松装置，以防止在工作时松动。如用曲柄轴时，大头常采用闭式的结构，如图817所示。大头为闭式结构的特点是不要连接件，结构大为简化，强度增大，而且尺寸可以缩小。小型压缩机为了采用滚动轴承，也有把大头制成闭式的。大头孔内镶入滚动轴承，装配时必须从轴的特定端装入。 有些压缩机的连杆从材料合理利用的角度出发，常把大小头的外形制成偏心圆，这种形状适于铸造的连杆。微型压缩机的连杆在材料为锻铝或球墨铸铁时，通常不用大小头轴瓦，直接在连杆大小头孔内制出油槽，而连杆大头顶端锻有打油杆，可实现飞溅润滑。还有连杆的小头是球形的，便于活塞自动调心，也消除了从活塞销
