《第4章-活塞式压缩机中作用力分析2概要课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章-活塞式压缩机中作用力分析2概要课件.ppt（32页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University单列压缩机中作用力的分祈单列压缩机中作用力的分祈活塞力当当压压缩缩机机正正常常运运行行时时，其其往往复复惯惯性性力力、气气体体力力、往往复复摩摩擦擦力力都都是是沿沿每每列列的的气气缸缸中中心心线线方方向向。它它们们的的代代数数和和被被称称之为列的活塞力之为列的活塞力当当压压缩缩机机空空负负荷荷时时，气气体体力力为为零零，活活塞塞力力为为惯惯性性力力和和摩摩擦擦力力之之和和；当当满满负负荷荷而而突突然然停停车车时时，惯惯性性力力和和摩摩擦擦力力为为零零，
2、气气体体力力就就是是活活塞塞力力。如如果果停停车车的的位位置置刚刚好好为为活活塞塞止止点点位位置置，这这时时的的活活塞塞力力比比其其他他工工况况的的活活塞塞力力都都要要大大。压压缩缩铭铭牌牌上上所所标标注注的的活塞力就是活塞处在止点时的气体力。活塞力就是活塞处在止点时的气体力。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University压缩机正常运行时的活塞力随曲柄转角的变化压缩机正常运行时的活塞力随曲柄转角的变化单作用压缩机列的活塞力图双作用压缩机列的活塞力图Xian Jiaotong UniversityX
3、ian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University作用力的分析作用力的分析连连杆杆是是摆摆动动的的，设设它它和和气气缸缸轴轴线线间间摆摆动动的的夹夹角角为为 ，并并假假定定向向曲曲轴轴旋旋转转的的同同方方向向摆摆动动为为正正值值，向向旋旋转转的的相相反反方方向向为为负负值值，活活塞塞力力分为两个力，连杆力分为两个力，连杆力F Fl l和侧向力和侧向力F FN N连杆力连杆力 使连杆受拉伸的连杆力为正 为正值 为负值 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Univer
4、sity侧向力 顺旋转方向压向气缸(或十字头导轨)的侧向力为正 连连杆杆力力F Fl l沿沿着着连连杆杆轴轴线线传传到到曲曲柄柄销销中中心心点点B B，它它对对曲曲轴轴产产生生两个作用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，其值为一个作用是连杆力相对于曲轴中心构成一个力矩，其值为其方向与曲轴旋转方向相反，故称为阻力矩，并规定阻止曲轴旋转的力矩为正 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University作作用用在在曲曲柄柄销销轴轴颈颈上上的的旋旋转转摩摩擦擦力力F Fr r引引起起旋旋转转摩摩擦
5、擦力力矩矩M Mf f也也起起阻止曲轴旋转的作用，两力矩叠加得阻止曲轴旋转的作用，两力矩叠加得连杆力另一个作用是使曲轴的主轴颈向主轴承上作用一个力连杆力另一个作用是使曲轴的主轴颈向主轴承上作用一个力-F-FN N该力可以分解为水平方向和垂直方向曲两个分力：该力可以分解为水平方向和垂直方向曲两个分力：Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University垂直方向的分力值恰等于侧向力，而方向与侧向力相反即垂直方向的分力值恰等于侧向力，而方向与侧向力相反即水平方向分力值恰等于总活塞力，即水平方向分力值恰等于总活
6、塞力，即倾覆力矩倾覆力矩 侧侧向向力力F FN N和和主主轴轴颈颈作作用用于于轴轴承承上上的的垂垂直直分分力力-F-FN N大大小小相相等等，方方向相反，在机器内部构成了一个力矩向相反，在机器内部构成了一个力矩 M MN N=F FN Nb b。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityM MN N力力矩矩的的方方向向是是顺顺着着曲曲轴轴的的旋旋转转方方向向，该该力力矩矩在在立立式式压压压压缩缩机机中中，有有使使机机器器顺顺着着旋旋转转力力向向倾倾倒倒的的趋趋势势，所所以以习习惯惯上上就就称称
7、做倾覆力矩。做倾覆力矩。倾倾覆覆力力矩矩与与阻阻力力矩矩大大小小相相等等，方方向向相相反反。但但是是，因因为为倾倾覆覆力力矩矩是是作作用用在在机机身身上上，而而阻阻力力矩矩是是作作用用曲曲轴轴上上，故故二二者者在在压缩机内不能相互抵消压缩机内不能相互抵消当当惯惯性性力力平平衡衡好好时时，空空负负荷荷机机器器运运转转很很平平稳稳，但但正正常常运运转转时时机器就晃动起来，原因就在于此机器就晃动起来，原因就在于此b bXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University各力对压缩机的作用各力对压缩机的作用是是
8、不不会会传传递递到到机机器器外外边边来来的的，它它在在机机器器内内部部互互相相平平衡衡了了。气气体体力力只只使使气气缸缸、中中体体和和机机身身等等有有关关部部分分，以以及及它它们们之之间间的的连连接接螺螺钉钉等等承承受受拉拉伸伸或压缩载荷，故称为内力。或压缩载荷，故称为内力。气体力气体力惯性力惯性力作作用用在在主主轴轴承承上上的的活活塞塞力力中中，气气体体力力部部分分巳巳在在机机器器内内部部平平衡衡掉掉了了，而而余余下下的的往往复复惯惯性性力力部部分分未未被被平平衡衡，它它能能通通过过主主轴轴承承及及机机体传到机器外面来故惯性力称为外力，或称为自由力体传到机器外面来故惯性力称为外力，或称为自由
9、力侧向力及倾覆力矩侧向力及倾覆力矩往复摩擦力往复摩擦力内力内力Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University压缩机的阻力矩压缩机的阻力矩压压缩缩机机的的阻阻力力矩矩是是随随转转角角 周周期期地地变变化化的的，而而驱驱动动机机的的驱驱动动力力矩矩M Md d一一般般是是一一个个不不变变的的数数值值。虽虽然然在在机机器器每每一一转转之之中中，阻阻力力矩矩所所消消耗耗的的功功与与驱驱动动力力矩矩所所供供给给的的功功保保持持相相等等，由由此此维维持持压压缩缩机机的的每每分分钟钟转转数数不不变变，但但一一转
10、转中中的的每每一一瞬瞬时时二二者者的的数数值是不相等的，因此要使主轴产生加速或减速现象值是不相等的，因此要使主轴产生加速或减速现象从而使曲轴瞬时转速发生变化，曲轴存在瞬时角加速度为压缩机组中的全部旋转质量的转动惯量为曲轴瞬时角加速度为了使压缩机曲轴瞬时速度均匀即 小，故应力争使 加大，所以所以要加飞轮要加飞轮 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University切向力和法向力切向力和法向力 作用在曲柄销上的连杆力 可分解为垂直于曲柄方向的切向力 以及沿曲柄方向的法向力切向力和法向力的大小及方向均随曲柄转
11、角 而变化，这里规定与曲轴旋转方向相反的切向力为正、由曲轴中心向外指向的法向力为正 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University切向力切向力F FT T对曲轴中心形成的力矩为对曲轴中心形成的力矩为阻力矩公式阻力矩公式切切向向力力形形成成的的力力矩矩也也就就是是阻阻力力矩矩。上上式式中中曲曲柄柄半半径径r r是是一一个个定定值值，因因此此只只要要研研究究曲曲轴轴旋旋转转一一周周中中切切向向力力F FT T的的变变化化规规律律，就就可可反反映映出出曲曲轴轴一一转转之之中中阻阻力力 的的变变化化规规律
12、律，进进而而可可以以分分析析出压缩机驱功力矩与阻力矩之间的平衡特性出压缩机驱功力矩与阻力矩之间的平衡特性切切向向力力F FT T随随曲曲柄柄转转角角 的的变变化化规规律律可可以以根根据据式式求求得得,一一般般是是每每隔隔5 50 0或或10100 0求求得得相相应应的的切切向向力力F FT T，把把结结果果标标在在F FT T 坐坐标标图图上，连成光滑的曲线上，连成光滑的曲线列的切向力图列的切向力图F FT T-f()-f()Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University单单作作用用式式压压缩缩机
13、机因因为为只只在在向向盖盖行行程程(180(180一一3603600 0)压压缩缩气气体体，列列的的切切向向力力图图一一般般也也只只在在向向盖盖行行程程中中出出现现一一个个大大峰峰，峰峰值值大大约约在在2702703303300 0处。处。单作用压缩机列的切向力图单作用压缩机列的切向力图Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University双双作作用用压压缩缩机机则则分分别别在在向向盖盖与与向向轴轴行行程程中中都都压压缩缩气气体体，所所以以列的切向力图一般为两个大峰，峰值大约在的列的切向力图一般为两个大峰
14、，峰值大约在的90900 02702700 0处处双作用压缩机列的切向力图双作用压缩机列的切向力图Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 同同样样根根据据式式则则可可求求出出不不同同曲曲柄柄转转角角(每每隔隔5 50 0或或10100 0)时时相相应应的的法法向力向力F FR R，得到列的法向力图，得到列的法向力图F FR Rf()f()单作用压缩机列的法向力图单作用压缩机列的法向力图Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian
15、Jiaotong University双作用压缩机列的法向力图双作用压缩机列的法向力图 法向力图是为曲轴强度计算、轴承间隙计算等提供依据的法向力图是为曲轴强度计算、轴承间隙计算等提供依据的Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University总切向力图总切向力图在在多多列列压压缩缩机机中中，总总切切向向力力F FT T值值等等于于各各列列切切向向力力与与总总的的旋旋转转摩摩擦擦力力F Ff f的的总总和和，它它是是外外界界驱驱动动机机所所要要克克服服的的压压缩缩机机的的总总阻阻力。写成公式为力。写成公式为
16、由由于于每每列列切切向向力力曲曲线线都都是是以以该该列列的的外外止止点点 时时作作为为该该列列曲柄转角的起始点，而多列压缩机各列的曲拐之间或气缸曲柄转角的起始点，而多列压缩机各列的曲拐之间或气缸中中心心线线之之间间是是有有夹夹角角的的，因因此此在在进进行行 计计算算时时必必须须注注意各列切向力的相位角意各列切向力的相位角Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University在总切向力合成中应注意如下问题：在总切向力合成中应注意如下问题：（1)1)气气缸缸中中心心线线彼彼此此有有某某一一夹夹角角时时，按按旋
17、旋转转方方向向而而言言前前置置列列的的切切向向力力应应与与后后置置列列的的切切向向力力向向前前移移过过等等于于气气缸缸中中心心线线夹夹角角的的角角度度，然然后相叠加；后相叠加；（2)2)曲曲柄柄存存在在错错角角，如如果果列列的的曲曲柄柄错错角角按按旋旋转转方方向向而而言言比比另另一一列列是是超超前前的的，则则超超前前列列所所超超前前的的角角度度应应与与落落后后列列的的0 00 0相相重重合合 ，即即超超前前列列的的切切向向力力按按自自己己的的座座标标向向后后移移过过所所超超前前的的角角度度，再再与与落落后后列列相相叠加；叠加；（3 3）如如果果曲曲柄柄存存在在错错角角，在在每每一一列列中中气气
18、缸缸又又彼彼此此有有某某一一夹夹角角，叠叠加加时时先先按按（1 1）算算出出每每一一列列的的切切向向力力，然然后后再再依依据据（2 2）算算出出总总切切向向力力；（4 4）在在多多级级压压缩缩机机中中，有有时时高高压压级级的的曲曲柄柄半半径径设设计计的的比比其其余余的的列列小小，这这时时该该列列的的切切向向力力使使用用下下式式换换算算到到同同一一基基准准后后才才能能叠叠加。加。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong
19、UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University双作用压缩机的向盖和向轴行程所消耗的功相近时，切向力均匀 两列双作用对动式压缩机的总切向力图Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University曲柄错角或气缸夹角的合理配置，影响切向力的均匀性；多列的压缩机可以使切向力均匀，各列曲柄错角的超前或迟后也影响切向力的均匀性。四列对动式压缩机总切向力图
20、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University曲曲柄柄半半径径的的考考虑虑 若若各各列列曲曲柄柄半半径径不不同同时时，应应将将各各列列切切向向力力按按下下式换算到相同的曲柄半径，即式换算到相同的曲柄半径，即旋转摩擦力 该力作用在曲柄销上，并取为定值，方向与旋转方向相反，故为正。总切向力 与曲柄半径 的乘积是总阻力矩 ，因此总切向力曲线就是总阻力曲线平均切向力通常情况下压缩机的驱动机是电动机，驱动力矩是通常情况下压缩机的驱动机是电动机，驱动力矩是 常数常数 Xian Jiaotong Univers
21、ityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University由力学知，力矩乘角位移等于功，则压缩机在一转中总阻力矩所消耗的功为驱动力矩 是常数按按照照压压缩缩机机是是等等速速运运转转的的原原则则，也也就就是是一一转转中中所所消消耗耗的的和和供供给给的能量必须相等的能量必须相等驱动力矩在压缩机一转中所做的功为驱动力矩在压缩机一转中所做的功为Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University根根据据热热力力计计算算，压压缩缩机机所所需需的的驱驱动动功功就就是是压压
22、缩缩机机的的轴轴功功。因因此平均切向力也可按压压缩机轴功进行计算此平均切向力也可按压压缩机轴功进行计算平均切向力平均切向力由热力计算而得的压缩机轴功率由热力计算而得的压缩机轴功率(W)(W)压缩机转速压缩机转速(r(rmi n)mi n)热热力力计计算算时时所所得得的的压压缩缩机机轴轴功功是是压压缩缩机机的的指指示示功功和和摩摩擦擦功功之之和和，计计算算时时并并没没有有涉涉及及惯惯性性力力，由由此此可可见见惯惯性性力力的的存存在在，并并不不直直接接影影响响功功率率的的消消耗耗，也也就就是是说说压压缩缩机机一一转转之之中中，惯惯性性力力对对外外不不做做功功，惯惯性性力力的的大大小小只只能能改改变
23、变压压缩缩机机中中作作用用力力的的分分布布规规律律，即即影影响响活活塞塞力力图图、切切向向切切向向力力图图和和法法向向力力图图的的形形状状，影响压缩机零件的受力状况影响压缩机零件的受力状况Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University飞轮矩的确定飞轮矩的确定 平平均均切切向向力力是是一一条条与与横横坐坐标标平平行行的的直直线线，而而总总切切向向力力是是随随曲曲柄柄转转角角变变化化的的，在在压压缩缩机机一一转转之之中中，总总切切向向力力在在平平均均切切向向力力F FTmTm线线上上下下波波动动。这这
24、说说明明在在压压缩缩机机一一转转之之中中，其其阻阻力力矩矩时时而而大大于于驱驱动动力力矩矩，时时而而小小于于驱驱动动力力矩矩。也也就就是是说说，在在压压缩缩机机每每一一转转中中，曲曲轴轴转转过过相相等等的的角角位位移移 ，阻阻力力距距与与驱驱动动力力矩矩所所消消耗耗的的功功是是不不相相等等的的。当当总总切切向向力力大大于于平平均均切切向向力力时时，即即阻阻力力矩矩大大于于驱驱动动力力矩矩，此此时时能能量量不不足足，要要使使压压缩缩机机减减速速；当当总总切向力小于平均切向力时，能量有余，因而使压缩机加速切向力小于平均切向力时，能量有余，因而使压缩机加速Xian Jiaotong Universi
25、tyXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityB B、C C、D D、E E是是曲曲轴轴旋旋转转角角速速度度极极值值所所对对应应的的曲曲柄柄转转角角位位置置压压缩缩机机减速旋转向加速旋转过渡或者由加速向减速过渡的转折点减速旋转向加速旋转过渡或者由加速向减速过渡的转折点计计算算实实际际也也代代表表了了切切向向力力曲曲线线与与横横坐坐标标间间的的面面积积，若若将将该该面面积积用用矩矩形形面面积积代代替替，从从图图中中看看出出，矩矩形形面面积积的的高高就就是是平平均均切切向力矩，数值上就等于平均驱动力，即向力矩，数值上就等于平均驱动力，即 Xia
26、n Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University在在压压缩缩机机上上加加装装飞飞轮轮。利利用用飞飞轮轮的的惯惯性性矩矩来来吸吸取取多多余余的的能能量量，补补充充不不足足的的能能量量，使使机机器器的的旋旋转转速速度度波波动动限限制制在在某某一一允允许许的的范围内。范围内。用旋转不均匀度用旋转不均匀度 来表示一转中角速度变化的大小来表示一转中角速度变化的大小可以近似地取可以近似地取随着角速度的变化，飞轮在一转之中能量变化值随着角速度的变化，飞轮在一转之中能量变化值L L为为飞轮的极惯性矩飞轮的极惯性矩Xian
27、 Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University工程中，习惯用飞轮矩工程中，习惯用飞轮矩GDGD2 2来表示飞轮的惯性矩来表示飞轮的惯性矩飞轮轮缘截面重心所组成圆的直径飞轮轮缘截面重心所组成圆的直径飞飞轮轮轮轮绿绿部部分分的的重重力力，它它约约等等于于整整个个飞轮重力的飞轮重力的0.90.9倍倍压压缩缩机机所所需需之之飞飞轮轮矩矩与与一一转转中中能能量量变变化化值值L L成成正正比比，而而与与压压缩缩机机每每分分钟钟转转数数的的平平方方n n2 2，以以及及所所允允许许的的旋旋转转不不均均匀匀度度 成成反反
28、比比。或或者者说说若若是是压压缩缩机机上上所所加加飞飞轮轮矩矩越越大大，则则同同样样的的能能量量变变化值化值L L所引起的曲轴旋转不均匀度就越小所引起的曲轴旋转不均匀度就越小Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University能能量量变变化化值值可可以以对对总总切切向向力力曲曲线线进进行行分分段段积积分分的的办办法法求求出出，能能量量变变化化值值应应为为一一转转中中飞飞轮轮的的最最大大多多余余能能量量(相相应应于于 时时)和和最最大大不不足足能能量量(相相应应于于 时时)之之差差。因因 和和 可可在在总
29、总切切向向力力图图中中找找出，则对总切向力图进行分段积分。出，则对总切向力图进行分段积分。令令A AB B段中段中Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University令AC段中依次求出AD段、AE段和AF段中的L3、L4、L5，其中L5应等于零，再在L1、L5中找出最大值和最小值，则若驱动机为柴油机，其驱动力矩也是随转角 变化的，用上述方法同样可求出L值Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University压压缩缩
30、机机允允许许的的旋旋转转不不均均匀匀度度，主主要要决决定定于于驱驱动动机机本本身身的的要要求求，以以及及阻阻力力矩矩和和驱驱动动机机之之间间的的传传递递条条件件(弹弹性性连连接接或或刚刚性性连连接接)，通常把压缩机的旋转不均匀度限制在下列范围内通常把压缩机的旋转不均匀度限制在下列范围内驱动机经皮带传动驱动压缩机时，可取驱动机经皮带传动驱动压缩机时，可取电动机经电动机经(半半)弹性联轴器驱动压缩机时，可取弹性联轴器驱动压缩机时，可取异异步步电电动动机机经经刚刚性性联联轴轴器器驱驱动动较较大大功功率率(150kW)(150kW)的的压压缩缩机机时，为了减少电网中电流脉动，可取时，为了减少电网中电流脉动，可取Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University与上相同，但属于同步电动机时，可取与上相同，但属于同步电动机时，可取在小功率的同步电动机时，国内也采用在小功率的同步电动机时，国内也采用压缩机方案对能量变化值的影响压缩机方案对能量变化值的影响