CN108443409B - 两端列对置x型往复式压缩机惯性力矩平衡机构 - Google Patents

两端列对置x型往复式压缩机惯性力矩平衡机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，包括曲轴；曲轴的轴颈上设置一个驱动齿轮；驱动齿轮旁侧设有第一从动齿轮，第一从动齿轮与驱动齿轮啮合；第一从动齿轮旁侧设有第二从动齿轮，第二从动齿轮与第一从动齿轮啮合；第一从动齿轮的轴向上，设置一对第一质量和第二质量；第二从动齿轮上布置第三质量和第四质量，第三质量和第四质量布置的方位与第一从动齿轮上的第一质量和第二质量方位相同，第三质量与第一质量相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；第四质量与第二质量相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧。本发明采用简单的齿轮结构，花费很低的成本，就可以把X型往复式压缩机的二阶惯性力矩平衡为零。

Description

两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构
技术领域
本发明属于压缩机技术领域，特别涉及一种两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构。
背景技术
X型往复式压缩机的四列气缸轴线呈十字形布置在四个平行平面内，驱动电机及其往复式压缩机曲轴是直立的型式或者是水平的型式，从而带动四列连杆和活塞在气缸中往复运动，如图1所示。从往复式压缩机的动力学分析得出[1]，这种结构形式对于舰艇用的往复式压缩机来说，是往复惯性力及其阻力矩平衡最好的机型之一。减小或者消除振动的最理想条件是往复式压缩机的曲柄连杆传动机构的一阶惯性力、一阶惯性力矩，二阶往复惯性力、二阶往复惯性力矩都为零。我国最新研发的X型往复式压缩机，其振动烈度和振动加速度等关键性能指标比传统的两列V型高压往复式压缩机低了许多，已经广泛用于我国新造的许多舰艇上。但是，还不能满足要求越来越高的技术指标。对于这种X型往复式压缩机，除了采用平衡重外，仅凭借四列连杆排布顺序的调整，就能实现相对最好的惯性力和惯性矩平衡的连杆活塞排列顺序如图2所示。这种X型往复式压缩机的一阶往复惯性力和二阶惯性力完全平衡；另外，一阶往复惯性力矩也是完全自动平衡的。唯独有二阶往复惯性力矩未能得到平衡。这会使往复式压缩机的振动烈度和振动加速度较大。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，以解决上述技术问题，实现了图2所示的连杆布置顺序的往复式压缩机二阶惯性力矩为零。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，包括曲轴；曲轴的轴颈上设置一个驱动齿轮；
驱动齿轮旁侧设有第一从动齿轮，第一从动齿轮与驱动齿轮啮合；
第一从动齿轮旁侧设有第二从动齿轮，第二从动齿轮与第一从动齿轮啮合；
第一从动齿轮的轴向上，设置一对轴向对称、回转半径都为r0、质量大小均为m0的第一质量和第二质量；第一质量和第二质量对称地处在第一从动齿轮轴的两侧且方向相反；
第二从动齿轮上布置第三质量和第四质量，第三质量布置的方位与第一从动齿轮上的第一质量方位相同，第四质量布置的方位与第一从动齿轮上的第二质量方位相同，第三质量与第一质量相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；第四质量与第二质量相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧。
进一步的，第一从动齿轮的直径和齿数为驱动齿轮的二分之一；第一从动齿轮与第二从动齿轮的尺寸参数完全相同。
进一步的，由m0产生的旋转惯性力满足：
2Lr0m0ω2＝3eλmsrω2
其中，r——曲轴的曲柄半径，m；
ω——曲轴的旋转角速度，1/s；
λ——曲柄连杆长度之比值；
ms——两端列对置X型往复式压缩机每一列的往复质量，kg；
e——相邻两列连杆之间的列间距；
质量大小均为m0的第一质量和第二质量在从动齿轮轴上安置的轴线距离为L。
进一步的，第一质量和第二质量的方位确定：将曲轴的曲柄拐转到第一气缸轴线的活塞行程上止点位置，即曲轴的曲柄销、曲轴轴线和第一气缸轴线都在一个固定的几何平面M内；另一方面，第一质量和第二质量的质心轴对称地对角分布在第一从动齿轮的轴线两侧，共在一个几何平面N内，旋转几何平面N，使几何平面N与几何平面M平行，且使得第二质量的半径方向与第一气缸的曲拐半径方向相反；
第三质量和第四质量与第二从动齿轮轴线处在一个几何平面P内，第三质量和第四质量布置的方位与第一从动齿轮上的第一质量和第二质量方位相同，第三质量与第一质量相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；第四质量与第二质量相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；
平面P与平面M和平面N都相互平行。
进一步的，第一从动齿轮的几何平面N的垂直方向，过第一从动齿轮轴线向着第二气缸的轴线方向上，设置一个第五质量，第五质量的半径方向与第二气缸轴线方向一致；第一从动齿轮的另一端设置一个第六质量，第五质量和第六质量在第一从动齿轮的轴向距离为L，且轴向对称、回转半径都为r00，它们的质量大小均为m00，各自对称地处在第一从动齿轮轴的两侧且方向相反；
第一从动齿轮上设置的第五质量和第六质量完全相同的方位处，在第二从动齿轮上设置第七质量和第八质量，第七质量和第八质量与第五质量和第六质量相等；第五质量、和第六质量、第七质量和第八质量这四个质量均为m00，由m00产生的惯性力满足以下公式：
2Lr00 m00ω2＝eλmsrω2。
进一步的，第一从动齿轮和第二从动齿轮上的各个质量m0和m00合并，当r0＝r00时合并成合成质量M0，这三者数值大小关系为：M0 2＝m0 2+m00 2，M0的方向按四边形对角线的法则确定，M0与m0之间的夹角为α：tan(α)＝m00/m0。
进一步的，曲柄上依次连接有第一气缸的连杆、第二气缸的连杆、第三气缸的连杆和第四气缸的连杆；第一气缸与第四气缸对置；第二气缸和第三气缸对置。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明一种X型往复式压缩机上惯性力矩平衡齿轮机构，通过在压缩机曲轴的主轴径上驱动齿轮，并设置第一从动齿轮和第二从动齿轮，第一从动齿轮与驱动齿轮和第二从动齿轮啮合，这两只被驱动的从动齿轮转动角速度方向相反；这两只齿轮上各设置两个对角分布的离心质量m0和m00；采用简单的齿轮结构，花费很低的成本，就可以把X型往复式压缩机的二阶惯性力矩平衡为零。
附图说明
图1为X型往复式压缩机外形图；
图2为X型往复式压缩机的连杆排布顺序示意图；其中，气缸的排列位置，按连杆在曲柄上的排列顺序由上到下依次为100、200、300、400；
图3为X型往复式压缩机上惯性力矩平衡齿轮机构的示意图；
图4为图3的D向视图；其中：15、16、17、18为质量为m0的X方向往复惯性力矩平衡质量，19、20、21、22为质量为m00的Y方向往复惯性力矩平衡质量；1、2、3、4为图2中的100、200、300、400气缸所对应的连杆。
图5为X型往复式压缩机壳体内的齿轮安置示意图；图5(a)为X型往复式压缩机壳体内的齿轮安置示意图：图5(b)为图5(a)的A向视图，图5(c)为图5(b)的B向视图；
图6为同一轴截面上两个质量块合并示意图；21表示m00质量块的大小和方向，22表示m0质量块的大小和方向，20表示两个质量块合并后的大小和方向。
具体实施方式
根据往复式压缩机原理，评价一台往复式压缩机动力平衡性能的指标主要有，一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩、二阶往复惯性力、二阶往复惯性力矩。通常二阶惯性力是一阶惯性力的五分之一左右。二阶惯性力变化的频率是一阶惯性力或者曲轴转速的2倍。设计往复式压缩机时，首先追求一阶惯性力平衡，其次是二阶往复惯性力的平衡，以及一阶往复惯性矩的平衡，最后是二阶往复惯性力矩的平衡。
X型往复式压缩机的连杆活塞布置方式有多种，如图2所示的连杆排列顺序认为是平衡最好的一种，故被国内外往复式压缩机制造商所应用。只要各列的往复质量相等，四列活塞综合的一阶惯性力都可以通过平衡重进行平衡；气缸的排列也保证了一阶惯性力矩和二阶往复惯性力的自动平衡；只有其二阶往复惯性力矩未能平衡。
在此，先按往复式压缩机原理定义：
各列的一阶往复惯性力为:Ⅰ1＝msrω2cosθi
各列的二阶往复惯性力为:I2＝λmsrω2cos2θi
上面两式中，ms——每一列的往复质量，kg；
r——曲轴的曲柄半径，m；
ω——曲轴的旋转角速度，1/s；
λ——曲柄连杆长度之比值；
θi——曲柄相对于各列自身列线的曲柄转角；
取连杆相邻的两列之间的列间距都为e。
对于图2的连杆排布顺序，除了一阶往复惯性力，二阶往复惯性力和一阶往复惯性力矩都为零外；只有二阶惯性矩在X方向为3eI2；在Y方向为eI2；活塞100轴线方向为X，活塞300轴线方向为Y，该两个方向的二阶惯性力矩不能自动平衡。
本发明通过分析发现，图2中的二阶惯性力矩矢量在X方向为3eI2，在Y方向为eI2，这两个二阶惯性力矩可以通过设置两只转动角速度为2ω，由往复式压缩机曲轴同步啮合驱动的齿轮及其配重来进行平衡。要求这两只被驱动的齿轮转动角速度方向相反，即相互啮合就能保证转向相反。这两只齿轮上各需要设置两个对角分布的离心质量m0和m00。图3和图4给出了这两只齿轮与曲轴啮合传动关系，以及离心质量m0和m00设置的方位。
在图5往复式压缩机曲轴11的轴颈上设置一个驱动齿轮12，驱动齿轮12可以设置在曲轴11轴向的任意位置，但不能妨碍曲轴和连杆的运动。再设置一个第一从动齿轮13，第一从动齿轮13由驱动齿轮12啮合传动，第一从动齿轮13的直径和齿数为驱动齿轮12的二分之一。再由第一从动齿轮13啮合驱动一个尺寸参数完全相同的第二从动齿轮14。在第一从动齿轮13的轴向L距离上，设置一对轴向对称、回转半径都为r0的质量15和质量16，它们的质量大小均为m0，轴向距离为L，各自对称地处在第一从动齿轮13的两侧且方向相反。由m0产生的旋转惯性力满足：
2Lr0m0ω2＝3eλmsrω2
式中，L，r0和m0可以分别适当选取值。
质量15和质量16的方位应该这样来确定：将曲轴11的曲柄拐转到气缸100轴线的活塞行程上止点位置，即曲轴的曲柄销、曲轴轴线和气缸100轴线都在一个固定的几何平面M内，另一方面，质量15和质量16的质心轴对称地对角分布在齿轮13的轴线两侧，共在一个几何平面N内，旋转几何平面N，使其与几何平面M平行，且使得质量16的半径方向与气缸100的曲拐半径方向相反。另外再在第二从动齿轮14上布置两个质量均为m0，回转半径都为r0的质量17和18，质量17和质量18与第二从动齿轮14轴线处在一个几何平面P内，质量17和质量18布置的方位与第一从动齿轮13上的质量15和质量16方位相同，质量17与质量15相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；质量18与质量16相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧。也就是平面P与平面M和平面N都相互平行，将第二从动齿轮14和第一从动齿轮13与驱动齿轮12调整到上述确定的方位啮入。
为了平衡Y方向上的二阶惯性力矩eI2，在第一从动齿轮13的几何平面N的垂直方向，过第一从动齿轮13轴线向着气缸200的轴线方向上，设置一个质量20，让质量20的半径方向与气缸200轴线方向一致。同样在第一从动齿轮13的另一端设置一个质量19，质量20和质量19在第一从动齿轮13的轴向距离为L，且轴向对称、回转半径都为r00，它们的质量大小均为m00，各自对称地处在第一从动齿轮13轴的两侧且方向相反。
与第一从动齿轮13上设置的质量20和质量19完全相同的方位处，在第二从动齿轮14上设置质量21和质量22，质量21和质量22与质量20及质量19相等。这四个质量均为m00，由m00产生的惯性力满足以下公式：
2Lr00 m00ω2＝eλmsrω2
按上述设置的第一从动齿轮13和第二从动齿轮14及其设置的质量m0和m00，就可以完全平衡图2所示的X型往复式压缩机的二阶惯性力矩。
对于实际的X型往复式压缩机，曲轴在非驱动端轴承伸出一段轴，用来安装驱动齿轮12，通过驱动齿轮12来驱动第一从动齿轮13，又通过第一从动齿轮13驱动第二从动齿轮14，从三个轴的轴端来看，齿轮可以布置成如图5所示，齿轮上的各个质量m0和m00的布置也在图5中给出。实际上，质量m0和m00可以合并，当r0＝r00时合并成如图6所示的结果，合成的质量为M0，这三者数值大小关系为：M0 2＝m0 2+m00 2，M0的方向按四边形对角线的法则确定，M0与m0之间的夹角为α：tan(α)＝m00/m0。
最后将3个齿轮通过轴承固接在曲轴箱内；就可以有效的实现X型往复式压缩机二阶惯性力矩平衡为零。
参考文献
[1]郁永章等，容积式往复式压缩机技术手册，北京，机械工业出版社，2001
[2]林梅，孙嗣莹，活塞式往复式压缩机原理，北京，机械工业出版社，1987

Claims (6)

1.两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，其特征在于，包括曲轴(11)和四列气缸；所述四列气缸为：第一气缸(100)、第二气缸(200)、第三气缸(300)和第四气缸(400)；曲柄上依次连接有第一气缸(100)的连杆、第二气缸(200)的连杆、第三气缸(300)的连杆和第四气缸(400)的连杆；第一气缸(100)与第四气缸(400)对置；第二气缸(200)和第三气缸(300)对置；曲轴(11)的轴颈上设置一个驱动齿轮(12)；
驱动齿轮(12)旁侧设有第一从动齿轮(13)，第一从动齿轮(13)与驱动齿轮(12)啮合；
第一从动齿轮(13)旁侧设有第二从动齿轮(14)，第二从动齿轮(14)与第一从动齿轮(13)啮合；
第一从动齿轮(13)的轴向上，设置一对轴向对称、回转半径都为r0、质量大小均为m0的第一质量(15)和第二质量(16)；第一质量(15)和第二质量(16)对称地处在第一从动齿轮(13)轴的两侧且方向相反；
第二从动齿轮(14)上布置第三质量(17)和第四质量(18)，第三质量(17)布置的方位与第一从动齿轮(13)上的第一质量(15)方位相同，第四质量(18)布置的方位与第一从动齿轮(13)上的第二质量(16)方位相同，第三质量(17)与第一质量(15)相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；第四质量(18)与第二质量(16)相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧。
2.根据权利要求1所述的两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，其特征在于，第一从动齿轮(13)的直径和齿数为驱动齿轮(12)的二分之一；第一从动齿轮(13)与第二从动齿轮(14)的尺寸参数完全相同。
3.根据权利要求1所述的两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，其特征在于，由m0产生的旋转惯性力满足：
2Lr0m0ω2＝3eλmsrω2
其中，r——曲轴的曲柄半径，m；
ω——曲轴的旋转角速度，1/s；
λ——曲柄连杆长度之比值；
ms——两端列对置X型往复式压缩机每一列的往复质量，kg；
e——相邻两列连杆之间的列间距；
质量大小均为m0的第一质量(15)和第二质量(16)在从动齿轮轴上安置的轴线距离为L。
4.根据权利要求1所述的两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，其特征在于，第一质量(15)和第二质量(16)的方位确定：将曲轴(11)的曲拐转到第一气缸(100)轴线的活塞行程上止点位置，即曲轴的曲柄销、曲轴轴线和第一气缸(100)轴线都在一个固定的几何平面M内；另一方面，第一质量(15)和第二质量(16)的质心轴对称地对角分布在第一从动齿轮(13)的轴线两侧，共在一个几何平面N内，旋转几何平面N，使几何平面N与几何平面M平行，且使得第二质量(16)的半径方向与第一气缸(100)的曲拐半径方向相反；
第三质量(17)和第四质量(18)与第二从动齿轮(14)轴线处在一个几何平面P内，第三质量(17)和第四质量(18)布置的方位与第一从动齿轮(13)上的第一质量(15)和第二质量(16)方位相同，第三质量(17)与第一质量(15)相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；第四质量(18)与第二质量(16)相对于各自轴线都在几何平面上处在同一侧；
平面P与平面M和平面N都相互平行。
5.根据权利要求4所述的两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，其特征在于，第一从动齿轮(13)的几何平面N的垂直方向，过第一从动齿轮(13)轴线向着第二气缸(200)的轴线方向上，设置一个第五质量(20)，第五质量(20)的半径方向与第二气缸(200)轴线方向一致；第一从动齿轮(13)的另一端设置一个第六质量(19)，第五质量(20)和第六质量(19)在第一从动齿轮(13)的轴向距离为L，且轴向对称、回转半径都为r00，它们的质量大小均为m00，各自对称地处在第一从动齿轮(13)轴的两侧且方向相反；
第一从动齿轮(13)上设置的第五质量(20)和第六质量(19)完全相同的方位处，在第二从动齿轮(14)上设置第七质量(21)和第八质量(22)，第七质量(21)和第八质量(22)与第五质量(20)和第六质量(19)相等；第五质量(20)、和第六质量(19)、第七质量(21)和第八质量(22)这四个质量均为m00，由m00产生的惯性力满足以下公式：
2Lr00 m00ω2＝eλmsrω2。
6.根据权利要求5所述的两端列对置X型往复式压缩机惯性力矩平衡机构，其特征在于，第一从动齿轮(13)和第二从动齿轮(14)上的各个质量m0和m00合并，当r0＝r00时合并成合成质量M0，这三者数值大小关系为：M0 2＝m0 2+m00 2，M0的方向按四边形对角线的法则确定，M0与m0之间的夹角为α：tan(α)＝m00/m0。
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