CN1413292A - 振动极小的二级活塞式压气机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于二级活塞式压气机活塞配置，它包括一曲轴、多个气缸及在其中运行的活塞，其中设计有两个或更多个低压级和至少一个高压级。本发明的特征在于，两个或更多个低压缸相对于高压级这样配置，即两个或更多个低压缸同相位地或小于±15°位错地并且相对于一个或更多个高压缸位错180°±20°地进行压缩操作。

Description

振动极小的二级活塞式压气机

技术领域

本发明涉及一种用于二级活塞式压气机的活塞配置，它包括一曲轴、多个气缸及在其中运行的活塞，其中设计有两个或更多个低压级和至少一个高压级，并且还涉及一种具有这样的活塞设置的用于铁路车辆的活塞式压气机。

背景技术

由DE-PS 765 994已知一种具有一曲轴、多个气缸及在其中运行的活塞的活塞式压气机。

按照DE-PS 765 994的配置的特征在于，气缸和曲柄半径设计成使惯性力尽可能良好地平衡。没有提及作为激振分量的气体压力。关于各自压缩级的各个气缸的配置没有进行比较。

在铁路车辆制造中以日益增长的规模采用轻型结构。现代的轻型结构的车体构造例如由铝挤压型材构成或支座构造由薄板构成，它们常常具有接近空气供给设备的压气机的转速之固有频率。在这样的结构中采用活塞式压气机常常是不可能的，因为常常超过了允许的固体传声水平。

这种情况归因于，活塞式压缩机因曲柄机构上的摆动质量引起构造形式决定的惯性力和惯性力矩以及由气体压力产生力矩。特别是在铁路车辆领域中常常使用的二级活塞式压气机的情况下产生了很不均匀的转矩。如一个这样的压气机的典型的负载力矩的分析所表明的，绝大部分的负载力矩相应于活塞式压缩机的旋转频率，该频率常常位于20至30Hz的范围内。这些频率又对于处在乘客车厢内的人们是可以很好地感觉到的，因为例如小腿与延伸过的膝关节一起的固有频率可能约为20Hz。

活塞式压气机的上述负载力矩与电机相互配合产生一绕压气机转轴的激振力矩，传统的活塞式压气机设备的惯性力矩绕压气机转轴显著小于绕其他的诸轴的。由于绕压气机转轴的弹性支座的传递方式一般比例如垂直方式更接近于旋转频率，这样的扭转振动一般不能象其他的激振分量那样好地被隔离，其中传递方式对传递惯性力起着较大的作用。

发明内容

本发明的目的是，提供一种避免上述缺点的活塞式压气机。

按照本发明，该问题通过显著减小主要由气体压力产生的负载力矩中的第一阶部分来解决，其中通过非通常的活塞配置同相位地叠加两个或更多个低压级并且相对于高压级位错约180°。这在结构上通过这样来达到，即在为包括一曲轴、多个气缸及在其中操作的活塞的二级活塞式压气机之活塞配置中，设计有两个或更多个低压缸和至少一个高压缸，两个或三个或更多个低压缸相对于高压缸这样配置，即两个或更多个低压缸同相位地或小于±15°位错地并且相对于一个或更多个高压缸位错180°±20°地进行压缩操作。

本发明认识到，通过所有的低压缸相对于一个或更多个高压缸的相位偏移，也可达到由扭转力线图产生的第一阶的显著减小并从而达到绕压气机转轴的激振力矩的减小。

在本发明的第一种实施形式中在活塞配置中涉及机油润滑的活塞配置。

但特别优选的是活塞配置为一“无油的”无润滑运转的活塞配置。在本发明的一种特定的实施形式中活塞配置设计成3缸配置，具有两个低压缸和一个高压缸，其中一个高压缸位于另一低压缸的对面。这样的配置是特别节省结构空间的。显然也可以设想使用本发明原理的有4、5或6个缸的配置。

按照一有利的实施形式，通过使用较重的活塞可以明显减小扭转力线图中的压力峰值，因为提高的活塞动能转换为压缩功。特别是诸气缸的活塞应该具有这样大的质量，即可以减小切向力线图中的压力峰值，其中进入切向力线图中的惯性力在对于活塞压气机的典型转速范围1000r/min至2000r/min，特别是1500r/min内的压力峰值时大于在压力峰值时的气体压力的15％。在本申请中扭转力矩曲线/曲柄半径被理解为切向力线图。

在一有利的实施形式中设定，例如在一种3缸的配置中将位于高压缸一侧的低压缸的质量，也就是活塞和/或连杆的质量选成使其能平衡位于对面的低压活塞以及高压活塞，后两者安装在同一个曲拐上。其中平衡不仅可以在活塞上也可以在连杆上实现。因增加活塞质量达到的质量平衡降低了连杆上的轴承载荷。

除借助附加质量的质量平衡外，也可能借助随同运行的无功活塞来平衡摆动质量。在本申请中一不作压缩功的活塞被理解为属于一无功活塞。

有利的方式是将活塞配置成使各低压活塞通过曲轴箱同相位地进气，其中在进气过程中两沉入曲轴箱的低压级将空气推入到压缩腔中。由此减少低压级中的进气负压并改善充气量。在一特别有利的实施形式中，这种效果通过在从空气过滤器壳体到曲轴箱的进气管上插装一止回阅而得以加强。通过一止回阀的设置改进了特别是无润滑运转活塞配置的效率。

除活塞配置外，本发明还提供一种包括这样的活塞配置的活塞式压气机，特别是供铁路车辆之用，其按有利的方式包括一电机驱动的驱动装置。该活塞配置也可以用于工业领域中的压缩空气产生设备中。

附图说明

以下将借助于诸附图说明本发明。其中：

图1示出一传统的对置式配置的二级活塞式压气机的切向力曲线图，如其由DUBBEL机械制造手册第15版或第18版，页P32-P33是已知的；

图2示出按照本发明的活塞式压气机的切向力曲线图；

图3以剖面示出本发明的活塞式压气机；

图4a-4d示出按照本发明作为对置式压气机实施的活塞配置的可能的实施例；

图5a-5b示出按照本发明作为直列式压缩机实施的活塞配置的实施例；

图6示出具有一无功活塞的活塞配置的实施例；

图7示出按照现有技术和本发明的一种实施形式的压气机振动沿垂直方向的振幅。

具体实施方式

图1中示出一由现有技术已知的活塞配置的切向力线图，如DUBBEL机械制造手册第15版或第18版，页P32-P33所示。其中x轴表示转角的度数，y轴表示紧接的力矩。用1表示由气体压力产生的力矩，用3表示由惯性力和气体压力组合的总力矩而用5表示由惯性力产生的力矩。

按照现有技术，由一个压气机的惯性力和气体压力产生的示于图1中的负载力矩的付里叶分析可以分解为以下几部分：

第1阶：40Nm

第2阶：20Nm

第3阶：7Nm

负载力矩的绝大部分相应于活塞式压缩机的旋转频率，其常常位于20、25或30Hz。这些频率对于例如处在铁路车辆的乘客车厢内的人们是可以很好地感觉到的。这样，小腿与延伸过的膝关节一起的固有频率可能约为20Hz。

活塞式压气机的负载力矩与电机相互配合产生一绕压气机纵轴的激振力矩，其中传统的活塞式压气机设备的惯性力矩绕压气机纵轴显著小于绕其他诸轴的。绕压气机纵轴的弹性支座的传递方式通常比例如垂直方式更接近于旋转频率，传递方式对传递惯性力起着较大的作用。这样的扭转振动一般不能象其他的激振分量那样好地被隔离。

按照本发明，传统的活塞式压气机的振动问题将通过显著降低由气体压力产生的负载力矩的绝大部分中的第一阶部分来解决。通过一种活塞配置来达到第一阶的这种降低，其中同相位地叠加两个或更多个低压级并且相对于高压级错开约180°。

这样的配置的切向力线图示出图2中。如图1中那样，标记1表示由气体压力产生的力矩，3表示由惯性力和气体压力产生的力矩而5表示由惯性力产生的力矩。

按照图2的曲线的付里叶分析得到以下结果：

第一阶：19Nm

第二阶：28Nm

第三阶：7Nm

第一阶的部分显著降低了，其下降到一绕压气机纵轴的降低的振动激励。因此在乘客车厢中不受欢迎的振动可以被大大地减小或几乎被完全避免。

图3中举例示出具有本发明的一种活塞配置的活塞式压气机。图3中所示的实施形式涉及一种3缸对置式配置，具有构成低压级的两个低压缸20、22和一个设置在一低压级前面的高压缸24，但不限于此。

三气缸的活塞40、42和44借助于球轴承或滚子轴承34通过连杆32支承在共同的曲轴上。

为了装置的冷却，在曲轴30的端面设置一风扇叶轮36，其在曲轴30旋转过程中为箱体38提供空气冷却，箱体内设置有两个低压级和一个高压级。

在图3中所示位置，低压缸的活塞40、42位于最顶部位置。高压活塞44位于气缸的上端。如果曲轴30运转，则低压缸的两活塞40、42同相位地并相对于高压级的活塞44位错180°地运动。

图3中所示的实施形式涉及一种具有通过曲轴箱的抽气导向装置的无油压缩的活塞式压气机。

各个活塞40、42、44借助于密封元件50相对于气缸密封。曲轴30的驱动借助于电机60来实现。

以下将更详细地描述图3中所示的活塞式压气机的工作原理：

在低压级中的压缩过程中，通过同相位从曲轴箱38进入的大的低压活塞40、42增大了曲轴箱38内的空气容积。空气被吸入曲轴箱内。在空气吸入压缩腔的过程中，低压活塞40、42进入曲轴箱38内。与此同时曲轴箱38内的容积减小，其中空气从曲轴箱38内被吸入到低压级的压缩腔，亦即低压活塞40、42的活塞下部将空气从曲轴箱38内推进到低压级的压缩腔中。因此相对于按照现有技术的实施形式减小了低压级中的抽气负压。当在从空气过滤器壳体到曲轴箱38的进气管上插装一止回阀时，可以支持这种效果，其中特别是改进了效率。

按照本发明的活塞式压气机的另一优点如下：

由于活塞式压气机的强的波动负载力矩产生了扭转不均匀性。这被电机60所加强，因为电机60相位偏移地对负载峰值起作用，而且在压气机的力矩要求降低时就是如此。由此通过旋转产生的转速波动在按照现有技术的活塞式压气机中可能例如为±14％。这种影响至今只能通过使用较大的飞轮质量来减小，但这由于重量原因早已就不符合要求。此外，电机60显著提高了电流耗量并明显将功率因数降到0.6，因此在按照现有技术的实施形式中必须采用尺寸过大的电机。通过本发明大大降低了负载力矩的第一阶，从而减小了这种影响。扭转不均匀性变小，按照本发明其例如从0.15降至0.08。电机的电流耗量下降。在本发明的一种配置中，功率因数显著提高，例如从功率因数Lf＝0.7提高到0.8。

通过使用较重的活塞，在一进一步构成的实施形式中，可以明显降低扭转力线图中的压力峰值，因为提高的活塞功能转换为压缩功。特别优选的是，该气缸的活塞具有这样大的质量，即可以减小切向力线图中的压力峰值，其中进入切向力线图中的惯性力在转速范围1000r/min至2000r/min之间的压力峰值时大于在压力峰值时的气体压力的15％。

按这样的方式和方法还能够进一步降低在所有的阶中的激振力矩。

为了达到摆动的和旋转的质量的质量平衡，将位于高压缸一侧的低压缸的质量选择成使其能平衡位于对面的低压活塞以及高压活塞。平衡不仅可以在活塞上也可以在连杆上实现。因增加活塞质量达到的质量平衡降低连杆的轴承载荷。这对位于高压缸一侧的低压级的活塞销轴承上的负载是有利的，因为这种负载是由于邻近的高压级而受到不良的冷却。

图4a-4d中示出本发明的具有诸对置的气缸的配置。图4a示出一种3缸的配置，如以上所详述的那样。按照本发明，图4b示出一种6缸的配置，图4c示出一种4缸的配置而图4d示出一种5缸的配置。高压活塞用标记44、46表示而低压活塞用标记40、41、42和43表示。高压缸用标记24、26表示而低压缸用标记20、21、22和23表示。除180°V式活塞配置外也可设想一些直列式压缩机。

图5a示出一种本发明的4缸直列式压缩机，图5b示出一3缸直列式压缩机。

图6中示出一具有一随同运行的无功活塞50的3缸直列式压缩机，该无功活塞不产生压缩功而仅用作质量平衡。如图4a-4d中那样，高压活塞用44而低压活塞用40、42表示，高压缸用24而低压缸用20、22表示。

因此利用本发明，首次提供一种活塞配置和一种活塞式压气机供使用，用其可以降低不符合要求的第一阶的振动，如其在按照现有技术的活塞式压气机中由压缩力所引起的。

这种情况从图7a-7c中可特别好地理解。图7a中示意地示出具有按照本发明的两个低压缸20、22和一个高压缸24的压气机。此外示出例如在铁路车辆上的四个可能的悬挂装置70、72、74、76。诸气缸位于x-y平面内，z轴沿悬挂装置70、72、74、76的方向垂直于气缸轴线。

图7b示出在按照现有技术的一压气机中的压气机振动的第1阶沿z轴方向的随时间的变化曲线。图7c示出在按照本发明的一压气机中的压气机振动的第1阶沿z轴方向的随时间的变化曲线。由图7b和7c中的振幅的比较可以得出结论：按照本发明的压气机的振幅比现有技术的至少减半。在一本发明的特别优选的实施形式中，本发明的压气机的振幅仅为现有技术的压气机的振幅的三分之一。

                附图标记清单1  气体压力产生的力矩3  惯性力和气体压力组合的力矩5  惯性力产生的力矩20、22、23  低压缸24、26、28  高压缸30  曲轴32  连杆34  球轴承36  风扇叶轮38  箱体40、42、43  低压活塞44、46、48  高压活塞49  密封元件50  无功活塞60  电机70、72、74、76  悬挂装置

Claims (13)

1.一种用于二级活塞式压气机的活塞配置，它包括：

1.1一曲轴(30)，

1.2多个气缸(20、22、24)及在其中运行的活塞(40、42、43、44、46、48)，其中

1.3设计有两个或更多个低压缸和至少一个高压缸，

其特征在于，两个或三个或更多个低压缸(20、22、23)相对于高压级这样配置，即两个或更多个低压缸(20、22、23)同相位地或小于±15°位错地并且相对于一个或更多个高压缸(24、26、28)位错180°±20°地进行压缩操作。

2.按照权利要求1所述的活塞配置，其特征在于，活塞配置为机油润滑的活塞配置。

3.按照权利要求1所述的活塞配置，活塞配置为无润滑运转的活塞配置。

4.按照权利要求1至3之一项所述的活塞配置，其特征在于，活塞配置包括6缸、5缸、4缸或3缸的配置，其中具有两个或更多个低压缸(40、42、43)和一个或更多个高压缸(44、46、48)。

5.按照权利要求1至4之一项所述的活塞配置，其特征在于，活塞配置设计成3缸的配置，其包括两个低压缸(20、22)和一个高压缸(24)，其中一个高压缸(24)和一个低压缸(22)位于另一低压缸(20)的对面。

6.按照权利要求1至5之一项所述的活塞配置，其特征在于，气缸(20、22、23、24、26、28)的活塞(40、42、43、44、46、48)具有这样大的质量，即可以减小切向力线图中的压力峰值，其中进入切向力线图中的惯性力在转速范围1500r/min至2000r/min之间的压力峰值时大于在压力峰值时的气体压力的15％。

7.按照权利要求1至6之一项所述的活塞配置，其特征在于，摆动质量(活塞、连杆)的质量平衡借助于在至少一个活塞(20、22、23、24、26、28)上和/或在一个连杆上的附加质量来实现。

8.按照权利要求1至7之一项所述的活塞配置，其特征在于，摆动质量的质量平衡借助于随同运行的无功活塞(50)来实现。

9.按照权利要求1至8之一项所述的活塞配置，其特征在于，质量平衡借助于在曲轴(30)上的附加质量来实现。

10.按照权利要求1至9之一项所述的活塞配置，其特征在于，活塞配置设计成使低压级的活塞同相位地通过曲轴箱(38)进气，其中在进气过程中两***曲轴箱(38)内的低压活塞(40、42、43)将空气挤进压缩腔。

11.按照权利要求1至10之一项所述的活塞配置，其特征在于，在通向曲轴箱(38)的进气口上设置一止回阀。

12.一种特别用于铁路车辆的活塞式压气机，其特征在于，其活塞配置包括按照权利要求1至11之一项所述的活塞配置。

13.按照权利要求12所述的活塞式压气机，其特征在于，该活塞式压气机包括一电机驱动的驱动装置(60)。

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