新型高压低重斜盘式压缩机结构性能研究

海方，苏智剑，时海涛，范奥博

（郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001）

摘要：提出了一种新型的高压低重斜盘式压缩机。首先，研究了新型斜盘式压缩机的结构，简化了传统压缩的结构以满足轻量化的要求。其次，通过多级压缩的压缩方式，与传统压缩机进行比较可实现超高压的需求，同时该设计方案可以稳定可靠的控制压力的大小，为汽车压缩机提供便利之处也可以更好的服务于机载武器的弹射。最后，通过分级冷却即在分级压缩后的每一级压缩完成后进行冷却，此设计与其他相比缩短冷却所用的时间、提高了工作效率。最终实现一种高气压、轻量化、结构紧凑微型化并存的斜盘式压缩机，为斜盘压压缩机在汽车、航空航天等各领域的应用提供参考。

关键词：斜盘压缩机；多级压缩；冷却管道；运动特性；高压；轻量

中图分类号：TH460     文献标识码：A     文章编号：

Research On Performance Of New High Pressure And Low Weight Swash Plate Compressor

Hai fang¹，Su zhijian¹，Shi haitao²，Fan aobo²

(zhengzhou university,School of Mechanical Engineering,Henan zhengzhou450001)

Abstract：A new type of high pressure low swash plate compressor is proposed.First，the structure of the new swash plate compressor was studied，Simplifies the traditional compression structure to meet the requirements of lightweight.Nextly，Compression by multi-stage compression，compared with conventional compressors to meet the requirements of ultra high pressure，At the same time, the design scheme can control the pressure more stably and reliably.Can provide convenience for car compressors and better serve the ejection of airborne weapons.Finally，By grading cooling, after each stage of compression after staged compression, cooling is performed, the temperature of the compressed gas is lowered, the time taken for the compression process is shortened, and the work efficiency is improved.Using Longge Kutta method for numerical analysis, further analysis and calculation of kinematics, dynamics and cold-going pipelines, swash plate type compressors satisfying high pressure、light weight、compact structure and miniaturization compressors provide reference for applications in various fields such as automotive and aerospace.

Key word：Swash plate compressor；Multi-level compression；Cooling pipe；Motor characteristics；high pressure；Lightweight；

0前言

随着航空航天、汽车等相关行业的高速发展，对轻量化、安全性、稳定性、可靠性的高压空气压缩机的要求也愈来愈高，原本的性能已不能更好的满足汽车、火箭等对其超高压和轻量化的要求，基于该需求很多汽车公司和国内很多研究型高校纷纷把目光投入到研发这一关键技术上^（1）。这种空气压缩机是一种用来压缩气体来增加气体压力和输送气体的一种机械设备，按其工作原理可将其分为容积式和速度式两大类，容积式是通过活塞在气缸内做往复或回转运动实现的。而速度式是通过气体在高速旋转的涡轮下的作用，从而得到较大的动能，从而使气体的动能转变为气体压力能的一种装置。综合两种方式的进行比较，速度式一般只适合于低中压需求的场合，而高压空气压缩机的性能要求高压力这一方面速度式满足不了，而容积式可以。

容积式压缩机在满足微型化、轻量化的条件下，可以实现的技术较为成熟的一般有两种，分别是斜盘式和滑片式，滑片式压缩机的结构的局限性，其滑片与转子气缸之间会产生摩擦，较为严重的摩擦会产生大量的热量和磨损，会降低其工作效率也会极大地降低使用寿命，不太适合高气压情况下的压缩机的性能要求。但是斜盘式的结构设计即可满足此一系列的要求，可以满足高气压，微型轻量化的设计要求，即高压按照其压缩方式我们可将其分为单级压缩和多级压缩两种，通过单级压缩的压缩比一般较低，一般情况下压缩一般小于8，在较为特殊的情况下最多也不超过12，当所要求的的压缩比高于这一数值时就要通过多级压缩进行了，并且可能会造成温度太高，产生大量的热量，效率低等情况。因此一般采用多级容积式斜盘压缩机进行压缩⁽²⁾。 这种设计方案的气缸的中心轴线与转轴中心线平行，整体形状类似于圆筒，结构微型、轻量化、总压缩比高、振动噪声低，可运用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。

1新型斜盘式压缩机的结构及工作原理

图1为压缩机的内部结构图，压缩机是由箱体、斜盘、主轴、前后气缸盖、进出气阀、气缸、活塞等结构组成，其中主轴与斜盘是通过一体化成型加工的，双作用的柱塞位于斜盘两侧的滑靴和滑履连接同时设置单向阀配流⁽³⁾。同一级别的气缸并联在一起，不同级别间并联，四级气缸协调完成压缩过程，为了方便后期的安装和维护，该结构采用分体设计，将其分为左右两个箱体用M6的螺栓紧固连接并设置定位稍保证其安装精度。箱体外设计一些小气孔，一方面可以减轻重量最重要的是也可以有效的散热，将压缩机内部的热量及时的散发出去。特别是每级之间设置冷却管路，效果更为突出。

    上下两个双作用活塞杆分别用双作用活塞杆1和2表示，双作用活塞杆1两端分为为二级和三级气缸通过螺纹进行连接，双作用活塞杆2两端分别为一级和四级气缸通过螺纹固连，两端均设置进气阀和排气阀，一级气缸的排气阀通过翅片管与二级气缸的进气阀连接，以此类推二级气缸与三级气缸连接，三级气缸与四级连接。随后在主轴转动一周的情况下完成气缸的四级压缩运动。与传统压缩机相比气缸的突出特点，两边分布着11个气缸，与传统压缩结构有所不同，在这些气缸中有一个气缸不参与到压缩过程中，剩余还有10个气缸均参与到多级压缩中，在该过程中参与到第一级压缩的有6个气缸，第二级是2个，第三级和四级都是1个，每个气缸上均有进气阀和排气阀进行进气、排气过程，同时通过单向阀配流。

图1 斜盘压缩机内部结构图

Figure 1 Internal structure of the swash plate compressor

        图2是压缩机中进行压缩旋转的部分，该部分斜盘通过键安装在主轴上，将主轴设计为阶梯轴两端设置轴套和轴肩实现定位。斜盘的两端设计2mm深的滑道，滑片置于滑道中防止斜盘磨损，滑片磨损较为严重时也方便及时更换，其材质为巴氏合金润滑性能较好。

图2 压缩机斜盘旋转部分

Figure 2 Swash plate rotating part of compressor

     该部分为压缩机的压缩部分如图3,所示，图1中主轴带动斜盘运动通过滑靴作用于双作用连杆完成气缸的压缩运动，双作用连杆内滑靴与斜盘外滑片接触如图1所示，两端为安装进气阀和排气阀，活塞外壁附有活塞环用以密封和润滑，阀板一端为两个圆柱形内孔壁用来安装吸气阀和排气阀，两圆柱空之间留有间隙，可避免进、排气阀之间相互传热，影响正常工作，进、排气阀采用模块化设计，外形尺寸相同。

图3 压缩机压缩部分

Figure 3  Compression section of compressor

2压缩机的运动学过程数学模型

2.1压缩机活塞运动的位移、速度、加速度的变化规律

在斜盘式压缩机的往复压缩过程中，主轴以一定的转速作旋转运动，而各个气缸的轴线都是以主轴为中心，分布在一定半径的圆周上，这些圆就是气缸的分布圆，但是斜盘盘是以一定的倾斜角套在主轴上，那么气缸的分布圆与斜盘也会呈一定的倾斜角，则分布圆与斜盘的交线必然是一个椭圆。

图4 斜盘运动的结构示意图

Figure 4 Schematic diagram of the structure of the swash plate

工作行程L=2rtana，通过该式可知夹角越大即压力角越大对应的行程也会越长，夹角减小行程也会变小，当斜盘的倾角a>36时，速度与加速度将多次出现峰值，当运动的过程中加速度出现峰值，会使活塞在一次循环的过程中惯性力多次发生变向，进而可能会引起柔性冲击的产生，会造成不良的运动状态，不利于活塞的平稳运动，这样的情况运动中是不允许的，所以从运动学的角度来考虑时，应使斜盘倾角小于36°，从斜盘所受的力方面着手分析，因为斜盘对连杆的作用力的方向与连杆在运动的过程中的运动方向不平行，他们之间的夹角就是压力角^（4）。再根据凸轮设计原则可以知道移动从动件其工作行程的最大允许压力角在25°至38°之间,斜盘倾角越大则压力角会越大，它的受力状态恶化，甚至出现自锁而卡死的情况，因此理论情况下斜盘的倾角应在25°甚至更小的时候较为适宜。根据设计指标，选择斜盘倾角为15°。把主轴旋转的速度假设为n（r/min），其转角可表示为θ=ωt主轴的角速度ω、活塞的位移S、工作容积V、活塞的运动速度v和加速度a如下：

                （1）

从以上各式中我们可以看出，活塞运动的速度、加速度、位移、气缸的工作容积均与主轴转角的成正弦或余弦的运动关系^（5），其中w=700r/min，Sa=17.68cm²，r=37.5mm通过仿真分析可得到一级活塞其运动关系图：

图5 一级气缸的位移、速度、加速度、工作容积随转角变化图

Fig. 5 Variation of displacement, velocity, acceleration and working volume of the first-stage cylinder with the rotation angle

2.2接触点的相对运动

活塞与斜盘的接触点B1，它随斜盘的运动轨迹是一个椭圆形旋转运动，由图可知，在斜盘表面接触点B绕O点旋转的相对角速度为

       （2）

当接触点在斜盘上沿着椭圆轨迹运转时，他们之间的相对运动速度是不断发生变化的，它不是定值，因为接触点在斜盘上运动一周所用的时间等于主轴旋转一周所用的时间⁽⁵⁾。所以其相对运动的角速度的平均值Wnm要与主轴转动的角速度W一样，即Wnm=w在上面图中，设Oyz坐标系B点的相对运动速度分量Vy和Vz;在Oy’z’坐标系中，B’点的相对运动分量Vy’和Vz’

          （3）      

接触点B在斜盘表面沿椭圆轨迹运动的线速度为：

（4）

2.3斜盘压缩工作的四个过程压力与各参数之间的关系

压缩机的压缩工作过程包括四个过程分别是吸气、膨胀、压缩、排气。这四个工作过程中膨胀和压缩过程是按绝热过程进行的，即气缸内部与外界不会有任何的热量交换，而进气和排气过程，气体是按照等压过程进行的，即压力始终是保持不变的。

假设活塞在离斜盘最远处处为运动起始点，指向斜盘方向的为运动的正方向，活塞在气缸内的运动最开始进行的就是气体的膨胀过程^（5）。

（1）膨胀过程

         （5）

P_d为排气的压力，a_c为余隙容积系数，m为膨胀过程指数，L为活塞行程，L=2rtan，令P=P_s可得出临界角θ₁,吸气阀打开，膨胀过程结束。

（2）进气过程：P=Ps，其中Ps为进气压力，当等于θ=π时，活塞处于最小位移处，进气过程结束。

（3）压缩过程：

    （6）

Ps为排气的压力，a_c为余隙容积系数，n为压缩过程指数，L为活塞行程，L=2rtana。令P=Pd时，可算的临界角θ₂，排气阀打开，压缩过程结束⁽⁶⁾。

（4）排气过程，排气过程为p=pd的等压过程，当θ=2π时，压缩机一个工作循环结束。

该压缩机的压缩级数为四级，假设初始状态气压为标准大气压，即气压为1.0×10⁵压缩后排气口的压力为30Mpa。按每一级的压缩比相同计算，分四级压缩则每级的压缩比U³=300得U=4.16⁽⁷⁾。

当各级压力按等压力比分配时会使等温指示效率高。这种方法比较适合于压缩理想或近似理想状态的气体，等压力比的设计理论是假设各级压缩多方过程指数相等的，而实际的压缩过程中气体的压力和环境温度都会有所不同，所以压缩过程中各级压缩多方过程指数是不同的^（8）。因此对于实际压缩过程来说，应该用各级功率相等来分配压力比，确定各级的进出口压力。可得第一级进气口的压力为0.1Mpa，其压力比为4.6，则第一级的排气口的压力为0.46Mpa，即P₁₁=0.1Mpa ，P₁₂=0.46Mpa。第一级压缩的压缩过程相关参数：T11=293K，P11=0.1Mpa，P12=0.46Mpa，压缩过程指数n=(0.93~0.95）K,K为等嫡系数，当T=293K时等嫡系数k=1.4，则n=0.95*1.4=1.33。

同理可得其他各级的压强，过程指数等相关参数。

图6 各级压力级压缩过程指数

Figure 6 Pressure level compression process index of each level

图7 MATLAB分析压强与转角的变化关系图

Figure 7 Matlab analysis of relationship between pressure and rotation angle

综合分析可得，气缸内压强p是转角的分段函数，可清晰看出气缸内各个状态的压强，可以看出通过多级（四级）压缩可使其气压逐渐增加最后达到高气压的目的，满足各领域对超高压的要求。

3压缩机的高效级间冷却及管路的设计

3.1冷却管路的布置原则

为了实现超高压的压缩气体，通过多级压缩实现，冷空气进入到第一级压缩后气体的温度将升高，上一级的排气温度较高将会给下一级气体的压缩造成影响，所以级间冷却就能很好的解决这一问题，冷却管路的气体经冷却后再进入第二级气缸，依次类推到最后一级，然后至储气罐中，通过级间冷却来完成，达到降低各级排气气体的温度的目的。

(1)       （2）     （3）      （4）

图8冷却管路布置图

Figure 8 Cooling piping layout

上图中（1）（2）（3）（4）四个管道分别是四个冷却管道在每一级的压缩之后用来冷却气体降低其温度。

3.2新型冷却管路的设计方案

通过第一章图表可得各级进出口压力和压缩过程指数即p11=0.1mpa，p12=0.46mpa，n=1.33，对实际气体，实际气体的压缩过程是一个较为复杂的多变过程，满足过程方程和状态方程。

实际气体过程方程：

  或              （7）

实际气体状态方程：PV=ZmRT式中Kt为温度等嫡指数，Kv为容积等嫡指数，Z是压缩因子，温度和压强的关系可以根据空气等嫡指数查找所得，根据对应态原理，不同的物质当他们处于对应态时，他们具有相同的压缩因子。

所以压缩机的压缩过程满足方程下式：

即           （8）

第一级压缩的压缩过程相关参数：T11=293K，P11=0.1Mpa，P12=0.46Mpa，压缩过程指数n=(0.93~0.95）K，K为等嫡系数，当T=293K时等嫡系数k=1.4，则n=0.95*1.4=1.33。

上述进出口处的温度与压强的关系公式计算出第一级压缩出口处的温度T12=427.8K。再根据冷却过程要求满足的条件，即可以实现第n级进气温度Tn1满足：T_n1≤T₀+10(n-1)

其中T0为环境温度。n为压缩级数。T0为初始状态的温度一般取273K，n=1.33，根据要求级间冷却后进入第二级的温度带入上式可得为303K，即通