往复压缩机活塞杆反向角计算及分析

张泽伟

摘要：往复活塞式压缩机是社会中各行的大型工业都不可或缺的设备。尤其在石油相关行业中大量使用该种压缩机，成为了该行业的核心设备。本文首先进行往复式活塞压缩机反向角以及其在变工况环境下的基于热力学、动力学计算，在计算的基础上得到了不同工况下的综合活塞力图，根据综合活塞力图分析分析了工况变化对反向角的影响规律。

关键词：往复压缩机;动力计算;变工况;反向角

1 引言

反向角的反向程度大小与十字头销、铜套的损坏程度以及压缩机工作正常与否有着密不可分的关系。铜套和十字头销工作中紧紧贴合且受到加速度大的改变冲击，因此一个足够的反向角用来让他们得到充分的润滑、冷却。倘若十字头在十字头销所受到的合力作用下贴紧于活塞侧，这时相对的一侧会出现一个缝隙。在重力、压力相关因素作用下，润滑油流入该缝隙，润滑和冷却该侧的零部件[1]。若十字头销所受合力仅指向一个方向，并且十字头销自始至终压紧在铜套的一侧，那么受压的另一侧始终没有间隙，冷却和润滑状况十分恶劣，十字头销和铜套便会迅速损坏，影响往复式压缩机正常的工作。

2 反向角的定义

当曲轴旋转360度过程中，作用在十字头销和铜套而且和气缸中心线方向一致的总负载分量，角度产生180度变化，这个负向载荷连续作用的时间段内表征的曲柄转角，叫做反向角。其中API618准则确定反向角不得低于15度，ARIAL公司规定最小反向角不得低于25度，COOPER公司制定准则其反向角不得小于30度[2]

3 往复式活塞压缩机的动力计算

在这里把L型往复式活塞压缩机动力计算程序作为引例，其具备如下功能：（1）初始数据部分：根据任务书得到原始数据。（2）热力计算部分：根据初始数据计算有关热力参数，为后续的动力计算部分做一个铺垫。（3）动力计算部分：计算各级活塞压缩机的往复惯性力、气体力和摩擦力，进而计算得到综合活塞力和总切向力[3]。

往复式活塞压缩机动力计算初始数据截图如图1所示：

在第1列单元数据表中键入曲柄转角α的数值，每隔5°进行一次取点分析计算，从0°到360°共取73个点。根据公式分别作出活塞的位移x-α、速度c-α、加速度a-α的运动曲线。

同样借助于excel表格，计算往复惯性力并绘制一阶、二阶往复惯性力随曲柄转角变化情况;I级气缸和II级气缸气体力随活塞行程的变化情况。

综合活塞力图的绘制有助于更加直观的看到综合活塞力随曲柄转角的变化趋势，并且能看到一级综合活塞力和二级综合活塞力的受影响程度。同样，也能从综合活塞力图中看到压缩机反向角的大小，对于Excel软件中直接计算得到的反向角也是一个检验。在依次得到了气体力、往复惯性力、往复摩擦力及其随转角的变化关系曲线之后，就可以叠加进行综合活塞力的合成了。新图线是综合活塞力P随曲柄转角α的变化图线。如图2所示：

3.1性能参数与反向角的关系

压缩机在变工况条件下工作时，工况的变化会引起压缩机活塞杆反向角的变化。其中相对余隙容积α、压缩机进气温度T、吸气压力、排气压力、压缩机转速n等五个性能参数是影响压缩机反向角的最主要的几个因素，针对这几个关键因素借助于往复式活塞压缩机进行系统的模拟和研究，并分析原因然后总结相应的规律。规律可以用来指导实际应用而且可为压缩机的节能、安全稳定运行提供很好的理论依据。

（1）余隙容积α对反向角的影响关系

借助于Excel软件依次键入不同的α值，从而得到不同反向角进而生成相对余隙容积α—反向角关系曲线：可以明显看到，随着相对余隙容积α逐渐增加，反向角在逐渐变小;在0.06—0.14的范围内曲线陡降，反向角减小趋势十分明显。据此分析，尽可能减小相对余隙容积，（改变余隙容积可以影响容积系数λ，从而改变排气量，进而影响反向角）可以有效增大反向角。但是余隙容积不能越小越好，因为留有一定的余隙容积可以有效避免活塞和气缸的冲击磨损，延长压缩机的使用寿命、提高安全系数。因此，在适当范围内尽量减小相对余隙容积可以增大反向角。

（2）吸气温度T对反向角的影响关系

从10°C到50°C每隔10度选取一个节点取样分析;在保证其他因素不变的情况下，本曲线图借助于Excel软件依次键入不同的温度值，从而得到不同反向角进而生成的吸气温度与反向角关系曲线，可以明显看到，随着吸气温度的升高，一级气缸和二级气缸的反向角都在逐渐减小，且在吸气温度越高的情况下，曲线下降越陡峭。所以适当选取进气温度可以升高反向角。从两条曲线上来看，吸气温度的改变对一级和二级反向角的影响不同，其中对末级即二级气缸反向角影响明显，所以通过这个规律可以有效指导压缩机的实际生产应用，優化资源配置并延长压缩机使用寿命。

（3）吸气压力Ps对反向角的影响关系

一级进气压力Ps，从0.1MPa到0.275MPa每0.025MPa选去一个计算点;在保证其他因素不变的情况下，借助于Excel软件依次键入不同的压力值，从而得到吸气压力Ps与反向角关系曲线，可以明显看到，就一级气缸来看，随着一级进气压力的升高，反向角先升高（升高幅度大，曲线陡峭）后降低（曲线过渡平缓），在0.175MPa左右达到峰值。二级气缸反向角变化趋势和一级大体相同，也在0.225MPa左右存在峰值，但是升高和降低阶段变化趋势不同（升高过程平缓，降低过程曲线变化陡峭）且在吸气温度越高的情况下，曲线下降越陡峭。对比二者我们可以明显看到，二级气缸的反向角的变化情况明显滞后于一级。究其原因来看，吸气压力Ps的改变会改变级间压比，最后影响综合活塞力变化，进而导致反向角变化。一级进气压力过低或者过高，都会严重消耗压缩机的使用寿命，增加能耗。所以适当选取吸气压力可以有效增大反向角。

同样的，排气压力对反向角的影响与之类似，下面不再赘述。

（4）压缩机转速n对反向角的影响关系

从375r/min到475r/min每隔25个单位选取一个计算点，在保证其他因素不变的情况下，借助于Excel软件依次键入不同的压缩机转速值，从而得到压缩机转速n与反向角的关系曲线。可以明显看到，对于一级气缸来说，随着压缩机转速n的增大，反向角先增大后减小，在380r/min左右出现峰值（峰值左侧曲线升高趋势明显，峰值右侧，曲线下降平缓）。而对于二级气缸来说，反向角一直随压缩机转速n的增加而增大。究其原因总结来看，在其他因素不变情况下，转速n会影响压缩机排气量Q，进而影响综合活塞力来影响反向角大小。所以在实际的生产应用中，要适当选取压缩机转速n，转速太大会引起压缩机的震动甚至引发喘振工况;转速太小则无法满足生产要求，适当的转速则既满足上述要求，又会有较好的反向角。

4 改善往复压缩机反向角的主要措施

（1）为了使压缩机在工作过程中不会出现较大的波动甚至发生机组故障情况，每当往复压缩机在工艺流程中组分发生改变时，需要对反向角的热力计算部分和动力计算部分进行核算，进而得到新的综合活塞力从而得到反向角的数值大小。如果反向角过小，要控制相关工艺流程并且完善和改进相关控制系统。

（2）改进压缩机的控制系统。比如采用气量无级调节系统，实时监测系统运行的压力、温度、液位、吸排气量等因素，从而反馈得到吸、排气阀的工作状况，有效避免压缩机组长周期、高负载或者低负载下运行[4]。

（3）压缩机气缸的合理布置也有很大影响。气缸布置的合理，会有合适的余隙容积保障压缩机在最佳条件下工作，能适应操作工况大范围的变化，提高压缩机的安全系数。

参考文献：

[1]Z Jiang，D K Harrison，K Cheng.Computer-aided design and manufacturing of scroll compressors[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，（5）：145-151

[2]陳海峰，石磊.基于Excel的往复压缩机动力计算[J].天津职业院校联合学报，2013，（8）：86-90

[3]邓晶，钟蔚，杜利.用解析法在Excel环境下进行压缩机动力计算[J].计算机应用，2012，（6）：57-78

[4]李锦龙，冯乐军，宫兰华等.基于复算性热、动力计算的往复式压缩机参数分析[J].石油化工设备，2012，（5）：82-84