车载制氧机用压缩机设计研究

2014-11-22郑继明郑宇伍权邓国江李志强

机械工程师 2014年1期

郑继明，郑宇，伍权，邓国江，李志强

（1.贵州师范大学a.机械与电气工程学院，b.机械与控制仿真重点实验室，贵阳 550014；2.贵州华烽电器有限公司，贵阳 550006；3.贵州省机电设计研究院，贵阳 550001）

0 引言

车载制氧机可用于各种机动车辆，如小汽车、大客车、工程车以及坦克装甲车，在高原缺氧地区尤为重要，有着巨大的市场需求。然而国内目前空压机体积大、噪音高、效率低、寿命短，不适应车载制氧需求，车载制氧机的核心部件车载制氧机压缩机的微型化技术、压缩机活塞无油自润滑技术已成为其生产的关键技术，针对这一需求，对其进行研发。

1 车载制氧机要求的主要技术参数

1）空压机。氧气流量10 L/min 以上，压力为150 kPa时，流量应不低于7.5 m3/h。2）电动机参数。额定直流电压：（24±4）V，功率不大于1 000 W；电压低于18 V 时空压机应能正常启动，压力150 kPa，电流不大于26 A，转速1 750±10 r/min。3）氧气浓度：93%±3%（海拔3 500～4 700 m为63%～54%）。4）氧气出口压力：40～60 kPa。5）工作环境温度：-43～+46 ℃。

2 车载用无油压缩机开发关键技术

2.1 车载用无油压缩机结构优化及轻量化技术

车载用无油压缩机对环境使用工况要求高，可在-43～+46 ℃环境温度范围内正常工作，最高工作海拔达到4 700 m。对其性能要求，首先是工作要可靠，其次由于是装在车上使用，必须减小压缩机体积和重量、节约能耗、降低噪声。

2.1.1 压缩机的机构选型与运动分析

活塞式压缩机是一种高效压缩机，排气范围较广，且不受压力高低的影响，能适应较广阔的压力范围，制氧机的中压缩机是气体分离用压缩机，故选用活塞式压缩机。

活塞式压缩机由曲轴、连杆、活塞组成，是一对心曲柄滑块机构，结构如图1 所示。对其作相关运动性能分析，工作过程中曲柄任意转角时，设活塞的位移为x，点A 与点B 间的距离为行程S，且S=2r；并定义连杆比λ=r/L（r为曲柄半径，L为连杆长度），可由图1 分析得到活塞的速度υ公式［1］。

图1 活塞压缩机结构示意图

又cosβ=（1-λ2sin2α）0.5，则

由此可以看出，电机转速是压缩机的主要结构参数，对压缩机运转的可靠性和经济性有很大影响。连杆比λ＝r/L 是压缩机设计的重要参数，由图也可以看出λ 越大，可减小压缩机的机构尺寸越小，但滑块侧压力越大，活塞环与气缸壁间的摩擦力也就越大，活塞环磨损越大。从提高活塞环的使用寿命角度看，λ 应尽量取小值；从减小压缩机结构尺寸角度看，λ 应取大值。

2.1.2 压缩机机构设计及主要机构尺寸确定

图2 气缸布置示意图

压缩机结构采用对称平衡型，气缸竖立布置，在电机轴的两端各布置一个气缸，两主轴相对两列气缸的曲柄错角为180°，结构设计时由于曲柄较短，工作行程较小，采用偏心轮式结构，以保证结构紧凑，结构如图2 所示。

由以上压缩机运动分析可知，连杆比λ 既影响压缩机结构尺寸，也影响活塞的磨损，综合考虑压缩机结构尺寸、活塞环与气缸壁间的摩擦力、转速高（1 750±10 r/min）的因素，确定曲柄半径r=8.25 mm，连杆长度L=72.75 mm、连杆比为0.113 4，汽缸内径63 mm，整体装配图如图3 所示。

图3 装配图

2.2 高分子复合型填充自润滑活塞材料配方实验及制备

由于车载制氧机制出的氧气被驾乘人员直接呼吸，必须是洁净无污染的氧气，压缩机的活塞环必须采用无油自润滑活塞环，即采用具有自润滑性能的非金属活塞环，故无油润滑活塞环是全无油润滑压缩机中的关键部件之一，是压缩机中的易损件，直接影响压缩机的排气量、功率、密封性和可靠性，需要优化自润滑活塞材料配方，提高活塞材料的耐磨性、导热性、减小线性膨胀，提高自润滑性能，延长寿命、降低噪音。

无油润滑压缩机的活塞环主要由非金属自润滑材料制造，磨损量计算式［2］：

式中：Δh为径向磨损量，mm；K为磨损系数，m3/（N·m）；P为活塞与气缸壁间接触压力，Pa；υ为活塞环的平均速度，m/s；t为磨损时间。由式（1）可知，Pυ 值是无油润滑压缩机设计过程中的重要参数，活塞环径向磨损量随接触压力P、平均速度υ 的增加而加大。

对小型往复活塞式无油润滑压缩机的转速宜在600～1 000 r/min 之间取值。排气量越大，取值宜越小［3］。本研究中电机转速为1 750±10r/min，转速偏高，提高活塞耐磨性、导热性以及抗拉强度是活塞材料的关键技术之一；该压缩机工作环境温度范围为-43～+46 ℃，上、下温差接近100 ℃，要求活塞具有较高的温度稳定性，即较小的线性膨胀系数是活塞材料的关键技术之二。

文献［4］分析了石墨、铜粉、玻璃纤维组分对无油自润滑活塞环材料耐磨性、导热性、抗拉强度、温度稳定性的影响，本研究通过多次试验确定了复合型填充自润滑活塞材料中石墨、铜粉、玻璃纤维等材料的最佳配方；另外温度复合型填充自润滑活塞材料磨损率急剧上升，为加强活塞、活塞缸的冷却效果，在压缩机结构设计中增加了冷却系统，即在电机两端轴上接近压缩缸（见图3）安装风扇叶片，提高气缸的冷却效果，通过这些措施，满足了压缩机特殊使用环境对自润滑活塞材料的要求。