气动工具用单级直线压缩机设计与研究

俞洪波 钟美鹏 张弘强 计才元 余 芳 董 阳

（1.嘉兴学院机电分院，浙江 嘉兴314001；2.嘉兴太平洋江茂电子有限公司，浙江 嘉兴314015；3.嘉兴日亿机械有限公司，浙江 嘉兴314014）

0 引言

由于空气具有很好的可压缩性和膨胀性，适宜做能量传递中的介质，输送方便不凝结[1]，对人无害，对环境无污染，没有起火危险，且到处都有，用之不尽。因而压缩机作为动力的主要设备，为各种类型的凿岩机、装岩机、气镐等气动工具提供动力源[2]。特别是室内装修业的兴起，为微型压缩机开辟了一个新的广阔的市场空间。比如，以前往墙壁上敲铁钉要用榔头之类的工具，现在基本上已被气钉枪所取代[3]。直线压缩机主要利用直线电机驱动技术驱动压缩机活塞做往复直线运动，近几年来，伴随着直线电动机驱动技术的不断发展与日益广泛的应用，直线压缩机技术也逐步发展起来。直线电机主要是直线电动机，是一种将电能直接转换成直线运动的机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置。根据直线电机的工作原理，可以将直线电机划分很多类型[4]，包括交流直线感应电动机（LIM）、交流直线同步电动机（LSM）、直线振荡电机（LOM）等等。理论上来讲，这些都可以作为压缩机往复直线运动的驱动器，因此根据所采用的驱动源类型来划分直线压缩机，主要有以下三种类型[6]：直线振荡电机驱动的压缩机（简称电磁振动压缩机）、复合次级直线电机驱动的压缩机（简称直线电动压缩机）以及直线步进电机驱动的直线压缩机等三种类型[5]。本文设计了气动工具用单级直线压缩机，对其结构和热力学分析，同时进行了参数设计，拓展了直线压缩机的应用。

1 结构及参数设计

本论文中单级直线压缩机的排气量为1.5m3/h，考虑到实际情况，取a=0.07；而对于小型压缩机，选取m=1.4；ε值根据气缸的排气和吸气公称压力计算，得ε=8。还需考虑泄漏、余隙影响、回冷不完善或高压缸进排气温度等因素。对单级直线压缩机设计如下：

1.1 容积系数λv

容积系数表示余隙容积对气缸有效行程容积的影响，用λv表示。对大多数压缩机来说，对λv排气量的影响比其他系数大，设计时必须充分注意。一般情况下，λv的值按下式计算：

可以计算得出λv= 0.76

1.2 压力系数λp

考虑因吸气过程中的压力损失使吸气能力下降而引起的系数称压力系数，用λp表示。考虑到本设计中的压缩机为常压吸气，所以λp=0.98。

1.3 温度系数λT

用来表示在吸气过程中，因气体加热而对气缸吸气能力影响的系数称为温度系数λT。一般，要精确地求得λT值比较困难，所以根据压力比大小选择适当λT值，这里取λT=0.95。

1.4 泄漏系数系数λl

在单级压缩机中，气密系数表示压缩机的排气量与气缸吸入容积之间的比值，用λl表示。计算时，泄漏系数系数气密系数一般取λl=0.90~0.98，本文设计的是微型压缩机，泄漏系数系数气密系数可取较大值，故选取λl=0.97。

因此，单级压缩机的排气系数如下：

并计算得到λ=0.69，一般而言，单级压缩机的气缸行程容积按下式计算：

式中：Vd——压缩机的排气量；n——单级直线压缩机动子运动频率，在本文取1000转/分。

可计算得到：Vh=0.046625 m3/h

在算得气缸行程容积后，再按下式计算单作用气缸的直径：

根据上式，先确定高低压端活塞行程为：s=22mm，计算出高压直联机参数结果为：D=51.9mm，这里对气缸直径进行圆整为55mm。

为了更好给气钉枪提供气源，本文设计了单级压缩机。对气钉枪用结构及工作原理进行分析，同时进行了基于等压比的热力学分析和机械系统动力学模型研究，并对其热力学参数计算。

［1］王君，等.往复压缩机气体压缩热力过程研究[J].流体机械，2008（1）：20-23.

［2］谢洁飞,动磁式直线压缩机理论与实验研究[D].浙江大学.

［3］郁永章,刘勇.特种压缩机[M].北京:机械工业出版社,1986,2.

［4］马振飞.冰箱用直线压缩机原理性样机的研制[D].浙江大学,2005.

［5］S.J.Park,Y.J.Hong,H.B.Kim,K.B.Lee.An experimental study on the phase shift between piston and displacer in the Stirling cryocooler[J].Current Applied Physics.2003,3(5):449-455.