V型双缸往复活塞式无油空气压缩机惯性力的行为特性及消减方法

何有根，耿爱农，吴勇华，林兴胜



V型双缸往复活塞式无油空气压缩机惯性力的行为特性及消减方法

何有根1，耿爱农1，吴勇华1，林兴胜2

（1.五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2.江门荣胜机电有限公司，广东 江门 529000）

以某款车用直联式V型双缸无油空气压缩机为研究对象，探讨其惯性力的行为特性及消减方法.通过建立能反映并解析惯性力规律特征的动力学模型，对平衡块的离心惯性力与活塞组件的往复惯性力的融合表现进行了研究，借助工程分析软件MATLAB对不同平衡配重的配置参数进行了数值模拟计算，获得了最优的平衡配重方案. 研究结果表明，V型双缸无油空气压缩机的往复惯性力依然可以采用过量平衡法来消减，但与传统单缸机型相比，其配重在质量占比及相位布局方面均存在较大的差异，通过优化包括质量半径积和相位设置在内的过量配重参数，仍然可以显著转移一级往复惯性力的大小及方向，从而能够选择出满足压缩机在特定敏感方向振动强度限制要求的最优平衡控制方案.

无油空气压缩机；往复惯性力；过量平衡法；振动消减

目前车用无油活塞式空气压缩机基本上都是采用电机直联驱动. 在电机高速驱动空压机曲柄连杆机构的运转过程中，曲柄会受到活塞组件产生的往复惯性力、旋转部件产生的离心惯性力及周期性变化的气体压力的综合作用，如果在设计过程中对这些力不加以有效控制及消减，空气压缩机不仅会产生令人难以接受的噪音及振动，还会对机器及零部件的寿命产生不利影响。因此，在设计过程中必须严格限制空气压缩机往复惯性力及旋转离心惯性力的水平.

对于旋转离心惯性力，可通过在曲轴不平衡质量的相反相位设置一平衡配重来精准抵消，但对于活塞组件产生的往复惯性力，迄今为止其消减手段主要有两种：一种是采用平衡轴消减法，另一种是采用过量平衡法[1-4]. 前者通过专门设置的平衡轴来产生一个与一级往复惯性力相位相反的等效平衡力，以此精准消减活塞组件产生的往复惯性力，但是，该方法结构复杂、成本高昂，对于车用无油空气压缩机来说并不适合；后者通过配置一个超量的旋转型配重来产生额外的离心惯性力，并以此超量离心惯性力的分量去对抗和抵御活塞组件产生的一级往复惯性力，其最终结果是通过转移往复惯性力的影响方向来降低目标方向的振动强度. 过量平衡法简单易行且成本低廉，乃当下应对往复惯性力的有效消减措施，已在单缸型压缩机和摩托车发动机上广泛应用. 不过，众所周知的事实是，过量平衡法属于局部作用法，它无法彻底消除往复惯性力所带来的负面影响，特别在V型排列的多缸机型当中，由于不同运动相位的两列活塞组件的影响相互交织，使得其平衡重量的配置十分讲究，稍有差池非但不能起到减振作用，反而会加剧压缩机的振动强度. 鉴于此，本文结合一款V型双缸往复活塞式无油空气压缩机的设计与制作，通过对活塞组件的往复惯性力及曲柄组件的离心惯性力进行分析计算，并通过改变过量平衡质量的大小及质心相位的方式，对惯性力行为融合特性进行研究，探讨过量平衡法在该机上的具体应用，以期找到最优的配置参数并获得综合效果最好的往复惯性力消减方案.

1 空气压缩机总体布局及设计参数

1.1 总体布局

因V型空气压缩机结构紧凑，运转可靠，为满足汽车上狭窄的空间要求，本文设计的车用无油空气压缩机采用交流电机直联驱动的方式，2个气缸呈V型布置，且2个连杆共用一根曲轴. 从电机轴向方向上看，两气缸中心线夹角呈布局，具体结构如图1所示. 在连杆与曲轴之间用含油滚动轴承连接，连杆小头装有滚针轴承及油封并通过活塞销与活塞连接，气缸顶部装有气阀座组件及气缸头，曲轴两端采用滚动轴承支撑并通过联轴器与电机转轴相连，压缩机的曲轴箱与电机之间用连接筒配接. 电机转动时通过联轴器驱动曲柄连杆机构运动，再由连杆驱动活塞在气缸内做往复运动，以此达成气缸工作容积的周期性改变，最终实现外界气体的吸入、压缩，提高压力后经由气阀座组排出并输送至储气罐内.

a.沿气缸及曲轴中心线剖切示意图          b.空气压缩机总体轴测图

1.曲轴箱；2.滚动轴承；3.曲轴；4.连杆；5.气缸；6.滚针轴承；7.活塞；8.活塞销；9.活塞环；10.气阀座组合；11.气缸盖；12连接筒；13.电机

图1 车用V型双缸无油空气压缩机结构示意图

1.2 设计参数

根据设计要求，本无油空气压缩机采用一级压缩的工作方式，另外考虑到成本控制以及制造方便，压缩机的两组气缸及活塞组件均采用相同的结构设计参数，亦即它们的缸径及行程完全一致. 根据客户的具体需求，最终确定出主要设计参数如表1所示.

表1 无油空气压缩机的主要设计参数

2 曲柄连杆机构运动及受力分析

2.1 数学建模

为便于建模、分析和计算，将本空气压缩机曲柄连杆机构的几何关系简化为图2的形式[5-7]. 其中，I、II为活塞，轴为铅垂方向，轴为水平方向，及轴分别为活塞I及活塞II的往复运动方向，及轴与轴之间的夹角均为，为曲柄旋转中心，为曲柄半径并设其长度为，及为连杆并设其长度为，为曲柄角速度.

图2 压缩机运动机构简图

活塞I及活塞II做往复直线运动，其中活塞I相位超前活塞II相位，如图2所示.设曲柄绕以角速度作匀速转动，以轴作为起点，当曲柄转过任意角度时，活塞I及活塞II在和方向上的位移方程分别为：

2.2 连杆质量代换计算

在空气压缩机的工作过程中，因连杆连接曲轴与活塞，其运动较为复杂，为方便计算连杆惯性力，通常作法是把连杆的质量分为两个等效质量：一部分是随活塞作往复运动的质量，集中在连杆小头；另一部分是随曲轴作旋转运动的质量，集中在连杆大头. 根据3D模型在PRO/E软件中求出连杆的质心分别距离连杆大头孔与小头孔的距离，再利用质量代换法（即保持连杆总质量不变和质心位置不变的原则下）求出连杆大头与小头的代换质量[8-10].

根据所建立的三维模型及部分实物可以分别求出做往复运动的活塞组件（包含活塞环、导向环、活塞销、连杆小头轴承及连杆）的代换质量，最终得到总往复质量为. 而做旋转运动的质量包括连杆大头轴承、曲轴轴颈、平衡块连接部分及连杆的代换质量，其总旋转质量为.

2.3 活塞组件往复惯性力分析

本机构受力简图参见图3. 根据式（4）及式（5）可得活塞组件I和II的总往复质量在和方向上产生的往复惯性力分别为：

2.4 曲柄旋转惯性力分析

曲柄连杆机构产生的旋转惯性力可分为两部分：一部分是连杆代换到大头随曲轴旋转产生的离心惯性力，另一部分是总旋转质量产生的旋转惯性. 参照图3，总旋转质量s的旋转半径为曲柄半径，则总旋转质量产生的旋转惯性力为：

图3 压缩机运动机构受力简图

2.5 曲柄旋转惯性力的消减

为抵消曲柄连杆机构的旋转惯性力s，其通用作法是在旋转惯性力s的反方向上加一平衡质量. 如图3所示，设该质量为，其旋转半径为平衡块质心到曲柄旋转中心的距离，设该距离长度设为，其旋转角速度同样为，则平衡质量产生的旋转惯性力为：

在实际应用中，通常采用过量平衡质量来进行分析[11-12]，其中过量平衡质量为超过当量平衡质量的部分，借助所产生的离心惯性力在气缸轴线上的分力来抵御和消减活塞组件的一级往复惯性力，而通过改变的质量半径积以及相位设置，可以寻求到目标方向上能接受的最小振动强度. 显然，实际配置的总的平衡质量为，当为正时表明是增重、为负时则意味着去重，而其中相对于的份额被称为过量平衡质量占比，在传统单缸机型当中过量平衡质量占比一般为15%～30%.

3 计算结果与分析

3.1 过量平衡质量大小对惯性力的影响

根据前面分析和推导出的公式，通过MATLAB 软件编程可计算出在曲轴上加装平衡质量后（假设并保持当量平衡质量质心旋转半径不变而仅改变过量平衡质量的数值）压缩机在轴及轴方向的受力曲线，如图4所示. 其中假定曲柄不平衡旋转质量为、当量平衡质量、过量平衡质量均布局在同一条直线上，亦即为零.

图4 机构在y轴和x轴方向的惯性力曲线图

图5 机构x轴与y轴方向惯性力的融合曲线

3.2 过量平衡质量配置相位对惯性力的影响

当改变过量平衡块质心的相位亦即角度时，其旋转离心惯性力的相位也将随之发生改变，与此同时，压缩机的惯性力椭圆曲线亦会发生改变. 假设过量平衡块质心的布局与原质心夹角为，则旋转离心惯性力在轴、轴方向的分量分别为：

图6 改变过量平衡质量质心角度时，机构轴及轴方向的惯性力曲线

图7 过量平衡质量质心相位对惯性力融合特性的影响

4 结束语

本文通过对某款V型双缸车用无油空气压缩机惯性力行为特性的建模分析，获得了平衡块质量与相位对压缩机活塞组件一级往复惯性力的影响规律，结果表明：该往复惯性力依然可以采用过量平衡法来予以消减，但与传统单缸机型相比，V型双缸往复式压缩机的最佳配重表现为去重方式，而且该配重的质心相位按曲轴旋转方向比单缸机型要稍微超前一定角度. 因此，不能套用传统单缸机型的平衡参数来进行过量平衡质量的配置. 研究证实，通过优化过量配重参数可以明显转移一级往复惯性力的大小及方向，从而可以选择出能够满足压缩机在特定敏感方向振动强度要求的最优平衡控制方案，这对于对振动和噪声有苛刻要求的车用无油空气压缩机来说无疑具有较大的现实意义，并且具有很强的可操作性. 从这一点上讲，本文的研究工作对当下同类型压缩机的减振控制设计有一定的启迪作用.

参考文献：

[1] 郁永章. 容积式压缩机技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

[2] 朱圣东，邓建，吴家声. 无油润滑压缩机[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3] 郭为建. 摩托车发动机曲柄连杆机构不平衡力分析和调整[J]. 摩托车技术，1999(8): 4-6.

[4] 肖大刚，郁永章. V型压缩机平衡重的最佳选择[J]. 压缩机技术，1988(3): 11-13.

[5] 王小龙，李志远，冯洋威，等. 小型往复式压缩机配重优化设计与仿真和试验研究[J]. 机械设计，2016(1): 21-24.

[6] 刘增满，周燕飞. 活塞压缩机平衡计算和运动仿真[J]. 机械设计与制造，2013(8): 25-27.

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[11] 宋立权，缪春. 摩托车发动机平衡研究及应用[J]. 内燃机工程，2004, 25(4): 20-23.

[12] 宋立权，王伟. 摩托车发动机平衡惯性力椭圆方程研究[J]. 内燃机工程，2005, 26(4): 50-52.

[责任编辑：熊玉涛]

Behavior Characteristics of the Inertia Force of the V-type Double-cylinder Reciprocating-piston Type Oil-free Air Compressors and the Reduction Method

HEYou-gen1, GENGAi-nong1, WUYong-hua1, LINXing-sheng2

(1. School of Mechan ical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Rongsheng (Jiangmen) Co Ltd, Jiangmen 529000, China)

A direct connected V-type double cylinder reciprocating-pistonoil-free air compressorinstalled on cars was used as the research object to study the behavior characteristics of its inertial force and the reduction measures. By establishing a dynamic model which can reflect and analyze the characteristics of inertia force, the confluent behavior of the centrifugal inertia force and the reciprocating inertia force of the piston assembly were studied. By means of the engineering analysis software MATLAB the configuration parameters of different counterweights were simulated, and the optimal layout scheme for the counterweights was obtained. The research results show that the reciprocating inertia force of the V-type double cylinder oil-free air compressor can be reduced by the excess balance method, but compared with the traditional single-cylinder model, there is a big difference in quality proportion and the phase layout. By optimizing the excess weight parameters including the mass radius product and phase setup, the strength and direction of the first order reciprocating inertia force can be transferred significantly and the optimal balance control scheme can be obtained that can meet the requirements of the vibration intensity and the sensitive direction of the compressor.

oil-free air compressor; reciprocating inertia force; over-weight balance; vibration reduction

1006-7302（2016）04-0038-08

TH457

A

2016-10-17

国家自然科学基金资助项目（51565004）

何有根（1981—），男，广东江门人，工程师，硕士，研究方向为机械设计与制造.