小型超高壓隔膜式壓縮機(jī)的研制

小型超高壓隔膜式壓縮機(jī)的研制

一、隔膜式壓縮機(jī)膜式壓縮機(jī)是一種特殊的結(jié)構(gòu)體積式壓縮機(jī)，具有壓縮幅度大、密封良好、壓縮氣體不受潤(rùn)濕和其他固體雜質(zhì)污染的特點(diǎn)。因此適用于壓縮高純度、稀有貴重、易燃易爆、有毒有害、具有腐蝕性以及高壓等氣體。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的隔膜式壓縮機(jī)體積流量一般在5m3/h以上,最高排氣壓力在100MPa以下,這類隔膜式壓縮機(jī)不僅個(gè)頭大,而且很笨重,移動(dòng)較困難。而體積流量在5m3/h以下,排氣壓力在100～200MPa的產(chǎn)品為數(shù)甚少。尤其在實(shí)驗(yàn)室為一些小型試驗(yàn)件做科研試驗(yàn)時(shí),非常需要一種小型化、易移動(dòng)、壓力高的產(chǎn)品。而實(shí)際上往往用5m3/h的機(jī)型替代,這樣勢(shì)必造成不必要的能源浪費(fèi)。為滿足上述要求,設(shè)計(jì)了一種小型超高壓隔膜式壓縮機(jī),填補(bǔ)了此類機(jī)型空白。二、工作方法和原則1.增壓裝置設(shè)計(jì)小型超高壓隔膜式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由電動(dòng)機(jī)、蝸桿減速器、機(jī)座、曲軸、開槽擺動(dòng)杠桿、一級(jí)低壓缸體組件、二級(jí)高壓缸體組件、一級(jí)低壓柱塞、二級(jí)高壓柱塞、一級(jí)自動(dòng)補(bǔ)油裝置、二級(jí)自動(dòng)補(bǔ)油裝置及其高壓管路連接件等零部件組成。與傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)上相比,小型超高壓隔膜式壓縮機(jī)具有以下特點(diǎn)。(1)采用蝸桿副作為動(dòng)力傳動(dòng)裝置用來傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。與傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)通過V帶傳動(dòng)相比,減速傳動(dòng)比范圍大,結(jié)構(gòu)尺寸緊湊,承載力強(qiáng),傳動(dòng)平穩(wěn),無(wú)噪聲,使用壽命長(zhǎng),工作安全可靠,并在一定條件下可實(shí)現(xiàn)反向自鎖等。從而大大減小隔膜式壓縮機(jī)的外形尺寸和重量。(2)運(yùn)動(dòng)部件采用曲柄旋轉(zhuǎn)—擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)主要作用是將動(dòng)力裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),并輸出動(dòng)力。該機(jī)構(gòu)利用省力杠桿原理,開槽擺動(dòng)杠桿動(dòng)力臂長(zhǎng),阻力臂較短,從而大大減輕電動(dòng)機(jī)及蝸桿減速裝置的工作負(fù)荷,節(jié)省能源。這樣電動(dòng)機(jī)功率較傳統(tǒng)壓縮機(jī)可以減小很多,電動(dòng)機(jī)的體積也就相應(yīng)變小。(3)采用新型柱塞式二級(jí)增壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)曲軸每旋轉(zhuǎn)360°,壓縮機(jī)即完成一個(gè)工作循環(huán),帶動(dòng)高、低壓兩級(jí)柱塞各完成一次吸氣和排氣過程,此兩級(jí)柱塞吸氣與排氣過程相位正好相差180°。而傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)只有一次吸、排氣過程,與之相比,小型超高壓隔膜式壓縮機(jī)工作效率提高近一倍,通過二級(jí)增壓工作壓力得到大幅度提高,最大可達(dá)200MPa。而壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件減少,重量減輕,占地面積減小,便于搬運(yùn)攜帶,方便實(shí)驗(yàn)室作科學(xué)試驗(yàn)。(4)采用液壓油自動(dòng)補(bǔ)償裝置主要作用是保證液壓油在工作循環(huán)過程中自動(dòng)定量補(bǔ)充液壓油,使液壓工作腔保持足夠的液壓油。而傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)采用液壓油補(bǔ)償泵,導(dǎo)致機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積較大,不利于維護(hù)保養(yǎng),故障率高。2.自動(dòng)補(bǔ)油裝置(1)小型超高壓隔膜式壓縮機(jī)工作原理壓縮機(jī)工作時(shí),動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)直接通過蝸桿減速裝置傳遞至主機(jī)曲軸,曲軸帶動(dòng)開槽搖動(dòng)杠桿左右擺動(dòng),開槽搖動(dòng)杠桿通過導(dǎo)向軸分別與一、二級(jí)柱塞活動(dòng)連接,至此將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),通過柱塞驅(qū)動(dòng)缸體內(nèi)的液壓油,將力均勻地傳遞至膜片,使膜片作往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到提高介質(zhì)壓力的目的。曲軸每旋轉(zhuǎn)1周,帶動(dòng)開槽搖動(dòng)杠桿左右擺動(dòng)各一次,壓縮機(jī)即完成一個(gè)工作循環(huán),帶動(dòng)高、低壓兩級(jí)柱塞各完成一次吸氣和排氣過程,氣體一般先進(jìn)入一級(jí)低壓缸體內(nèi),經(jīng)一級(jí)柱塞壓縮將壓力提升至70MPa輸送至二級(jí)缸體內(nèi),再經(jīng)二級(jí)柱塞壓縮至用戶所需壓力200MPa后供給用氣設(shè)備使用。(2)自動(dòng)補(bǔ)油裝置的工作原理柱塞在吸油過程中,位于柱塞頂部的工作油腔容積增大,工作油腔內(nèi)壓力降低,注油器內(nèi)部的工作油壓力大于進(jìn)油止回閥內(nèi)彈簧彈力和工作容積壓力之和時(shí),進(jìn)油止回閥打開,部分工作油進(jìn)入油腔;在壓縮過程中,該工作油腔容積慢慢縮小,油腔內(nèi)壓力慢慢升高,工作容積壓力高于調(diào)壓閥內(nèi)彈簧彈力時(shí),進(jìn)油止回閥關(guān)閉,調(diào)壓閥打開,工作油進(jìn)入注油器。在自動(dòng)調(diào)壓閥的作用下自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)進(jìn)、排油壓力,多余的油通過自動(dòng)調(diào)壓閥排出回流到注油器。三、主要技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.最大排氣壓力體積流量:0.015m3/h。級(jí)數(shù):2。進(jìn)氣壓力≥0.35MPa。最大排氣壓力200MPa。工作頻率48次/min。減速裝置速比:30∶1。電動(dòng)機(jī)特性:功率為1hP(1hP=745W),電壓230/380V,轉(zhuǎn)速1450r/min,頻率50Hz。2.填有真空液力沖擊試驗(yàn)由于液壓油的慣性,使得柱塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)不能過快,否則液柱跟不上柱塞的運(yùn)動(dòng)速度,缸體內(nèi)液壓油腔可能填不滿,將產(chǎn)生真空,造成液力沖擊,使金屬隔膜損壞。因此,根據(jù)手動(dòng)液壓泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),初步確定柱塞工作頻率在45～50r/min較合理,選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1450r/min,推算出減速裝置速比i=1450r/min÷48r/min≈30:1,考慮結(jié)構(gòu)緊湊,設(shè)計(jì)蝸桿減速裝置,經(jīng)反復(fù)測(cè)試,完全滿足性能要求。3.壓力和流量缸體組件是隔膜式壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件,主要由缸體(包括配油盤)、缸蓋、金屬膜片、高壓密封組合和進(jìn)氣、排氣止回閥等零部件組成,如圖2所示。為了減小產(chǎn)品體積,將配油盤與缸體設(shè)計(jì)成一個(gè)整體,省去單件配油盤。在缸體與缸蓋各有一形狀特殊的曲面,一組金屬膜片夾緊在中間,形成兩個(gè)空腔:位于缸蓋側(cè)為氣腔,位于缸體側(cè)為液壓油腔。壓縮機(jī)膜頭采用靜態(tài)O形環(huán)密封,O形環(huán)材質(zhì)為特氟龍或者合成的彈性材料制成,使用壽命長(zhǎng),無(wú)動(dòng)態(tài)密封,保證氣體壓縮時(shí)無(wú)泄漏。另外,O形環(huán)密封可減小缸蓋螺栓緊固力矩。液壓油自動(dòng)補(bǔ)償裝置是用來補(bǔ)充液壓油使膜片在壓縮行程終了時(shí)能緊貼缸蓋曲面,排盡氣腔內(nèi)壓縮氣體。主要由進(jìn)油止回閥、注油器、調(diào)壓閥及管路連接件等零部件組成。隔膜式壓縮機(jī)一般使用兩個(gè)相同的液壓油自動(dòng)補(bǔ)償裝置分別安裝在兩個(gè)缸體組件上,為兩個(gè)缸體服務(wù)。省去了液壓油補(bǔ)償泵,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠。4.柱塞和組合密封結(jié)構(gòu)為了能把氣體壓縮至200MPa,按逐級(jí)增壓的方式,把壓力分為70MPa和200MPa兩個(gè)壓力段,均選擇為柱塞式,柱塞材料采用合金結(jié)構(gòu)鋼15CrA,滲碳層深度0.5～0.8mm,淬火55～60HRC,表面鍍鉻。采用高壓軸用組合密封結(jié)構(gòu),如圖2所示,此結(jié)構(gòu)安裝方便,體積小,壓力高,密封性好。因此具有活塞式隔膜壓縮機(jī)不可代替的優(yōu)勢(shì)。四、超高壓酶基