CN101713392A - 用于往复式压缩机的曲柄机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于往复式压缩机的曲柄机构，其可为双作用类型或设置有对置的单作用气缸(26A，26B)的类型。该曲柄机构由通过连杆(12)将其旋转运动转换为往复运动的曲柄轴(10)构成。连杆(12)从轴(10)接收运动并通过支柱(16)将运动传输到十字头(14)。十字头(14)通常又由两个滑瓦即下滑瓦(42)和上滑瓦(40)构成，由相应的固定的对立滑瓦(18，20)引导，并且通过杆(24)将其往复运动传输到活塞(22，22A，22B)。滑瓦中的一者(40)配备有用于与轨道(18，20)相接触的表面，该表面相对于对置滑瓦(42)的接触表面具有不同的形状和/或尺寸。

Description

用于往复式压缩机的曲柄机构
技术领域
本发明大体上涉及流体动力操作机器，并且更具体地但非排它性地涉及设置在双作用往复式压缩机内的曲柄机构的部件。
背景技术
众所周知，压缩机是一种能够通过使用机械能提升可压缩流体(气体)的压力的机器。在往复式压缩机中，流体的压缩由相应气缸内的一个或多个往复式活塞执行。待压缩的流体通过一条或多条进入管道吸入气缸中，而已压缩的流体则从气缸朝向一条或多条排出管道排出。往复式压缩机的活塞或多个活塞一般由电动机或内燃发动机通过用于传输运动的传动轴和常规的连杆-曲柄机构促动。
在双作用往复式压缩机中，各活塞不执行任何“空”行程，这是因为活塞沿着其两个运动方向压缩气体。正是由于该原因，活塞本身不能直接连接到连杆-曲柄机构的连杆上，因为封闭式气缸将不允许连杆摆动。因此，将一种所谓的“十字头”机构定位在活塞与连杆之间。活塞连接到只能以直线方式移动的杆上，而该杆连接到十字头上。因此，转柄不摆动而连接到十字头另一侧的连杆可摆动自如。在其设置有滑瓦的情况下，十字头可沿称为“对立滑瓦(counter-shoe)”的合适的固定轨道滑动，该固定轨道允许十字头沿着与活塞行程相同的方向移动。由于十字头滑瓦的外表面相对于相应轨道的内表面移动，因此需要引入润滑油以防止它们互相接触。润滑系统属于强制类型，并且由于润滑系统向十字头主要提供流体静力类型的支承，故防止了运动机件受到磨损。
在十字头的往复运动期间，可能发生特殊的操作状况，例如当活塞慢速移动时，此时十字头本身不能供应足量的润滑油。在这种情形中，润滑油层变得极薄并且会由于摩擦而损耗，结果引起发热并增加了润滑油本身的温度，从而降低其粘度，进一步使其润滑性能下降。在最坏的情形中，各表面还可互相接触，结果有可能损坏液压机器。
发明内容
因此，本发明的目的在于制造一种用于往复式压缩机、尤其但非排它性地用于双作用类型压缩机的曲柄机构，其允许实现有效和均匀地润滑十字头表面和相应滑轨的表面，即使对于压缩机在最恶劣的操作状况下也是如此。本发明的另一个目的在于制造一种用于往复式压缩机的曲柄机构，其能将机器的构件由于润滑不足而损坏的可能性降到最低。
最后，本发明的再一个目的在于制造一种用于往复式压缩机的曲柄机构，在其中可根据压缩机的操作状况来调节润滑油的压力。
根据本发明的这些目的，通过制造根据权利要求1所述的用于往复式压缩机的曲柄机构而得以实现。
本发明的更多特征在作为本说明书不可分割部分的从属权利要求中加以强调。
附图说明
从以下参照所附示意图作为示例而非出于限制目的给定描述，根据本发明的用于往复式压缩机、主要但非排它性地用于双作用类型压缩机的曲柄机构的特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1A是示意性顶侧视图，示出了双作用类型往复式压缩机的主要构件；
图1B是示意性顶侧视图，示出了设置有两个对置的单作用类型气缸的往复式压缩机的主要构件；
图2是示出了(往复式压缩机气缸内部的)气压所产生力的轴向分量和运动机件的轴向惯性力的轴向分量在完整循环中的进展(progression)的图表；
图3是示出了往复式压缩机气缸内部的气压所产生力的法向分量(相对于运动方向)的进展的图表；
图4是示出了普通往复式压缩机的曲柄机构的主要构件的透视图；
图5A和图5B分别以俯视图和仰视图示出了根据现有技术制造的往复式压缩机的曲柄机构的构件；
图6A和图6B分别以俯视图和仰视图示出了根据本发明的第一实施例的往复式压缩机的曲柄机构的构件；
图7A和图7B分别以俯视图和仰视图示出了根据本发明的第二实施例的往复式压缩机的曲柄机构的构件；
图8A和图8B分别以俯视图和仰视图示出了根据本发明的第三实施例的往复式压缩机的曲柄机构的构件；
图9示出了用于在设置有根据本发明制造的曲柄机构的往复式压缩机中循环润滑油的系统的布局。
具体实施方式
具体参照图1A，示意性地示出了设置在普通双作用类型往复式压缩机内部的基本元件。
该压缩机包括具有连接到连杆12上的至少一个曲柄10的轴，其通过支柱(jack)16将由普通电机或热机(未示出)促动的轴的旋转运动传输到十字头14。十字头的任务是将旋转运动转换成往复运动，被迫在合适的对置的轨道18和20内移动，轨道18和20允许十字头沿着与活塞22的行程相同的方向移动。杆24将十字头14连接到活塞22上。在气缸26内移动的活塞因此能够压缩气体。
待压缩的气体在确定的吸入压力下通过一个或多个吸入阀28和30而引导到气缸中，且之后受活塞压缩直到其达到期望的最终压力值。一旦气体已达到此类最终压力值，则通过一个或多个排出阀32和34将其从气缸排出。在双作用类型气缸中，例如图1A中示意性地示出的气缸，压缩发生在两个不同的腔室内，亦即面向气缸盖26的腔室36和面向十字头14的腔室38。
现在参照图1B，示意性地示出了设置在一种普通往复式压缩机内的基本元件，该压缩机设置有彼此对置的两个单作用类型气缸。各气缸26A、26B均设置有通过各自的杆24A、24B连接到十字头14上的相应活塞22A、22B。各气缸26A、26B还配备有各自的腔室36、38，在其中气体以完全类似于参照双作用类型压缩机所述的方式受到压缩。
此外，在图1B所示的该第二种类型的压缩机中，连杆12-曲柄10机构和十字头14基本上是以与前文参照图1A所述的双作用压缩机相同的方式制造的。因此应当清楚的是，与根据本发明制造的曲柄机构相似的曲柄机构可无区别地应用于上述两种类型的压缩机。
因此，不论压缩机的类型如何，压缩腔室36和38内的气体压力在气缸26的各端以及在限定两个腔室36和38的活塞各自的对应表面处产生轴向(亦即平行于活塞22的移动方向)力。在图2中，“GA1”表示在面向气缸盖的腔室36内所产生的力的轴向分量的进展，而“GA2”表示在对置的腔室38内所产生的力的轴向分量的进展。由气体引起的总轴向力GA＝(GA1+GA2)，与往复运动元件的质量惯性力IA相结合，决定了从十字头14传输到连杆12的总轴向阻力负荷GA+IA。
类似的是，图3示出了连杆在其旋转-平移运动中(通过支柱)传输到十字头以动态平衡在气缸26的腔室36和38内所产生的力GA和惯性力IA的法向分量(分别以GN1、GN2和IN表示)，亦即这些分量垂直于活塞22的运动方向。总法向负荷GN+IN因此施加到分别在轨道18和20上彼此面对的十字头14的对置滑瓦40和42上(图4)。
在惯性力IA显著小于气体产生的总力GA的情况下，例如当轴的角速度相当低时，负荷的法向分量GN+IN的矢量在压缩机的操作循环期间具有主模量，从而确定可忽略不计的负荷逆变(inversion)或零负荷逆变。“负荷逆变”的意思是在十字头14的支柱16处从压缩负荷到牵引负荷的转换。此类现象允许润滑油在滑瓦40和42与各自的轨道18和20之间有规则地流动。
根据如上所述，在压缩机的操作循环期间，十字头14的两个滑瓦40和42中的一者通常承受比另一者更大的法向负荷。滑瓦之间这种不平衡的负荷状态导致可承受的最大法向负荷下降(由于滑瓦承受的最重负荷条件的限制)，并且因此还导致最大总轴向负荷GA+IA下降，即压缩机的性能下降。
当滑瓦40和42的表面相对于轨道18和20快速滑动时，通过形成在壁18和20本身上的适当的进入孔44、46所供应的润滑油覆盖所有接触表面，充满了它们之间的所有空间。从流体动力学和流体静力学的角度上讲，仅当运动构件的表面由均匀的润滑层完全隔开时，才真正可能存在正确的润滑，避免了表面本身之间的金属接触。
另一方面，当在十字头14的往复运动期间出现低速和/或高法向负荷操作状态时，滑瓦40和42不会通过它们所设有的各自的表面凹槽48和50(图5A和图5B)分配足够的油以形成足够厚的润滑层来使曲柄机构正常操作。在此类操作状况下，构件之间的摩擦增加，造成发热，致使润滑油的温度升高。
这导致油粘度降低并因此还导致油本身尽可能均匀地自行分布在接触表面上的性能降低。在最临界的状况下，表面甚至可能停住不动。
因此，根据本发明，与根据图5A和图5B所示的现有技术的对称构造中的情形相比，十字头14的两个滑瓦中的一者40配备有用于与轨道18和20进行接触的表面，该表面的形状和/或尺寸与相对的滑瓦42的接触表面不同。
更精确而言，根据图6A和图6B所示的实施例，两个滑瓦40和42均具有面积彼此不同的接触表面，该接触表面具有相等数目的相应的表面凹槽48和50，这些表面凹槽用于分配油并且沿各滑瓦40和42的表面具有相同的布置。
作为备选，根据图7A和图7B所示的实施例，两个滑瓦40和42均具有面积相同的表面，该表面具有相等数目的相应的表面凹槽48和50，这些表面凹槽用于分配油但沿各滑瓦40和42的表面具有不同的布置。
作为又一个备选方案，参照图8A和图8B中所示的实施例，两个滑瓦40和42均具有面积相同的表面，该表面具有不同数目的用于分配油的相应表面凹槽48和50，这些表面凹槽48和50沿各滑瓦40和42的表面具有相同的布置。
十字头14的上滑瓦40和下滑瓦42之间在形状和/或尺寸方面的差异引起在滑瓦40和42本身的相应表面上产生不同的加压油流体静力学和流体动力学支承负荷，如图6A至图8B的力图所示，以便能够平衡施加在压缩机曲柄机构上的外部负荷变化。
最后，图9示出了能够通过在十字头14的轨道18和20上形成的进入孔44、46传送润滑油的系统。如前文所述，油形成润滑层，当滑瓦40和42受到在气缸26内的气体压力和在往复运动中的机件惯性力两者所产生的总力的法向分量GN+IN时，该润滑层支承滑瓦40和42。
润滑系统包括至少一个油箱52，其设置有将油本身的温度保持在最佳温度范围内以便实现压缩机的正确润滑的加热装置54。在容器52的下游，将见到排油泵56(设置有相关安全阀)，其由电动机58控制并且能够增加油本身的压力。
通过用于控制压力的阀60(所谓的FC或“故障关闭”阀)，调节和限制最大油压值。阀60的操作通过压力传输器62和用于控制压力的装置64进行操控，以便根据作用在压缩机曲柄机构上的法向负荷的大小来调节润滑油的压力。
受阀60限制的多余油量被重新引导到容器52中，而用于润滑的油则经过水冷却器66。在油已冷却下来后，将其传送到过滤器68，以便在通过孔44和46进入滑瓦40和42与相应轨道18和20之间的间隙之前将可能的杂质去除。油连续地流经所述间隙并且出去的油被回收，并通过合适的返回管道往回传送到容器52。
因此可看出，根据本发明的用于往复式压缩机、主要但非排它性地用于双作用类型压缩机的曲柄机构实现了前文所强调的目的。具体而言，十字头滑瓦和相关支承部件的特殊几何形状以及调节进入压缩机的润滑油压力的可行性允许临界的润滑状态得以避免。使用适当的动态流体计算软件获得的数值计算表明，适当选择上述十字头滑瓦的尺寸和形状特征确保了润滑油层对于各种各样的机器操作状况而言足够厚。
因此认为在任何情况下都可对根据本发明的用于往复式压缩机的曲柄机构作出许多修改和变型，所有这些修改和变型都由相同的发明理念所涵盖；此外，所有细节都可由技术上等同的元件所代替。在实施中所用的材料以及形状和尺寸可根据技术要求而为任意的。
因此，本发明的保护范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种用于往复式压缩机的曲柄机构，所述曲柄机构为适合于将所述压缩机的活塞(22，22A，22B)的杆(24，24A，24B)固定地连接到曲柄轴(10)的类型，所述曲柄机构包括至少一个十字头(14)，所述十字头(14)在操作上通过连杆(12)连接到所述曲柄轴(10)以及连接到所述杆(24，24A，24B)，在至少两个对置的轨道(18，20)内往复运动，所述十字头(14)还设置有分别面向所述轨道(18，20)的至少两个对置的滑瓦(40，42)，其特征在于，所述滑瓦中的一者(40)配备有用于与所述轨道(18，20)相接触的表面，所述表面相对于相对的滑瓦(42)的接触表面具有不同的形状和/或尺寸。
2.根据权利要求1所述的曲柄机构，其特征在于，所述对置的滑瓦(40，42)的各接触表面均设置有适合于在所述对置的滑瓦(40，42)与所述轨道(18，20)之间分配润滑流体的一个或多个表面凹槽(48，50)。
3.根据权利要求2所述的曲柄机构，其特征在于，所述对置的滑瓦(40，42)中的各个滑瓦均具有相对于彼此面积不同的接触表面，所述接触表面具有相等数目的相应表面凹槽(48，50)，以及所述表面凹槽(48，50)沿所述对置的滑瓦(40，42)中的各个滑瓦的接触表面具有相同的布置。
4.根据权利要求2所述的曲柄机构，其特征在于，所述对置的滑瓦(40，42)均具有面积相同的接触表面，所述接触表面具有相等数目的相应表面凹槽(48，50)，以及所述表面凹槽(48，50)沿所述对置的滑瓦(40，42)中的各个滑瓦的接触表面具有不同的布置。
5.根据权利要求2所述的曲柄机构，其特征在于，所述对置的滑瓦(40，42)均具有面积相同的接触表面，所述接触表面具有不同数目的相应表面凹槽(48，50)，以及所述表面凹槽(48，50)沿所述对置的滑瓦(40，42)中的各个滑瓦的接触表面具有相同的布置。
6.一种设置有至少一个双作用类型气缸(26)的往复式压缩机，包括至少一个根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的曲柄机构。
7.一种设置有至少两个彼此对置的单作用类型气缸(26A，26B)的往复式压缩机，包括至少一个根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的曲柄机构。
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