CN107923376A

CN107923376A - 往复式活塞压缩机、用于往复式活塞压缩机的备件套装和连接杆在往复式活塞压缩机中的应用

Info

Publication number: CN107923376A
Application number: CN201580082537.XA
Authority: CN
Inventors: B·弗雷费尔
Original assignee: Haug Shaw Compressor Co
Current assignee: Haug Shaw Compressor Co
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: US20180245574A1; EP3337976A1; US10590922B2; CN107923376B; HK1247263A1; JP6758379B2; BR112018002996A2; JP2018526581A; WO2017028923A1

Abstract

本发明涉及具有曲轴壳体(10)的往复活塞压缩机(100)。该往复活塞压缩机(100)包括曲轴(11)、连杆(12)和十字头(13)。十字头(13)和活塞(23)借助连接杆(24)彼此有效连接。连接杆(24)固定地夹紧在十字头(13)上和活塞(23)上。

Description

往复式活塞压缩机、用于往复式活塞压缩机的备件套装和连接杆在往复式活塞压缩机中的应用

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求前序部分所述的往复式活塞压缩机、用于往复式活塞压缩机的备件套装和固定夹紧的连接杆在往复式活塞压缩机中的应用。

背景技术

由现有技术已知各种类型的往复式活塞压缩机。通过WO 98/31936例如已知根据止转轭原理(Scotch-Yoke-Prinzip)/交叉曲柄磨削原理(Kreuzkurbelschleifenprinzip)的往复式活塞压缩机。该活塞式压缩机在其壳体中具有曲轴，曲轴使轭上下运动。在轭和压缩活塞之间设有连接杆。连接杆铰接地与轭且与活塞连接。连接杆在其端部上具有球面部分，该球面部分使连接杆能够在轭上以及在活塞上滚动运动。DE 2032434同样公开了根据止转轭原理的往复式活塞压缩机。在此，活塞杆借助套筒夹紧在引导活塞上。

该装置的制造很昂贵，且小的几何结构的实现很复杂。

发明内容

本发明的目的是，避免现有技术的缺点且尤其是提供一种简单的、少维护的且有利的连接杆，用于连接往复式活塞压缩机的活塞与往复式活塞压缩机的十字头。尤其是要提供一种应用在具有传统的曲轴传动的活塞式压缩机中的连接杆。

该目的以及其他目的通过在独立权利要求中限定的装置实现。其他的实施方式由从属权利要求给出。

根据本发明的往复式活塞压缩机具有曲轴壳体。该往复式活塞压缩机包括曲轴和布置在其上的至少一个连杆。连杆与十字头有效连接。十字头构造成引导活塞。通常连杆与十字头铰接连接。往复活塞压缩机包括至少一个缸和可运动地布置在缸中的活塞。十字头和活塞借助连接杆彼此有效连接。连接杆在十字头上与固定的第一夹紧部连接且在活塞上与固定的第二夹紧部连接。

十字头是在基本上直线运动的连接杆和连杆之间的联接元件，在此，十字头消除连杆的摆动运动。在十字头之上基本上仅为直线运动。

在此以及在以下所提及的上面是指朝向活塞的压缩室的方向，下面是指朝向曲轴或曲轴壳体的方向。

在此，固定的夹紧部是指自由度f＝0的连接。

在十字头上的固定的夹紧部和在活塞上的固定的夹紧部使得能够实现无间隙的连接。此外，这种连接可简单地建立且不同部件的数量可以保持在很少。

由此可以将连接杆构造成，使得连接杆可以在最小活塞横向力下允许十字头和活塞之间的轴心差。

优选地，活塞侧的夹紧部位于活塞之内，优选在活塞的重心中，且特别优选在活塞的朝向曲轴的下部三分之一处。

由此，可在夹紧部之上或之下吸收侧向力。这有利于在夹紧部上的力走向。

尤其可想到，将至少一个固定的夹紧部构造成压合座(Presssitz)。可替代地，例如还可想到螺旋连接。

对于压合座优选将夹紧部构造成，配合部的圆柱形容纳部的长度与直径的比例为1.5:1，优选为2:1，特别优选为至少2.5:1。因此可提供稳固的连接。

但是也可将夹紧部中的至少一个实施成具有螺纹。对此可想到，相应地在连接杆上设置外螺纹。在此，活塞以及十字头具有包括相应内螺纹的盲孔。但是也可想到，将盲孔设置在连接杆上且由此交换外螺纹和内螺纹的设置。

连接杆可具有用于十字头的第一联接区域和用于活塞的第二联接区域。

该连接区域使得能够实现连接杆的与相应构件(活塞/十字头)相协调的造型。

连接杆在第一联接区域和第二联接区域之间可具有横截面恒定的区段(下面称为中间区段)。

由此可提供一种连接杆，该连接杆在联接区域之间具有的特性与联接区域的特性不同。在此，可这样选择横截面，即，例如可在中间区段出现限定的变形。同样可能的是，由此在损坏的情况下或在整个压缩机过载的情况下减轻联接区域的负荷。

两个联接区域中的至少一个可具有横截面减小的区域以形成固体铰接件。

在此，联接区域可以一方面根据用于联接在活塞上或十字头上的前提条件实施成模制的区域。在该区域中的横截面减小或直接紧接在该区域上，例如在该区域和中间区域中允许有弹性弯曲或弹性屈曲和/或在中间区段和相应的联接区域之间的角度变化。

由此可补偿位置不精确性或角度误差。位置不精确性尤其会由于十字头磨损而出现，在此，尤其是十字头的引导区域会经过一段运行时间而具有一定的磨损。

由此同样可能的是，在联接区域之间的区段，即中间区段由于联接区域的变形或强度而脱开。对此可能的是，基本上与联接区域无关地构造该中间区段。

优选在使用计算机辅助的方法，例如有限元法的情况下计算联接区域，在此，可考虑所有的几何结构和负荷。在构造连接杆时联接区域中没有横截面减小的方案中，在连接杆在装入状态下受到负荷时沿纵向方向得到根据欧拉4的屈曲情况，在一个联接区域中具有横截面减小的情况下得到根据欧拉3的屈曲情况且在两个联接区域中具有横截面减小的情况下得到欧拉2的屈曲情况。

优选将十字头构造成引导活塞，即，十字头通过连杆驱动而在圆柱形孔之内上下运动，或可上下运动。引导活塞优选具有的直径与长度的比为1比1。优选地，十字头的长度大于直径。

这同样能够实现有利的力分布，减小了侧向力。

优选如此确定连接杆直径和长度的尺寸，即，使由第一夹紧部相对于第二夹紧部在横向于缸的中央轴线上的最大偏差得出的横向力不超过预定的临界横向力。该偏移最大为活塞直径的3％和/或优选最大为0.5mm。得出的临界横向力最大为活塞力的1/200且优选不超过20牛顿。活塞力是在根据本发明的运行中施加到活塞底部上的力。

在此，例如十字头和活塞以及相应还有各个夹紧部可同样具有中央轴线，中央轴线与缸的轴线共线或基本共线。

对此可能的是，例如由于制造误差或安装不准确性或由于磨损和磨耗产生存在的共线性偏差或错位。该偏差例如可出现在活塞轴线和第一夹紧部、第一或第二夹紧部之间和/或第二夹紧部和十字头之间。这种移位/或偏差的结合或叠加同样是可能的。

所有偏差的组合应最大为活塞直径的3％。在此出现的横向力不应超过上述临界值。

因此，如此选择活塞杆的直径和长度，使得遵循最小的边界条件。可以轻松地最终计算出力。由此可以得出预期的使用寿命。同样可能确定，例如什么时候需要检查或更换磨损件。

往复式活塞压缩机的缸可具有引导区段和压缩区段。这使得能够以例如不同的表面特性和/或对于各个区段不同的特性来制造缸。

压缩区段可构造成由多个部分组成，在此，压缩区段优选包括缸头部、中间部分和缸底脚。

这一方面使得能够以例如对于各个区域不同的特性制造压缩区段。同样能够在出现相应磨损时仅更换单个部件。例如在此可能与连接杆相关的相对高的公差可以允许压缩区段以多个部分制成。随着每个必须制造的额外元件，使总公差提高。在此所述的连接杆能够以较高程度补偿这种公差。

压缩区段的中间部分可具有衬套。

由此可额外地调节在压缩区段中的期望的滑动特性。在活塞和缸之间同样可设置滑动层以减小摩擦。同样为了减小摩擦，滑动层可设置在十字头和缸之间。代替在十字头上的滑动层，可设置引导环。对此，相应的滑动层可构造在活塞上或十字头上或缸的相应区域上。这能够减小摩擦力。这尤其是在活塞式压缩机中是有利的，活塞式压缩机构造成无油的干式运行的压缩机。

此外，通过相应的滑动层减小了在活塞上的和/或在缸上的和/或在十字头上的磨损。

往复式活塞压缩机可为空气冷却或水冷却的。因此，可以有不同的应用区域。

优选地，往复活塞压缩机为干式运行的。干式运行在此是指，至少活塞和引导活塞都未被润滑。即，压缩机在这些区域中是无油的。优选地，压缩机为完全干式运行的，即，完全无油。这意味着，压缩机在曲轴和连杆轴承的区域中也未被润滑。连接杆的尺寸使得活塞和缸的直径能够在非常小的范围内彼此协调，无需额外润滑，从而使磨损和/或侧向力/横向力保持在很低。

可替代地同样可想到油润滑。但是这仅在例如没有对需要压缩的介质的洁净性提出特殊要求时。

干式运行的压缩机实现了无需在压缩之后还要分开过滤出或清洁出过程气体的压缩工艺，或相比于经润滑而运行的压缩机实现了在过程气体中的污染颗粒含量明显降低的压缩工艺。

本发明的另一方面涉及用于往复式活塞压缩机、优选用于此处所述的往复式活塞压缩机的备件套装。该备件套装包括连杆、十字头、活塞以及连接杆。十字头和活塞借助连接杆彼此可形成有效连接。十字头和活塞借助连接杆与固定的夹紧部连接或可连接。优选地，十字头和活塞分别具有用于连接杆的固定的夹紧部的容纳部。

这实现了对现有往复活塞压缩机的改装。同样能够在维护或维修时通过备件套装中的部件来替换传统往复活塞压缩机的磨损件，且因此在整体上更新往复活塞压缩机。

可以为备件套装额外地提供完整的缸。对此，缸可如此处所述由多个单个部件构成。

相对于现有技术，取消额外的用于连接各个元件的单个部件例如使得能够减小压缩过程气体或待压缩的介质的活塞的直径。借助固定的夹紧的连接杆降低了固定件的数量。即使横截面非常小也可在活塞上提供固定连接。

往复活塞压缩机和/或由活塞、十字头和连接杆组成的组件如此处所述地尤其是在使用高压时、尤其是在压缩工艺气体，例如空气、氮气、氧气、二氧化碳、一氧化碳、天然气、氢气、制冷剂气体、SF6混合物、氦气和其他稀有气体时是有利的。这种往复式活塞压缩机可构造成多级的。

附图说明

以下根据附图所示实施例详细描述本发明。其中，

图1示出了根据本发明的具有四个缸的往复式活塞压缩机；

图2示出了图1中的经剖切的细节视图；

图3a示出了连接杆的细节；

图3b示出了连接杆的细节；

图4示意性地示出了连接杆。

具体实施方式

图1示出了往复式活塞压缩机100。在此，往复式活塞压缩机100具有四个缸，在每个缸中分别有活塞。往复式活塞压缩机100构造成多级的活塞式压缩机。

图2示出了图1中的往复式活塞压缩机100的细节。示出了图1中的往复式活塞压缩机100的高压级的剖视图。

在曲轴箱10中设有曲轴11，连杆12可摆动地支承在该曲轴上。连杆12与十字头13连接。连杆12和十字头13之间的连接实施成铰接式的螺栓连接(Bolzenverbindung)。在该连接上设置了相应的轴承(在此未详细示出)。十字头13构造成具有圆形横截面的活塞。在十字头13上面设有开口，连接杆24借助夹紧部A夹紧在该开口中。连接杆24同样在活塞23上借助夹紧部B固定地夹紧。活塞23同样具有相应的开口。在连接杆24的两侧设有联接区域241和242。联接区域241和242过渡到支座(Fuss)中，即，这些联接区域在与活塞联接的区域中或与十字头联接的区域中具有增厚的且在此较厚的横截面。在此，夹紧部A和B构造成压合座。在夹紧部A和B之间，即同样在联接区域241和242之间，连接杆具有中间区段243。与区段241和242相比，该中间区段243的直径减小。

缸20被分成引导区段21和压缩区段22。引导区段21构造成一件式的。十字头13设置在该引导区段中。压缩区段22在此构造成由三个部分组成的。压缩区段22具有缸头部221、中间部分222和缸底脚223。在中间部分222内设有衬套2221，该衬套延伸至缸底脚223中。衬套2221在此由高合金的镍钢制成。可替代地，还可使用硬金属或高强度塑料。优选该材料的热膨胀系数为零或近似为零，且耐磨损。对于活塞23优选使用相同的材料。缸头部221、中间部分222和缸底脚223通过螺栓相对于彼此夹紧。中间部分222具有冷却肋，这些冷却肋用于将热量散发到周围环境中。

活塞23在衬套2221内上下运行且为了减小摩擦而具有滑动层。该滑动层由高强度的增强塑料、在此为PEEK制成。可替代地，还可使用具有碳纤维的PTFE。连接杆24在此构造成，在活塞受到来自压缩室的方向的负荷时出现根据欧拉4的屈曲。该连接杆由高强度的调质钢构成，但是也可以考虑用钛或钛合金。十字头13、连杆12和引导区段21在此由铝制成。但是也可考虑钛及其合金以及钢。

在图3a中示出了图2中连接杆24的一个端部。该连接杆包括至夹紧部A的区域、联接区域241和中间区段243。在中间区段243中连接杆24的直径基本为恒定的。该直径在联接区域241中朝向支座增大，紧接支座设有至夹紧部A的榫头。联接区域241的横截面朝夹紧部A的方向恒定地增大。

与此不同且仅用于比较，在图3b中示出了图3a中的连接杆，其中，连接杆具有包括横截面变窄部2411的联接区域241。该变窄部构造成环绕的并且形成固体铰接件在此变窄部2411位于中间区段243和联接区域241之间，且形成联接区域241朝向中间区段243的联接部。相同的实施方式同样适用于夹紧部B和对应的联接区域242。

图4示意性示出了连接杆24，该连接杆夹紧在活塞23和十字头13中。图中示出了在十字头13和活塞23的中央轴线之间的错位f，该错位例如可由于制造误差而产生。但是，错位f也可经过一段时间才出现。例如在十字头上引导部分可被磨损。该风险例如在干式运行的无油的活塞压缩机中会提高。

对于不同直径和活塞压力(活塞力)的连接杆的示例性计算在下列表格中示出。在此，假设材料的交变弯曲疲劳极限(Biegewechselfestigkeit)为σ＝420N/mm²，屈服极限(Streckgrenze)Re为900N/mm²，弹性模量(E-Modul)为210kN/mm²且最大可能移位f为0.5mm。对于具体的材料常数可计算具体的临界长细比(Grenzschlankheitsgrad)。当前材料的临界长细比为66。在该临界长细比下，屈曲必须根据台特迈尔(Tetmajer)，即以塑性来计算以及根据欧拉在该临界长细比之上，即以弹性来计算。

对于欧拉情况3和4在预先给定恒定的最大可允许的横向力、即不超过一个绝对值的横向力的情况下进行计算。在第二步骤中根据活塞力来计算最大可允许的横向力的百分比并将该值作为基础。

在此，针对活塞力F＝4kn、8kN和12kN进行计算。一方面对于所有活塞力将横向力Q限制在20N，另一方面将该横向力按比例(F/200)用于计算中。

在此，σ_屈曲与σ_压力的比的可靠性应不低于4。

所有计算都可根据台特迈尔来进行。下列直径D、长度L和长细比λ可迭代地得出。

在下表中已经算出应力(Spannungen)，其中，连接杆24的两个联接区域为根据图3a实现的。

在下表中，应力是在假设连接杆24在一侧上具有根据图3a的联接区域且在另一侧上具有根据图3b的联接区域(固体铰接件)的情况下计算出的。

在所选的L和D值下在考虑现有的应力σ_压力和临界的屈曲应力σ_屈曲的情况下得到可靠性S至少为4。当然该计算也可基于特定的、要求的或期望的安全值来进行计算。

Claims

1.一种往复式活塞压缩机(100)，所述往复式活塞压缩机(100)具有曲轴壳体(10)，并且包括：曲轴(11)，在所述曲轴上设有至少一个连杆(12)，所述至少一个连杆与构造成引导活塞的十字头(13)有效连接；至少一个缸(20)和能够在所述缸(20)中运动的活塞(23)，其中，所述十字头(13)和所述活塞(23)借助连接杆(24)彼此有效连接，其特征在于，所述连接杆(24)在所述十字头(13)上与固定的夹紧部(A)连接且在所述活塞(23)上与固定的夹紧部(B)连接。

2.根据权利要求1所述的往复活塞压缩机(100)，其中，所述夹紧部(A)或所述夹紧部(B)中的至少一个实施成压合座。

3.根据权利要求1或2所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述连接杆(24)具有用于所述十字头的第一联接区域(241)和用于所述活塞的第二联接区域(242)。

4.根据权利要求3所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述连接杆(24)在所述第一联接区域(241)和所述第二联接区域(242)之间具有恒定横截面的区段(243)。

5.根据权利要求3或4所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述联接区域(241，242)中的至少一个联接区域具有横截面(2411)减小的区域以形成固体铰接件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述连接杆(24)的直径(D)和长度(L)的尺寸如下确定，即，使由夹紧部(A)的轴线与夹紧部(B)的轴线的偏差得出的横向力不会超过临界横向力，其中，所述偏移最大为活塞直径的3％，或在临界横向力最大为活塞力F的1/200且优选不超过20牛顿时优选不超过0.5mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述缸具有引导区段(21)和压缩区段(22)。

8.根据权利要求7所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述压缩区段(22)构造成由多个部分组成的，优选包括缸头部(221)、中间部分(222)和缸底脚(223)。

9.根据权利要求8所述的往复式活塞压缩机(100)，其中，所述中间部分(222)构造成由多个部分组成的且优选具有衬套(2221)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的往复式活塞压缩机(100)，其特征在于，所述往复式活塞压缩机(100)为空气冷却的。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的往复式活塞压缩机(100)，其特征在于，所述往复式活塞压缩机(100)为水冷却的。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的往复式活塞压缩机(100)，其特征在于，所述往复式活塞压缩机(100)为干式运行的。

13.一种用于往复式活塞压缩机、尤其是根据权利要求1至13中任一项所述的往复式活塞压缩机的备件套装，所述备件套装包括连杆(12)、十字头(13)、活塞(23)以及连接杆，其中，所述十字头(13)和所述活塞(23)能够借助所述连接杆(24)彼此形成有效连接，其特征在于，所述十字头(13)和所述活塞(23)分别具有用于所述连接杆的固定的夹紧部的容纳部。

14.根据权利要求13所述备件套装，所述备件套装包括缸，其中，所述缸优选具有引导区段和压缩区段。