CN110145462B - 一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构及方法，通过在气缸外壁开设有传感器安装孔，将传感器固定于气缸外壁上，传感器安装孔内设有连通气缸内的引压孔，传感器前端与气缸外壁之间形成测压空间，测压空间体积与引压孔体积之和小于环隙空间体积的百分之五，根据开孔补强的方法在待测活塞环的气缸缸壁上开设用于测量活塞环环隙的引压孔，引压孔开孔位置满足活塞在每个运动过程中每道活塞环环隙覆盖检测到的原则；在引压孔内安装传感器，利用安装于气缸外壁上的传感器测量气缸内的环隙压力，本装置结构简单，测量结果准确，传感器安装在静止的气缸上，引线不需要从压缩机内部引出，活塞运动过程中引线无弯折。

Description

一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构及方法

技术领域

本发明属于无油润滑压缩机技术领域，涉及一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构及方法。

背景技术

自润滑活塞环是无油润滑压缩机气缸与活塞实现密封作用的主要密封原件，是影响压缩机热力性能和长周期运转可靠性的关键部件。活塞环的磨损与密封情况主要由环隙压力决定，特别是在高压、微型、无油润滑的情况下，有必要通过监测环隙压力来推断活塞环的承压情况以及压力分配是否均匀，进而判定活塞环的密封情况与使用寿命。微型压缩机是指容积流量小于1m³/min的压缩机，该值与排气压力、温度、压缩机转速、行程等因素有关，并需折算到标准状况下。通常微型压缩机的末级气缸直径不会超过100mm(低压压缩机，高压压缩机则不会超过60mm)。同时，在气缸直径大于100mm时可以采用常规方法将传感器装入活塞内部，在气缸直径小于20mm时可能导致本方案传感器引压孔的余隙过大影响测量。

环隙压力的测量存在很大难度，为了实现动态压力的测量，现在已有的手段是把活塞做成中空的结构，在活塞环岸的部分打通孔，从活塞内部安装传感器，具体测量图如图5所示，这种测量方法对于高压无油润滑的气缸主要存在以下几个问题：

现有的微型传感器一般只能测量小于1Mpa的压力值，能够用于高压压力测试的小型传感器最小也需要M5螺纹孔*25mm长度的空间，这就要求活塞直径和气缸直径必须足够大能将传感器放入，再加上传感器安装需要留出扳手空间，可知满足实验测试条件的气缸需要150mm的缸径，对于排气压力达10Mpa以上的高压气缸来说，此时活塞杆承受的气体力非常大，将直接导致电机功率的增大和成本的剧增；

传感器安装在活塞上即传感器随着活塞运动，同时传感器的引线需要从机器内部引出，高压的往复式压缩机转速大概在800转/分左右，这意味着传感器引线每秒钟需要弯折约26次，非常容易损坏；

有人提出了使用组合式活塞和气缸倒极差的结构形式如图6，能够避免传感器引线的弯折，并且在一定程度上减小气缸的缸径。但是对于高压气缸来说，组合式活塞和倒极差的复杂结构又会带来泄漏通道的增加引起严重的泄漏问题，同时对于直径只有二三十毫米的微型高压气缸来说，尺寸放大带来的放大效应可能导致在大尺寸气缸中测量得到的压力与实际使用的微型气缸内的压力不同。

综上，对于高压、微型的无油润滑压缩机，急需一种能够测量其活塞环环隙压力的测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构及方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构，包括气缸、传感器、活塞环、导向环和活塞，导向环和活塞安装于气缸内，活塞环安装于活塞上，传感器固定于气缸外壁上，气缸外壁开设有传感器安装孔，传感器安装孔内设有连通气缸内的引压孔，传感器前端与气缸外壁之间形成测压空间，测压空间体积与引压孔体积之和小于环隙空间体积的百分之五。

进一步的，气缸外壁安装四个传感器，其中最上端传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，最下端传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应，最上端传感器安装位置和最下端传感器安装位置之间安装两个传感器。

一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，以下步骤：

步骤1)、根据开孔补强的方法在待测活塞环的气缸缸壁上开设用于测量活塞环环隙的引压孔，引压孔开孔位置满足活塞在每个运动过程中每道活塞环环隙覆盖检测到的原则；

步骤2)、在引压孔内安装传感器，同步获取活塞运动P-V图和各点对应时刻压力检测值，得到的压力-转角-传感器序号的关系编程进行数据分析。

进一步的，根据P-V图计算压缩机进气、压缩、膨胀和排气过程的活塞运动位置，确定活塞四个运动过程中活塞环的位置，按照每个过程每道活塞环环隙都需要检测到的原则，在气缸外壁标注传感器安装点，气缸外壁安装四个传感器，其中最上端传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，最下端传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应，最上端传感器安装位置和最下端传感器安装位置之间安装两个传感器。

进一步的，在气缸外壁安装四个传感器，其中第一个传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，第二个传感器安装位置与活塞排气过程终了时最后一个环隙位置对应，第三个传感器安装位置与活塞膨胀过程终了时最后一个环隙位置对应，第四个传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应。

进一步的，传感器按照螺旋线沿轴向和周向排布，相邻两个传感器在周向上间隔90°。

进一步的，根据压缩机的结构参数和热力过程参数估算待测活塞环每一道环隙的压力和温度，以确定需要的传感器测压范围，保证传感器的压力和温度不超限。

进一步的，采用自润滑活塞环泄漏模型，通过龙格库塔法迭代求解，具体通过以下公式计算：

P为环隙的压力，A为活塞环与柱塞、缸壁组成的节流口面积，T为环隙温度，V为环隙容积，k为过程指数(由压缩机技术手册查得)，n为压缩机转速，Rg为气体常数，Kc为逸放系数，下标i表示对应所求环隙的参数，i+1为下一个环隙，i-1为上一个环隙的对应参数；

利用上述公式迭代可得所求环隙的压力p随曲轴转角ψ的变化曲线，该曲线的峰值范围即为传感器的测压范围。

进一步的，根据传感器螺纹大小和活塞环环隙的体积比关系，确定引压孔大小和传感器测压面前的空隙大小；

(V_引压孔+V_测压空间)/V_环隙<5％；

V_引压孔为引压孔体积，V_测压空间为测压空间体积，V_环隙为环隙空间体积。

进一步的，利用有限元模型中逐渐增大凸台直径进行模拟，使开孔后气缸壁上开孔处的应力最大值小于气缸材料的许用应力，得到满足开孔条件的最小凸台直径。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构，通过在气缸外壁开设有传感器安装孔，将传感器固定于气缸外壁上，传感器安装孔内设有连通气缸内的引压孔，传感器前端与气缸外壁之间形成测压空间，测压空间体积与引压孔体积之和小于环隙空间体积的百分之五，利用安装于气缸外壁上的传感器测量气缸内的环隙压力，本装置结构简单，测量结果准确，传感器安装在静止的气缸上，引线不需要从压缩机内部引出，活塞运动过程中引线无弯折。

本发明一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，根据开孔补强的方法在待测活塞环的气缸缸壁上开设用于测量活塞环环隙的引压孔，引压孔开孔位置满足活塞在每个运动过程中每道活塞环环隙覆盖检测到的原则；在引压孔内安装传感器，同步获取活塞运动P-V图和各点对应时刻压力检测值，得到的压力-转角-传感器序号的关系编程进行数据分析。将传感器安装在气缸外部且利用活塞环泄漏模型和P-V图计算出传感器在气缸外部的布置位置，即可利用较少的传感器个数，在不影响环隙压力分布，不改变气缸结构的情况下，精确测得了微型压缩机的环隙压力，实现了微型高压无油润滑压缩机的活塞环环隙压力的测量，不需要放大气缸尺寸进行实验，直接在实际使用的压缩机气缸上测量，避免了尺寸放大带来的误差。测量方法简单，无需改装活塞及压缩机内部结构，不引入新的测试变量。

进一步的，最上端传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，最下端传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应，最上端传感器安装位置和最下端传感器安装位置之间安装两个传感器，能够实现活塞在运动过程中所有运动进程上环隙压力的测量。

进一步的，传感器按照螺旋线沿轴向和周向排布，相邻两个传感器在周向上间隔90°，减小气缸开孔压力，确保传感器安装稳定。

进一步的，根据压缩机的结构参数和热力过程参数估算待测活塞环每一道环隙的压力和温度，以确定需要的传感器测压范围，保证传感器的压力和温度不超限，能够选择准确传感器，提高测量精准度。

进一步的，根据传感器螺纹大小和活塞环环隙的体积比关系，确定引压孔大小和传感器测压面前的空隙大小，当测压空间体积与引压孔体积之和小于环隙空间体积的百分之五时，气缸壁上的引压孔不影响气缸内环隙压力变化，不影响气缸正常工作。

附图说明

图1为本发明测量方法原理示意图。

图2为本发明测量方法传感器布置俯视图。

图3为本发明测量方法活塞运动传感器布置位置图。

图4为本发明测量方法传感器布置局部放大图。

图5为现有活塞内部安装传感器测量原理图。

图6为倒极差的结构形式测量图。

其中，1—气缸；2—传感器；3—活塞环；4—导向环；5—活塞；6-环隙空间；7-测压空间；8-引压孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构，包括气缸1、传感器2、活塞环3、导向环4和活塞5，导向环4和活塞5安装于气缸1内，活塞环3安装于活塞5上，传感器2固定于气缸1外壁上，气缸1外壁开设有传感器安装孔，传感器安装孔内设有连通气缸1内的引压孔8，传感器2前端与气缸1外壁之间形成测压空间7，测压空间7体积与引压孔8体积之和小于环隙空间体积的百分之五；

一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，包括以下步骤：

步骤1)、根据开孔补强的方法在待测活塞环的气缸缸壁上开设用于测量活塞环环隙的引压孔8，引压孔8开孔位置满足活塞在每个运动过程中每道活塞环环隙覆盖检测到的原则；

步骤2)、在引压孔8内安装传感器，同步获取活塞运动P-V图和各点对应时刻压力检测值，得到的压力-转角-传感器序号的关系编程进行数据分析。根据活塞的结构尺寸和曲轴转角计算活塞运动过程中活塞环隙通过一个固定测点的时间点，得出不同转角、不同传感器对应测量的环隙的压力关系；根据P-V图可以知道不同的曲轴转角对应的活塞运动位置。

具体的，根据P-V图计算压缩机进气、压缩、膨胀和排气过程的活塞运动位置，确定活塞四个运动过程中活塞环的位置，按照每个过程每道活塞环环隙都需要检测到的原则，在气缸外壁标注传感器安装点；气缸外壁安装四个传感器，其中最上端传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，最下端传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应；

本申请以活塞竖直运动方向定义环隙位置，活塞最上端的环隙为第一环隙位置，活塞最下端的环隙为最后一个环隙位置；本申请在气缸外壁安装四个传感器，其中第一个传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，第二个传感器安装位置与活塞排气过程终了时最后一个环隙位置对应，第三个传感器安装位置与活塞膨胀过程终了时最后一个环隙位置对应，第四个传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应；

根据活塞的结构尺寸和曲轴转角计算活塞运动过程中活塞环隙通过一个固定测点的时间点，得出不同转角、不同传感器对应测量的环隙的压力关系；根据P-V图可以知道不同的曲轴转角对应的活塞运动位置；曲轴转角代表时间，而通过活塞位置则可以知道1-4号传感器分布测得的环隙的压力；

按照开孔补强的方法，确定安装传感器的气缸壁处的凸台大小或对气缸缸壁厚度的要求；

根据压缩机的结构参数和热力过程参数估算待测活塞环每一道环隙的压力和温度，以确定需要的传感器测压范围，保证传感器的压力和温度不超限；

具体估算方法：采用自润滑活塞环泄漏模型，通过龙格库塔法迭代求解，具体通过以下公式计算：

P为环隙的压力，A为活塞环与柱塞、缸壁组成的节流口面积，T为环隙温度，V为环隙容积，k为过程指数(由压缩机技术手册查得)，n为压缩机转速，Rg为气体常数，Kc为逸放系数，下标i表示对应所求环隙的参数，i+1为下一个环隙，i-1为上一个环隙的对应参数；

利用上述公式迭代可得所求环隙的压力p随曲轴转角ψ的变化曲线，该曲线的峰值范围即为传感器的测压范围。

如图4所示，在气缸壁上开设引压孔8，引压孔8体积V_引压孔，传感器安装后与气缸壁之间形成测压空间7；根据传感器螺纹大小和活塞环环隙的体积比关系，按照减小节流效应的原则取引压孔和测压空间的余隙容积小于环隙体积的5％，确定引压孔大小和传感器测压面前的空隙大小；

(V_引压孔+V_测压空间)/V<5％

V_引压孔为引压孔体积，V_测压空间为测压空间体积，V为环隙容积；

以在气缸缸壁上所打的通孔和螺纹孔不影响气缸强度为原则，按照开孔补强的方法，确定安装传感器的气缸壁处的凸台大小或对气缸缸壁厚度的要求：

首先在气缸壁上打孔会产生应力集中，利用有限元软件分析，给气缸模型施加压力边界条件后，应力在开孔周边会急剧增大，而在需要开孔的位置焊接一个凸台，再在凸台上打孔会减小开孔处的应力集中；利用有限元模型中逐渐增大凸台直径进行模拟，直到气缸壁上开孔处的应力最大值小于气缸材料的许用应力，此时的凸台直径就是满足条件的尺寸；

传感器按照螺旋线沿轴向和周向排布，周向上间隔90°，轴向上以每道环隙每个过程都有采样点为原则；

下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：

以一个微型无油润滑压缩机的四级气缸环隙压力测量方法来进行举例说明。

该四级缸的进排气压力分别为6.5Mpa、25Mpa，行程30mm，曲轴转速750rpm，气缸内径为20mm，满足测压量程的微型传感器无法放入直径20mm的气缸内部。因此需要按照本发明方法进行环隙压力的测量。

1.利用压缩机活塞的结构参数可以算出活塞环的环隙容积为3.15×10^-7m³，泄露通道的开口面积为1.5×10^-6m²，根据上述泄露模型编程迭代，可以得出各环隙的压力分布情况，从而得出每个环隙随曲轴转角变化可能出现的环隙压力最大值依次为15.4Mpa、12.6Mpa、11.7Mpa、11.5Mpa，根据上述压力值和气缸内排气过程的最大温度值，可以得出对传感器补偿温度和测压量程的要求为130℃、17Mpa和30Mpa，从而选择传感器为三个kulite-XTME-190S(M)(170bar量程)，一个kulite-XTME-190S(M)(350bar量程)。

2.根据上述计算做出的P-V图，2πrad为一个周期，可以得出排气、膨胀、吸气、压缩四个过程分别对应曲轴转角的0.64—1.57rad、1.57—2.94rad、2.94—4.71rad、4.71—0.64rad，对应过程的活塞运动开始时位置与上止点的距离分别为6.09mm、0、12.28mm、30.60mm。该活塞采用两道导向环、五道自润滑活塞环的结构，因此需要采样的区间仅为五道密封环的上一个环隙，该区间长度为13mm。按照每道环隙每个过程都需要有采样点的原则，可以确定四个传感器的布置位置分别距离上止点13.3mm、19.78mm、32.28mm、37.78mm。

3.所选传感器测压面为M5螺纹孔，缸壁上开φ1mm、长度为2mm的引压孔，测压面面留0.5mm空间，可以算出余隙空间为1.57×10^-8m³，余隙与所测环隙容积的比例为5％。

4.该传感器螺纹长度为11.1mm，四级气缸壁厚为7mm，因此需要在气缸壁上传感器安装的位置先焊一个高6.5mm的凸台，再在凸台上钻M5螺纹孔，根据气缸壁材料的许用应力，利用有限元软件模拟可得补强范围，即凸台的直径。

5.传感器按照螺旋线沿轴向和周向排布，进行实验测量。

Claims (7)

1.一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量结构，其特征在于，包括气缸(1)、传感器(2)、活塞环(3)、导向环(4)和活塞(5)，导向环(4)和活塞(5)安装于气缸(1)内，活塞环(3)安装于活塞(5)上，传感器(2)固定于气缸(1)外壁上，气缸(1)外壁开设有传感器安装孔，传感器安装孔内设有连通气缸(1)内的引压孔(8)，传感器(2)前端与气缸(1)外壁之间形成测压空间(7)，每一个测压空间(7)体积与引压孔(8)体积之和小于与该测压空间(7)体积与引压孔(8)对应的一个环隙容积的百分之五，气缸(1)外壁安装四个传感器，其中最上端传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，最下端传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应，最上端传感器安装位置和最下端传感器安装位置之间安装两个传感器，其中一个传感器安装位置与活塞排气过程终了时最后一个环隙位置对应，另一个传感器安装位置与活塞膨胀过程终了时最后一个环隙位置对应，传感器按照螺旋线沿轴向和周向排布，相邻两个传感器在周向上间隔90°。

2.一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，其特征在于，以下步骤：

步骤1)、根据开孔补强的方法在待测活塞环的气缸缸壁上开设用于测量活塞环环隙的引压孔，引压孔开孔位置满足活塞在每个运动过程中每道活塞环环隙覆盖检测到的原则；

步骤2)、在引压孔内安装传感器，同步获取活塞运动P-V图和各点对应时刻压力检测值，得到的压力-转角-传感器序号的关系编程进行数据分析；根据传感器螺纹大小和活塞环环隙的体积比关系，按照减小节流效应的原则取每一个测压空间体积与引压孔体积之和小于与该测压空间体积与引压孔对应的一个环隙容积的5％，确定引压孔大小和传感器测压面前端测压空间的空隙大小，测压空间指传感器前端与气缸外壁之间形成的空间；

(V_引压孔+V_测压空间)/V＜5％；

V_引压孔为引压孔体积，V_测压空间为测压空间体积，V为环隙容积；利用有限元模型中逐渐增大凸台直径进行模拟，使开孔后气缸壁上开孔处的应力最大值小于气缸材料的许用应力，得到满足开孔条件的最小凸台直径；确定满足开孔条件的最小凸台直径的具体步骤：首先在气缸壁上打孔会产生应力集中，利用有限元软件分析，给气缸模型施加压力边界条件后，应力在开孔周边会急剧增大，而在需要开孔的位置焊接一个凸台，再在凸台上打孔会减小开孔处的应力集中；利用有限元模型中逐渐增大凸台直径进行模拟，直到气缸壁上开孔处的应力最大值小于气缸材料的许用应力，此时的凸台直径就是满足条件的尺寸。

3.根据权利要求2所述的一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，其特征在于，根据P-V图计算压缩机进气、压缩、膨胀和排气过程的活塞运动位置，确定活塞四个运动过程中活塞环的位置，按照每个过程每道活塞环环隙都需要检测到的原则，在气缸外壁标注传感器安装点，气缸外壁安装四个传感器，其中最上端传感器安装位置与活塞压缩过程终了时第一个环隙位置对应，最下端传感器安装位置与活塞吸气过程终了时第一个环隙位置对应，最上端传感器安装位置和最下端传感器安装位置之间安装两个传感器。

4.根据权利要求3所述的一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，其特征在于，最上端传感器安装位置和最下端传感器安装位置之间的两个传感器，其中一个传感器安装位置与活塞排气过程终了时最后一个环隙位置对应，另一个传感器安装位置与活塞膨胀过程终了时最后一个环隙位置对应。

5.根据权利要求3或4所述的一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，其特征在于，传感器按照螺旋线沿轴向和周向排布，相邻两个传感器在周向上间隔90°。

6.根据权利要求2所述的一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，其特征在于，根据压缩机的结构参数和热力过程参数估算待测活塞环每个活塞环环隙的压力和温度，以确定需要的传感器测压范围，保证传感器的压力和温度不超限。

7.根据权利要求6所述的一种微型无油压缩机活塞环环隙压力的测量方法，其特征在于，估算方法采用自润滑活塞环泄漏模型，通过龙格库塔法迭代求解，具体通过以下公式计算：

P为环隙的压力，A为活塞环与柱塞、缸壁组成的节流口面积，T为环隙温度，V为环隙容积，k为过程指数，n为压缩机转速，Rg为气体常数，Kc为逸放系数，下标i表示对应所求环隙的参数，i+1为下一个环隙，i-1为上一个环隙的对应参数；

利用上述公式迭代可得所求环隙的压力p随曲轴转角ψ的变化曲线，该曲线的峰值范围即为传感器的测压范围。

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