CN112664432B - 一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，曲轴的轴颈上设置有驱动齿轮；驱动齿轮的旁侧啮合连接从动齿轮，从动齿轮上设有转动惯性质量块，从动齿轮通过轴和轴承连接在机壳上。本发明能够达到平衡倾覆力矩，进而大大减小压缩机倾覆振动的目的。

Description

一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构

技术领域

本发明属于动力机械技术领域，具体涉及一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构。

背景技术

传统单级往复式压缩机使用如图1所示的曲柄连杆驱动，在往复式压缩机运行的过程中，活塞会对气缸壁产生侧向力N，其作用点与主轴距离为b，在机器内部构成了一个倾覆力矩M_N，表示为

该力矩作用于机身上，其数值周期性变化。而两列立式往复式压缩机倾覆力矩M_N在一转内的变化如图4所示，倾覆力矩M_N通常认为无法在机器内部获得平衡，属于自由力矩，是造成压缩机振动的主要原因。

当压缩机刚性较差或机壳转动惯量较小时，往往能够在力矩平面内观察到比较明显的振动，尤其是在压缩机惯性力平衡得比较好的情况下，可以观察到空载时运行十分平稳，而进入正常运转后，气体力增大，倾覆力矩增大，导致机器振动明显增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，能够平衡倾覆力矩，降低压缩机振动。

本发明采用以下技术方案：

一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，包括曲轴，曲轴的轴颈上设置有驱动齿轮；驱动齿轮的旁侧啮合连接从动齿轮，从动齿轮上设有转动惯性质量块，从动齿轮通过轴和轴承连接在机壳上。

具体的，驱动齿轮和从动齿轮的节曲线形状为存在两条垂直近似对称轴的类椭圆形结构。

进一步的，驱动齿轮和从动齿轮在一转中加速和减速各两次，对应于两列立式气缸的侧向力大小变化两次，从动齿轮对机壳的作用力产生的平衡力矩M₂和倾覆力矩M_N之和为恒定值。

更进一步的，从动齿轮对机壳的作用力产生的力矩M₂和倾覆力矩M_N之和满足：

其中，

为驱动齿轮的旋转角。

进一步的，从动齿轮对机壳的作用力产生的平衡力矩M₂与从动齿轮的转动惯量J₂、从动齿轮的角加速度ε₂、齿轮瞬时传动比i₁₂的关系满足如下：

从动齿轮的角加速度ε₂与齿轮瞬时传动比i₁₂的关系如下：

其中，ω₁为驱动齿轮的转速，ω₂为从动齿轮的转速，t为时间。

进一步的，驱动齿轮和从动齿轮的节曲线封闭且连续，齿轮瞬时传动比i₁₂满足：

进一步的，当驱动齿轮和从动齿轮的节曲线以

表示时，满足以下方程：

其中，r为齿轮瞬时转动半径，

为齿轮旋转角。

具体的，驱动齿轮和从动齿轮的齿轮连心线长度为0.05～0.3m。

具体的，转动惯性质量块为对称旋转质量块，质量为0.8～30kg。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，通过设置一对类椭圆形齿轮，可以实现倾覆力矩的平衡，使得机壳上受到的力矩趋于一恒定值，大大降低垂直于曲轴的平面内的倾覆振动。

进一步的，驱动齿轮和从动齿轮形状为类椭圆形时，驱动齿轮和从动齿轮在一转中加速和减速各两次，从动齿轮通过轴承对机壳的力产生的平衡力矩也增大和减小各两次，对应两列立式气缸的侧向力和倾覆力矩大小变化两次，平衡力矩M₂和倾覆力矩M_N之和为一恒定值，则可以使得机壳上受到的总力矩恒定。

进一步的，当驱动齿轮和从动齿轮存在内凹形时，只能只用适当直径的插齿刀切制，不方便加工；因此驱动齿轮和从动齿轮节曲线方程需满足

节曲线为外凸形，可以使用滚刀、齿条刀或插齿刀等多种加工方式进行加工。

进一步的，根据压缩机驱动功率的大小的不同，驱动齿轮和从动齿轮连心线长度、旋转质量块的质量也不同，一般连心线长度取0.05～0.3m，为了保证从动齿轮重心在旋转中心处，旋转质量块需为对称旋转质量，且质量一般取0.8～30kg。

综上所述，本发明两列式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构可以达到平衡倾覆力矩，进而大大减小压缩机倾覆振动的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为倾覆力矩产生机理示意图；

图2为从动齿轮减速阶段受力及结构示意图；

图3为从动齿轮加速阶段受力及结构示意图；

图4为压缩机一转内机壳所受力矩示意图；

图5为两列立式往复式压缩机的倾覆力矩平衡机构结构示意图。

其中：11.曲轴；12.驱动齿轮；21.从动齿轮；211.转动惯性质量块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，在曲轴的轴颈上设置一个类椭圆形驱动齿轮；类椭圆形驱动齿轮旁侧设有类椭圆形从动齿轮，类椭圆形从动齿轮通过轴和轴承安置在机壳上；从动齿轮轴上固定有对称分布的转动惯性质量块调整从动齿轮的转动惯量；类椭圆形驱动齿轮和从动齿轮在一转中加速和减速各两次，对应于两列立式气缸的侧向力大小变化两次，驱动齿轮及从动齿轮的节曲线方程由压缩机结构参数、运行工况决定。

请参阅图2、图3和图5，本发明一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，包括曲轴11、驱动齿轮12和从动齿轮21；驱动齿轮12设置在曲轴11的轴颈上，从动齿轮21设置在驱动齿轮12的旁侧，从动齿轮21上设有转动惯性质量块211；从动齿轮21通过轴和轴承连接在机壳上与驱动齿轮12啮合，旋转曲轴11，使靠近驱动齿轮12侧的活塞置于上止点位置，将驱动齿轮12转动中心与曲轴11旋转轴对齐，将驱动齿轮12节曲线上

的点与+x方向对齐，将从动齿轮21节曲线上

的点与-x方向对齐，使用键和键槽将驱动齿轮12固定于曲轴11的轴颈，有效实现往复式压缩机倾覆力矩的平衡。

驱动齿轮12和从动齿轮21的齿轮连心线长度d₁₂为0.05～0.3m。

驱动齿轮12和从动齿轮21均为类椭圆形结构，驱动齿轮12和从动齿轮21的节曲线形状为存在两条垂直近似对称轴的类椭圆形结构，驱动齿轮12和从动齿轮21在一转中加速和减速各两次，对应于两列立式气缸的侧向力大小变化两次，从动齿轮21对机壳的作用力产生的力矩M₂和倾覆力矩M_N之和为一恒定值。

设驱动齿轮的转动中心为O₁，转速为ω₁，转角为

瞬时转动半径为r₁，从动齿轮的转动中心为O₂，转速为ω₂，角加速度为ε₂，转角为

瞬时转动半径为r₂，从动齿轮的转动惯量为J₂，O₁和O₂两点距离为d₁₂，齿轮瞬时传动比为i₁₂，两列立式压缩机内部倾覆力矩为M_N，从动齿轮对机壳的作用力产生的力矩为M₂。

从动齿轮对机壳的作用力产生的力矩M₂和倾覆力矩M_N之和为一恒定值，即：

从动齿轮对机壳的作用力产生的力矩M₂与从动齿轮的转动惯量J₂、从动齿轮的角加速度ε₂、齿轮瞬时传动比i₁₂的关系满足：

从动齿轮的角加速度ε₂与齿轮瞬时传动比i₁₂的关系如下：

驱动齿轮和从动齿轮节曲线方程

和

满足以下方程组：

r₂＝d₁₂-r₁

驱动齿轮和从动齿轮的节曲线封闭且连续，即瞬时传动比i₁₂满足：

i₁₂(0)＝i₁₂(2π)

J₂是从动齿轮的转动惯量，与其自身形状有关，且可以通过添加配重的方式任意调整，因此可以作为已知量进行处理，则求解上述方程即可以求出满足条件的齿轮节曲线方程

和

当驱动齿轮和从动齿轮的节曲线以

表达时，从动齿轮的转动惯量J₂需要足够大，使得驱动齿轮和从动齿轮的节曲线满足以下方程：

若在某些位置处不满足，则需要增加从动齿轮的转动惯量J₂以使得驱动齿轮和从动齿轮的节曲线方程符合要求。

转动惯性质量块211为对称旋转质量块，其形状及位置均可在符合结构要求的情况下任意更改；转动惯性质量块211与从动齿轮21为一体式结构，或通过螺栓连接等方式固定在从动齿轮21上，转动惯性质量块211的质量m₂为0.8～30kg。

基于上述计算得到的齿轮节曲线方程，进行类椭圆形齿轮齿廓设计，完成齿轮啮合副的设计计算。

请参阅图2，在压缩机的一转中，当倾覆力矩M_N大于其峰值的一半时，瞬时传动比i₁₂增大，从动齿轮通过消耗转动惯性质量块的转动动能驱动驱动齿轮12，从动齿轮21在P点处受到的力的分力F_Py使从动齿轮21做减速运动，从动齿轮21轴对其轴承支座产生一个力，该力对机壳产生的力矩M₂与倾覆力矩M_N相反，从而使得机壳上受到的总力矩M减小至约倾覆力矩M_N峰值的一半。

请参阅图3，当倾覆力矩M_N小于其峰值的一半时，传动比减小，从动齿轮21在P点处受到的力的分力F_Py使从动齿轮做加速运动，从动齿轮轴对机壳的力与F_Py方向相同，产生的力矩M₂与倾覆力矩M_N方向相同，使得机壳上受到的总力矩M增大至约倾覆力矩M_N峰值的一半；在压缩机一转中机壳受到的总力矩趋于一恒定值，故可实现倾覆力矩的平衡，大大减小旋转方向的倾覆振动。

请参阅图4和图5，为应用于两列立式往复式压缩机的倾覆力矩平衡机构结构示意图和压缩机一个运行周期内倾覆力矩M_N、倾覆力矩平衡机构产生的力矩M₂和机壳上总力矩M的变化，倾覆力矩M_N由压缩机动力计算得到。

本发明组合机构可以实现单列、多列等不同压缩机倾覆力矩的平衡。

综上所述，本发明一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，使用一对类椭圆形齿轮，通过瞬时传动比的变化来让从动齿轮对机壳产生变化的力，从而产生平衡力矩，平衡力矩与倾覆力矩之和为一恒定值，即可达到平衡倾覆力矩、减小压缩机倾覆振动的目的。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，其特征在于，包括曲轴(11)，曲轴(11)的轴颈上设置有驱动齿轮(12)；驱动齿轮(12)的旁侧啮合连接从动齿轮(21)，从动齿轮(21)上设有转动惯性质量块(211)，从动齿轮(21)通过轴和轴承连接在机壳上，驱动齿轮(12)和从动齿轮(21)的节曲线形状为存在两条垂直近似对称轴的类椭圆形结构，驱动齿轮和从动齿轮在一转中加速和减速各两次，对应于两列立式气缸的侧向力大小变化两次，从动齿轮对机壳的作用力产生的平衡力矩M₂和倾覆力矩M_N之和为恒定值，从动齿轮对机壳的作用力产生的力矩M₂和倾覆力矩M_N满足：

其中，

为驱动齿轮的旋转角。

2.根据权利要求1所述的两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，其特征在于，从动齿轮对机壳的作用力产生的平衡力矩M₂与从动齿轮的转动惯量J₂、从动齿轮的角加速度ε₂、齿轮瞬时传动比i₁₂的关系满足如下：

从动齿轮的角加速度ε₂与齿轮瞬时传动比i₁₂的关系如下：

其中，ω₁为驱动齿轮的转速，ω₂为从动齿轮的转速，t为时间，r₂为从动齿轮的瞬时转动半径。

3.根据权利要求1所述的两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，其特征在于，驱动齿轮和从动齿轮的节曲线封闭且连续，齿轮瞬时传动比i₁₂满足：

i₁₂(0)＝i₁₂(2π)。

4.根据权利要求1所述的两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，其特征在于，当驱动齿轮和从动齿轮的节曲线以

表示时，满足以下方程：

其中，r为齿轮瞬时转动半径，

为齿轮旋转角。

5.根据权利要求1所述的两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，其特征在于，驱动齿轮(12)和从动齿轮(21)的齿轮连心线长度为0.05～0.3m。

6.根据权利要求1所述的两列立式往复式压缩机倾覆力矩平衡机构，其特征在于，转动惯性质量块(211)为对称旋转质量块，质量为0.8～30kg。

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