CN203743349U - 完全平衡型曲轴传动装置及其压缩机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种完全平衡型曲轴传动装置，包括至少一组曲轴连杆机构，每一组所述曲轴连杆机构包括曲柄轴和两个与气缸滑动配合的朝向相反的活塞，每一组所述曲轴连杆机构中的第一活塞的轴线与第二活塞的轴线在同一条直线上。还涉及一种包括上述完全平衡型曲轴传动装置的压缩机。采用上述布置方式可以消除惯性力矩，使高转速压缩机组体积小、重量轻，在转速上可高达1800r/min且在高转速下振动小、运行平稳，可实现橇块化设计，可广泛应用于油气田领域。

Description

完全平衡型曲轴传动装置及其压缩机

技术领域

本实用新型涉及往复压缩机技术领域，尤其涉及一种完全平衡型曲轴传动装置及其压缩机。

背景技术

传统的对称平衡型往复活塞式压缩机，如D型、M型等，其运动机构均由曲轴、连杆、十字头组成。曲轴分共用曲柄和不共用曲柄两种。无论是共用曲柄还是不共用曲柄的运动机构，都采用通用的曲轴连杆机构，如图1所示，其包括至少一组曲轴连杆机构，每一组所述曲轴连杆机构包括曲柄轴和两个与气缸滑动配合的活塞，每一组曲轴连杆机构都是由一个曲柄销带动一个连杆组件，一个连杆组件通过一个十字头部件驱动活塞往复运动，其两个活塞的运动不在一条直线上，即两个活塞的轴线之间存在间距。如图2所示，当压缩机运转时，在曲柄轴的带动下两个活塞往复运动，会产生方向相反的惯性力F₁、F₂，同时由于间距的存在，惯性力会产生惯性力矩M。压缩机设计者在设计过程中，往往通过控制惯性质量，使每一组曲轴连杆机构左右两侧的惯性质量相同，从而使每一组曲轴连杆机构的惯性力达到平衡，然而在这种情况下无论如何调整曲轴连杆机构左右两侧的惯性质量，其产生的惯性力矩是无法得到平衡的。如果无法平衡惯性力矩，压缩机将会在不平稳的状态下运行，引起振动，情况恶劣时会导致轴瓦磨损严重，甚至导致零部件的坏损、管线泄露等等，尤其采用该布置方式的压缩机在转速提高之后，振动将指数倍的增长，变得更加剧烈，从而进一步加速压缩机各零件的坏损。因此，需要改变曲轴连杆机构的布置形式来解决以上问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型在于研究一种完全平衡型高速压缩机，消除惯性力矩，使高转速压缩机组在更高的转速下运行更平稳。

为解决上述技术问题，本实用新型提供以下的技术方案：

1.一种完全平衡型曲轴传动装置，包括至少一组曲轴连杆机构，每一组所述曲轴连杆机构包括曲柄轴（1）和两个与气缸滑动配合的朝向相反的活塞（2），每一组所述曲轴连杆机构中的第一活塞（21）的轴线（211）与第二活塞（22）的轴线（221）在同一条直线上。

2.根据技术方案1所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲柄轴（1）为完全平衡型曲轴，其包括四个曲柄（12）和三个曲柄销（13），三个曲柄销（13）分别夹在两个相邻曲柄（12）的中间。

3.根据技术方案2所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，位于中间的所述曲柄销与位于两侧的所述曲柄销的错角为180度，位于两侧的所述曲柄销长度相等且位于中间的所述曲柄销长度为位于两侧的所述曲柄销长度的两倍。

4根据技术方案3所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲柄轴（1）的曲柄（12）设计成圆盘形，并在曲柄（12）外缘设有去重平衡孔（14）。

5.根据技术方案2所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲轴连杆机构包括两个分别与第一活塞和第二活塞连接的活塞杆和一系列的连杆组件（3），所述一系列的连杆组件（3）包括第一连杆（31）、第二连杆（32）和第三连杆（33），其中第一连杆（31）连接在所述曲柄轴的位于中间的曲柄销上，第二、三连杆（32、33）分别连接在所述曲柄轴的位于两侧的曲柄销上。

6.根据技术方案5所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述第一连杆（31）为厚连杆，所述第二、三连杆（32、33）为薄连杆，所述第一连杆（31）的厚度为第二、三连杆（32、33）的厚度的两倍。 

7.根据技术方案6所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述第一连杆（31）设置在第一活塞（21）的轴线（211）方向上，所述第二、三连杆（32、33）相对于第二活塞（22）的轴线（221）对称设置。

8.根据技术方案7所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，每一所述连杆组件（3）均包括大头端（301）、小头端（302）和连接大头端和小头端的杆体（303），每一所述连杆组件（3）的所述大头端（301）连接在曲柄轴（1）上，所述小头端（302）连接在两个活塞杆中一个上。

9.根据技术方案8所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述连杆组件（3）的大头端（301）包括两个相互拼接的第一部（3011）和第二部（3012），所述第一部（3011）和杆体（303）一体成型，第一部（3011）和第二部（3012）之间通过螺栓（3013）固定。

10.根据技术方案5所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述一系列的连杆组件（3）的小头端通过十字头（4）连接在两个活塞杆中一个上，其中，所述第一连杆（31）的小头端通过第一十字头（41）连接在第一活塞的活塞杆上，所述第二、三连杆（32、33）的小头端通过第二十字头（42）连接在第二活塞的活塞杆上。

11.根据技术方案10所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述十字头（4）包括两共圆柱面的弧形滑板（401、402）、一位于所述弧形滑板长度及宽度方向中间位置的销座（403）、用于与活塞杆固定的锁固装置（404）以及用于与连杆的小头端铰接的销轴（405）。

12.根据技术方案11所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述第一十字头（41）的销座内设置有一个短的销轴（405），所述第一连杆（31）的小头端通过短的销轴（405）与第一十字头铰接（41）。

13.根据技术方案11所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述第二十字头（42）的销座内设置有一个长的销轴（405），该销轴对称伸出销座两侧，所述第二、三连杆（32、33）的小头端分别通过长的销轴（405）与第二十字头铰接。

14.根据技术方案1-13任一项所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，每一组所述曲轴连杆机构的总体重心位于第一活塞（21）的轴线（211）和第二活塞（22）的轴线（221）与所述曲柄轴的轴线（11）的交点处。

15.根据技术方案1-13任一项所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲轴连杆机构可以为1组、2组、3组或多组。

16. 根据技术方案1-13任一项所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，当曲轴连杆机构为1组时，1、2列曲拐相位角分别为0°、0°；当曲轴连杆机构为2组时，1、2、3、4列曲拐相位角分别为0°、0°、270°、270°；当曲轴连杆机构为3组时，1、2、3、4、5、6列曲拐相位角分别为0°、0°、120°、120°、240°、240°；所谓曲拐相位角，即当第1列活塞在盖侧止点位置时，其它各列活塞到达各自盖侧止点位置曲拐所旋转的角度。

17.一种压缩机，包括驱动装置和如前任一项技术方案所述的完全平衡型曲轴传动装置。

与对称平衡型曲轴传动装置及其压缩机相比，完全平衡型曲轴传动装置及其压缩机的有益效果是：

（1）常规对称平衡型曲轴连杆机构的压缩机振动烈度允许值为18mm/s，本实用新型完全平衡型曲轴传动装置的压缩机振动烈度允许值为4.5mm/s；

（2）应用完全平衡型曲轴传动装置的压缩机，因振动小，转速可达1800r/min，实现系列化高转速橇块压缩机设计；

（3）应用完全平衡型曲轴传动装置的压缩机，因振动小，可实现无固定基础安装，降低了压缩机安装的施工周期以及工程的投资；

（4）应用完全平衡型曲轴传动装置的压缩机，体积小、重量轻，维修方便，维修成本低；

（5）应用完全平衡型曲轴传动装置的压缩机，体积小，适应性强，可广泛应用于油气田领域，市场前景可观。

附图说明

图1是对称平衡型曲轴传动装置的示意图；

图2是对称平衡型曲轴传动装置的受力示意图；

图3是完全平衡型曲轴传动装置示意图；

图4是完全平衡型曲轴传动装置的立体图；

图5是完全平衡型曲轴示意图；

图6是第一连杆的示意图；

图7是第二连杆和第三连杆的示意图；

图8是第一十字头的示意图；

图9是第二十字头的示意图；

图10是完全平衡型曲轴传动装置的受力示意图。

附图标记：1-曲柄轴、11-轴线、12-曲柄、13-曲柄销、14-去重平衡孔；

2-活塞、21-第一活塞、22-第二活塞、211-轴线、221-轴线；

3-连杆组件、31-第一连杆、32-第二连杆、33-第三连杆、301-大头端、302-小头端、303-杆体、3011-第一部、3012-第二部、3013-螺栓；

4-十字头、41-第一十字头、42-第二十字头、401/402-弧形滑板、403-销座、404-锁固装置、405-销轴。

具体实施方式

为使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图3、4所示，本实用新型实施例提供的一种完全平衡型曲轴传动装置，包括至少一组曲轴连杆机构，每一组所述曲轴连杆机构包括曲柄轴1和两个与气缸滑动配合的朝向相反的活塞2，每一组所述曲轴连杆机构中的第一活塞21的轴线211与第二活塞22的轴线221在同一条直线上。在这里，可以看出其与图1中的常规对称平衡型曲轴传动装置具有显著的区别，常规对称平衡型曲轴连杆机构的两个活塞的轴线之间存在间距，而本实用新型中第一活塞21的轴线211与第二活塞22的轴线221在同一条直线上，也就是所谓的完全平衡型。

如图5所示，所述曲柄轴1为完全平衡型曲轴，其包括四个曲柄12和三个曲柄销13，三个曲柄销13分别夹在两个相邻曲柄12的中间。位于中间的所述曲柄销与位于两侧的所述曲柄销的错角为180度，位于两侧的所述曲柄销长度相等且位于中间的所述曲柄销长度约为位于两侧的所述曲柄销长度的两倍。所述曲柄轴1的曲柄12设计成圆盘形，并在曲柄12外缘设有去重平衡孔14，以便于曲柄轴在精加工后做动平衡试验时进行调整。采用上述成四个曲柄夹三个曲柄销结构，更加便于操作人员调节曲柄轴的惯性质量，更易达到完全平衡。

如图3、4所示，所述曲轴连杆机构包括两个分别与第一活塞和第二活塞连接的活塞杆和一系列的连杆组件3，所述一系列的连杆组件3包括第一连杆31、第二连杆32和第三连杆33，其中第一连杆31连接在所述曲柄轴的位于中间的曲柄销上，第二、三连杆32、33分别连接在所述曲柄轴的位于两侧的曲柄销上。所述第一连杆31为厚连杆，所述第二、三连杆32、33为薄连杆，所述第一连杆31的厚度约为第二、三连杆32、33的厚度的两倍。薄连杆和厚连杆全部采用模锻，质量轻、强度高、刚性好。所述第一连杆31设置在第一活塞21的轴线211方向上，所述第二、三连杆32、33相对于第二活塞22的轴线221对称设置。采用上述布置方式，更加便于操作人员调节连杆组件的惯性质量，其计算过程更简单，也更易达到完全平衡。

进一步如图6、7所示，每一所述连杆组件3均包括大头端301、小头端302和连接大头端和小头端的杆体303，每一所述连杆组件3的所述大头端301连接在曲柄轴1上，所述小头端302连接在两个活塞杆中一个上。所述连杆组件3的大头端301包括两个相互拼接的第一部3011和第二部3012，所述第一部3011和杆体303一体成型，第一部3011和第二部3012之间通过螺栓3013固定。采用拼接结构的连杆组件便于组装，连接牢固，并可仅对磨损的部件进行替换，不会造成整个连杆组件的报废，降低维护成本。

如图3、4、8、9所示、所述一系列的连杆组件3的小头端通过十字头4连接在两个活塞杆中一个上，其中，所述第一连杆31的小头端通过第一十字头41连接在第一活塞的活塞杆上，所述第二、三连杆32、33的小头端通过第二十字头42连接在第二活塞的活塞杆上。所述十字头4包括两共圆柱面的弧形滑板401、402、一位于所述弧形滑板长度及宽度方向中间位置的销座403、用于与活塞杆固定的锁固装置404以及用于与连杆的小头端铰接的销轴405。采用上述结构的十字头结构简单，受力均匀，耐磨损。

完全平衡型高速压缩机的曲轴连杆机构根据连杆组件的不同相应设计了两种不同的十字头，主要区别在于十字头销轴的位置，一种十字头针对厚连杆设计，其销轴设置在十字头内部，另一种十字头针对薄连杆设计，其销轴需加长伸出体外，将两个薄连杆安装在十字头两侧。具体结合图3、4可见，所述第一十字头41的销座内设置有一个短的销轴405，所述第一连杆31的小头端通过短的销轴405与第一十字头铰接41。所述第二十字头42的销座内设置有一个长的销轴405，该销轴对称伸出销座两侧，所述第二、三连杆32、33的小头端分别通过长的销轴405与第二十字头铰接。

每一组所述曲轴连杆机构的总体重心位于第一活塞21的轴线211和第二活塞22的轴线221与所述曲柄轴的轴线11的交点处，即此时的惯性力为0，惯性力矩也为0。为了保证完全平衡型曲轴连杆机构往复惯性力的平衡，设计时可以通过三维设计软件准确建模，精确计算运动部件的质量，配平对称列往复质量。

本实施例给出了具有3组曲轴连杆机构的曲轴传动装置，但不仅限于3组，在使用过程中，本领域技术人员可以根据工况需要而对曲轴连杆机构的列数进行选择。

本实用新型还提供一种压缩机，包括驱动装置和如前所述的完全平衡型曲轴传动装置。

下面，通过装配过程进一步解释各部件间的连接关系。

装配时，先卸除第一连杆31（厚连杆）上螺栓3013，将大头端301的第二部3012从大头端301取下，将大头端301的第一部3011与曲柄轴1的位于中间的曲柄销装配在一起，将第一部3011与第二部3012拼接在一起，并通过螺栓3013将第二部3012与第一部3011紧固在一起；将活塞的活塞杆通过锁固装置404固定于第一十字头41上，通过一个短销轴将第一连杆31的小头端302与第一十字头41铰接在一起，由此将活塞、第一十字头、第一连杆与曲柄轴装配在一起。

第二连杆32（薄连杆）和第三连杆33（薄连杆）的装配过程与第一连杆31的装配过程略有不同。先将另一个活塞的活塞杆通过锁固装置404固定于第二十字头42上，将第二连杆32和第三连杆33的小头端302分别通过其销座两侧的长销轴与第二十字头42铰接在一起；之后，卸除第二连杆32和第三连杆33上螺栓3013，将大头端301的第二部3012从大头端301取下，将第二连杆32和第三连杆33的大头端301的第一部3011与曲柄轴1的位于两侧的曲柄销装配在一起，将第一部3011与第二部3012拼接在一起，并通过螺栓3013将第二部3012与第一部3011紧固在一起，由此将活塞、第二十字头、第二连杆和第三连杆与曲柄轴装配在一起。

参见图10，图示为完全平衡型高速压缩机的曲轴连杆机构的受力示意图，可见完全平衡型曲轴连杆机构的活塞之间不存在列间距，惯性力在一条直线上，在达到惯性力平衡的同时，进一步消除了惯性力矩的存在，即完全平衡。由于惯性力矩的消除，本实用新型的完全平衡型曲轴传动装置振动烈度明显下降，因振动小，转速获得了大幅度提升，可达1800r/min。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种完全平衡型曲轴传动装置，包括至少一组曲轴连杆机构，每一组所述曲轴连杆机构包括曲柄轴（1）和两个与气缸滑动配合的朝向相反的活塞（2），其特征在于：每一组所述曲轴连杆机构中的第一活塞（21）的轴线（211）与第二活塞（22）的轴线（221）在同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲柄轴（1）为完全平衡型曲轴，其包括四个曲柄（12）和三个曲柄销（13），三个曲柄销（13）分别夹在两个相邻曲柄（12）的中间。

3.根据权利要求2所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，位于中间的所述曲柄销与位于两侧的所述曲柄销的错角为180度，位于两侧的所述曲柄销长度相等且位于中间的所述曲柄销长度为位于两侧的所述曲柄销长度的两倍。

4.根据权利要求3所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲柄轴（1）的曲柄（12）设计成圆盘形，并在曲柄（12）外缘设有去重平衡孔（14）。

5.根据权利要求2所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述曲轴连杆机构包括两个分别与第一活塞和第二活塞连接的活塞杆和一系列的连杆组件（3），所述一系列的连杆组件（3）包括第一连杆（31）、第二连杆（32）和第三连杆（33），其中第一连杆（31）连接在所述曲柄轴的位于中间的曲柄销上，第二、三连杆（32、33）分别连接在所述曲柄轴的位于两侧的曲柄销上。

6.根据权利要求5所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述第一连杆（31）为厚连杆，所述第二、三连杆（32、33）为薄连杆，所述第一连杆（31）的厚度为第二、三连杆（32、33）的厚度的两倍。

7.根据权利要求6所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述第一连杆（31）设置在第一活塞（21）的轴线（211）方向上，所述第二、三连杆（32、33）相对于第二活塞（22）的轴线（221）对称设置。

8.根据权利要求7所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，每一所述连杆组件（3）均包括大头端（301）、小头端（302）和连接大头端和小头端的杆体（303），每一所述连杆组件（3）的所述大头端（301）连接在曲柄轴（1）上，所述小头端（302）连接在两个活塞杆中一个上。

9.根据权利要求8所述的完全平衡型曲轴传动装置，其特征在于，所述连杆组件（3）的大头端（301）包括两个相互拼接的第一部（3011）和第二部（3012），所述第一部（3011）和杆体（303）一体成型，第一部（3011）和第二部（3012）之间通过螺栓（3013）固定。

10.一种压缩机，包括驱动装置和如前任一项权利要求所述的完全平衡型曲轴传动装置。