TW201529976A - 具有通風裝置的軌道載具的無油式空氣壓縮機 - Google Patents

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Abstract

一種具有通風裝置的無油式空氣壓縮機，包括一壓縮機殼體、一支撐於壓縮機殼體中的一第一開口中的第一活塞缸、一支撐於壓縮機殼體中的一第二開口中且流體連接至第一活塞缸的第二活塞缸、一由壓縮機殼體所支撐的多件式曲柄軸總成、以及一選擇性地用於過濾空氣且與壓縮機殼體內部為流體連接而提供一氣體量至壓縮機殼體內部的氣室，曲柄軸總成藉由各別連接桿連結至該第一及第二活塞缸的活塞，該些連接桿係連接至與該等活塞各者相聯結的一活塞銷，且該些活塞銷分別由一乾潤滑劑襯套支撐至該相聯結的活塞，壓縮機殼體可具有形成該壓縮機殼體的各別半部的一第一殼體部分及第二殼體部分。

Description

具有通風裝置的軌道載具的無油式空氣壓縮機
本發明係關於一空氣壓縮機的領域，該空氣壓縮機係用於軌道載具上將壓縮空氣供應至與該軌道載具相關聯的氣動單元，且特別關於在一具有通風裝置的軌道載具上的一無油式空氣壓縮機，該無油式空氣壓縮機係用以將壓縮空氣供應至與該軌道載具相關聯的各種氣動單元。
軌道載具通常具有一氣動系統，以供操作軌道載具的煞車器。空氣壓縮機係用於將壓縮空氣供應至與涉及煞車器操作的軌道載具相關聯的一個或多個氣動單元。空氣壓縮機通常由一驅動單元（例如一電動馬達）及一壓縮機單元構成，壓縮機單元通常由複數個活塞汽缸裝置組成，活塞汽缸裝置藉由一曲柄軸而驅動。該曲柄軸係由驅動單元驅動，並包括連接桿以將驅動單元的旋轉動作轉換為該每個活塞的線性動作，以對後續單元供應壓縮空氣。螺桿式空氣壓縮機用於此目的亦為本領域所習知，並亦可包括在本發明的範圍內。此外，使用在軌道載具上之空氣壓縮機單元可具有一單階段構造、或者包含至少一低壓力階段及一高壓力階段的一多階段構造。
軌道載具領域中所使用的空氣壓縮機可能承受連續操作或頻繁的開關操作。在任一種操作模式下，壓縮機在操作期間的摩擦會導致高溫產生。因此，在過去，主要使用在軌道載具領域的空氣壓縮機係使用油潤滑來確保操作期間的充分冷卻。然而，油潤滑方式具有風險，以一活塞空氣壓縮機為例，潤滑油通常位於壓縮機單元的殼體中，其會穿透活塞汽缸界面而進入氣動系統內，而可能導致油脂使軌道載具上的氣動式煞車單元汙損。尚且，在一氣動系統於其必要的空氣乾燥期間所發生之凝結物典型地含有一些基於環保因素而必須被收集的油。此凝結物典型地被儲存在可加熱容器中，並必須定期排出及棄置。此收集製程導致維護及處置支出增加，以及導致了高油耗。除了上述困難，若油潤滑式壓縮機單元不常使用或僅在限定的期間使用，如在寒冷天候期間操作，則這些油潤滑式壓縮機單元的油迴路中會發生乳劑的形成。
近來，乾式運轉的空氣壓縮機已日益使用在軌道載具領域。一乾運轉空氣壓縮機係在殼體中無潤滑油的情況下操作，因而可稱為「無油」。在無油式空氣壓縮機的實例中，活塞移行路徑的潤滑係以一極低的摩擦動態密封配置所取代。所有旋轉組件通常設置於滾子軸承中。經包封的滾子軸承係設有一穩定溫度的長效油脂充填物。在閥門區域中，儘量避免可滑式的引導式組件。藉由這些措施，空氣壓縮機單元中不需要油潤滑。因此亦可排除壓縮空氣的被油脂汙損之風險。由於免除油脂迴路的緣故，無油式空氣壓縮機可具有一相對較輕的構造。在軌道載具領域中，現今的趨勢係朝向輕量化的結構，且輕載體結構亦日益被使用於框體結構上。然而，像這樣輕載體結構常具有相接近於配置其上之氣壓系統的空氣壓縮機轉速的一些不利的自然頻率。因此，難以充分觀察出關於可允許的結構產生式雜訊位準之所需要的規格。
Hartl等人的美國專利案號6,776,587及Meyer等人的美國專利案號7,059,841係為針對無油式空氣壓縮機技術的專利案。Meyer等人的專利案揭露了一種無油式壓縮機裝備的配置，用於將壓縮空氣供應至經指派予一軌道載具的氣壓單元。該配置包括一無油式空氣壓縮機、以及一連接於該空氣壓縮機的冷卻器單元。該配置亦包括一軌道載具，其底板具有至少一開口。該空氣壓縮機至少一側固定於該載具底板，使得該空氣壓縮機的一主要旋轉軸線與載具底板實質呈相對垂直配置。Hartl等人的專利案揭露了一種用於雙階段活塞空氣壓縮機之活塞配置，其包括一曲柄軸及數個活塞汽缸。該配置允許形成二或更多個低壓力階段及至少一個高壓力階段。該配置允許二個或更多個低壓力汽缸相對於高壓力階段而配置，此方式可使該等二個或更多個低壓力汽缸呈現同相位，或以小於一預定量而偏移，並在以另一預設量相對於高壓力汽缸而偏移的一位置中進行壓縮。
Hartl等人的美國專利申請案2007/0292289揭露一壓縮機活塞，其包括一活塞、一汽缸、一藉由一汽缸頭的一滾子軸承將活塞連接至一曲柄箱中的一曲柄軸的連接桿、一進氣管線及一空氣出口線。該進氣管線及該曲柄箱之間的一連接管將冷卻空氣從入口線運送至曲柄箱。該連接管位於該汽缸外部。一入口閥係連接於該連接管，當該曲柄箱中的壓力小於進氣管線中的壓力時，該入口閥即會開啟，且一出口閥係連接於該曲柄箱，當該曲柄箱中的壓力超過一預定值時，則該出口閥即會開啟。
此外，Hartl等人的美國專利申請案2009/0016908揭露一用於產生壓縮空氣的多汽缸乾式運轉活塞壓縮機。該活塞壓縮機係包括一具有一內部的曲柄箱及一可旋轉地安裝在該曲柄箱中的曲柄軸。此外該活塞壓縮機還包括有安裝在該曲柄軸上，且經組構而為彼此反向運轉之二個連接桿。並且該活塞壓縮機還包括有安裝在該曲柄箱中之二個汽缸、以及配置於該各個連接桿的一端且經組構而分別在該二個汽缸中運轉之一活塞。
在一實施例中，一用於軌道載具之無油式壓縮機，包括：一壓縮機殼體，其包含至少一第一殼體部分及一第二殼體部分、一第一活塞缸，支撐於該壓縮機殼體中的一第一開口中、一第二活塞缸，支撐於該壓縮機殼體中的一第二開口中且流體連接至該第一活塞缸、一多件式曲柄軸總成，其由該壓縮機殼體所支撐且分別藉由連接桿被連結至該第一及第二活塞缸的活塞，以及一氣室，與該壓縮機殼體內部為流體連接而提供一氣體量至該壓縮機殼體內部。
該第一殼體部分及該第二殼體部分係形成該壓縮機殼體的各別半部並以機械緊固件而固接在一起。該第一活塞缸可大於該第二活塞缸。該曲柄軸總成可包含一曲柄軸中心段及二個端段。該曲柄軸總成的兩端段可含有配重。該曲柄軸中心段的相對端部可被固接在該等端段中的各別腔穴內。該曲柄軸中心段可包含與一第二臂段呈偏移之一第一臂段，且該每個臂段的可界定一環形凹部以接收與該等各別連接桿相聯結的一軸承。該些端段可安裝至該曲柄軸中心段以固接與各別連接桿相聯結的該軸承。
該無油式壓縮機所包括的該氣室係為與該第一活塞缸流體連接。該無油式壓縮機更包含一空氣吸入閥，例如一止回閥或一簧片閥，位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠自該氣室被抽入該壓縮機殼體內部。此外，該無油式壓縮機更包含一空氣排出閥，例如一止回閥或一簧片閥，位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠排出該壓縮機殼體內部。
在另一實施例中，該用於軌道載具之無油式壓縮機係包括一多件式壓縮機殼體、一支撐於該壓縮機殼體中的一第一開口中之第一活塞缸、一支撐於該壓縮機殼體中的一第二開口中且流體連接至該第一活塞缸之第二活塞缸、以及一由該壓縮機殼體所支撐且藉由該各別連接桿被聯結至該第一及第二活塞缸的活塞之多件式曲柄軸總成。該連接桿可連接至與各活塞相聯結的一活塞銷，且活塞銷分別由一乾潤滑劑襯套支撐至相聯結的活塞。該無油式壓縮機更包括一氣室，該氣室與該壓縮機殼體內部為流體連接而提供一氣體量至該壓縮機殼體內部。
該壓縮機殼體可包含至少一第一殼體部分及一第二殼體部分。該第一殼體部分及該第二殼體部分可形成該壓縮機殼體的各別半部並可以機械緊固件被固接在一起。該第一活塞缸可大於該第二活塞缸。該曲柄軸總成可包含一曲柄軸中心段及二個端段。該曲柄軸總成的兩端段可含有配重。該曲柄軸中心段的相對端部可被固接在該等端段中的各別腔穴內。該曲柄軸中心段包含與一第二臂段呈偏移之一第一臂段，且該等臂段的各者係界定一用於接收與該等各別連接桿相聯結的一軸承之環形凹部。該曲柄軸總成的兩端段可被安裝至曲柄軸中心段以固接與各別連接桿相聯結的軸承。乾潤滑劑襯套可塗覆有PEAK或包含一PEAK襯墊。
該無油式壓縮機可包括具有與該第一活塞缸流體連接的該氣室。該無油式壓縮機更包含一空氣吸入閥，例如一止回閥或一簧片閥，位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠自該氣室被抽入該壓縮機殼體內部。此外，該無油式壓縮機更包含一空氣排出閥，例如一止回閥或一簧片閥，位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠排出該壓縮機殼體內部。
結合附圖閱讀本文提供的詳細說明將可理解本文的其他細節和優點。
對於下文描述之目的，所使用的空間性定向用語將有關於如同在附圖中被定向或另在下列詳述中描述之所參照的實施例。然而，請瞭解：下述的實施例可採行許多替代變異及組態。亦請瞭解：圖式所示及本文所述的特定組件、裝置及特徵構造純屬示範性而不應視為限制性。
參照第1至6圖，顯示根據一實施例的一空氣壓縮機2。如圖所示，空氣壓縮機2係為一包含至少一第一活塞缸10及一第二活塞缸100之多缸空氣壓縮機2。各別的第一及第二活塞缸10、100(下文稱為「第一活塞缸10」及「第二活塞缸100」)係由一壓縮機殼體或曲柄箱170所支撐並各由一配置於壓縮機殼體170內且由壓縮機殼體170可旋轉地支撐之曲柄軸總成240所驅動。本文詳細地描述空氣壓縮機2的上述組件。
如第5圖的剖視圖所示，第一及第二活塞缸10、100係具實質相同的構造，其中第一活塞缸10運作作為多缸空氣壓縮機2中的第一缸且第二活塞缸100運作作為第二缸。第一活塞缸10基本上大於第二活塞缸100並具有比第二活塞缸100整體更大的直徑。第一活塞缸10包含一汽缸殼體12，汽缸殼體12係具有一適以如本文所述被插入壓縮機殼體170中的一對應開口內之第一端部14、及一第二端部16。汽缸殼體12係形成有一位於第一端部14近向以與壓縮機殼體170外部構成介面之凸緣18。散熱鰭片19可設置於汽缸殼體12周圍，且汽缸殼體12可由諸如鋁等提供充分強度及散熱特徵的任何適當材料形成。
一汽缸頭20被固接至汽缸殼體12的第二端部16。汽缸頭20基本上包含一閥板22及一空氣連接單元24，其中空氣連接單元24經由機械緊固件26將閥板22固接在汽缸殼體12的第二端部16上。一額外的機械緊固件27將閥板22固接至空氣連接單元24。空氣連接單元24包含一進氣口28。一進氣管線30從進氣口28延伸且連接至壓縮機殼體170，如本文所述。空氣連接單元24進一步包含一排氣口32。一空氣連接管線34從排氣口32延伸以直接抑或間接地流體耦合至一設置於第二活塞缸100上的進氣口，如本文所述。此外，閥板22係包含一習知的簧片閥總成(未圖示)以准許空氣流經由進氣管線30及進氣口28進入汽缸殼體12內並經由排氣口32及空氣連接管線34從汽缸殼體12驅出，以將加壓空氣提供至第二活塞缸100。空氣連接單元24、進氣管線30、及空氣連接管線34可由諸如鋁等提供充分強度及熱轉移特徵的任何適當材料形成。汽缸殼體12界定一內部表面36。
另外參照第7至8圖，第一活塞缸10進一步包含一可在汽缸殼體12內往復操作之活塞40。活塞40係包含一第一端部42及一第二端部44，並由諸如鋁等提供充分強度及熱轉移特徵的任何適當材料製成。一個或多個磨耗帶或環46係設置於活塞40的第一端部42近向之活塞40的體部周圍。磨耗帶或環46理想上是非金屬以與汽缸殼體12的內部表面36構成介面並可由一托隆 Torlon®聚醯胺-醯亞胺製成。一對的活塞環48設置於活塞40的第一端部42周圍，且其亦與汽缸殼體12的內部表面36構成介面。活塞環48理想上亦具有非金屬構造，諸如鐵氟龍 Teflon® 譬如PTFE，以形成與汽缸殼體12的內部表面36之一基本上流體緊密性密封。活塞40的體部係界定一軸向腔穴或凹部50以及一基本上正交於軸向腔穴或凹部50之橫向腔穴或孔徑52。橫向孔徑52係支撐一活塞銷54，活塞銷54橫向地延伸經過活塞40的體部。活塞銷54可為一實心活塞銷，或如圖示的一圓筒形活塞銷54。活塞銷54藉由延伸至活塞40的第二端部44內之機械緊固件55在橫向孔徑52內被固持就位以接合活塞銷54。活塞銷54係設為以與曲柄軸總成240所聯結的一連接桿構成介面或連結，如本文進一步描述。活塞銷54可由諸如鋁等提供充分強度及熱轉移特徵的任何適當材料製成。
已知的活塞銷總成基本上係為實心軸活塞銷，其中配合有一滾針軸承。這些活塞銷被精密研磨並作為一用於滾針軸承之內軸承環。這些活塞銷必須在其中心具有夠大足以承受彎折應力的橫剖面積，且其表面必須夠硬足以承受軸承的針滾子之負載。滾針軸承係需要高溫滑脂及高溫密封件以將滑脂圍堵於一軸承腔穴中。這些先前技術的活塞銷可滑動於滾針軸承內，且因此活塞銷的端部必須以緊固件被緊固至活塞，並將位居活塞銷端部與活塞活塞銷孔徑之間的非金屬襯套予以吸震。
前述的活塞銷54係藉由壓入配合在橫向孔徑52內的一對乾潤滑劑襯套56所構成之一無油式總成而被支撐於橫向孔徑52中。乾潤滑劑襯套56典型地包含一具有一聚合物襯墊的金屬外殼。乾襯套通常是能夠以極少或毫無潤滑運轉且具有低摩擦係數之平凡的複合物襯套。乾襯套可包括聚合物乾襯套及合金襯套。此無油式總成係容許壓縮及吸力從活塞銷54的一中心部分58傳輸至活塞銷54的相對端部60、62，因此降低活塞銷54的彎矩且容許活塞銷54具有均質材料的均勻橫剖面而無額外組件藉此降低重量。乾潤滑劑襯墊56亦提供直接傳輸經過活塞40之軸承支撐，而非使負荷被直接傳輸經過與曲柄軸總成240相聯結的連接桿，如本文進一步描述。因此，壓縮所致的負荷係藉由較大軸承面積及較大軸承能力所支撐。此外，由於乾潤滑劑襯套56塗覆有PEAK材料或包含一PEAK襯墊，乾潤滑劑襯套56係自我潤滑。在操作中，自我潤滑的乾襯套56係潤滑在乾潤滑劑襯套56與活塞銷54之間所產生的滑動接合部。因為壓縮負載從活塞銷54的中心部分58移位至活塞銷54的兩端部60、62，前述的乾潤滑劑襯套56及活塞銷54不再需要先前技術所需的一「厚」活塞銷。由於活塞銷54不必在其中心部分58承受彎折應力，活塞銷54的表面不需夠硬以承受一滾針軸承的負載，如本文就曲柄軸總成240所描述。此外，不需要高溫滑脂及高溫密封件以將滑脂圍堵在一軸承腔穴中。並且，由於活塞銷54被壓入配合於連接桿的匝中，活塞銷不能滑動於滾針軸承內。因此，活塞銷54的端部60、62可自由浮動而無任何緊固件。亦免除了前述先前技術活塞銷中所需要的吸震非金屬襯套。這些特徵亦出現在本文就第二活塞缸100所討論的活塞銷中。
在操作中，活塞40係以經由曲柄軸總成240所產生的一往復運動而操作。壓縮機殼體170內的空氣係由於活塞40往下運動而經由進氣管線30及進氣口28被抽入缸殼體12內，並在活塞40往上運動期間受到壓縮。與閥板22聯結的簧片閥具有一在活塞40往下運動期間開啟而將空氣從進氣管線30及進氣口28抽入缸殼體12內、並在往上運動期間關閉之部分。並且，簧片閥(未圖示)具有另一在活塞40往下運動期間關閉且在活塞40往上運動中開啟之部分，藉此使缸殼體12中的空氣被壓縮且經由排氣口32及空氣連接管線34被引導至缸殼體12外並被饋送至與第二活塞缸100相聯結之本文所討論的進氣口。
如前述，第二活塞缸100具有實質與第一活塞缸10相同的構造，如同此時在下文描述。第一活塞缸10基本上大於第二活塞缸100並具有比第二活塞缸100整體更大的直徑。第二活塞缸100包含一汽缸殼體112，汽缸殼體112係具有一適以如本文所述被插入壓縮機殼體170中的一對應開口內之第一端部114、及一第二端部116。汽缸殼體112係形成有一位居第一端部114近向以與壓縮機殼體170外部構成介面之凸緣118。散熱鰭片119可設置於汽缸殼體112周圍，且汽缸殼體112可由諸如鋁等提供充分強度及散熱特徵的任何適當材料形成。
一汽缸頭120被固接至汽缸殼體112的第二端部116。汽缸頭120基本上包含一閥板122及一空氣連接單元124，其中空氣連接單元124經由機械緊固件126將閥板122固接在汽缸殼體112的第二端部116上。一額外的機械緊固件127將閥板122固接至空氣連接單元124。空氣連接單元124包含一進氣口128，進氣口128係(直接或間接地)流體連接至從與第一活塞缸10的空氣連接單元24相聯結之排氣口32延伸的空氣連接管線34。如第1圖所示，一空氣歧管300係可設置成為從與第一活塞缸10的空氣連接單元24相聯結之排氣口32延伸至第二活塞缸100的空氣連接單元上的進氣口128之空氣連接管線34中的一中間裝置。空氣連接單元124進一步包含一排氣口132，排氣口132經由一空氣連接管線134連接至一諸如出口空氣歧管302等下游要件或裝備。此外，閥板122係包含一習知的簧片閥總成(未圖示)以准許空氣流經由空氣連接管線34及進氣口128進入汽缸殼體112內並經由排氣口132及空氣連接管線134從汽缸殼體112驅出，以將加壓空氣經由空氣連接管線134提供至一諸如出口空氣歧管302等下游要件。空氣連接單元124及空氣連接管線134可由諸如鋁等提供充分強度及熱轉移特徵的任何適當材料形成。汽缸殼體112定義有一內部表面136。
繼續參照第1至8圖，第二活塞缸100亦包含一可在汽缸殼體112內往復操作之活塞140。活塞140係包含一第一端部142及一第二端部144。一個或多個磨耗帶或環146係設置於活塞140的第一端部142近向之活塞140的體部周圍。磨耗帶或環146理想上是非金屬以與汽缸殼體112的內部表面136構成介面並可由一托隆 _Torlon® 聚醯胺-醯亞胺製成。一對的活塞環148設置於活塞140的第一端部142周圍，且其亦與汽缸殼體112的內部表面136構成介面。活塞環148理想上亦具有非金屬構造，諸如鐵氟龍_Teflon®_譬如PTFE，以形成與汽缸殼體112的內部表面136之一基本上流體緊密性密封。活塞140的體部係界定一軸向腔穴或凹部150以及一基本上正交於軸向腔穴或凹部150之橫向腔穴或孔徑152。橫向孔徑152係支撐一活塞銷154，活塞銷154橫向地延伸經過活塞140的體部。活塞銷154可為一實心活塞銷，或如圖示的一圓柱形活塞銷154。活塞銷154藉由延伸至活塞140的第二端部144內之機械緊固件155在橫向孔徑152內被固持就位以接合活塞銷154。活塞銷54係設為以與曲柄軸總成240所聯結的一連接桿構成介面或連結，如本文進一步描述。活塞銷154可由諸如鋁等提供充分強度及熱轉移特徵的任何適當材料製成。
利用一類似於活塞銷54的方式，活塞銷154亦藉由壓入配合在橫向孔徑152內的一對乾潤滑劑襯套156所構成之一無油式總成而被支撐於橫向孔徑152中。乾潤滑劑襯套156典型地包含一具有一聚合物襯墊的金屬外殼。此無油式總成係容許壓縮及吸力從活塞銷154的一中心部分158傳輸至活塞銷154的端部160、162，因此降低活塞銷154的彎矩且容許活塞銷154具有均質材料的均勻橫剖面而無額外組件藉此降低重量。乾潤滑劑襯墊156亦提供直接傳輸經過活塞140之軸承支撐，而非使負荷被直接傳輸經過連接桿。因此，壓縮所致的負荷係藉由較大軸承面積及較大軸承能力所支撐。此外，由於乾潤滑劑襯套156塗覆有PEAK材料或包括一PEAK襯墊，乾潤滑劑襯套156係自我潤滑。在操作中，自我潤滑的乾襯套156係潤滑在乾潤滑劑襯套156與活塞銷154之間所產生的滑動接合部。先前就活塞銷54所描述的不同優點同樣適用於活塞銷154。
在操作中，活塞140係以經由曲柄軸總成240所產生的一往復運動而操作。空氣係由於活塞140往下運動而經由空氣連接管線130及進氣口128被抽入缸殼體112內，並在活塞140往上運動期間受到壓縮。與閥板122聯結的簧片閥總成(未圖示)係具有一在活塞140往下運動期間開啟而將空氣從空氣連接管線130及進氣口128抽入缸殼體112內、並在往上運動期間關閉之部分。並且，簧片閥(未圖示)係包含另一在活塞140往下運動期間關閉且在活塞140往上運動中開啟之部分，藉此使缸殼體112中的空氣被壓縮且經由空氣連接管線134被引導至缸殼體112外並經由空氣連接管線134被饋送至一諸如出口空氣歧管302等下游要件。
額外參照第9圖，壓縮機殼體或曲柄箱170理想上係為一包含至少一第一殼體部分172及一第二殼體部分174之複合結構。第一及第二殼體部分172、174各為基本上矩形結構，其適以被接合在一起以形成整體壓縮機殼體170。對於此目的來說，第一及第二殼體部分172、174係具有適以利用諸如螺栓及螺帽組合等習知機械緊固件177被接合在一起之各別側向凸緣176、178。定位襯套179可設置於側向凸緣176、178上以妥當地對準側向凸緣176、178中的對應開口以接受機械緊固件177。第一殼體部分172係界定一開口180，開口180的尺寸可接受第一活塞缸10的汽缸殼體12之第一端部14。類似地，第二殼體部分174係界定一開口182，開口182的尺寸可接受第二活塞缸100的汽缸殼體112之第一端部114。安裝元件184可被熔接或以其他方式被固接在各別開口180、182周圍的區位。安裝元件184可身為適以接合第一及第二活塞缸10、100的汽缸殼體12、112上之各別凸緣118、118中的開口(未圖示)之安裝釘或螺栓，以利用習知的螺帽或類似的緊固組件將活塞缸100、100在開口180、182內固接就位。
如第4圖所示，第一殼體部分172進一步包含相對的側向壁186。進氣管線30係被置於與一進氣口或開口188呈流體導通並可被界定於相對側向壁186的一者中之第一殼體部分172中且經由機械緊固件被固接至第一殼體部分172的側向壁186以將第一活塞缸10置於與壓縮機殼體170內部呈流體導通。一替代方式中，進氣口或開口188可設置於用以支撐第一活塞缸10之第一殼體部分170的相同壁中，且此修改亦顯示於第2至3圖及第6圖的剖視圖。第9圖顯示對於進氣口188的兩區位，且當未使用時，未使用的進氣口188被一覆蓋板189所覆蓋。第二殼體部分174進一步包括一用於基本上對於經組裝的壓縮機殼體170內部提供空氣攝入之進氣口190。進氣口190係可適以與一進氣管線192構成介面或連接，進氣管線192被連接至一用於過濾進入壓縮機殼體170的空氣之過濾裝置304，如第1圖所示。
第一殼體部分172及第二殼體部分174當如前述般組裝時係形成壓縮機殼體170。當第一活塞缸10及第二活塞缸100被固接在第一殼體部分172及第二殼體部分174中的各別開口180、182中時，各別的第一及第二活塞缸10、100係從壓縮機殼體170的相對縱向壁194往外延伸。壓縮機殼體170的兩端壁196係由第一及第二殼體部分172、174的總成所界定，且這些端壁196係界定壓縮機殼體170中的各別軸向開口198、200。
綜上所述，壓縮機殼體170如同描繪般藉由被組裝在一起且機械加工成一體之殼體部分172、174所形成的至少兩個分離「半部」構成。兩個半部係藉由定位襯套179相對於彼此被定位並藉由機械緊固件177被固持在一起。譬如，分開的壓縮機殼體170之優點係與製造及組裝成本相關。因為壓縮機殼體170位於至少兩個主要部份中，鑄造壓縮機殼體170所需要的模具設定可能較少，且因此有較多工廠能夠製造此組件。此製造優點係可導致比起需要重大模具設定及設備以供鑄造的大型一件式殼體而言之成本節省。如該領域所習知，因為曲柄軸必須在置入曲柄箱內之前作組裝，單件式壓縮機曲柄箱必須為大型，且曲柄箱中必須設置有一夠大足以容許經組裝的曲柄軸穿過之開口。將一經組裝的曲柄軸裝設通過恰夠大足以容納曲柄軸之一單件式曲柄箱中的一開口係耗時且困難。典型地，曲柄軸係必須被小心螺入曲柄箱內，同時持續地重新定位連接桿以免接觸到曲柄箱內側。一單件式曲柄軸可重達80磅以上並很難將其搬動。目前揭露的壓縮機殼體170係在將至少兩殼體部分172、174置於曲柄軸總成240任一側上且作固接之時容許曲柄軸總成240被組裝及保持靜態。此組裝步驟不再像先前技術般需要操縱一沉重的曲柄軸。藉由提供一複合壓縮機殼體170，整體來說，壓縮機殼體170可製成較小、較輕、較易鑄造及機械加工、且較易組裝。用於形成壓縮機殼體170之第一及第二殼體部分172、174可由諸如鋁等提供充分強度及散熱特徵的任何適當材料形成。
壓縮機殼體170中的第一軸向開口198係支撐一第一曲柄軸安裝元件202，其基本上包圍第一軸向開口198且經由機械緊固件203被支撐至壓縮機殼體170的端壁196。第一曲柄軸安裝元件202係包含一環狀部分204，環狀部分204係被座接在第一殼體部分172及第二殼體部分174的總成所形成之一接收環狀部分206內。第一曲柄軸安裝元件202的環狀部分204係支撐一第一主曲柄軸軸承208，第一主曲柄軸軸承208轉而支撐曲柄軸總成240的一端部。第一主曲柄軸軸承208係藉由一適以座接抵住曲柄軸總成240之第一軸密封件210、及一內部地配置於第一曲柄軸安裝元件202的環狀部分204內之第二軸密封件212被密封就位。第一曲柄軸安裝元件202亦支撐一用於與一諸如驅動馬達306等驅動組件相聯結地安裝空氣壓縮機2之外部安裝籠214。
壓縮機殼體170中的第二軸向開口200係支撐一第二曲柄軸安裝元件222，其基本上包圍第二軸向開口200且經由機械緊固件223被支撐至壓縮機殼體170的相對端壁196。第二曲柄軸安裝元件222係包含一環狀部分224，環狀部分224係被座接在由第一殼體部分172及第二殼體部分174的總成所界定之一接收環狀部分226內。第二曲柄軸安裝元件222的環狀部分224係支撐一第二主曲柄軸軸承228，第二主曲柄軸軸承228轉而支撐曲柄軸總成240的另一端部。第二主曲柄軸軸承228係藉由一適以座接抵住曲柄軸總成240之第一軸密封件230、及一內部地配置於第二曲柄軸安裝元件222的環狀部分224內之第二軸密封件232被密封就位。各別的第一及第二曲柄軸安裝元件202、222係支撐曲柄軸總成240的相對端部並包圍由用以形成壓縮機殼體170之第一及第二殼體部分172、174的總成所界定之第一及第二軸向開口198、200。如第1至4圖及第9圖所示，第一及第二殼體部分172、174係界定數個額外的開口234用以提供近接至壓縮機殼體170內部或用以提供對於壓縮機殼體170的額外空氣搬運導管之其他連接點。這些額外開口234可覆蓋有額外覆蓋件236，額外覆蓋件236經由適當機械緊固件被固接至壓縮機殼體170。
請額外參照第10至12圖，曲柄軸總成240係為基本上由一曲柄軸中心段242及兩曲柄軸端段244、246所構成之一複合總成。第一曲柄軸端段244係由第一曲柄軸安裝元件202中的第一主曲柄軸軸承208所支撐。如前所述，第一曲柄軸安裝元件202係支撐用於與一諸如第1圖所示的驅動馬達306等驅動組件相聯結地安裝空氣壓縮機2之外部安裝籠214。因此，第一曲柄軸端段244係被定位成與一驅動馬達構成介面以將旋轉動作傳遞至曲柄軸總成240。相對的曲柄軸端段246係由第二曲柄軸安裝元件222中的第二主曲柄軸軸承228所支撐，且此端段246被定位成與空氣壓縮機2所聯結的一冷卻空氣風扇308構成介面。曲柄軸中心段242的相對端部248係藉由一壓入配合連接及類似的連接被固接於曲柄軸端段244、246的各別腔穴250內。
如第10至11圖所示，曲柄軸總成240係包括至少兩連接桿252、254，至少兩連接桿252、254分別連結至第一及第二活塞缸10、100的活塞40、140。連接桿252、254各包含一第一圓形端凸緣256，藉由被壓入配合至與曲柄軸中心段242各別端部248相鄰地界定的各別環形凹部260內之各別球形滾子軸承258將第一圓形端凸緣256支撐在曲柄軸中心段242上。球形滾子軸承258藉由各別經壓入配合的曲柄軸端段244、246而在凹部260中被固持就位。請簡單參照第12圖，上文討論雖然有關於一具有由第一及第二活塞缸10、100所提供的兩個壓縮活塞缸之空氣壓縮機2，空氣壓縮機2中可包括額外的活塞缸。第12圖顯示若將一或多個額外活塞缸(未圖示)添加至空氣壓縮機2，一額外的連接桿262可與連接桿254相鄰地被安裝在曲柄軸中心段242上，以提供用於操作額外活塞缸(未圖示)的機動力。亦可使用預定長度的間隔件264以如同此實施例所需要般將各別連接桿252、254、262安裝至曲柄軸中心段242。
連接桿252、254各包含一第二圓形端凸緣266，第二圓形端凸緣266係藉由各別滾針軸承268而與活塞40、140相聯結地被支撐在各別活塞銷154、154上。軸密封件270係設置於各球形滾子軸承258任一側上之外以及曲柄軸中心段242周圍以密封球形滾子軸承258。同樣地，軸密封件272係設置於各球形滾針軸承268任一側上之外以及各別活塞銷54、154周圍以密封滾針軸承268。並且，如第11圖的剖視圖所示，曲柄軸中心段242係基本上包含由終止於端部248中的兩相對軸部分或臂段274、276所界定之一偏移構造。各別內部通道278、280係被界定於各以一插塞282所密封之軸臂段274、276中。曲柄軸中心段242、端段244、246及連接桿252、254、262可由諸如鋼等提供充分強度的任何適當材料形成。
可使用多件式曲柄軸總成240取代大型且沉重的單件式曲柄軸。此單件式曲柄軸係由需要昂貴模具設定的大型機具所鑄造或鍛造。此外，需要特殊機器以機械加工及平衡一單件式曲柄軸。藉由一單件式曲柄軸，用於連接桿的軸承必須設定尺寸使其可裝設在單件式曲柄軸上，時常位在用於曲柄軸主軸承之軸承座位上方。這表示用於連接桿的軸承必須比所需者更大，故增添更大的重量與體積。並且，此先前技術配置係需要添加會變鬆且造成壓縮機失效之螺栓式配重。
上述的多件式曲柄軸總成240係藉由一相對較小且可由一鑄造或鍛造而製成的曲柄軸中心段242構成。兩曲柄軸端段244、246亦含有身為整體性部份且不需緊固件之配重。上述組件係夠小而不用大型設備即可鑄造或鍛造。因此，亦不需要專用的曲柄軸製造設備。由於與連接桿252、254、262相聯結的球形滾子軸承258不必像單件式曲柄軸情形般通過曲柄軸主軸承座位上方或曲柄軸彎折部上方，其可以活塞40、140的負載為基礎設定尺寸，且因此可能較小。
曲柄軸中心段242可以根據預定的應用而設計成具有適當的擺度(throw)，包括一具有相同擺度及適當配重端段244的馬達端軸臂段274及一具有相同擺度及適當配重的端段246的風扇端軸臂段276。亦可使用間隔件264來固持球形滾子軸承258且將其置於一多連接桿配置中的妥當區位中，如第12圖所示。提供曲柄軸中心段242以藉由將球形滾子軸承258固接在妥當區位來固持連接桿252、254、262。如前述，對於不只兩個活塞缸的空氣壓縮機2而言，間隔件264藉由加壓在用於各軸承258的內軸承環上而將相聯結的球形滾子軸承258固持就位。亦提供曲柄軸中心段242使得相對端部248壓入配合至曲柄軸端段244、246中的各別腔穴250內。如第12圖所示，在一多連接桿配置中，兩曲柄軸端段244、246係含有曲柄軸中心段242並加壓在球形滾子軸承258的內軸承環上、或間隔件264上，間隔件264加壓在球形滾子軸承258的內軸承環上。因為曲柄軸端段244、246或間隔件264係足以固持內軸承環以免旋動，球形滾子軸承258及曲柄軸中心段242之間的介面不必是壓入配合介面。為了能夠易於拆解曲柄軸總成240以在翻修時更換連接桿軸承268，孔可被鑽入曲柄軸中心段242內與內部通道278、280交會並被界定於軸臂段274、276中，故可附接一液壓泵以從中心段242推離兩曲柄軸端段244、246。
並且，如第13圖所示，在另一實施例中，曲柄軸中心段242包含由終止於端部248中的兩相對及分離軸部分或臂段274、276所界定之一偏移構造。第13圖未顯示但可身為前述第11圖所示形式之各別內部通道278、280係可被界定於軸臂段274、276中並以各別插塞282作密封。第13圖中的曲柄軸中心段242係界定一對通孔292以接受各別軸部分或臂段276、276的對接端部298。多組件式曲柄軸中心段242可易於取代前述的單一或單元性曲柄軸中心段242使用。多組件式曲柄軸中心段242係利於更容易製造。對接端部298可經由機械緊固或摩擦配合方法及機械領域習知的類似方法被固接在通孔292中。
參照第14至16圖，顯示根據另一實施例的空氣壓縮機2。顯示於第14至16圖的空氣壓縮機2適以改善在壓縮機殼體內或曲柄箱170內的空氣交流，而有助於延長空氣壓縮機2的壽命。如前所述，在本實施例中的空氣壓縮機2，由於在第一活塞缸10的活塞40、140（參照第6圖）的吸引衝程，冷卻空氣流被抽引入曲柄箱170。此方法對於曲柄箱170的冷卻是有效的，但是可能也會因為預熱的抽吸空氣進入所述第一活塞缸10產生降低空氣壓縮機的整體效率的影響。顯示於第14至16圖的一改良的實施例中，提供一種裝置和方法，其將冷卻空氣帶入曲柄箱170中，且排出其中的加熱空氣，而具有對空氣壓縮機的效率的影響最小。
參照第14至16圖，曲柄箱170設置有一氣室400，通常在其第二殼體部分174。氣室400通常為矩形形狀（例如：盒形）的殼體402，殼體402定義有一中空內部404，其提供一可被抽引入曲柄箱170的氣體量。殼體402的端壁406定義有一氣體入口408，其可連接於一空氣過濾器或其他通孔（圖未示），用以將涼爽的環境空氣經由該氣體入口408過濾進入氣室殼體402，藉以將一定量的過濾空氣提供入該氣室殼體402。氣室400的其他優點有，氣室400用於趕出進入第一活塞缸10前的進入空氣，而輔助空氣的進入和抑制的空氣壓縮機2的進氣噪聲，有助於總體噪聲降低。氣室殼體402經由進氣管線30連接於第一活塞缸10。氣室殼體402的側壁410定義有一通孔412，其與進氣管線30連接，以安置進氣管線30為與中空內部404流體連接。
如第15圖所示，氣室殼體402包圍一空氣進入閥414，位於氣室殼體402的一底部開口416。空氣進入閥414延伸通過壓縮機殼體或曲柄箱170的一對應開孔418。空氣進入閥414可以是一止回閥或一簧片閥，適於允許冷卻空氣被抽引入曲柄箱170而響應於活塞40、140朝向上止點移動。當活塞40、140移動到上止點，真空生成於曲柄箱170中，造成止回閥柱塞420（或者是一替代的簧片）開啟而允許空氣從氣室殼體402進入曲柄箱170中。空氣進入閥414防止流體回流到氣室402中。
如在第15、16圖中進一步示出，設置於曲柄箱170的底部的一開孔的平板構件424設置有一個或多個空氣排出閥422。排出閥可以是如圖所示的一止回閥或一簧片閥，且允許曲柄箱加熱空氣被排放到環境中。當活塞40、140移動到下止點，空氣進入閥414為關閉，且曲柄箱170中的壓力上升。上升的壓力會導致空氣排出閥422開啟曲柄箱170的通風。
如前所述的帶入冷空氣且排出熱空氣的二閥方法利用了隨著活塞40、140於各自的汽缸殼體12、112中作上下的衝程而置換大量空氣。由於二個活塞40、140同時由下止點移動到上止點，大量的空氣被置換。隨著曲柄軸總成240旋轉，空氣的置換不斷地進行，從壓力到真空。藉由安置空氣進入閥414於氣室殼體402，理想地連接一空氣過濾元件連接至氣體入口408，過濾的空氣被抽引到曲柄箱170。藉由安置空氣排出閥422於曲柄箱170的空氣吸入閥414的相對側，如第15至16圖所示，冷卻空氣將必須通過曲柄軸總成240而達到空氣排出閥422。當空氣通過曲柄軸總成240，空氣通會消除輻射表面的熱及氣體滲漏的影響，且會從曲柄箱170排出。如果需要最大化冷卻氣體流量，可增加額外的空氣進入閥414及空氣排出閥422。
上文描述中雖提供一用於軌道載具的無油式空氣壓縮機之實施例，本領域熟習此項技術者可對於這些實施例作出修改及更改而不脫離本發明的精神與範圍。為此，上文描述意在示範性而非限制性。上文描述的發明係由申請專利範圍所界定，且落在申請專利範圍的意義與均等物內之發明的所有變化皆被其範圍所涵蓋。
10、100‧‧‧活塞缸
12、112‧‧‧汽缸殼體
14、114、16、116、42、142、44、144、60、160、62、162、248、298‧‧‧端部
18、118‧‧‧凸緣
20、120‧‧‧汽缸頭
22、122‧‧‧閥板
124‧‧‧空氣連接單元
170‧‧‧壓縮機殼體、曲柄箱
172、174‧‧‧殼體部分
176、178‧‧‧橫向凸緣
179‧‧‧定位襯套
180、182、234‧‧‧開口
184、202、222‧‧‧安裝元件
186‧‧‧側向壁
189‧‧‧覆蓋板
19‧‧‧散熱鰭片
192、30‧‧‧進氣管線
194‧‧‧縱向壁
196、406‧‧‧端壁
198、200‧‧‧軸向開口
2‧‧‧空氣壓縮機
204‧‧‧環狀部分
206‧‧‧接收環狀部分
208、228‧‧‧主曲柄軸軸承
210、212、230、232、270、272‧‧‧軸密封件
214‧‧‧外部安裝籠
224‧‧‧環狀部分
226‧‧‧接收環狀部分
236‧‧‧覆蓋件
24‧‧‧空氣連接單元
240‧‧‧曲柄軸總成
242‧‧‧中心段
244、246‧‧‧端段
250‧‧‧腔穴
252、254、262‧‧‧連接桿
256、266‧‧‧圓形端凸緣
258‧‧‧球形滾子軸承
26、126、27、127、55、155、177、203、223‧‧‧機械緊固件
260‧‧‧環形凹部
264‧‧‧間隔件
268‧‧‧滾針軸承
274、276‧‧‧軸部分、臂段
276‧‧‧軸臂段
278、280‧‧‧內部通道
28、128、188、190‧‧‧進氣口
282‧‧‧插塞
292、412‧‧‧通孔
298‧‧‧對接端部
34、134、130‧‧‧空氣連接管線
32、132‧‧‧排氣口
300、302‧‧‧空氣歧管
304‧‧‧過濾裝置
306‧‧‧驅動馬達
308‧‧‧冷卻空氣風扇
36、136‧‧‧內部表面
40、140‧‧‧活塞
400‧‧‧氣室
402‧‧‧殼體
404‧‧‧中空內部
408‧‧‧氣體入口
410‧‧‧側壁
414‧‧‧空氣進入閥
416‧‧‧底部開口
418‧‧‧開孔
420‧‧‧止回閥柱塞
422‧‧‧空氣排出閥
424‧‧‧平板構件
48、148‧‧‧活塞環
50、150‧‧‧軸向腔穴、凹部
52、152‧‧‧橫向腔穴、孔徑
54、154‧‧‧活塞銷
56、156‧‧‧乾潤滑劑襯套
58、158‧‧‧中心部分
第1圖是連同一驅動馬達及冷卻風扇所顯示之一用於軌道載具的無油式空氣壓縮機之立體圖。
第2圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之第一隔離立體圖。
第3圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之第二隔離立體圖。
第4圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之第三隔離立體圖。
第5圖是第4圖中沿著線5-5所取之剖視圖。
第6圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之縱剖視圖。
第7圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之一活塞的隔離爆炸圖。
第8圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之一經組裝活塞的剖視圖。
第9圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之一多組件式壓縮機殼體的立體爆炸圖。
第10圖是第1圖所示的無油式空氣壓縮機之一經組裝活塞的立體圖。
第11圖是第10圖的多組件式曲柄軸總成之縱剖視圖。
第12圖是用於第1圖所示的無油式空氣壓縮機的三缸實施例之多組件式曲柄軸總成的另一實施例之爆炸圖。
第13圖是根據另一實施例之多組件式曲柄軸的剖視圖。
FIG. 14 is a perspective view of an embodiment of an oil-free air compressor for railway vehicles with air ventilation.
第15圖是第14圖中沿著線15-15所取之剖視圖。
第16圖是第14-15圖所示的無油式空氣壓縮機之一經組裝活塞的剖視圖。
10、100‧‧‧活塞缸
12‧‧‧汽缸殼體
128、190‧‧‧進氣口
170‧‧‧壓縮機殼體、曲柄箱
172、174‧‧‧殼體部分
177‧‧‧機械緊固件
192‧‧‧進氣管線
2‧‧‧空氣壓縮機
20、120‧‧‧汽缸頭
300、302‧‧‧空氣歧管
304‧‧‧過濾裝置
306‧‧‧驅動馬達
308‧‧‧冷卻空氣風扇
32、132‧‧‧排氣口
34、134‧‧‧空氣連接管線

Claims (20)

  1. 一種用於軌道載具之無油式空氣壓縮機，包含： 一壓縮機殼體，其包含至少一第一殼體部分及一第二殼體部分而界定一壓縮機殼體內部； 一第一活塞缸，支撐於該壓縮機殼體中的一第一開口中； 一第二活塞缸，支撐於該壓縮機殼體中的一第二開口中且流體連接至該第一活塞缸； 一多件式曲柄軸總成，其由該壓縮機殼體所支撐且藉由各別連接桿被連結至該第一及第二活塞缸的活塞；以及 一氣室，與該壓縮機殼體內部為流體連接而提供一氣體量至該壓縮機殼體內部。
  2. 如請求項1之無油式壓縮機，其中該第一殼體部分及該第二殼體部分係形成該壓縮機殼體的各別半部並以機械緊固件而固接在一起。
  3. 如請求項1之無油式壓縮機，其中該第一活塞缸大於該第二活塞缸。
  4. 如請求項1之無油式壓縮機，其中該曲柄軸總成包含一曲柄軸中心段及二個端段。
  5. 如請求項4之無油式壓縮機，其中該曲柄軸總成的兩端段含有配重。
  6. 如請求項4之無油式壓縮機，其中該曲柄軸中心段的相對端部被固接在該等端段中的各別腔穴內。
  7. 如請求項1之無油式壓縮機，其中該氣室係與該第一活塞缸流體連接。
  8. 如請求項1之無油式壓縮機，更包含一空氣吸入閥，位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠自該氣室被抽入該壓縮機殼體內部。
  9. 如請求項8之無油式壓縮機，更包含一空氣吸入閥位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠自該壓縮機殼體內部排出。
  10. 一種用於軌道載具之無油式空氣壓縮機，包含： 一多件式壓縮機殼體； 一第一活塞缸，支撐於該壓縮機殼體中的一第一開口中； 一第二活塞缸，支撐於該壓縮機殼體中的一第二開口中且流體連接至該第一活塞缸； 一多件式曲柄軸總成，其由該壓縮機殼體所支撐且藉由各別連接桿被連結至該第一及第二活塞缸的活塞，其中該些連接桿係連接至與該等活塞各者相聯結的一活塞銷，且該些活塞銷分別由一乾潤滑劑襯套支撐至該相聯結的活塞；以及 一氣室，與該壓縮機殼體內部為流體連接而提供一氣體量至該壓縮機殼體內部。
  11. 如請求項10之無油式壓縮機，其中該壓縮機殼體包含至少一第一殼體部分及一第二殼體部分。
  12. 如請求項11之無油式壓縮機，其中該第一殼體部分及該第二殼體部分係形成該壓縮機殼體的各別半部並以機械緊固件而固接在一起。
  13. 如請求項10之無油式壓縮機，其中該第一活塞缸大於該第二活塞缸。
  14. 如請求項10之無油式壓縮機，其中該曲柄軸總成包含一曲柄軸中心段及兩端段。
  15. 如請求項14之無油式壓縮機，其中該曲柄軸總成的兩端段含有配重。
  16. 如請求項14之無油式壓縮機，其中該曲柄軸中心段的相對端部被固接在該等端段中的各別腔穴內。
  17. 如請求項10之無油式壓縮機，其中該氣室係與該第一活塞缸流體連接。
  18. 如請求項10之無油式壓縮機，更包含一空氣吸入閥位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠自該氣室被抽入該壓縮機殼體內部。
  19. 如請求項18之無油式壓縮機，更包含一空氣吸入閥位於該壓縮機殼體中，以使空氣能夠自該壓縮機殼體內部排出。
  20. 如請求項10之無油式壓縮機，其中該乾潤滑劑襯套包含一PEAK 襯墊。
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