活塞式制冷压缩机的工作原理及结构

第一节活塞式制冷压缩机工作原理
1、活塞压缩机的分类
按使用的制冷剂来分，有氨压缩机和氟利昂压缩机两种。
按压缩级数来分，有单级压缩和双级压缩两种。
按汽缸中心线的位置分，有直立式、V型、W型和S（扇）型。
按压缩机的总体结构来分，有开启式、半封闭式、全封闭式三种。

2、活塞式压缩机的工作过程
1)理想工作过程
在分析活塞式压缩机的工作过程中，可以先把实际过程简化成理想过程。简化时假定：
a.压缩机没有余隙容积；
b.吸、排气过程没有容积损失；
c.压缩过程是理想的绝热过程；
d.无泄漏损失。
这样，压缩机的理想工作过程
可用图2-1所示的P—V图来表示。纵坐标表示压力P，横坐标表示活塞在汽缸中移动时形成的容积V。
在图中，4→1表示吸气过程，活塞从上止点开始向右移动，排气阀（片）关闭，吸气阀（片）打开，在压力P1下吸入制冷剂气；1→2表示压缩过程，活塞从下止点向左移动，制冷剂从压力P1绝热压缩到P2，此过程吸、排气阀均关闭；2→3表示排气过程，活塞左行至2位置时排气阀打开，活塞继续左行，在压力P2下把制冷剂排出汽缸。由于假设没有余隙容积 ，活塞运行到3点时制冷剂全部排出。当活塞再次向右移动时进行下一次的吸气过程。

2)实际工作过程
压缩机的实际工作过程与理想工作过程有很大不同。实际过程存在余隙容积；吸排气阀有阻力，工作时存在压力损失；汽缸壁与制冷剂之间有热交换，非绝热过程；有漏气损失。
a.余隙容积的影响（容积系数λV）
余隙：活塞运动到上止点位置时，活塞顶与阀座
之间保持一定的间隙，称为余隙，余隙所形成的容积称为余隙容积。造成余隙的主要原因是：
防止曲柄连杆机构受热延伸时不至于使活塞撞击阀座而引起机器损坏；排气阀的通道占据一定的空间；运动部件的磨损使零件配合间隙变大；活塞环与阀盖之间的环型空间。
余隙容积的存在，在排气过程结束时不能将汽缸内的气体全部排净，有一部分高压气体残留在余隙容积内，这样在下一次吸气开始前，这一部分气体首先膨胀减压，在压力降低到低于吸气压力才能开始吸气。所以，由于余隙容积内的气体膨胀，占据了部分工作容积，使吸气量减少，称为余隙损失。压比越大使，余隙损失越大。

b.吸排气阀（片）阻力的影响(压力系数λP)
由于阀门（片）开启时必须克服阀片的惯性力和压在阀片上的弹簧力，以及气体通过阀门的流动阻 力，使得实际吸气压力低于P1，产生节流损失；而排气压力高于P2，这使得余隙损失增大。汽缸内部压比大于外部压比。

c. 汽缸壁与制冷剂的热交换影响(温度系数λT)
吸气时低温气体吸收被排气加热了的汽缸的热量，体积膨胀，压缩机吸气量减少，称为预热损失。

d.压缩机泄漏损失的影响（气密系数λg）
压缩机运行时，由于密封不严和磨损会造成漏气损失，它常发生在活塞环和汽缸壁之间的不密封处，使得气体从高压腔向低压腔泄漏。此外，吸、排气阀片关闭不严或关闭滞后，也会造成汽缸内气体泄漏。这部分损失叫作泄漏损失。
由于这些实际因素的影响，压缩机的实际输气量总是小于理论输气量实际耗功总是大于理想过程的耗功。而影响这些因素最大的外界条件就是压缩比，即冷凝压力和蒸发压力的差值。

第二节活塞式制冷压缩机的结构
1、我国系列活塞制冷压缩机的特点高速：转速在960～1450r/min；多缸：开启式压缩机通常有2、4、6、8个汽缸。多缸结构使压缩机布置紧凑，动平衡性能好，还可以通过使一部分汽缸空载运转达到调节制冷量的目的。三种制冷剂通用：新系列大缸径如100、125、170系列压缩机对R717、R12、R22三种制冷剂都可以使用，只须更换部分零部件，如安全阀、气阀弹簧、轴封、胶圈等。2、总体结构压缩机一般须具备以下几部分：a.运动部分：包括曲轴、连杆、活塞等。b.配气部分：包括吸、排气阀，吸、排气通道等。c.密封部分:包括活塞环、轴封、垫片、填料等。d.润滑部分：包括油泵、滤油器、油压调节阀等。e.安全部分：假盖、假盖弹簧、安全阀、高压保护继电器、油压保护继电器等。f.能量调节部分：卸载机构。
3、压缩机主要零部件结构主要介绍开启式压缩机的主要零部件结构。（1）机体：机体就是压缩机的机身，它由汽缸体、曲轴箱、汽缸盖等组成。吸气腔就是汽缸体的内腔，吸入气体通过吸气腔时可以冷却汽缸套，散热条件好。排气腔在汽缸体上端，吸、排气腔之间有隔板分开。对于单机双级压缩机，高、低压级的吸、排气腔之间都有隔板分开。汽缸盖对汽缸上部起着密封作用，它和机体、假盖一起形成了高压蒸气的排气腔。在拆卸汽缸盖时，应防止假盖弹簧将汽缸盖弹出砸伤人。汽缸盖螺栓中有两个长螺栓，在拆卸时先松开短螺栓，再松长螺栓，慢慢释放弹簧的弹力。                汽缸体下部是曲轴箱，内装曲轴和冷冻油以及粗油过滤器，曲轴箱与低压级吸气腔相通。曲轴箱两侧有手孔，方便拆装连杆。机体前后端开有两个轴承座孔，安装前后轴承座。
（2）汽阀缸套部件大中型压缩机的汽缸工作镜面不是和机体铸在一起，另配有可单独装配的汽缸套，这样做有以下几点好处：a、汽缸套耗材少，可以采用优质材料或表面镀铬，来提高汽缸镜面的耐磨性；b、如汽缸镜面磨损到超过允许范围，只要更换汽缸套，节省修理费用，又简单省时；c、可以简化汽缸体、曲轴箱结构，便于铸造。汽阀是控制汽缸中依次进行压缩、排气、膨胀、吸气的控制机构。其性能的好坏直接影响压缩机的制冷量、功耗和运转的可靠性。目前活塞压缩机多数采用环状阀，如图2-3所示为环状阀的结构。它是由阀座、阀片、升程限制器、汽阀弹簧等组成。它的开启和关闭主要靠阀片两侧的压力差来实现，因此，这种阀又称为自动阀。汽阀按其作用不同，分为排气阀和吸气阀。排气阀的阀座分为内、外阀座两部分。外阀座用螺钉与汽缸套一起固定在机体上，而内阀座用螺钉和假盖固定在一起。排气阀的两条密封线分别做在内、外阀座上，排气阀片上压有数个阀片弹簧，它的升程限制器就是假盖。吸气阀的阀座是做在汽缸套的凸缘上形成的两圈凸出宽度为1.5mm左右的密封面，又称阀线。阀线之间有一环形凹槽，槽中有均布的吸气孔与吸气腔相通。吸气阀片也压有阀片弹簧。排气外阀座的下端面就是吸气阀的升程限制器。                   因为吸、排气压力不同，吸、排气阀片弹簧的弹力也不同，装配时应注意区分。阀片弹簧程锥形，大头装到弹簧座中，应旋转安装。假盖被假盖弹簧.紧紧压在排气阀座上。作用是：当汽缸内产生液击（液体制冷剂或润滑油大量吸入汽缸时，由于液体的不可压缩，活塞的运动使液体产生巨大的冲击力）时，假盖被汽缸内的压力顶起，打开一条额外的通道，让汽缸内液体迅速排出，避免事故，起到安全阀的作用。活塞压缩机最大的安全隐患就是回液（潮车），操作时应尽量避免。汽缸套内腔是气体在其内压缩、膨胀的部位，对活塞起导向作用，直接承受气体压力和活塞的侧压力，是压缩机最重要的摩擦面之一，其内径尺寸及椭圆度超过规定尺寸就需要更换。汽缸套通过螺钉或定位销固定在机体上，可以通过汽缸垫片的厚度来调整活塞上死点间隙（余隙）。因为汽缸体内腔（缸套外侧）与曲轴箱相通，安装高压级汽缸时，机体与缸套之间应加胶圈密封。（3）活塞部件活塞在汽缸内往复运动，压缩由汽缸、阀片等组成的封闭容积内的气体。为减少往复运动的惯性力，活塞常用铝合金制成，并做成中空形式。它由顶部、环部、裙部和销座四部分组成。活塞顶部呈凹形（与假盖凸起相配合），上面有起吊螺孔。它承受蒸汽压力。环部开有环槽，在其中放置汽环和油环，油环槽的内壁圆周上开有很多回油孔，油环从汽缸壁上刮下的润滑油可通过它流回曲轴箱。裙部略粗，在汽缸中起导向作用并承受侧压力。活塞销座位于裙部，装配活塞销使活塞与连杆小头相连。活塞环分为汽环和油环两种。汽环的作用是密封蒸汽，减少汽缸内的高压气体通过活塞与汽缸的间隙泄漏到曲轴箱中。油环的作用是将汽缸内壁的油刮下流回曲轴箱。为保证活塞环在汽缸中有足够的弹力，在自由状态时，它的直径比汽缸直径大。在压入环槽并进入汽缸后，锁口间隙及其与环槽的轴向间隙有严格要求，过大或过小都会影响压缩机的正常工作，必须更换。

活塞销是活塞与连杆小头的连接体。当活塞往复运动时，它在活塞销座和连杆小头衬套中相对转动而承受磨损。为减少活塞销的磨损，常采用浮动式配合方式，即活塞销在销座和小头衬套中都没有固定，可自由转动。为防止浮动活塞销轴向窜动伸出活塞擦伤汽缸，在销座两端的环槽内装上弹簧挡圈予以阻挡。
（4）连杆部件
连杆是将曲轴的旋转运动转化为活塞往复运动的中间连接体，把动力传给活塞对蒸气作功。
连杆结构一般可分为三部分：连杆小头、连杆身、连杆大头。
连杆小头一般都是整体式结构，内摩擦面装配轴承衬套，衬套材料一般采用磷青铜。小头轴承的润滑一般是靠从连杆体内钻孔输送过来的润滑油进行压力润滑。高压级汽缸的压力比较大，连杆小头常采用滚针轴承结构，提高使用寿命。同时，为减小耗油量，润滑方式也采用飞溅润滑。
连杆大头是连杆与曲轴连接的一端。除小型压缩机连杆的大头为整体式外，其余大部分为剖分式结构。在与曲轴销相配合的连杆大头内孔里一般装有薄壁轴瓦

连杆螺栓是剖分式连杆大头中用以连接大头盖的紧固件，起着定位大头盖的作用。连杆螺栓在压缩机运转时受力非常严重，如果在运转中断裂，会造成压缩机的严重破坏。为了防止连杆螺栓在运转中松动，连杆螺母必须设有防松装置。严禁用其它螺栓替代连杆螺栓。

（5）曲轴
曲轴是压缩机的一个重要零件，压缩机消耗的功率就是通过曲轴输入的，它是主要的受力部件。曲轴是由曲柄、曲柄销和主轴颈、平衡块四部分组成。平衡块是用以平衡压缩机运转时曲柄、曲柄销及部分连杆所产生的旋转惯性力和惯性力矩，其目的是减小压缩机运转时所产生的振动，也可以减轻曲轴主轴承上的负荷，减小轴承的磨损。
（6）轴封
对于开启式压缩机，驱动轴的一端要伸出机体外部，为了防止制冷剂向外泄漏或空气渗漏入系统，必须在轴的伸出部位及机体之间设置轴封装置。
如图2-9所示的弹簧式轴封，是由动环、静环、弹簧、弹簧座、压环和“O”型密封圈组成。
为了润滑动、静环之间的密封面，减少渗漏并带走热量，轴封室内充满润滑油，通过油泵把油不断地输送到轴封，然后通过曲轴上的油孔流向主轴颈及曲柄销。因为曲轴是处在曲轴箱内，轴封所处压力为（低压级）吸气压力，所以要求油压比（低压级）吸气压力高0.15~0.3MPa 。
注意事项：对于氟利昂压缩机，“O”型圈应使用耐氟橡胶；轴封少量渗漏是允许的。

（7）能量调节机构
压缩机能量调节的方法主要有：
a.改变压缩机转速—需要变频器，影响油压
b.压缩机间隙运行—温度、压力变化大，操作麻烦
c.压缩机吸气节流—压缩机经济性降低
d.顶开吸气阀片—方便，经济，可实现卸载启动
顶开机构的工作原理：通过顶杆将部分汽缸的吸气阀片顶起，这几个汽缸在吸气之后进行压缩时，
于吸气阀片不能关闭，汽缸中压力不能建立，排气阀片始终不能打开，被吸入的气体没有得到压缩就经过打开的吸气阀片又排回到吸气腔中。因此，这部分汽缸不能实现排气，达到改变压缩机排量的作用。
能量调节装置是由能量控制阀和卸载机构两部分组成，两者之间通过油管相连，并用油泵输出的压力油作为动力。卸载机构是一套装在压缩机内部
图2—11 卸载机构的液力传动机构，主要由油缸、油活塞、拉杆、弹簧、转动环、顶杆等组成。拉杆上的凸环嵌在汽缸套外部的转动环中。
卸载机构的工作原理：
卸载启动的原理：
注意事项：高、低压级油缸有所区别，见图2-11；
压缩机左右两侧汽缸外的转动环上斜槽方向不同。

（8）油泵及润滑系统
飞溅润滑：借助曲轴连杆机构的运动，把曲轴箱中的润滑油甩向需要润滑的表面，或是让飞溅起来的油按设定的路线流过需要润滑的表面。
压力润滑：利用油泵加压的润滑油通过输油管路输送到需要润滑的摩擦面。这种供油方式油压稳定，油量充足，润滑安全可靠。
图2-12 润滑系统
油路的流向：曲轴箱中的润滑油经过装在曲轴箱底部的滤网式（粗）油过滤器和三通阀后被油泵吸入，提高压力后，经梳片式（精）滤油器滤去杂质后分成两路：一路去后主轴承座，润滑主轴颈，并通过主轴颈内的油道去相邻的一个曲柄销润滑该曲柄销上的连杆大头轴瓦，再通过连杆体中的油孔输送到连杆小头衬套，润滑活塞销。这一路在后轴承座上设有油压调节阀，一部分油经过油压调节阀旁通流回到曲轴箱；另一路进入轴封箱，润滑和冷却轴封摩擦面并形成油封，然后进入前主轴承，润滑主轴颈及相邻曲柄销；此外再从轴封箱引出一路，供给卸载装置的油分配阀，作为能量调节机构的液压动力。

油泵：常用内啮合转子式油泵（简称转子泵），由曲轴驱动，对旋转方向有要求。压缩机电机的旋转方向是由油泵转向决定的。曲轴箱压力过低（汽蚀）或油泵磨损过大，都会影响油压的建立，蒸发温度低于－45℃时常采用外置油泵
注意事项：精滤器的操作；油压的调整；油压不足时的分析和检修。

（9）安全阀
安全阀设置在吸气腔与排气腔之间，是一种压差式安全阀。当排气压力与吸气压力的差值超过规定值时，阀芯自动起跳，使吸、排气腔相通，高压气体泄向低压腔，起保护压缩机的作用；当压差减小低于规定值时，阀芯自动关闭。
注意事项：安全阀压力调整后，用锁紧螺母锁紧，拧上阀帽后铅封，禁止随意调整设定值；安全阀起跳后，很容易造成泄漏。因此，起跳后须检修后才能再度使用。
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