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往复式活塞压缩机的力学计算


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计 算 机 辅 助 工 程 
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Ai ded  Engi neer ng i  

往 复 式 活 塞 压 缩 机 的力学 计 算 
孙培榆 李启炎 李光 耀  于 中兴 杨 葛林  
( 同济大学 C D研究

中心,上海,209) ( A 002  上海大隆机器厂,上海,206 ) 00 1  作者简介 孙培榆:工程师,主要研究方向为计算机工程;  
李 启炎 :教授 ,博 导 ,主要研 究方 向 为计算 机辅助设 计 与辅助 工程 :  
李光 耀 :副教授 ,主要研 究 方向为 C D, M  A /A ; C 于 中兴 : 高级 工程 师 ,主要 研 究方 向 为压 缩 机设计 ;  

杨 葛林 : 高级 工程 师 ,主要 研 究方 向 为压 缩机 热 力分析 。  

提 

要   往复 式活 塞压 缩机 动力 、热 力计 算 是压 缩机设 计 中最基本 的,又是 最重要 的一 项计 算 
工作 ,但 工程 计 算 量 大。 本文 主要 研 究 目前 通用 的压 缩机 的热 力和 动 力计 算数 学模  
型 ,并根 据相 应 的数 学模型 编制 了软件 ,效 果较 好 。  

关 键 词  力 学模 型 、压 力 系数  

0 引 言 
往 复 式 活 塞 压 缩 机 动 力 、热 力 计 算 是 压 缩 机 设 计 中最 基 本 的 ,又 是 最 重 要 的 一 项 计 算 工  作 ,根 据 用 户 提 供 的 成份 、气 量 、压 力 等 参 数 要 求 ,经 过 热 力 计 算 得 到 压 缩 机 机 型 、级 数 、列  数 、汽 缸 尺寸 、机 型 大 小 、轴 功 率 及 功 率 损 失 、电机 转 速 等 ,经 过 动 力 计 算 得 到 飞 轮 矩 、各 部  件 的受 力等 , 它 们 的计 算 结 果 将 为 各 部 件 图 形设 计 提 供 原始 数 据 , 计 算结 果 的精 确 度 体 现  而 其 了压 缩 机 的设 计 水 平 ,也 始 终 是 压 缩机 研 究方 面 的一 个 永 恒 项 目。但 是 其 计 算 工 作 量 极 大 ,比  如 一 个 人 采 用 最 近 似 的方 法 计算 一 台简 单 的 四级 压 缩 的往 复 式 活 塞 压 缩 机 至 少 要 花 两 个 星 期  以上 时 间 ,若 碰 到近 来 流 行 的 联 合 压缩 机 则手 工 计 算 无 能 为 力 。   对 一些 特 殊 介 质如 大 隆机 器 厂 的 拳 头 产 品 C O2压 缩 机 , 内在 此方 面有 研 究 成 果 的西 安  国 交 通 大 学 编 制 的 动 力 计 算 软 件 也 无 法 计 算 ,国 内也 无 通 用 热 力 、动 力 计 算 软 件 可 供 选 购 。随着 

市场经济 的发展 , 品需 向着 品种多样化发展 , 产 面对激烈的竞争形势及市场要求制造 企业具有 
快 速 技术 反应 机 制 的 情 况 下 ,我们 决 定 自行 开 发 热 力 及 动 力 计 算通 用 软件 。  
来稿 日期 :1 9 - 0 0   9 9 1- 5

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往 复式活 塞压缩机 的 力学计算 

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l 软 件 编 制 的要 求 
热 力 及 动 力计 算 通 用 软 件 编 制 应 符合 以下 几 个 要 求 :  
() 理 论 依 据 来 自机 械 工 业 出版 社 出版 的 已被 国 内企 业 广 泛 应 用 的 《 塞 式 压 缩 机 设  1 活

计 》 , 同时 结合 本 厂压 缩 机 实 际 的 设计 经 验 和 对 产 品应用 过 程 中总 结 的经 验 :  
() 软 件 应 可 以进 行 联 合 压 缩 机 的 设计 : 2  

() 建 立汽 缸直 径 数 据 库 ,使 产 品缸 径 系 列 化 : 3  
() 具 有 设计 及 校 核 双 重 功 能 ; 4   () 适 用 于各 种 汽 缸 结 构 型 式 ( 级差 式 、倒 级 差 式 、双 作 用 式 、贯 穿 式 等 ); 5 如  

() 能精 确 且 可 以智 能 化 地确 定压 缩 机 气 体参 数 ,特 别 是 混合 气 体 参 数 ; 6  

()输出结果具有 可选择性。 7  

2 软 件 编 制 的难 点及 其 解 决 办法 
()建 立汽 缸 直径 的数 据 库 ,实现 产 品零 件 系 列 化 。往 复 式活 塞 压 缩 机 属 于工 艺流 程 中的  1
心 脏 设 备 ,其 特 点是 单 件 小 批 量 生 产 ,每 种 流 程 ( 使 同 一流 程 ) 由于其 气 量 、介质 、压 力 、 即  

技 术 要 求 ( 油 、无 油 )、中间变 换 等 的不 同需要 提供 不 同的 变 形 压缩 机 ,在 压缩 机 结 构 中变  有

动频繁的是汽缸和活塞 , 我厂经过几十年的压缩机 生产 已积累了不少汽缸木模 , 为了能在压缩 
机 设 计 中 既要 优 先 利 用 原 有 的 这些 资源 ,又 能满 足 压 缩 机 设计 需 要 ,我们 在 编 制 软件 时将 汽 缸  参 数 放 在程 序 数 据 库 中 ,建立 一个 逻 辑 关 系 , 计 算 机在 新 产 品设 计 时 从事优 选 已有汽 缸 的零  让 件 系列 化 工作 。   ()精 确 且 智 能 化地 确 定压 缩 机 气 体 参数 。压 缩机 设计 计 算 中碰 到查 阅 许 多 图表 如 各 种 气  2 体 的压 缩 性 系 数 、气 体 的 水 蒸汽 饱 和 压 力 、压缩 机 的温 度 系 数 、压 力 系 数等 ,这 些 系 数选 取 的 

精度直接影响到压缩机 的精度 。现采用 以下两种方法进行数据 的计算机选取 :  
① 一元 拉 格 朗 日三 点 插值 法 ;函 数 Y x 的 结 点值 为 X iO 12 .n ()  (= ,, … , ),其 对应 的 函数 
值 为 y X) Y (= , , … .n ,对 于 给 定 的不 是 结 点 的值 x ( 。 。i 0 1 2 , ) = ,选 取 最 靠近 它 的三个 插值 点 ,应 

用 一 元 拉格 朗 日三 点插 值 公 式 计 算 出对 应 的 函数 值 Yx 为  ()
+2 +2    

) ) ∑n( - o x一 ) ,:   ( x / j ) x (  
) x  =   i f ik

式 中 :K= , X - 。时  0 当 <X
S   当 X < <X + , XX >X + - s X : s l - s = s l X时 ( : , … .N 2  S 12 ,. )

S I 当 X < < X + , X X < s l X时 ( = , … .N 2  -  s X: s l - sX + — S I2 ,. )
n2 -  当 X =  > X 。时 

② 二 元 拉 格 朗 日插值 法 :函数 f x Y 的第 一 个 变 量 ( )的 结 点值 为 X 可 不 等距 i O  (, ) x t( =、
1 .n ,第 二 变 量 ( )的 结 点值 为 Y 可不 等 距 j O 1 .m ,其 对 应 结 点上 的 函数 值 为  … ,) y  ( =,… , ) Y ( 不 等 距 i O 1 .n j o 1 .m ,对于 结 点 的值 ( , ) ,如果 给 定 的 不 是 结 点上 的    可 = , … , ,- , … , ) - XY 值 ( , ) ,分 别选 取 最 靠 近 X的三 个 结 点 ( q)  )+ XY ),( 【z 【 q q)和 最靠 近 Y的三个 结 点 ( -Y Y+   Y,    ) z

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计算机 辅 助工 程 

2 0  00

用 二 元 拉 格 朗 日插 值 公 式 计 算 出对 应 的 函数 值 f x y 。显 然插 值 结 点分 布 越 均 匀 越 密 ,其 对  (,)
应 的 函数 值 相 差 越 小 ,插 值 的结 果 越 精 确 。 插 值 公 式 :  

) ) ZZ(  一   一 ). x/jxf  ,= (   I  )  )兀 一Ox Oj - I (- r (— i )
i   =q s q =q j   =   i   =p

采 用 此 插 值 法 进 行 计 算 ,其 精 度 高 ,并 且 不会 发 现人 工 计 算 查表 时 的 误 差 现 象 ,对 于 混  合 气 体 压 缩机 ,其 气 体 由多 种 气 体 组 合 而 成 。 比如 :C 2压 缩 机 其 气 体 成 分 C 2占 9 % 0 0 6 ,其 他 
气 体 成 分 占 4 ,过 去 手 工 计 算只 能 以 1 0 C 2气 体 ( 略 其 他 气 体成 分 影 响 )来 计 算 ,结 果  % 0% 0 忽 导 致 样 机 在 四 段 就 产 生 超 压 现 象 ( 手 工 计 算 四 级 出 口 压 力 为 7 K fm 如 5 g / 2,实 际 运 行 要 达 

8 K fm 以上 )直 接 影 响压 缩 机 的 正 常运 行 ,过 去 解 决 办法 是凭 经 验 , 设计 时有 意 识 地 放 大  5g/2 四 级缸 来 减 少 手 工 计 算 出现 的 问题 。 今 采 用 计 算 机 计 算 就 可 弥补 手 工 不 能从 事 混 合 气 体 参 数  而
计 算 的缺 陷 ,从 理 论 上 彻 底 给 予 解 决 ,这 也 是 该 厂 压 缩 机 设计 所特 有 的 。其 他 压缩 机 厂家 主要  购 买 现 有 软 件 , 由于 其 压 缩 机 计 算 过 程 参 数 , 比如气 体 压 缩 性 系 数 采 用 “ ~ ”方法 即 与 临 界  LK 压 缩 因子 Z o关 系 的 一套 通 用 化 的状 态 方程 计 算 式 ,此 方 法 对 N 、H 、0 2 2 2等 非 级性 气 体 介 质 还 

比较 近似 ,但 对 弱 极 性 气 体 c 、N 、N 2 0 O O 、氟 利 昂等其 精 度 就 相 差 很 多 ,而 对 前 面 所 述 的 C 2 0 

考 ∑Y  ̄ = ii * 
方法 :  

、  

气 体 则 更 不 能 计 算 ,而 该 厂 的 软 件气 体参 数 以实 验 室 实 际 曲线 为基 础 ,对 混合 气体 采 用组 合 的 

计 算 结 果更 精 确 。 因此 软件 的开 发 解 决 了我 国 长期 以来 存 在 的 C 2压 缩 机 四 级超 压 的 头痛  0
问题 。   ()设 计 、校 核 、复 算 功 能 于 一 体 。按 照 常 规 的 要 求 ,在 输 入 原 始 参 数气 量 、压 力 等 以后 , 3   再 通 过 计 算 获 得 压 缩 机 总 体 设 计 的结 果 即可 ,但 作 为 企 业 会遇 到较 多 的用 户 改 造 项 目.因此 需 

要 软 件 具 有 复 算 的功 能 , 即输 入 缸 径 、气 量 、 压 力 要求 以 后 ,可 以 反过 来 计 算 气 量 、功 率 等 ,   此 外 要 求 增 加 校 核 功 能等 。因此 , 实 际编 程 过 程 中采 用 了根 据 输 入 缸 径 的数 值 来 识 别 其 计 算  在
的 模 型 ,以此 解 决 程 序计 算 接 口 问题 , 度 常 规 设 定 为 5 1   精 . 0 ,并 留有 可 任 意 修 改精 度 的接 口 。  

另外 ,在 气 缸 的 结 构 型 式 输 出 结 果 方 面 作 了充 分 的 考 虑 , 以满足 不 同设 计 计 算 的需 要 。  


该模 型 适 用 的范 围 为 :各 种 不 同气 体 介 质 ( 4种 ) 、不 同 压 力 的联 合 压 缩 机 。  
() 介 质 及 适 用 范 围 ( 表 1 : 1 见 ) 

’  

() 缸 径 适 用 范 围 :2m 2 O 旷~ lo舢 。 40  

3 结 论 
本 文 所 叙 述 的力 学 计 算 方 法 适 用 于 V型 、L型 、z型 、D型 、 ̄型 、删 型 等 1 I 0列 以 内 的往  复 式 压 缩 机 ,同 时适 合 于各 种 不 同气 体 介 质 ( 4种 ) 、不 同压 力 的 联 合 压 缩机 。采 用 此 力 学 模 

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往复 式活塞压 缩机 的力学 计算 

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型 编 制 的 软件 具 有 设 计 和 校 核双 重 功 能 。  
表 1 介 质 及 压 力 、温 度 参 数 范 围 

气 体成 分  
H2  
CH2   C4 1   H O C3   H6 N2   CO  O2   NH3  

压力 ( c ) K ̄ m2  
0 4 0  - 0
0-3 0  0 0-3 0  O 5-3   0 0- 0 40   0-3 0 5  0- 0  40 0- 0  40

温 度 ( C) 0  
一0 2 0 5 - 0  
2 1 ~1 7.   2. 1 8 78 3 78 0 44 7. ~2 4.   3 -1   0 75 — 0-2 0  5 0 O  0 o  0-2 0  0 O~2   oo

空 气 
  I H2 C2  

040 -0 
040 -0 

0 20 -0 
0 20 -0 

  2 I0  C

040 - 0 

0 28 -5 

M e h n cCo p t to   fRe i r c l c a i  m u a n o   cp o a  i
Co p e   r m r so  s
S nP iu L   ia   L   u n y o u   ey   i yn Q i a g a  G
( AD R sac  e trT n jUnv S ag a 2 0 9 ) C   eerhC ne, o gi i. hn h i 0 0 2    ,

Yu Zh n x ng Y a g Ge i     o g i   n   ln
( h n h i ln   a hn sLt.S a g a, 0 0 ) S a g a  o gM c ie   d, h n h i2 0 61  Da

ABS TRACT

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b sc ts  n te d sg ig o   o r s os u u l  a eu     ra  e lo  i e T i  a i a k i    e in n   fc mp e s r, s al tk   p a g e td a  ft h y m . hs
p p rr p rs O l h   a e t   o t m  o   u h c mp t t n a d t e s f r f  h s a e  e o t  i t e m t ma i Mg f h f rs c   o u i       o t   h c i a o n h wa e ort i  


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