分析了活塞连杆沿气缸往复和摆动的运动规律及其受力，提出了优化的连杆比，减少活塞对气缸换向的敲击，

 

    达到活塞与连杆运动轨迹为最佳；降低了噪声，减少了密封圈摩损，提高了整机使用寿命；对机器进行热、动力分析，确

 

    定其基本参数、性能参数等。

 

    [关键词]:医用；无油润滑；微型空压机；低噪声

 

    1 引言

 

    “医用全无油静音型空气压缩机是真正意义上的全无油静音的空压机”,这是用户对江苏吴泰气体设备科技有限公司的赞誉。

 

    随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，医用全无油静音型空压机（简称：医用空压机）越来越被广泛应用。不仅在食品、化工、制药等工业领域，而且正进入到与人生活息息相关的医疗、牙科诊所、保健、装饰等行业；甚至家用雾化器，吸痰器、制氧机、呼吸机及新能源汽车、电动刹车泵等。另外国内市场随着中国老年化的不断加重，家用制氧机需求增长迅速，促使该机型的迅猛发展。该机型提供低噪、无油、可靠、高质量的净化气源，噪声低于50 dB,可放置在工作区的任何位置，不会造成噪声污染，可成为独立气源。

 

    本文“医用空压机”系摇摆式无油润滑空气压缩机，该机型20世纪70年代开发，由美国Thomas Robort Hetzel工程师提出，其机构是活塞与连杆一体式结构（连杆与活塞连接无活塞销），故活塞在进行往复运动的同时又进行摇摆运动，所以该机型又被称为WQB-L型的往复活塞式摇摆全无油润滑空压机。

 

    从理论上来论述：该机型归属于往复压缩机的范畴，其优点非常突出：

 

    （1） 噪声低，输出气体稳定，无波动（有优选的缓冲容积），并采用微孔消声结构，最大限度减少噪声污染；

 

    （2） 密封，密封环材料经优选配料制成，经数百台机器的运行，最后选定某种不但密封性，耐磨，延长使用寿命，提高可靠性的材料；

 

    （3）体积小，占地面积小、多方位移动灵活；

 

    （4） 安装方便，可靠性高，整机使用寿命超10000 h;

 

    （5）整机效率高，比老机型节能3%~5%;

 

    （6） 选型新颖，美观；

 

    （7） 整机结构简单，维修方便。

 

    以上优点拥有完全的自主知识产权。图1为若干典型的医用空压机整机外形。

 

    该机型同时存在一些缺陷，主要是活塞运动为往复摇摆运动，导致密封环对气缸存在拍击动作，造成空压机较大的机械噪声及其密封件工作寿命短的原因。为克服上述弊病，本文着重研究了连杆比值（即曲柄半径与连杆长度之比值），有效地减小活塞对气缸的拍击强度，改善了密封环的密封性，并优选了聚四氟乙烯（PTFE）和PEER材料的配方和制作。为此进行了大量的富有成效

 

    的研制，并取得了一些成果，减小了噪声，改善了密封件使用条件，提高了可靠性。

 

    2 医用空压机工作原理

 

    医用空压机属于往复压缩机，基本结构有曲

 

    柄连杆结构，如图2、3所示。

 

    电机的转轴上安装有曲柄轴（偏心轮），连杆活塞体通过轴承连接在曲柄轴上，当主轴旋转时驱动曲柄进而驱动连杆活塞体，使活塞作往复运动，由此实现空压机气缸容积的周期性改变，实现空气的吸入，压缩和排出热力过程。因此该机型具有传统往复活塞空压机的一些结构特点与动力特性，而与一般往复压缩机不同的是，它的连杆与活塞为一体式结构，连杆与活塞连接处无活

 

    塞销结构，所以当连杆作往复运动时，连杆活塞体顶面产生摆动。故也称之为摇摆活塞空压机。该机型的电机轴和曲柄轴（偏心轮） 作旋转运动，连杆活塞体作摇摆往复复合运动，气阀阀体作开闭运动，则电机轴、偏心轮、连杆活塞体和气阀阀片是工作工程中主要运动件，为了解决单气缸空压机受力不均如图2所示，气流脉动大的弊端，一般医用空压机的设计为平衡式双气缸空压机，如图3所示。将电机布置在中间，空压机分配在电机两端，其动力性能较佳。

 

    3 医用空压机结构

 

    3.1 总体结构

 

    医用空压机主要零部件有：电机、曲轴箱、曲柄轴（偏心轮）、轴承，连杆活塞体，密封环、活塞压盖、气阀组件及缸盖等组件，如图4.

 

    总体设计采用曲柄连杆结构，在工作过程中，连杆活塞体相对于气缸中心线存在摆角或摆动幅度，由此使得活塞和密封环对气缸产生较大的侧向压力，并产生换向时敲击现象，导致空压机有明显的噪声和摩擦损耗，极度地缩短密封环使用寿命。

 

    鉴于“医用空压机”存在上述结构缺陷，本文拟从降低连杆活塞体与气缸之间的侧向压力和敲击强度，通过优选最佳的连杆比，改变连杆活塞体运行方式，以求达到减弱“空压机”的机械噪声和摩擦损失的目的。提高其运行的可靠性。

 

    3.2 电机选用

 

    医用空压机主要选用交流电机，一般为两极和四极，为了减轻整机重量主要用两极电机（出口机型常用），效率高，排量大。医用空压机主要选用四极，转速低，噪声小，容积效率高。新能源汽车电动刹车主要用直流电机驱动空压机。制氧机用空压机选用电机为四极单相感应电机，此电机为单电容运行，电机为两端伸出轴，及两端分别与空压机连接驱动空压机曲柄轴旋转，曲柄轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成了一个工作循环。电机为两端出轴，即带动2个单缸空压机进行了工作循环，使空压机流量在额定转速时为单缸的两倍，且有效地控制了振动和噪声。该电机

 

    装配要求较高，为了保证其精度，均采用热装，将曲轴箱加热至150-180℃，保温适时，将电机定、转子依次装入，此时要严防轴承损伤，为了降低噪声，确保轴承的工作游隙（2-4 μm），严格控制轴承孔和电机轴及曲轴箱孔与轴承外圈的配合精度。

 

    3.3 曲柄轴材质为球铁或粉末冶金

 

    医用空压机为双机头，对运动件的质量要求较高（误差不大于0.1%），为保证重量精度必须对零，部件进行全加工，并留有增减重量的位置。

 

    粉末冶金材质制作曲柄轴易保证精度，稳定性，其材质加工余量少，重量易控制。但其模具费用高，如批量投产，制造成本会下降。曲柄轴加工精度非常关键，严格控制尺寸精度，形位公差，否则不良的曲柄轴会加速密封环的磨损，导致电机电流及功率增加，引起电机发热，导致排气量下降。

 

    3.4 曲轴箱、连杆活塞体

 

    曲轴箱、连杆活塞体、密封环及压板、材质均为铝材压铸而成。曲轴箱、连杆活塞体精度均由加工来保证，这是关键。其他由辅助制造工装夹具保证其形位公差，否则会影响其运动轨迹及其工作状态，从而导致密封环磨损，噪声增大。

 

    3.5 密封环、气缸

 

    密封环与气缸是一对摩擦副，密封环是实现无油润滑的关键零件。对此我们经过组合配方的方法，进行了优先最佳配方比，以达到密封环抗击耐磨及长寿命的目的见表1.经过百余次试验和优选，选出最佳的配方比，各项指标达到预期目的。性能参数如下：

 

    （1） 硬度：RB=10

 

    （2） 成型压力：50 MPa

 

    （3） 抗冲击强度：94 MPa

 

    （4） 抗弯强度：20 MPa

 

    （5） 抗拉强度：20 MPa

 

    （6） 伸长率：15%

 

    （7） 抗压强度：（a）变形量10% 20.1 MPa;

 

    （b） 屈服强度49.5 MPa.

 

    经过10余年的努力，不断科学试验，终于探索出密封环的优异的配方比，该环具有柔性、强度高及耐磨性的特点。

 

    气缸材质为铝合金经硬质氧化处理，然后用特殊加工方法确保缸径粗糙度达0.4,形位公差达到技术要求，满足了气缸和密封环对磨损时损耗值最小，经耐久性试验，密封环突破了10000 h.

 

    3.6 噪声控制

 

    医用空压机噪声源是综合的噪声：机械噪声、电磁噪声、空气动力噪声等。机械噪声主要由机械传动、密封环连杆往复摇摆运动引起的振动而发出的。可以改变运动方式，增强曲轴箱的刚性，优配机械配合精度及采用精良的装配工艺，能有效地减少噪声。采取诸多措施，噪声降低2~3 dB （A）。

 

    电磁噪声来源于定、转子间气隙中磁场畸变产生的电磁噪声，通过控制减少气隙有效地减少电磁噪声；另则电机风叶采用不对称扭曲叶片也能降低噪声。空气动力噪声主要来源于进、排气阀中阀片撞击引起，另则气流速度引起噪声的主要原因。

 

    鉴于此，将进、排气阀腔和与之相串连的气体管道分别看成一个进或排气系统，阀片周期启闭时，对进（排）气系统产生一个相应的周期变化的气流速度激发。为此，在进（排）气口加装微孔消声器，从而降低噪声。气阀阀片运动产生较大的噪声，为此改用了高分子塑料阀片和静音阀板，静音气缸材质，可大幅度降噪。

 

    综上诉述，整机的噪声指标小于50dB （A）

 

    5 医用空压机动力分析

 

    活塞的位移、速度、加速度可以从图6的几何关系和运动关系中确定。

 

    6 结语

 

    鉴于医用空压机普遍存在机械噪声大和密封环寿命短的问题，本文提出了优选性能参数、材料配方比及合理选用结构参数，确保连杆活塞体运动接近直线运动，减少摆动，同时活塞对气缸

 

    的敲击强度大幅减弱。通过10余年生产实践及现

 

    场运行，达到了预定的设计目标。