【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隔膜压缩机，具体涉及一种双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机及其设计方法。
技术介绍
1、隔膜压缩机是一种利用膜片将油侧和气侧分离开的容积式压缩机，其工作原理是：通过电机驱动曲轴连杆，带动活塞进行往复运动实现高压油液的增压和泄压，进而通过高压油液推动膜片来实现气体的压缩和排出。隔膜压缩机由于其具有密封性好、压比大的特点，因此被广泛应用于氢能源行业，尤其加氢站是其重要的使用场景之一，而膜片寿命、容积效率和膜头强度问题，则是隔膜压缩机研发过程中非常关键和困难的问题。
2、隔膜压缩机补油、液压和润滑系统直接影响着整机的运行可靠性，膜头组件中的液压油由曲柄连杆机构带动活塞驱动，不仅直接影响着气侧压力和排气量，还直接作用于膜片使其挠曲变形，更直接作用于膜头组件影响其强度可靠性。当隔膜压缩机运行时，高压液压油不可避免地会通过活塞环泄漏，这将直接导致隔膜压缩机的余隙增加和气量减小，甚至失去压气能力。因此，隔膜压缩机需要设置补油柱塞泵来补充膜头内液压油量，补液柱塞泵一般是由曲轴轴头偏心轮驱动，与曲轴箱内的活塞运行形成一定的相位差来进行补油，传统隔膜压缩机一般设置相位差为0°或180°，即柱塞泵在隔膜压缩机吸气或排气行程过程中进行柱塞泵补油操作。公开号为cn109469603b的专利提出了一种高压隔膜压缩机及其补油系统和补油方法，通过在补油柱塞泵和补油单向阀之间外接溢流阀通路，实现隔膜压缩机吸气行程或排气行程的补油油压控制，从而实现柱塞泵补油量的调控。
3、在补油系统中，一般设计柱塞泵行程容积大于油缸内的液压油泄漏量
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机及其设计方法，提高隔膜压缩机柱塞泵的使用寿命以及隔膜压缩机的整机可靠性。
2、为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
3、一种双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，包括压缩机端盖、一级柱塞泵、二级柱塞泵、柱塞泵连接螺栓、一级偏心轮结构以及二级偏心轮结构；所述一级柱塞泵与二级柱塞泵分别通过柱塞泵连接螺栓安装在压缩机端盖的对称两侧以实现动力平衡；所述一级柱塞泵与二级柱塞泵的柱塞泵体与压缩机端盖之间、柱塞泵体与柱塞泵衬套之间、柱塞泵体与柱塞泵盖之间以及柱塞泵衬套与内部的柱塞泵柱塞之间均通过密封圈进行液压油密封；所述一级柱塞泵与二级柱塞泵分别在一级偏心轮结构与二级偏心轮结构的驱动下以及柱塞泵弹簧的反作用力和柱塞泵柱塞的摩擦力共同作用下，实现柱塞泵的进油、增压、排油、减压的过程。
4、作为一种优选的方案，所述一级柱塞泵与二级柱塞泵的柱塞泵体与压缩机端盖之间通过柱塞泵体第四密封槽内的密封圈密封进行液压油密封，柱塞泵体和柱塞泵衬套通过柱塞泵体第二密封槽和柱塞泵体第三密封槽内的密封圈进行液压油密封，柱塞泵盖和柱塞泵体通过柱塞泵体第一密封槽内的密封圈进行液压油密封，柱塞泵衬套和柱塞泵柱塞通过多个柱塞密封槽内的密封圈进行液压油密封。
5、作为一种优选的方案，所述一级柱塞泵与二级柱塞泵分别在一级偏心轮结构与二级偏心轮结构的驱动作用下，柱塞泵柱塞向柱塞泵弹簧压缩方向运动，这个过程中柱塞泵油腔的容积减小，实现柱塞泵油腔内液压油的增压和排油过程，同时柱塞泵弹簧提供对抗偏心轮驱动力和柱塞泵柱塞摩擦力的反作用力，当柱塞泵柱塞运动到上止点位置时，柱塞泵柱塞在柱塞泵弹簧的驱动作用下，对抗偏心轮反作用力和柱塞泵柱塞摩擦力，并推动柱塞泵柱塞向下止点运动，在这个过程中柱塞泵油腔的容积增大，实现柱塞泵油腔内液压油的减压和进油过程，直至柱塞泵柱塞到达下止点位置。
6、作为一种优选的方案，所述一级柱塞泵与二级柱塞泵的容积腔容积大于隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙lxl的泄漏量；
7、隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙lxl的泄漏量按照下式进行计算：
8、
9、式中，ql为隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙lxl的泄漏流量；dhs为隔膜压缩机活塞的直径；δ为隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙lxl的间隙；μ为液压油粘度；l为隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙lxl的长度；δp为隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙lxl的两侧压差；poil为隔膜压缩机油压最大值；pair为大气压力；m为隔膜压缩机活塞上的密封圈个数。
10、作为一种优选的方案，所述一级柱塞泵与二级柱塞泵的容积腔容积按照下式进行计算：
11、
12、式中，m柱塞为一级柱塞泵或二级柱塞泵的补油量；ml为隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙泄漏质量；χm为设计系数，大于1；ρoil为液压油密度；dzs为柱塞泵柱塞的直径；lzs为柱塞泵柱塞的行程。
13、作为一种优选的方案，所述柱塞泵弹簧的反作用力按照下式进行计算：
14、
15、式中，fspring,min为下止点位置时最小柱塞泵弹簧的弹簧力；e为柱塞密封槽内密封圈弹性模量；h为柱塞密封槽内密封圈线径；h为柱塞密封槽内密封圈沟槽深度；d为柱塞密封槽内密封圈内径；b为柱塞密封槽内密封槽宽度；μ为柱塞密封槽内密封圈泊松比；l为柱塞泵柱塞轴向方向接触其泄漏液压油的特征长度；ν为液压油运动粘度；ρ为液压油密度；u为柱塞泵柱塞移动速度；s为柱塞泵柱塞的周向间隙。
16、作为一种优选的方案，隔膜压缩机活塞的往复运动方向和柱塞泵柱塞的往复运动方向存在相位差，相位差由隔膜压缩机相对高压和相对低压的压力值决定；隔膜压缩机相对高压和相对低压按下式计算：
17、
18、式中，prelative,high为相对高压；χh为相对高压系数；poil,max为最大油压；χl为相对低压系数；pstage,1为隔膜压缩机第一级瞬时油压；pstage,2为隔膜压缩机第二级瞬时油压；ts为隔膜压缩机溢流阀补油开始相位角，te为隔膜压缩机溢流阀补油结束相位角。
19、作为一种优选的方案，所述一级柱塞泵与二级柱塞泵对称呈180°安装，通过选取相对高压系数χh与相对低压系数χl，使隔膜压缩机溢流阀补油开始相位角ts与隔膜压缩机溢流阀补油结束相位角te满足：
20、
21、作为一种优选的方案，所述一级柱塞泵与二级柱塞泵的相对运动方向与双级对动隔膜压缩机活塞运动相对运动方向存在相位角符合如下关系式：
22、
23、隔膜压缩机第一级在时间范围内吸气，在时间范围内压缩排气，柱塞泵开始向膜头补油的最佳时刻在[t1,ts]时刻，柱塞泵开始进油的最佳时刻在[te,t]∪[0,t1]。
24、一种如所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机的设计方法，包括以下步骤：
25、定义缸内油压pstage，则无量纲油压描述为在此取最大油压poil,max为隔膜压缩机设计名义排气压力，名义无量纲油压描述为通过热力过程仿真计算本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：包括压缩机端盖(A)、一级柱塞泵(B1)、二级柱塞泵(B2)、柱塞泵连接螺栓(C)、一级偏心轮结构(D1)以及二级偏心轮结构(D2)；所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)分别通过柱塞泵连接螺栓(C)安装在压缩机端盖(A)的对称两侧以实现动力平衡；所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)的柱塞泵体(1)与压缩机端盖(A)之间、柱塞泵体(1)与柱塞泵衬套(3)之间、柱塞泵体(1)与柱塞泵盖(2)之间以及柱塞泵衬套(3)与内部的柱塞泵柱塞(5)之间均通过密封圈进行液压油密封；所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)分别在一级偏心轮结构(D1)与二级偏心轮结构(D2)的驱动下以及柱塞泵弹簧(4)的反作用力和柱塞泵柱塞(5)的摩擦力共同作用下，实现柱塞泵的进油、增压、排油、减压的过程。
2.根据权利要求1所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)的柱塞泵体(1)与压缩机端盖(A)之间通过柱塞泵体第四密封槽(14)内的密封圈密封进行液压油密封，柱塞泵体(1)和柱塞泵衬套(3
3.根据权利要求2所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)分别在一级偏心轮结构(D1)与二级偏心轮结构(D2)的驱动作用下，柱塞泵柱塞(5)向柱塞泵弹簧(4)压缩方向运动，这个过程中柱塞泵油腔的容积减小，实现柱塞泵油腔内液压油的增压和排油过程，同时柱塞泵弹簧(4)提供对抗偏心轮驱动力和柱塞泵柱塞(5)摩擦力的反作用力，当柱塞泵柱塞(5)运动到上止点位置时，柱塞泵柱塞(5)在柱塞泵弹簧(4)的驱动作用下，对抗偏心轮反作用力和柱塞泵柱塞(5)摩擦力，并推动柱塞泵柱塞(5)向下止点运动，在这个过程中柱塞泵油腔的容积增大，实现柱塞泵油腔内液压油的减压和进油过程，直至柱塞泵柱塞(5)到达下止点位置。
4.根据权利要求2所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)的容积腔容积大于隔膜压缩机活塞泄漏通道间隙Lxl的泄漏量；
5.根据权利要求4所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)的容积腔容积按照下式进行计算：
6.根据权利要求1所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述柱塞泵弹簧(4)的反作用力按照下式进行计算：
7.根据权利要求1所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：隔膜压缩机活塞的往复运动方向和柱塞泵柱塞(5)的往复运动方向存在相位差，相位差由隔膜压缩机相对高压和相对低压的压力值决定；隔膜压缩机相对高压和相对低压按下式计算：
8.根据权利要求7所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)对称呈180°安装，通过选取相对高压系数χh与相对低压系数χl，使隔膜压缩机溢流阀补油开始相位角ts与隔膜压缩机溢流阀补油结束相位角te满足：
9.根据权利要求8所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(B1)与二级柱塞泵(B2)的相对运动方向与双级对动隔膜压缩机活塞运动相对运动方向存在相位角符合如下关系式：
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：包括压缩机端盖(a)、一级柱塞泵(b1)、二级柱塞泵(b2)、柱塞泵连接螺栓(c)、一级偏心轮结构(d1)以及二级偏心轮结构(d2)；所述一级柱塞泵(b1)与二级柱塞泵(b2)分别通过柱塞泵连接螺栓(c)安装在压缩机端盖(a)的对称两侧以实现动力平衡；所述一级柱塞泵(b1)与二级柱塞泵(b2)的柱塞泵体(1)与压缩机端盖(a)之间、柱塞泵体(1)与柱塞泵衬套(3)之间、柱塞泵体(1)与柱塞泵盖(2)之间以及柱塞泵衬套(3)与内部的柱塞泵柱塞(5)之间均通过密封圈进行液压油密封；所述一级柱塞泵(b1)与二级柱塞泵(b2)分别在一级偏心轮结构(d1)与二级偏心轮结构(d2)的驱动下以及柱塞泵弹簧(4)的反作用力和柱塞泵柱塞(5)的摩擦力共同作用下，实现柱塞泵的进油、增压、排油、减压的过程。
2.根据权利要求1所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(b1)与二级柱塞泵(b2)的柱塞泵体(1)与压缩机端盖(a)之间通过柱塞泵体第四密封槽(14)内的密封圈密封进行液压油密封，柱塞泵体(1)和柱塞泵衬套(3)通过柱塞泵体第二密封槽(12)和柱塞泵体第三密封槽(13)内的密封圈进行液压油密封，柱塞泵盖(2)和柱塞泵体(1)通过柱塞泵体第一密封槽(11)内的密封圈进行液压油密封，柱塞泵衬套(3)和柱塞泵柱塞(5)通过多个柱塞密封槽(51)内的密封圈进行液压油密封。
3.根据权利要求2所述的双级对动柱塞泵结构隔膜压缩机，其特征在于：所述一级柱塞泵(b1)与二级柱塞泵(b2)分别在一级偏心轮结构(d1)与二级偏心轮结构(d2)的驱动作用下，柱塞泵柱塞(5)向柱塞泵弹簧(4)压缩方向运动，这个过程中柱塞泵油腔的容积减小，实现柱塞泵油腔内液压油的增压和排油过程，同时柱塞泵弹簧(4)提供对抗偏心轮驱动力和...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙崇洲，何志龙，张霄，谌小倩，李丹童，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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