單惻彈簧線性壓縮機(jī)可行性為采用單側(cè)彈簧的線性壓縮機(jī)的原理示意圖。壓縮機(jī)靜止時(shí)，通過(guò)將活塞初始位置布置于上死點(diǎn)位置，與活塞相連的彈簧處于自由長(zhǎng)度狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)，在氣體荷載的作用下，活塞由初始位置（上死點(diǎn)）偏移到的運(yùn)動(dòng)中心后，在上死點(diǎn)和下死點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)行。

　　對(duì)于單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)，當(dāng)線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)行程幅值確定為X時(shí)，則活塞初始位置與運(yùn)動(dòng)中心之間的距離4X等于活塞的設(shè)計(jì)行程幅值，即4X=X，該偏移量是由氣體力荷載的作用產(chǎn)生。

　　2.2樣機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)根據(jù)線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)排氣容積和設(shè)計(jì)工況等條件，對(duì)活塞行程與直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定其設(shè)計(jì)行程，根據(jù)設(shè)計(jì)工況下氣體力線性化結(jié)果確定諧振彈簧的剛度及運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，然后進(jìn)行線性壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　為設(shè)計(jì)開發(fā)的單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。壓縮機(jī)樣機(jī)主要包括：由內(nèi)定子、外定子、永磁體動(dòng)子和勵(lì)磁線圈構(gòu)成的線性電機(jī)、氣缸、活塞、諧振彈簧、吸氣閥及排氣閥等部件。其中諧振彈簧采用圓柱螺旋壓縮彈簧布置在電機(jī)動(dòng)子和壓縮機(jī)機(jī)身之間。

　　為設(shè)計(jì)開發(fā)的動(dòng)磁式單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)樣機(jī)，其主要參數(shù)如表1.單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)樣機(jī)3樣機(jī)可行性驗(yàn)證，在定頻率定排氣壓力情形下，一定電壓范圍內(nèi)，單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)中心到上死點(diǎn)距離隨著電壓的升高保持定值，這與前面結(jié)構(gòu)形式分析時(shí)單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)中心到上死點(diǎn)距離（4X）由氣體力荷載的作用產(chǎn)生，即排氣壓力不變，運(yùn)動(dòng)中心到上死點(diǎn)距離（4X）也不變。當(dāng)電壓繼續(xù)增加，壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)中心到上死點(diǎn)距離（4X）會(huì)出現(xiàn)激增，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)嚴(yán)重撞缸導(dǎo)致壓縮機(jī)行程不對(duì)稱而使運(yùn)動(dòng)中心到上死點(diǎn)距離（4X）出現(xiàn)較大增幅。

　　定排氣壓力空氣壓縮試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)排氣壓力低于設(shè)計(jì)排氣壓力時(shí)，壓縮機(jī)行程沒有到達(dá)設(shè)計(jì)行程就會(huì)出現(xiàn)撞缸的現(xiàn)象。的（b）中所示，出現(xiàn)嚴(yán)重的撞缸現(xiàn)象前，相同排氣壓力下，壓縮機(jī)行程隨電壓的升高呈現(xiàn)線性增加。在這個(gè)線性區(qū)內(nèi)會(huì)有輕微的撞缸現(xiàn)象發(fā)生，但因?yàn)槲覀儾捎昧祟愃凭鸂铋y的排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即便出現(xiàn)輕微的撞缸，也不會(huì)使得壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)紊亂；不同排氣壓力下，排氣壓力值越高，達(dá)到上死點(diǎn)位置所需要的電壓值越大。

　　因而單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)控制中可以通過(guò)調(diào)整電壓值來(lái)讓活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中達(dá)到上死點(diǎn)的位置，同時(shí)保證壓縮機(jī)不出現(xiàn)撞缸。

　　中（b）和（c）分別顯示，在定頻率定排氣壓力情形，一定的電壓區(qū)域內(nèi)，壓縮機(jī)行程和功率隨電壓的增加線性地增加，當(dāng)電壓超過(guò)這個(gè)區(qū)域后，活塞行程、功率都出現(xiàn)一個(gè)激增的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情形我們認(rèn)為是壓縮機(jī)出現(xiàn)了嚴(yán)重的撞缸現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行各參數(shù)出現(xiàn)了不穩(wěn)定。

　　3.3不同諧振彈簧剛度的空氣壓縮，相同排氣壓力下，采用4組彈簧作為諧振彈簧組的線性壓縮機(jī)行程小于采用2組彈簧的壓縮機(jī)，即單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)金屬諧振彈簧剛度越大，其行程越??；當(dāng)壓縮機(jī)達(dá)到相同的行程時(shí)，金屬諧振彈簧剛度大的壓縮機(jī)所對(duì)應(yīng)的排氣壓力會(huì)更高。這與樣機(jī)結(jié)構(gòu)形式分析的單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)的偏移量（運(yùn)動(dòng)中心到上死點(diǎn)距離）是由氣體力荷載的作用產(chǎn)生相一致。

　?。╞）中所示，一定閥門開度情形下，單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)排氣壓力隨電壓的增加而增加。

　　（c）中所示，單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)單位行程的功耗會(huì)隨電壓變化出現(xiàn)明顯的先增加后減少再增加的規(guī)律。因?yàn)槎ㄩy門開度時(shí)，隨著電壓的增加，壓縮機(jī)排氣壓力增加，相應(yīng)行程增加，帶來(lái)被壓縮的空氣量增加以及銅損增加。這些等因素使得單位行程壓氣功耗增加。當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí)，由壓縮氣體等效剛度與金屬?gòu)椈蓸?gòu)成的諧振單元?jiǎng)偠仁沟脡嚎s機(jī)固有頻率與供電頻率相接近，壓縮機(jī)趨近共振狀態(tài)，此時(shí)壓縮機(jī)效率接近*高值，因而單位行程壓氣功耗出現(xiàn)明顯下降；而當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí)，排氣壓力繼續(xù)增加，壓縮機(jī)遠(yuǎn)離共振區(qū)，其功耗又會(huì)因壓縮氣體量的增加、銅損增加等因素使得其單位行程壓氣功耗再度增加。

　?。╟）中還可以看出，采用2組金屬?gòu)椈勺鳛橹C振彈簧組的壓縮機(jī)相比采用4組金屬?gòu)椈傻膲嚎s機(jī)出現(xiàn)共振點(diǎn)所需的電壓值高。因?yàn)閴嚎s機(jī)接近共振狀態(tài)時(shí)，需壓縮氣體等效彈簧剛度與金屬?gòu)椈蓸?gòu)成的諧振單元?jiǎng)偠仁沟脡嚎s機(jī)固有頻率與供電頻率相接近，對(duì)應(yīng)的電壓值也高。因而采用2組金屬?gòu)椈勺鳛橹C振單元的單側(cè)彈簧壓縮機(jī)出現(xiàn)共振時(shí)所需電壓值較高。

　　壓縮機(jī)排氣壓力、活塞行程、功率及單位行程耗功隨電源頻率的變化規(guī)律。

　?。╠）分別為定閥門開度下，單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)變頻性能曲線。

　　單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)變頻性能曲線（c）所示，壓縮機(jī)的功率隨著電源頻率的加而減少，是因?yàn)榕艢鈮毫档秃蛪嚎s機(jī)行程減少（a）和（b）所示，排氣壓力和壓縮機(jī)行程隨著電源頻率的增加而減少，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)排氣壓力較低，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)動(dòng)子質(zhì)量和諧振彈簧剛度理想匹配區(qū)域，因而壓縮機(jī)固有頻率較低，隨著供電頻率的增加壓縮機(jī)遠(yuǎn)離共振區(qū)域，造成排氣壓力降低和行程減少；另外在相同的頻率時(shí)，通過(guò)增大電壓可以提高排氣壓力，對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)活塞行程也會(huì)增加，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)的運(yùn)動(dòng)中心位置隨著排氣壓力的增加遠(yuǎn)離上死點(diǎn)位置使得行程增加。

　　共同作用導(dǎo)致壓縮氣體耗功減少。

　　（d）所示，壓縮機(jī)單位耗功隨頻率的增加而增加。因?yàn)殡娫搭l率較低時(shí)接近壓縮機(jī)的固有頻率，此時(shí)壓縮機(jī)效率高，當(dāng)增加電源頻率，使得壓縮機(jī)遠(yuǎn)離共振區(qū)域，效率降低，造成壓縮機(jī)單位耗功量增加；在頻率相同情形下，增加電壓使得排氣壓力增加，從而壓縮機(jī)單位耗功量也增加。

　　在定閥門開度下，單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)變頻性能實(shí)驗(yàn)表明，壓縮機(jī)工作在其固有頻率附近又有較高的效率，因而在對(duì)單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為得到較高的頻率特性，需要設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的供電頻率和固有頻率比約等于1，通常略大于1.由于單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)活塞初始位置與運(yùn)動(dòng)中心之間的距離等于活塞的設(shè)計(jì)行程幅值即4X =X，因此單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)選用的彈簧剛度值較小，為得到單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)較好的頻率特性，在電源頻率一定的情形下，壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量也會(huì)減小。從產(chǎn)品節(jié)材角度來(lái)說(shuō)，單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)利用了壓縮氣體作為氣體彈簧來(lái)減少諧振彈簧的用量，同時(shí)達(dá)到減少壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，使得壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)慣性減少，達(dá)到線性壓縮機(jī)輕型化的目的。

　　4結(jié)論通過(guò)對(duì)一種新型動(dòng)磁式單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)樣機(jī)的開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了樣機(jī)可行性空氣壓縮實(shí)驗(yàn)研究。得出了以下結(jié)論：通過(guò)樣機(jī)空氣壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了單側(cè)彈簧線性壓縮機(jī)的可行性，且其具有利用壓縮氣體作為氣體彈簧來(lái)減少諧振彈簧的用量，同時(shí)減少壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)線性壓縮機(jī)輕型化的優(yōu)點(diǎn)；樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力工況變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓值來(lái)保證壓縮機(jī)活塞在上死點(diǎn)位置運(yùn)行。