罗伯特·x·佩雷斯说:
欢迎回到压缩机大学！
我们经常被要求把我们的机器推得更用力一点。负荷不足、设计过度的机器已经随着恐龙、八轨磁带和计算尺的消失而消失。在经过无数次的进程推敲、刺激和重估之后，我们发现一些机器正在逆着众所周知的墙运行。当我们走得太远时，我们的机器就会通过过早地失败，或者在极端情况下，灾难性地失败来开始与我们对话。
明智地确定过程机械的安全可靠的操作极限是机械专业人员最重要的责任之一。最终，这个函数要求我们权衡流程吞吐量与机器寿命或福利。多年在生产环境中工作的经验告诉我，为了最大限度地提高流程利润，以较低的可靠速率运行总是比以可能导致故障和停机的较高速率运行要好。换句话说，缓慢而稳定比快速而鲁莽更好。在不影响机械寿命的前提下，找到满足工艺人员需求的工作点是实现盈利、轻松生产的关键。
在接下来的三期压缩机大学Atkins, Hinchliff和McCain讨论了压缩机负荷额定值，可以限制使用往复式气体压缩机的过程。他们将引导您了解为保护压缩机免受各种过载条件的影响而制定的定义。在文章的最后，读者应该了解杆载荷的历史以及它们是如何计算的。请记住，用户/所有者最终有责任根据自己的情况选择适当的加载限制标准。那些经常使用往复压缩机的人应该保留这篇文章的所有三个部分，以备将来参考。
简介
往复式压缩机通常根据马力、速度和杆负荷来评定。马力和速度很容易理解;然而，这个术语杆负载不同的用户、分析师、oem等都有不同的解释。杆负载是工业中使用最广泛，但最不了解的往复式压缩机描述符之一。典型的终端用户知道杆负载是用来“评估”压缩机的一个因素，但他们通常不太了解这个评级是如何制定的，以及如何将其用于机械保护。
这三篇文章讨论了杆载荷的各种定义，包括历史和当前的API-618定义，制造商的评级和各种用户的解释。它还解释了基于的负载限制跑步装备(活动部件如活塞、连杆、十字头、曲柄杆等)以及基于负载限制的固定组件(车架、十字头导轨等)。
基本运动学和作用于曲柄滑块机构的力将被审查，以提供更好的理解所使用的各种定义。分析结果和现场杆负载测量结果将进行比较，以说明影响典型压缩机杆负载的各种因素。
基本理论
考虑图1所示的典型双作用压缩机气缸几何结构。通常所关心的载荷(力)包括活塞杆载荷、连杆载荷、十字头销载荷、曲柄销载荷和车架载荷。当曲轴经历一次旋转时，所有这些负载从最小值到最大值变化。载荷由气体和惯性力共同产生。
燃气负荷
当压缩机活塞移动压缩气体时，作用在活塞和固定部件上的压差产生如图2所示的气体力。典型双作用压缩机气缸的理想压力与时间关系图如图3所示。作用在活塞面(头端和曲柄端)上的压力导致在活塞杆上的力。在每次曲轴旋转过程中，由于气缸压力单独作用在活塞杆上的力从拉伸变为压缩。
计算由于压力作用在活塞杆上的合力是很简单的。图4显示了理想P-T图的力与曲柄角的关系。压力所产生的力也作用于静止部件上(大小相等，方向相反)。
当曲柄端处于排气压力时，压力产生的压缩力最大;当曲柄端处于排气压力时，压力产生的拉力最大。因此，图2中的方程通常在方程1和方程2中取极端值:
考虑一个更实际的压力与时间关系图，如图5所示。管路压力指脉动瓶(吸入或排出)管路侧的压力。法兰的压力指气缸法兰处的压力。
如图所示，缸内排放压力超过公称排放管路压力，而缸内吸入压力小于公称吸入管路压力，原因有以下几点:
- 由于阀门和气缸通道损失造成的压力下降(通常为2%至10%)
- 脉动控制装置造成的压降(通常< 1%)
- 钢瓶阀门的脉动(通常< 7%)
- 阀门动力学(惯性、粘滞、颤振等)
API-618规定必须计算内部压力，但没有定义任何计算程序。有几种方法可以解释非理想效应。一种常用的方法是将阀门建模为一个孔，然后通过阀门的压降(阀门损失)与活塞速度(流量)的平方成正比。如图5所示。从理论上讲，将气门动力学分析结果与数字脉动仿真相结合，可以更准确地模拟气门瞬时压力。在知道所有的管道和阀门细节之前，这样做是不现实的。在任何情况下，只要损失在上面列出的典型值之内，差值就应该很小。
由于这些影响，由压差引起的力在运行齿轮和固定部件上都比根据公称管路压力计算的力要高。但只要选择合适的压力(排出压力高于公称排出压力，吸入压力低于管路公称压力)，式1和式2仍然适用。如果名义上的吸入和排出气缸法兰处的压力用于P吸和P放电，则这些拉力和压缩力表示项法兰加载根据一些用户的解释。公式1和2很容易计算，多年来，它一直是评估往复压缩机“杆负载”的基础。
当然，对于一般的非理想压缩机缸体来说，头端的最大排气压力不一定与曲柄端的最小吸入压力同时出现，反之亦然。因此，通常在离散的步骤(例如每5或10度)评估气体力与曲柄角。下面将讨论这些类型的计算的历史，但是计算由气体差压引起的瞬时力很容易用基于计算机的软件完成。如果实际的缸内压力是使用和极端评估，这些力的燃气负荷详见API规范。
活塞杆负载
基本滑块曲柄机构如图6所示。十字头相对于所示x方向位置的精确方程为方程3。
活塞(十字头)运动通常用方程4中的泰勒级数的前两个谐波近似。
活塞杆载荷可通过考虑图7中的自由体图进行评估。作用在活塞杆上的力是由于作用在头端和曲柄端活塞区域的差压引起的气体力加上由于往复质量引起的惯性力。
如果选择参考点作为活塞杆的十字头端，那么往复重量将包括活塞杆和活塞总成(活塞、环、骑带等)。往复惯性力(F = ma)可由式5计算。
组合活塞杆载荷为气力和惯性力之和。根据API-618，该值通常在设计阶段计算，并与最小横截面的杆面积一起用于计算活塞杆中的拉应力和压应力。活塞杆上的应力是设计中需要考虑的一个因素，在某些情况下，它可能是限制因素或“链条中最薄弱的一环”。但是，这个负荷不是杆负载API-618所参考的。
十字头销负载
包括十字头销在内的系统的自由体图如图8所示。这里必须考虑十字头组件的质量(十字头，平衡重量，十字头鞋等)，但同样的方程适用。在十字头销处计算气体载荷和惯性载荷的组合在活塞运动方向上是API-618参考的“组合杆载荷”。此负荷不考虑十字头上的侧力或通常认为是往复的连杆重量的1/3。因此,杆负载根据API的定义，这不是一个真正的杆负载，但实际上是一个销负载．
曲柄销加载
如果计算整个系统的载荷和扭矩，则包括旋转惯量和往复惯量以及侧力。应用方程计算曲柄销和腕销载荷、曲柄抛矩、主轴承载荷等的x分量和y分量。用于评估这些负载的计算机程序的典型输出如图9所示。在设计阶段通常会考虑所有这些负载。不同的原始设备制造商根据自己的经验评估负载。
API指南将在下个月的第二部分中讨论。
最初于2005年10月2-5日在肯塔基州科温顿举行的2005年气体机械会议上提出