微型风冷活塞式压缩机（W-80）的设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923208 学生姓名： 顾佳庆 指导教师： 俞萍 （职称： 高级 工程师 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 95 学 号： 0923208 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、 题目 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 微型风冷活塞式压缩机是单作用压缩机，是由气缸、气阀和在气缸中作往复运动的活塞所构成的工作容积不断变化来完成。在轻纺工业、冶金工业广泛运用。压缩机由三相异步电动机作为原动机，经“ V”型皮带传动，使曲轴作旋转运动，再通过连杆带动活塞在气缸内作往复运动。空气由进气阀吸入一级气缸，压缩后经排气阀进中间冷却器后再经一级气缸压缩后进入储气罐。采用自动停机方式控制排气压力，压缩机的冷却主要由兼作风扇的飞轮对气缸及中间冷却器进行强制对流换热来保证。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1、 根据设计参数进行压缩机的热、动力计算（主要包括缸径的确定，电动机功率计算及选型，压缩机中的作用力分析，飞轮矩的确定，惯性力和惯性力矩的平衡）。 2、根据计算结果，确定压缩机结构尺寸，完成总装图。 3、对压缩机主要零件进行强度校核 。 、绘制主机总图和主要零件图。 5、查阅相关资料，完成毕业设计说明书一份，不少于 30 页。 四、接受任务学生： 机械 95 班 姓名 顾佳庆 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 要 活塞式压缩机是一种容积式压缩。它是用来提高气体压力和输送气体。目前活塞式压缩机广泛应用于工业生产中，如石油裂解气的分离、石油加氢精制、气流纺纱、谷物的气力输送、制冷等领域。 本次设计的压缩机主要用于轻纺工业、 冶金工业中。通过了解该压缩机的基本结构极其工作原理，重点掌握其结构设计，学会所含零部件的结构设计方法及其强度校核方法。在设计过程中，理论联系实际，我最终了解设计一个机械设备的基本思路和方法。 整个设计过程主要包括三个部分。第一部分是热力计算，包括气缸行程容、最大活塞力、排气温度、功率和效率以及压缩机其他主要结构尺寸的确定；第二部分是动力计算与分析，包括曲柄连杆机构的受力情况的分析计算、主要零部件的强度校核以及力矩平衡；第三部分主要是曲轴的平衡计算。整个设计过程与设计内容是按设计标准要求进行的，符合工程需求。 关键词： 活塞式压缩机；结构尺寸；行程容积；主要零部件强度校核； is a of It is to At is in as of is of is in In I of a of is of as as of is of of of of is of to of of V 目 录 摘 要 V 目 录 1 绪论 课题的研究内容和意义 内外的发展概况 课题应达到的要求 2 压缩机总体结构的设计 计原则及设计要求 构方案的选择 3 压缩机的热力计算 术参数 压力比的确定 缩机级数的确定 定容积系数 定压力系数和温度系数 算 泄漏系数 步计算气缸工作容积 定行程、缸径及实际行程容积 算压力比或调整余隙容积 算缸内实际压力，确定最大活塞力 算实际排气温度 0 算轴功率 0 温效率 0 4 压缩机的动力计算 1 知数据整理 1 动计算 1 体力的计算 3 复惯性力的计算 6 擦力的计算 7 合活塞力的计算及综合活塞力曲线的绘制 8 向力的计算及切向力曲线的绘制 9 轮矩的确定 1 5 主要零部件的分析设计 4 动部件分析计算 4 动部件分析 4 曲轴的平衡计算 5 动部件受力校核 6 作部件分析计算 9 阀组件 9 塞组件 0 缸 2 6 结论与展望 4 论 4 足之处及未来展望 4 致 谢 5 参考文献 6 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 1 1 绪论 意义 压缩机 是 将低压气体提升为高压的一种从动的 流体机械 。是制冷系统的 心脏 ，它从吸气管吸入低温低压的 制冷剂 气体，通过 电机 运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为 制冷循环 提供动力，从而实现压缩 冷凝 膨胀 蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。 首先 按照压缩气体的原理，压缩机可区分为容积式和速度式两大类。容积式压缩机按照活塞运动方式的不同，分为往复活塞式和回转活塞式两种结构形式。本设计采用的是往复活塞式压缩机， 按作用方式分类，有 单作用压缩机 和 双作用压缩机 。其制冷剂蒸气仅在活塞的一侧进行压缩，活塞往返一个行程，吸气排气各一次。而双作用压缩机制冷剂蒸气轮流在活塞两侧的气缸内进行压缩，活塞往返一个行程，吸、排气各两次。所以同样大小的气缸，双作用压缩机的吸气量较单作用的大。但是由于双作用压缩机的结构较复杂，因而目前大都是采用单作用压缩机。 活塞式压缩机在圆筒形 气缸中具有一个可往复运动的活塞，气缸上有控制进、排气的阀门。当活塞作往复运动时，气缸容积便周期的变化，借以实现气体的吸进、压缩和排出。 活塞的往复运动，可有多种驱动方式：当原动机主轴作旋转运动时，可通过曲轴连杆机构图 1旋转运动转化为往复运动，在压缩机中，这种机构运用最普遍，也可以用偏心轮连杆机构图 1是由于偏心轮尺寸不宜过大，故一般仅用于小型压缩机中。 图 1无锡太湖学院学士学位论文 2 图 1所以本次设计采用曲轴连杆机构。 往复活塞式压缩机的工作原理： 气缸、气阀和在气缸中作往复运 动的活塞所构成的工作容积不断变化来完成。如果不考虑活塞式压缩机实际工作中的容积损失和能量损失（即理想工作过程），则活塞式压缩机曲轴每旋转一周所完成的工作，可分为吸气、压缩和压缩过程、排气过程。 压缩过程：活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中被压缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。 排气过程：活塞继续向上移动，致使气缸内的气体压力大于排气压力，则排气阀开启，气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道，直至活塞运动到上止点。此时由于 排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用，排气阀关闭排气结束。 至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。 随着经济的高速发展和科学技术的不断进步，各种压缩机在国民经济各个领域大显身手。压缩机是原基础材料之一的冶金工业中极为重要的设备；压缩机又是石油化工流程中的心脏设备，象征国家经济实力的乙烯装置中有所谓“乙烯三机”（裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯压缩机），化肥工业中有原料空气压缩机、氮氢混合气压缩机、二氧 化碳压缩机、加氢炼制用氢气压缩机是保证炼油工业出好油，多出油的关键设备，氢气压缩机也是柴油、汽油等燃油替代技术煤液化装置中的重要设备；原油开采中的开矿、筑路、制造业需要各种动力用空气压缩机，单机排量可以从 31.0 m /00 3m /辆的制动、微型风冷活塞式压缩机（ 设计 3 船用内燃机启动，航空发动机的运行都需要各种压缩机，可以说压缩机在陆海空交通运输工具中都必不可少。压缩机与人民的日常生活更是休戚相关，生产纺织原料的的化纤厂需要多种压缩机，纺织 厂气流纺纱新工艺需要无油空气压缩机，谷物的气力输送需要低压压缩机，食品工业、制药工业都需要高洁净度的无油压缩机。随着人民生活水平的不断提高，制冷空调业更是蓬勃兴旺。 到的要求 本次设计的微型压缩机主要用于轻纺工业、冶金工业等等。主要包括三个方面：一是热力计算，确定行程容积、最大活塞力、排气温度、功率和效率等；二是动力计算，确定气体力、综合活塞力、飞轮矩等；三是主要零部件的结构设计包括曲轴的平衡计算，确定主轴颈直径，曲轴的强度校核计算，活塞组件的尺寸确定等等。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 压缩机总体结构的设计 计原则及设计要求 本次设计的压缩机需要达到的要求是：排气量： Q=m /气压力： 要达到的标准工况是：进气压力： 气温度： 20C；进气相对湿度： = 不同场合活塞平均速度也不同，目的是保证运转经济 性、可靠性、延长运动部件寿命。 1 环状阀、网状阀大中型压缩机： .5 。 大中型固定式动力用的空压机： 直流阀大中型低压移动式空压机： 微型压缩机（转速高，冲程低，速度较低） ： .5 所以本次设计的微型压缩机选取的平均速度为 据活塞平均速度： 30（ 当速度 得出 s 的取值范围是 以本次设计选取行程 s 为 60 同样得出压缩机转速 n 的取值范围是 500r/250r/以本次设计选取转速为 800r/ 设计要求 1 ： （ 1） 满足用户提出的排气量、排气压力及有关使用条件的要求。 （ 2） 有足够长的使用生命（压缩机大修时间间隔长）、足够高的使用可靠性。 （ 3） 有较高的运转经济性。 （ 4） 有良好的动力平衡性。 （ 5） 维修检修方便。 （ 6） 尽可能采用新结构、新材料、新技术。 （ 7） 制造工艺性良好。 （ 8） 机器的尺寸小、重量轻。 构方案的选择 活塞式压缩机的 结构方案由下列因素组成 1 ： 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 5 一、 机器的形式； 二、 级数和列数； 三、 各级气缸在列中的排列。 选择压缩机的结构方案时，应根据压缩机的用途，运转条件，排气量和排气压力制造生产的可行性，驱动方式以及占地面积等条件，从选择机器形式和级数入手，制定出合适的方案。 一、压缩机的形式可以分为： （ 1） 立式压缩机 其优点是：主机直立，占地面积小；活塞重量不支承在气缸上，没有因此而产生的摩擦和磨损：机身受力良好，形状简单，重量轻；转速高，活塞速度大；不装辅助支座。缺点是：大型时高度大，需设置 操作平台，操作不方便；管道布置困难，不易变型。所以，立式压缩机现仅用于中、小型及微型，使机器高度均处于人体高度便于操作的范围内，且中型压缩机主要用于无油润滑结构 活塞无需支承而仅需向导；此外，级数以少为宜，以避免管道布置的麻烦。 （ 2） 卧式压缩机 卧式压缩机包括一般卧式、对称平衡型和对置式。 一般卧式压缩机气缸位于曲轴的一侧，最多只有两列。其优点是：管理维护方便；运动件和填料函数量小，可避免高压填料函，机身曲轴结构简单；管路布置方便，厂房低。缺点是：惯性力平衡差，转速低；气缸串联，气缸活塞安装困难。 对 称平衡型压缩机的优点是：管理维护方便，管路布置方便；惯性力可完全平衡，惯性力矩很小或为零，转速大大提高；相对两列活塞力方向相反，压缩机主轴承受力为二者之差，改善了主轴承和主轴颈的磨损情况，降低摩擦功率；气缸、活塞安装方便，检修方便。缺点是 2D 型切向力曲线不均匀； H 和 M 型运动部件、填料函、曲轴、机身结构复杂，机器制造质量要求高。 对置式压缩机是气缸在曲轴两侧不同位的运动。 （ 3） 角度式压缩机 角度式压缩机是指气缸中心线间有一夹角但不等于 180，有 V 型、 L 型、 W 型、扇型等。其优点是结构紧凑，每个曲拐上装有两 根以上的连杆，使曲轴结构简单、长度较短，并可能采用滚动轴承；缺点是大型时高度大。所以角度式压缩机的适用于小、微型移动式压缩机（无十字头，单作用）。 单级压缩机，如冷冻压缩机，视气量大小采用 两级压缩机，若采用 V 型和扇型则级的布置较方便。 W 型的结构在两级压缩机中也可看到，并且通常是一级分设两缸中，从而使一、二级的往复质量容易相等，且一级气阀布置较方便；但与 缺点是：结构复杂，空间尺寸大，一级连杆强度使用不充分，一、二级连杆轴瓦的耐久性也不均等。在两列的双作用式压缩机中，也常可见 到 型可认为是 5，通常水平列气缸的磨损较大，机器的重心与机身底面形心不易处于一条垂线上，与 外并无什么独特的优点。 二、级数和列数的选择 无锡太湖学院学士学位论文 6 1、级数的选择 功耗最小，满足排气温度，重量轻，造价低。 2、列数的选择 一般选择多列，因为单列又笨又重。 多列的优点：曲柄错脚合理配置，切向力均匀，飞轮轻，惯性力平衡性好；功率相同的，列数越多，列的活塞力小，结构轻巧，运动机构轻，原动机，机器本身结构紧凑；活塞拆装方便。所以本设计采用三列。 三、各列气缸在列中的排列 四大原 则： 1、 力求各列中最大活塞力相等或相近，力求同一列中内外止点活塞力相等或相近。 2、 力求减少气体的内外泄漏。 3、 降低流动阻力损失，减少气流脉动。 4、 力求制造、装拆、维修方便。 综合上述优缺点及任务参数要求，本次设计的压缩机排气量为 m /于微型压缩机，考虑到压缩机参数等因素，所以选择角度式压缩机且为 W 型单作用式压缩机如下图 示。 图 压缩机示意图 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 7 3 压缩机的热力计算 这一章主要目的是确定功率、气缸行程容积、缸径及活塞行程。 术参数 排气量： Q=m / 排气压力： 进气压力： 进气温度： 20C； 进气相对湿度： = 压缩机转速： n=800r/ 行程： s= 压力比的确定 总压力比为： =（ 所以总压力比为表压s=7+1=8。 缩机级数的确定 表 3复压缩机级数与压力之间的关系 1 终压 /50数 1 2 3 4 5 根据排气压力，压缩 机的级数确定为单极压缩 定容积系数 相对余隙容积的大小，很大程度上取决于气阀在气缸上的布置方式，气阀的结构形式和级次，以及同一级次的行程缸径比等。一般 处于以下范围 1 ： 低压级： 压级： 压级： 作用式压缩机，如果气阀轴向地配置在气缸盖上，低压级可小至 =速短行程压缩机，可高达 =型压缩机的高压级可达 =超高压压缩机中可高达 =锡太湖学院学士学位论文 8 本次设计的压缩机为单作用式压缩机，相对余隙容积可以取小一点，选取 为 表 3绝热指数确定膨胀系数 1 进气压力 25 /10 任意 k 值 K=.5 m=1+ m=1+ m=1+ 0m=1+ 30 m=k 表可知 k 为 时膨胀系数 m 为 容积系数为： v=111 = （ 定压力系数和温度系数 根据进气压力接近于大气压力，取压力系数p= 根据温度系数与压力比的关系，取温度系数t= 算泄漏系数 对于不严密和延迟关闭的气阀：v=取气阀相对泄漏量为 对于单作用式气缸的活塞环： r =活塞环相对泄漏量为 所以总相对泄漏量为 得泄漏系数： 1 1= （ 步计算气缸工作容积 工作容积： 34107 2 5.8 （ 定行程、缸径及实际 行程容积 根据排气量 之间的关系： 52.0 微型风冷活塞式压缩机（ 设计 9 （ m 243 （ 行程 H 即为 60转速 n 为 800r/入上式中得缸径 D 为 78.5 所以圆整后为 80且圆整后的实际行程容积为 34100432.9 m 。 算压力比或调整余隙容积 表 3整前、后总的活塞有效面积 气缸直径 )(活塞有效面积22 （ 2m ） 前 后 前 后 于缸径圆整以后变大，使得排气压力要成正比例升高。 提高率： 0 0 所以压力比变为 s= s 。 调整余隙容积，因为缸径圆整后变大，相对余隙容积也变大，似的吸进的气量要不变。则： （ 所以新的相对余隙容积： （ 算缸内实际压力，确定最大活塞力 取进、排气相对压力损失： 075.0s 167.0d 气缸内实际进、排气压力： 255 /s 55 /103 3 6 盖侧活塞面积为： 010048.0直列上止点处： )(（ 代入数据得最大活塞力为 无锡太湖学院学士学位论文 10 算实际排气温度 取压缩指数 n=气温度： T 1 （ 代入相关数据得排气温度为 算轴功率 公式： 1)1() 1(60 1 n （ 代入已知数据得功率为 总的指示功率为 取机械效率 90.0m，所以轴功率为： z 电动机的功率余度取 10%，则计算得所需要的功率是 所以根据该功率确定电动机额定功率 3 为 4满载转速为 2890r/号为 温效率 等温压缩功率： 60（ 代入已知数据得等温压缩功率为 总的等温指示功率为 等温指示效率： s %=等温轴效率： 1 6 s %=微型风冷活塞式压缩机（ 设计 11 4 压缩机的动力计算 这一章主要目的有两个方面，一是求得施加在各零部件上的作用力以及这些力与曲柄转角 间的变化规律。二是确定压缩机所需的飞轮矩。主要作图是气体力指示图、列的活塞力图、压缩机总切向力图等。 知数据整理 动力计算部分需使用热力计算部分所得的结果，先将动力计算所需数据整理如下表： 表 4知数据 活塞面积 )( 2m 力 吸入 出 度 吸入 K 293 排气 K 473 相对余隙容积 程 )(s 60 余隙容积折合行程 )(示功率 )(N 功率 )(械效率 )(mm速 (r n 800 曲柄半径 )(r 30 动计算 计算活塞位移、速度、加速度。 002602 （ 无锡太湖学院学士学位论文 12 r 2 取径长比： 4112030 位移： )s )c 22 g （ 速度： )2s s （ 加速度： )2c o s(c o （ 表 4塞位移、速度、加速度 曲柄转角 活塞位移 活塞 速度 活塞加速度 )()/( )/( 20 0 0 5 0 5 0 5 0 05 20 35 50 型风冷活塞式压缩机（ 设计 13 续表 4柄转角 活塞位移 活塞速度 活塞加速度 )()/( )/( 2165 80 60 0 95 10 25 40 55 70 85 00 15 30 45 60 0 0 气体力的计算 气体力指示图 各气缸的气体力指示图，一律以活塞行程 s 为横坐标，以气缸中的气体压力 p 为纵坐标。绘图时首先确定实际的排气压力 它们的数值不变，故得两条水平的直线，即指示图形的上、下两条边。见 图 示图上的压缩过程曲线和膨胀过程曲线，习惯上都用勃劳厄（ 法绘制。 其步骤如下： 无锡太湖学院学士学位论文 14 （ 1）在 标系统上，画出表示进气过程和排气过程的过程线 （ 2）在横坐标上，定出相应于余隙容积折合行程（即所占的假想活塞行程） 。 定出相当于活塞行程 s 的两个限制线，它们和进气过程线及排气过 程线的交点是 两点即为压缩过程线和膨胀过程线的开始点。 （ 3）自坐标原点 斜线 别和横、纵坐标轴线成 角和 角。角 和角 之间应满足下列关系式： 1)1( m （ 式中 角 可任意选取，但其值越小，则作图点越多，作图的精确性也越高。 一般取 本设计中取 值一经确定， 值也随之而定。根据式 （ ，在表 4列出了 不同多方指数 m 时，相应于两种 的 。 表 4同多方指数 m(n)时，和 对应的 m 据上表当 ， m=， =14， =15 当 ， n=， =14， =19 作气缸压力指示图如下 ,力的比例尺 210 /102 。行程的比例尺为 。