V型压缩机的结构设计与模拟

目 录 第一章 前言 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 压缩机的用途 . 1 1.3 压缩机的分类 . 1 1.4 压缩机工作原理及结构特点 . 2 1.5 各类压缩机的研究发展动向 . 8 1.6 小结 . 10 第二章 热力设计计算 . 11 2.1 已知参数 . 11 2.2 选型 . 11 2.3 设计计算 . 11 第三章 动力设计计算 . 11 3.1 力的分析 . 17 3.2 飞轮矩的确定 . 20 第四章 结构设计计算 . 22 4.1 气缸的设计 . 22 4.2 活塞组件的设计 . 23 4.3 曲轴的设计 . 28 4.4 连杆的设计 . 30 4.5 机身的设计 . 32 第五章 压缩机的三维造型 . 34 5.1 三维建模的意义 . 34 5.2 应用软件简介 . 34 第六章 结论 . 38 参考文献 . 39 致谢 . 40 V 型压缩机的结构设计与模拟 I 摘 要 本文是关于压缩机的结构设计和计算机三维实体模拟。首先对目前国内外常用的压缩机进行了介绍，并分析了压缩机的结构特点及最新动态，就压缩机的工作原理和特点进行了较详细的说明。在确定压缩机设计参数的基础上，对压缩机进行了初步结构设计，确定压缩机的内部结构组成，完成压缩机的设计模型；在装配设计过程中对其主要的零部件进行了结构优化， 并运用计算机辅助设计和三维设计软件（UG）完成了零部件的建模和装配。 关键字 ：压缩机，结构设计，计算机辅助设计，三维设计软件（UG） V 型压缩机的结构设计与模拟 II Abstract This paper mainly introduces the structural design of the compressor, and based on computer application software, the stereoscopic mold of the machine is set up. Firstly, this paper introduces the compressor current use in common and its use scope, analyses the structure and technique present of the equipments. Then it particularly elucidates the element and characteristic of the compressor . According to the design parameter requests of the compressor, the structure of the machine was elementary designed. In order to make sure the internal constitute, the design model was set up with Computer-Aided design and 3D dynamic simulation in this paper. Keyword: compressor, structure design, Computer-Aided design, 3D design software (UG) V 型压缩机的结构设计与模拟 - 1 - 第一章 前 言 1.1 概述 压缩机是一种用于压缩气体借以提高气体压力的机械。各种类型的制冷剂压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响。11.2 压缩机的用途 压缩机在系统中的作用在于：抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸气，并提高其温度和压力后，将它排向冷凝器。由此可见，压缩机相当于系统的“心脏”。它的用途极为广泛，几乎遍及工农业、交通运输、国防、甚至生活的各个领域。按气体被压缩的目的，大致可分为几类： 压缩空气作为传递力能的介质 空气取之不尽用之不竭，而用压缩空气作为传递力能的介质又具有安全的优点，所以，用压缩空气来驱动各种工具及器械已越来越普遍。 使气体液化 气体经压缩，冷却和膨胀使能液化。液化气体蒸发可以进行人工制冷，还具有便于储存运输的优点。 压缩气体利于合成 化学工业中常将合成的原料气体压缩至高压，以利于合成反应。 输送气体 1.3 压缩机的分类 (1)根据压缩机对制冷剂蒸气的压缩热力学原理分为： 容积型压缩机 一定容积的气体被吸入气缸，其容积被强制缩小，压力升高。其吸排气过程是间歇进行，流动并非连续稳定的。按其压缩部件的运动特点又可分为两种形式：往复活塞式和回转式。后者又可根据其压缩机的结构特点分为滚动转子式、滑片式、双螺杆式、单螺杆式、涡旋式等。 速度型压缩机 它首先使吸入的气流获得一定高速，然后使之缓慢下来，让其动量转化为气体的压力升高，而后排出。其压缩流程可以连续地进行。流动是稳定的。在制冷和热泵系统中应用的速度型压缩机几乎都是离心式压缩机。 V 型压缩机的结构设计与模拟 - 2 - 图1.1所示为制冷压缩机分类及其结构示意简图。1（2）按所达到的排气压力分：11名称 压力（ 105N/m2） 鼓风机 3 低压压缩机 3 10 中压压缩机 10 100 高压压缩机 100 1000 超高压压缩机 1000 （3）按排气量分：11名称 排气量（按进气状态计）（ m3/min） 微型压缩机 小型压缩机 中型压缩机 大型压缩机 V 型压缩机的结构设计与模拟 - 3 - 4 压缩机工作原理及结构特点 1.4.1 往复活塞式压缩机 结构及工作原理 往复活塞式压缩机用途非常广泛。在石油、天然气的加工、输送及其它工业部门中占有相当重要的地位。因为往复活塞式压缩机与其它类型压缩机相比，有其独特的优点： 压力范围最广，从低压到高压都适用； 热效率较高； 适应性强，排气量可在较广泛的范围内变化； 对制造压缩机的金属材料要求不苛刻。 活塞式压缩机主要由三大部分组成：运动机构（曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等）、工作机构（气缸、活塞、气阀等）与机身。此外还有三个辅助系统，即润滑系统、冷却系统及调节系统。 运动机构是一种曲柄连杆机构，把曲轴的旋转运动变为十字头的往复运动。 机身用来支承和安装整个运动机构和工作机构，又兼作润滑油箱用，曲轴用轴承支承在机身上，机身上的两个滑道又支托着十字头，两个气缸分别固定在机身的两臂上。 工作机构是实现压缩机工作原理的主要部件。气缸呈圆筒形，两端都装有若干吸气阀与排气阀，活塞在气缸中间作往复运动。 将蒸发器内的低压蒸气吸入，使其压力升高后排入冷凝器，完成吸入，压缩和输送制冷剂的作用。 往复活塞式压缩机的简单工作原理是： 由于活塞在气缸内的来回运动与气阀相应的开闭动作相配合，使缸内来自蒸发器的低压蒸气依次实现膨胀、吸气、压缩、排气四个过程，不断循环，升压后排入冷凝器，完成吸入、压缩和输送制冷剂的作用。 主要部件 1.曲轴 曲轴是往复活塞式压缩机的重要运动部件， 外界输入的转矩要通过曲轴传给连杆、十字头，从而推动活塞作往复运动。它又承受从连杆传来的周期变化的气体力与惯性力等。 V 型压缩机的结构设计与模拟 - 4 - 曲轴的基本结构如图1.2所示，每个曲轴由主轴颈（安装柱轴承部位）、曲柄销（与连杆大小头相连部位）、曲柄所组成。 图1.2 曲轴 2.连杆 连杆式将作用在活塞上的气体力等各种力传递给曲轴， 又将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动的机件。连杆包括大头、小头、杆体三部分。 3.十字头 十字头是连接活塞环与连杆的零件，它具有导向作用。 4.气阀 气阀是往复活塞式压缩机中的重要部件，也是易损坏的部件之一。它的好坏直接影响压缩机的排气量、功率消耗及运转的可靠性。 5.气缸 气缸是活塞式压缩机工作部件中的主要部分。根据压缩机不同的压力、排气量、气体性质等需要，应选用不同的材料与结构型式。基本要求是：应具有足够的强度与刚度；应具有良好的冷却、润滑及耐磨性；应尽可能地减少余隙容积和气体阻力；应有利于制造和便于检修；应符合系列化、通用化、标准化的“三化”要求，以便于互换。如图1.3 V 型压缩机的结构设计与模拟 - 5 - 图1.3 气缸 6.活塞 活塞与气缸构成压缩工作容积， 是压缩机中重要的工作部件。 可分为两大类：筒形活塞和盘形活塞。筒形活塞常为单作用活塞，用于小型无十字头的压缩机，通过活塞销与连杆直接相连。111.4.2 回转式压缩机 1.滚动转子式 滚动转子式压缩机类属回转式压缩机，主要由气缸、滚动转子、偏心轴和滑片等组成。转子沿气缸内壁滚动，与气缸间形成一个月牙形的工作腔，滑片将月牙形工作腔分隔为两部分，滑片随转子的滚动沿滑片槽道作往复运动，端盖被安置在气缸两端，与气缸内壁、转子外壁、切点、滑片构成封闭的气缸容积，即基元容积，其容积大小随转子转角变化，容积内气体的压力则随基元容积的大小而改变，从而完成压缩机的工作过程。 目前广泛使用的滚动转子式制冷压缩机主要是小型全封闭式， 通常有卧式和立式两种，前者多用于冰箱，后者在空调器中常见。3V 型压缩机的结构设计与模拟 - 6 - 2.螺杆式压缩机 螺杆式压缩机是靠气缸中一对含有螺旋齿槽的转子相互啮合， 造成由齿形空间组成的基元容积的变化，进行制冷剂气体压缩。当基元容积由最小向最大变化时，它与径向和轴向吸气孔口相通进行吸气过程。当基元容积达到最大时，便于吸气孔口隔开，吸气结束，此后，基元容积逐渐变小，开始气体的压缩过程。当基元容积内气体压力升到一定压力时便开始与排气孔口接通，进行排气过程，直到基元容积变为零为止。上述三个过程，随着转子不停运转，重复地进行。 如图1.4 图 1.4 螺杆式压缩机 3.涡旋式压缩机 涡旋式压缩机是20世纪80年代才发展起来的一种新型容积式压缩机， 它以其效率高、体积小、质量轻、噪声低、结构简单且运转平稳等特点，被广泛用于空调和制冷机组中。 压缩机工作时，气体制冷剂从吸气孔进入动静涡旋体最外圈的月牙形空间，随着动涡旋体的运动，气体被逐渐推向中心空间，其容积不断缩小而压力不断升高，直至与中心排气孔相通，高压气体被排出压缩机。 在涡旋式压缩机中，吸气、压缩、排气等过程是同时和相继在不同的月牙形空间进行的，外侧空间与吸气口相通，始终进行吸气过程，中心部位空间与排气孔相通，始终进行排气过程，中间的月牙形空间则一直在进行压缩过程。涡旋式制冷压缩机基本上是连续地吸气和排气， 并且从吸气开始至排气结束需经动涡旋 体的多次回转平动才能完成 。 其工作过程如图1.5所示 V 型压缩机的结构设计与模拟 - 7 - 图 1.5 涡旋式压缩机工作过程 1.4.3 离心式压缩机 特点及应用场合 离心式制冷压缩机是一种速度型压缩机。 气体在高速旋转的叶轮中获得高速度后，再在环行通道将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。气体每经过一级叶轮和扩压器所能升高的压力是有限的， 当压力比大时， 需采用多级压缩 。 目前所生产的离心式制冷机有冷水机组和低温机组。冷水机组用于空调。低温机组则用于冷量较大的化工工艺流程。另外在啤酒工业、人造干冰厂、冷冻土壤、低温试验时和冷温水同时公映的热泵系统等也使用离心式制冷