2.12KW封闭制冷压缩机的计算机辅助设计

I 摘 要 近年来由于人民 生活水平的提高，我国在制冷空调领域得到了迅速的发展。压缩机是制冷系统的心脏，往复式压缩机是问世最早，至今还广泛应用的一种机型。本论文从全 封闭式压缩机的工作原理、结构组成、热力过程，动力过程等进行了研究。对压缩机工作过程中 各关键点的热力学参数进行了详尽的热力计算， 再由热力计算的结果，通过 软件编写程序算出了气体力、往复惯性力、活塞力等力，并 对惯性力进行了计算，绘出相应的力图。并且对压缩机的各主要构件如活塞、连杆、曲轴、气阀等进行了设计在此基础上，进一步对零件的强度、刚度等进行了校核。最后根据所得到 的 满足要求的尺寸用手绘和 出相应的装配 图和零件图。压缩机的研究和设计无疑对改善制冷设备的制造工艺、可靠性、舒适性和噪声控制等有着重要的意义。 关键词 ： 制冷压缩机，全封闭，往复，计算机辅助设计 n of s of in of is of a is a of is its In a is to of in of we as On in to we to a in of 录 第一章 前言 1 冷压缩机的目前现状及发展趋势 . 1 缩机在制冷系统中的作用 1 封闭式压缩机的结构特点 2 闭制冷 压缩机的震动和噪声 2 封闭制冷压缩机的相关问题 3 第二章 热力计算 5 知数据 5 封闭制冷压缩机的主要参数 5 算过程 5 第三章 动力计算 8 柄连杆机构的运动关系 8 柄连杆机构的惯性力 9 体力 10 擦力 11 塞力 11 向力 12 缩机飞轮矩的计算 13 第四章 结构设计和强度校核 14 塞组件 14 杆 16 轴 19 体和机壳 21 阀 23 第五章 压缩机技术经济分析 28 第六章 结论与展望 29 参考文献 30 致谢 31 附录 32 声明 1 第一章 前 言 冷压缩机的 目前现状及发展趋势 近 10 年来 ,随着电力供应短缺时代的结束和人民物质生活的不断改善 ,我国民用空调正迅速普及 ,空调行业得到了快速发展。国内空调器的生产能力不断提高 ,甚至趋向饱和 ， 但是空调器的关键部件 制冷压缩机 ,目前还 依赖进口。尤其是制冷量较大的空调用制冷压缩机 ,国内的研制和生产还处于起步阶段 ,产量和质量还不能满足市场需求。 制冷 压缩机是制冷系统的核心和心脏，它决定了制冷系统的能力和特征 。 制冷压缩机质量的好坏将直接影响着电冰箱 ,空调等小型制冷设备的制冷效果，使用寿命、 噪音和震动等多种性能。就制冷压缩机的工作原理与结构形式多样 ,性能各异 ,所以现在生产的小型制冷设备大多采用全封闭式压缩机。世界知名制造商 松下 (制冷 )和丹佛斯，都声称每年生产 1500 至 2200万台全封闭压缩机，覆盖全世界的市场。在美国，巴西，法国和印度都有公司的团和三洋是继上述厂商以后的较大厂家。对以上竞争者来讲，以环保为主要问题带动以下一些重要项目：制冷剂，效率，工厂运行。在印度，以美国厂商为中心的制造商在当地为家用制冷机市场生产大概 400 万台全封闭 压缩机。最近 , 通过 证，可生产高质量 压缩机。 现在最有影响的全封闭式压缩机制造商，也可生产 利空调也为空调做全封闭式压缩机。最近 , 团，居于首位的家用电器制造商，购买了意大利的 未来压缩机的发展将会越来越快 1。 缩机在制冷系统中的作用 在蒸气压缩式制冷和热泵系统中，各种类型的制冷 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。 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。在冷凝器中，高压制冷剂过热蒸气在冷凝温度下放热冷凝。而后通过节流元件，降压后的气液混合物流向蒸发器，在那里，制冷剂液体在冷凝温度下吸热沸腾，变为蒸气后进入压缩机，从而实现了制冷系统中制冷剂的不断循环流动。由此可见，压缩机相当于系统中的心脏，2 统还是在热泵系统中，它的功能沒有任何差别，但是，却有一个最根本的不同，那就是各自工作温度范围的不同。如制冷 系统是从被冷却介质吸热而向环境介质放热，其压缩机运行工况中的 蒸发温度要低于被冷却介质的温度，冷凝温度要高于环境介质的温度。就 热泵而言，以空气源热泵为例，是从大气吸热，并向温度较低的温度区域放热 。不同用途的制冷压缩机必须根据各种运行工况和条件的差别作专门设计，以保证在各自应用场合下工作的可靠性 2。 封 闭 式压缩机的结构特点 全封式压缩机是把电动机和压缩机连成一个整体，共用一根主轴 ，连接在一起的压缩机和电动机组安装在一个密闭的薄壁机壳中，机壳由两部分焊接而成，这样 取消了整个压缩机的尺寸和重量。露在机 壳外表的只焊有一些吸排气管、工艺管以 及其它（如喷液管）必要的管道、输入电源接线柱和压缩机支架等。 由于整个压缩机电动机组是装在一不能拆开的密封机壳中，不易打开进行维修，因而要求这类压缩机的使用可靠性高，寿命长，对整个制冷系统的安装要求也高。这种全封 闭 结构形式一般用于大批量生产的小 制 冷量制冷压缩机中 3。 闭制冷 压缩机的震动和噪声 全封闭式制冷压缩机在其工作过程中，因压缩机工作原理导致产生气流脉动和机电噪声，是制冷系统的主要噪声来源，由于全封闭往复式压缩机多用于家用空调、冰箱等小型制冷设备中，其使用 环境的背景噪声值极低，因此噪声的高低已成为衡量全封闭式压缩机质量的一个重要指标。噪声主要有三大类 ,下面分别介绍其概念和解决方法 : 机械噪声 概念： 由旋转部件和往复部件在不平衡力和力矩作用下产生的振动、运动件间的撞击、摩擦副的摩擦力以及气流脉动激励引起的结构振动而辐射的噪声。 解决方法：对 于由于 不平衡力和力矩 产生的噪声 ，全封闭往复式单缸压缩机可以通过加平衡块消除基频处的不平衡力，再在连杆曲轴连接一端分布质量以消除谐波不平衡力；对于阀片运动产生的噪声，可采用加吸、排气消声器，合适的阀口形状，合适的升程限制器及 高度，适当增加阻尼等措施。 电磁噪声 概念：电机的电磁噪声主要是由于电机运转时的径向交变电磁力激发的 ,主要分低频 电磁力 和谐波电磁力。 3 解决方法：可以通过改进活塞式压缩机的电机转子 ,使得电机转动的自振频率避开了电源的谐波频率 ,从而使得电磁噪声大大降低 。 空气噪声 概念： 压缩机加载正常运转时，由于间歇性的吸、排气，使得制冷剂气流压力和速度呈周期性的变化产生气流脉动，气流脉动通过压缩机外壳和管道向外辐射噪声。 解决方法：使用吸、排气消声器， 封闭式压缩机中的消声器一般为抗性消声器，它利用管道截面变化、共振腔引起 的 声阻抗 来反射或消耗声能，或利用声程差使声波相位相差 180度 。来抵消消声器内的噪声； 防止排气管共振，即通过改变管长、管径和管子的形状及在内排气管上套上个细弹簧，以减少管的振动 4。 封闭制冷压缩机的相关问题 封闭制冷压缩机吸气 加热损失的影响 在使用工质 全封闭压缩机中因其多变指数较大 ,所以压缩机的排气温度较高 ,从而可能造成压缩机的过热 ,使制冷工质和润滑油在金属的催化下出现热分解 ,生成有害的酸类 ,水分和游离碳 ;使系统出现腐蚀 ,堵塞 ,排气阀的结碳等现象 ;还会使润滑油粘度下降 ,影响润滑油的效果。对全封闭压缩机而言 会 使吸气过热加剧 ,电机冷却条件恶化 ,效率降低 ,甚至过热损坏。因此 ,降低排气温度是全封闭压缩机的重要问题之一。在一定的气缸压力比下 ,排气温度取决于吸气终了温度和多变压缩指数。因此 ,减少对吸入工质的加热 ,以降低吸气终了工质温度与多变压缩指数是降低排气温度的重要手段。吸气加热损失一方面是排气温度升高 ,另一方面 会 引起制冷量的损失 ,能耗的增加 ,是一具有双重影响的问题。为了探索减少吸气加热损失的途径 ,作者对国产全封闭制冷压缩机的吸气加热问题进行了理论分析与实验研究 5。 封闭制冷压缩机冷冻机油的选用 冷冻机油是蒸汽压缩式制冷装置的专用润滑油 ,它直接影响制冷设备的功能和效果。在蒸汽压缩式制冷机中 ,冷冻机油有起减磨 ,密封 ,冷却 ,清洁 ,防锈和防腐作用 ,所以对 冷冻机油的性能和品质提出了更高的要求。尤其是随着家用空调器和冰箱的心脏 全封闭型制冷压缩机的日益普及和制冷剂无氟化进程 的 日益推进 ,对冷冻机油带来了全面冲击。 冷冻机油是在从高温到低温的大幅度温度变化下进行工作的 ,并且是 在 与各种材料共存的严酷条件下长期使用的一种特殊的润滑油。对冷冻机油的考核 ,4 了关注重要的技术指标外 ,最 关键的还是在压缩机长期的运行中进行考核 6。 氯烃氟里昂制冷剂 替代 氟氯烃氟里昂制冷剂 终分解出氯气，破坏大气臭氧层，产生臭氧层空洞，致使全球变暖并直接危害人类及生物的生存。为保护人类共有的地球大气层， 1987 年 24个国家签订了蒙特利尔协定，迄今签约国已愈 315个。尽管近年来有学说就制冷剂 各签约国仍按照协定，逐步限用 首先被禁用的是 对臭氧层的破坏作用比 20 倍。目前冰箱、冷柜采用的 被替代，日程 紧迫。美洲、日本及许多亚洲国家将以 间是 1995 年以前 ;北欧将以 碳氢化合物替代，也为 1995 年以前 ;我国的替代期限延迟到 2000年，所用的 22方案受到国际同行的极大关注。美国、日本等国超级市场冷藏冷冻设备目前使用的 制冷剂将被 32/134/间表是 1996年。 空调设备广泛使用的 其对臭氧层的破坏远比 ，被禁用的时间可延迟到 2004 年 。美、日、欧亚大部份国家的替代战 略是用125/143德国及北欧国家则主张用氨、二氧化碳或碳氢化合物替代，即替代一步到位。人类最终目标是在 2005 年以后，完全使用无氟制冷剂，如碳氢化合物、氨、二氧化碳、水等。 制冷剂 缩机的载荷及可靠性、润滑油、蒸发器冷凝器的传热、元器件的材质及壁厚等都将发生变化，制冷空调机组的研究、设计人员及制造厂商必须认真对待这些随之而来的问题 7。 5 第二章 热力计算 知数据 制冷量 : 发温度 : 氏度 冷凝温度 : 40 摄氏度 过冷温度 : 5 摄氏度 吸气温度 : 20 摄氏度 环境温度 : 氏度 制冷剂 : 封闭制冷压缩机的主要参数 行程 : 5 转速 : 平均速度 : (范围为 4 pu (2 缸径 : ( 的范围为 取 = (2算过程 8 图 2循环的 p 6 0点状态参数 100 t 查图得 : 0p , , 1点状态参数 k p , 201t 查图得 : h , s , v 2点状态参数 已知 2t 75 , 2p 查图得 : 2h 3点状态参数 3 查图得 : 3h 4点状态参数 已知 4t 40 , k p 查图得 : 2584 h 11.1k 等端点膨胀多变指数 : 0.1m 等端点压缩多变指数 : n= ss , 463 m (2 ts (2 604 2 (2 7 1)1(1 13 = (2 )1(1 01 = (2 : )0 T (2 (2 1 = = (2 0 W (2 W (2 709.0i 87.0m (2 (2 P (2 P (2 8 第三章 动力计算 柄连杆机构的运动关系 9 塞的位移 图 3曲柄连杆机构示意图 活塞离曲柄旋转中心的最远位置为外止点或上止点， 最近位置为内止点或下止点。活塞的位移从外止点算起为 x 。长度为 。为统一计算中的正负号和方向起见，我们 规定曲柄转角 ，从外止点起算，依顺时针方向旋转为正。从图上的几何关系可以得出 : ）（）（ 2c o c o (3 值取 塞速度 v= tx )2s s in (3塞加速度 a= )2c o s( c o s/ 2 (39 柄连杆机构的惯性力 10 复惯性力 曲柄连杆机构的往复惯性力 活塞组和连杆往复部分所产生的往复惯性力之和 (3已知往复质量 于活塞组质量 和连杆往复质量 1之和 1 (3 由计算可得 ， 2c o sc o (3 转惯性力 曲柄连杆机构的旋转惯性力就是曲拐或偏心轴颈的不平衡旋转质量和连杆旋转质量所产生的离心惯性力之和 ,它的作用线与曲柄中心线重合。如取离心方向作为正，则 22 （ (3 小，可忽略， 。 过编程可画出惯性力图 惯性力 图 3惯性力图 1 2 3 4 5 6 00 400 角度 体力 10 用在活塞上的气体力 作用在活塞上的气体力 活塞两侧气体压力差与活塞面积的乘积。其正负方向规定与往复惯性力相同，即连杆受拉伸力的方向为正方向， ）（ (3 式中 p 气缸内的压力； 机壳内的压力； 活塞面积。 根据不同的曲柄转角 i （例如每隔 10 ）先求对应的活塞位移，然后按此位移求对应过程的气体压力。 压缩过程 1 (3 式中 压缩过程第 i 点的气缸压力； n 压缩多变指数； 1p 气缸中吸气终了压力， 101 ss 。 从终止点（ 180 ）算起，直算到 3为止，这里 33 为气缸中的排气终了压力 ，最后一点的气缸压力值 等于 3p 。 排气过程 排气过程可看作气缸压力等于 3p 的等压过程。 膨胀过程 3 (3 式中 膨胀过程 第 i 点的气缸压力； m 膨胀多变指数。 从外止点（ 0 ）算起，直算到 1为止。最后一点的气缸压力值等于 1p 。 吸气过程 吸气过程可看作气缸压力等于 1p 的等压过程。 过编程可画出气体力图 11气体力 图 30 180 时的气体力图 气体力 图 3180 360 时的气体力图 擦力 11 压缩机的摩擦力主要由往复摩擦力 旋转摩擦力 成。往复摩擦力的公式 1160000 (3 旋转摩擦力的公式 1160000 (3 塞力 10 活塞力 气体力 、 17500 12500 7500 2500 200 400 600 800 1000 角度 角度 12合力 所以 ,它等于三个分力的代数和 。 g+ (3 通过编程可画出活塞力图 活塞力 图 30 180 时的活塞力图 活塞力 图 3180 360 时的活塞力图 向力 10 )s i n( 0) / (s i n( c o s+( s i n 2 F (3通过编程可画出切向力图 12000 8000 4000 100 200 300 400 500 600 700 800 角度 角度 13切向力 图 30 360 时的切向力 图 缩机飞轮矩的计算 10 飞轮矩的计算公式为 22 360 (3 式中 飞轮轮缘部分的质量； 飞轮轮缘截面质心所形成的圆的直径； E 动能变化量； 压缩机的旋转 不均匀度。 根据动力编程可画出压缩机在一转中的切向力图， E 即可根据此图计算得出。 1 2 3 4 5 6 000 4000 6000 8000 角度 14第四章 结构设计和强度校核 塞组件 12,13 活塞组件包括活塞和活塞销 , 它们在气缸中作往复运动，与气缸一起构成压缩容积。 活塞的要求 活塞组件在气缸里作高速往复运动 ,它受着变化的气体力 ,往复惯性力 、 侧压力和摩擦力的作用 ,同时又受到工质的加热作用 ,润滑条件较差 ,因此要求活塞组件重量轻 ,热导率高 ,余隙容积小 ;強度高 ,刚度好 ,耐磨性强 ;热膨胀小 ,铸造性能和加工性能优良 ,与气缸之间有良好的气密性和润滑 ;成本低 ,价格廉。 目前采用粉末冶金的活塞越来越多 ,它可以减少加工量和加工工序 ,节约工时 ,使制造成本 降 低。 塞的材料 活塞的材料以铸铁 、 粉末冶金 材料 或 45号钢为主制造。这里选用铸铁 准号为 塞的几何尺寸 大量统计数据表明 ,活塞长度 L 与直径 D 之比 L/D 一般为 里取 由热力计算的数据可知 : D=50以 L=60活塞销孔中心线距活塞顶部的距离 1L 与直径之比 1L /D 为 里取 以 1L =40活塞销孔直径 d 与活塞外径 D 之比 d/D 为 里取 以 d=20塞与连杆小头的连接宽度 b 与直径之比 b/D 为 里取 以b=20 塞的计算 1) 活塞顶部的厚度： t （ 31070 (4 2) 活塞的壁厚 : 15t = D/17 D/20=里取 t 为 3) 活塞销的校核 13 活塞顶部的强度验算 可将活塞顶部作为圆周固定的圆板来计算，在圆板上受到的气体力可以当成均布载荷，因此在四周边缘上的最大的弯曲应力为： m a gb 322 2 (4 因为当活塞无加强筋时，铸铁活塞 的 b 2510350 ， ,所以活塞顶部符合强度要求。 活塞销座的强度验算 销座孔上所承受的最大比压 21 g (4 其中 42m pF (4式中 1d 活塞销孔直径， m； 2l 活塞销座在一侧的支承长度， m。 经 计 算 可 得 350 400) 510 2 ,活塞销座的强度符合要求。 塞销 12 1) 对活塞销的要求 活塞销承受很大的交变弯曲应力和冲击力 ,销表面压力也很大 ,润滑条件差 ,易磨损。因此要求加大销直径和选用耐磨 、 抗冲击和抗疲劳的韧性材料 ,进一步提高表面硬度。在全封闭压缩机中 ,活塞销中心孔并不钻透 ,安装时开口端向上 ,使流入的油经过中间的小孔和周向油槽润滑小头 轴承。 2) 材料 通常使用 20 号低碳钢 ,或优质低碳合金钢 2015料制造并进行表面滲碳淬火处理。这里选用 45号优质碳素钢 20准号为 3) 尺寸 16通常活塞销直径就是活塞销孔直径 ,活塞销内径与活塞销外径之比在 间 ,这里取 活塞销的长度为 (倍的气缸直径 D,以长度为 45 4) 活塞销的校核 13 活塞销的外径应保证连杆小头轴承的适当比压 k 11g （ 4 式中 连杆小头轴承宽度， m。 因为许用比压 k 200150 10 5 N/,所以符合要求。 最大弯曲应力： 2424111m a x 24.0 (4因为 碳素钢 的许用弯曲应力 b 1200600 2510 ， ,所以符合要求。 活塞销横截面的剪切应力： 22221m a x2 g 510 (4 因为 碳素钢 的 许用剪切应力 500 2510 ， ,所以活塞销的强度符合要求。 杆 12 杆的要求与结构 连杆主要承受气体压力和惯性力所产生的交变载荷以及压入衬套 、 轴瓦和拧紧螺栓等产生的附加载荷，因此要求连杆具有足够的强度和刚度，较高的加工精度和表面粗糙度；尽量减小连杆的质量，减少连杆 的长度；连杆大头耐磨性要好； 连杆根据大头的结构，可分为整体式和剖分式两种。因本课题设计的是小型制冷压缩机，所以选用整体式连杆。整体式连杆大头无连接件，大头结构简化，强度和刚度亦有所增加。 杆的材料 17连杆通常采用优质碳素钢 、 球墨铸铁 、 可锻铸铁 、 铝合金和粉末冶金材料等。目前许多全封闭往复式压缩机都采用铝合金作为连杆材料。考虑到材料的经济性，这里连杆的材料选用 40号优质碳素钢。 杆尺寸 大头内径：与曲柄销直径相等，为 30 大头外径：因为外圆直径：内圆直径 =以取外径为 45 小头内径：等于活塞销外径，为 20 小头外径：因为外圆直径：内圆直径 =以取外径为 30 连杆厚度：大小头相等，比活塞内径稍小，取为 18 连杆长度：因为 s=2r, = r/L, =以连杆长度为 杆校核 13 1) 杆体的强度验算 连杆小头处最小杆体截面只按最大压差工况下的压缩应力考虑。其压缩应力为： 2m ax 510 (4 因为碳素钢的许用压缩应力为 25101000800 ， ,所以杆体强度符合要求。 2) 连杆小头的强度计算 取连杆小头的三个危险截面， 小头的纵截面， 小头的横截面，30 的截图（如 图 4 图 4连杆小 头的计算简图 18 校核 面的弯曲应力。如果按自由支承在侧壁质心上受到均匀载荷的梁计算，则截面 M 等于： j 24 1m a = (4 如果按固定支承在侧壁内侧受到均匀载荷的梁计算，则截面 受的弯矩2M 等于 ： j 241m a = (4 一般取二者的平均值 221 b 作为实际弯矩计算值，即 31m a x = (4 弯曲应力： M =510 (4 因为碳素钢的许用应 力为 2510800600 ， ,所以符合要求。 危险截面 大拉伸力 引起的拉伸应力 t 等于： F 2 2 25109.6 (4 按固 定支承在侧壁质心上，受到中央载荷 作用，则 b 为： 2m a x 8 =10 2 (4 式中 截面 3m 。 截面 2 =10 2 (4 因为碳素钢的许用应力为 2510800600 ， ,所以连杆小头的强度符合条件。 小头与杆体连接处（过渡圆弧相切处）的截面 受力情况与大头 截面 参照 下面大头 的强度验算。 3) 连杆大头的强度验算 取连杆小头的三个危险截面， 如图 4 19图 4连杆大头 的计算简图 危险截面 b 为： 22m a x 42 =510 (4 危险截面 b 为： 2m a x 2 =610 (4 截面 t 为： 2m a x 2s in =610 (4 截面 为： 2m a x 2c o s j =610 (4 截面 22 4 =48 2510 (4 因为碳素钢的许用应力为 2510600 ， ,所以连杆大头的强度符合要求。 轴 12 曲轴 的要求 曲轴承受较为复杂的扭曲和弯曲载荷，所以要求曲轴具有足够的疲劳强度和刚度，耐磨性和减振性好，良好的加工精度和表面粗糙度，润滑可靠，易于加工。 轴的结构和材料 20往复式压缩机的曲轴有四种形式：曲柄轴 、 偏心轴 、 双偏心轴 、 曲拐轴。而偏心轴一般偏心距较大，用于功率不大于 1500W 单缸压缩机上，采用整体式连杆。所以在 本 设计中采用这种曲轴结构。曲轴采用的材料有优质碳素钢 、 铸铁（包括球墨铸铁和可锻铸铁）。这里选用了球墨铸铁 为本课题设计的压缩机功率较大。 轴的计算 压缩机中实际采用的主轴颈直径 d 可根据压缩机功率分别从图中查出 ,结果为 ,d=25 对 于 偏心轴，由于省去了曲柄，应合理地增大偏心轴过渡区的轴向尺寸 r。另外，偏心轴的过渡部分，一般采取过渡圆角，此外，采用卸载槽 、 空心轴颈和增加轴颈的重叠度都有利于提高曲轴强度。 轴的强度计算 曲轴的受力情况比较复杂，在进行计算的时候，为了计算方便对曲轴作如下假设： 1） 对于多支撑曲轴，作为在主轴承中点处被切开的分段简支梁考虑； 2） 连杆力集中在曲 柄销中点处； 3） 略去回转惯性力； 4） 略去自重； 5） 把它看成是一个刚性系统，它所受的力和力矩都集中在轴承中心。 功率输入端主轴轴颈承受最大的扭矩，所以要按其所受弯曲负荷进行计算。轴的扭转强度条件为： 公式中： W； n=2820r/ 面处的直径 ,d=25 是球墨铸铁的需用扭转应力。压缩机主要采用的球墨铸铁 =25 45 则危险 截面处的扭转切应力为： 则设计时其他直径较大的截面都必然符合要求。 电动机带动轴转动时不但产生扭矩，在曲柄销处产生一个扭矩和弯矩。 可知m a x 3351 . 0 39 5 4 9 9 5 4 9. . / 1 6 2 8 8 0 3 . 1 4 0 . 0 2 5 / 1 61 1