摘 要
压缩机是现代工业上使用量大，范围广的一种通用机械。按照工作原理区分为两大类，即速度型和容积型，而活塞式压缩机是属于容积型压缩机的其中一种。它是利用活塞在气缸中运动对气体进行挤压，使气体压力提高。它与其它种类的压缩机相比，具有压力范围最广、效率高、适应性强等优点。
在活塞式压缩机设计计算中最根本也是最重要的是热力计算和动力计算。根据任务书中提供的介质、气量、压力等参数要求，经过热力计算计算得到相关的参数，如级数、压力比、轴功率、气缸直径等，经过动力计算得到活塞式压缩机的受力情况。活塞式压缩机的热力计算和动力计算的结果将为各部件图形以及基础设计提供原始数据，计算结果的精度将体现活塞式压缩机的设计水平。
关键词：活塞式压缩机；热力计算；动力计算；气缸
Abstract
Compressor is the modern industrial usage, wide range of a kind of general machinery .According to the principle of work is divided into two categories, namely the speed and volume .The piston compressor is belongs to one of the volume type compressor. It is the use of the piston in the cylinder movement to extrusion of gas, increase the gas pressure .It compared with other types of compressor, pressure range and the advantages of high efficiency, strong adaptability .
In the piston compressor design and calculation is the most fundamental and most important thermodynamic calculation and dynamic calculation .According to the specification provided in the parameters such as medium, gas, pressure requirements .Through thermodynamic calculation to calculate the related parameters, such as series, pressure ratio, shaft power, cylinder diameter, etc .Through the dynamic force of the piston compressor is calculated .Piston compressor thermodynamic calculation and dynamic calculation results will provide original parts graphics and basic design data .The precision of the calculation result will reflect the design level of piston compressor.
Keywords: Piston Compressor; Thermodynamic Calculation; Dynamic Calculation ; Cylinder
目 录
摘 要 II
Abstract III
目 录 V
1 绪论 1
1.1 压缩机的用途 1
1.2 活塞式压缩机的发展趋向 1
1.3 国内外压缩机的发展状况 2
2 总 体 设 计 3
2.1 设计原则 3
2.2 结构方案的选择 3
2.2.1 气缸排列型式的选择 3
2.2.2 运动机构的结构及选择 4
2.2.3 级数选择和各级压力比的分配 4
2.2.4 转速和行程的确定 6
3 热 力 计 算 8
3.1 计算总压力比 8
3.2 计算容积系数 8
3. 3 选取压力系数 9
3. 4 泄漏系数 9
3. 5 计算气缸工作容积 10
3.6 确定缸径、行程及行程容积 10
3.7 复算压力比调整余隙容积 10
3.8 计算各列最大活塞力 11
3.9 计算排气温度 11
3.10 计算功率 12
3.11 驱动机的选择 12
4 动 力 计 算 13
4.1 计算活塞位移、速度、加速度 13
4.2 气体力计算 16
4.2.1一级盖侧气体力 16
4.2.2 二级盖侧气体力 17
4.3 惯性力计算 19
4.4 切向力的计算 22
4.5 飞轮矩的确定 25
5 压缩机基本零部件设计 28
5.1 连杆的设计 28
5.1.1 连杆的定位 28
5.1.2 连杆长度L的确定 28
5.1.3 连杆宽度B的确定 29
5.2 气缸部分的设计 31
5.2.1 结构形式的确定 31
5.2.2气缸主要尺寸的计算 32
5.3 活塞 32
5.3.1 结构型式的确定 32
5.3.2 活塞基本尺寸 33
6 结论与展望 34
致 谢 35
参考文献 36
1 绪论
1.1 压缩机的用途
现代工业中，压缩气体的机器用得愈来愈多。各种型式的压缩机，按照工作原理区分为两大类，即速度型和容积型。
速度型压缩机靠气体在高速旋转叶轮的作用下，得到巨大的动能，随后在扩压器中急剧降速，使气体的动能转变为势能。
容积型压缩机靠在气缸内作往复或回转运动的活塞，使容积缩小而提高气体压力。
本次设计的对象是活塞式压缩机，它与其他类型的压缩机相比，特点是：
（1）压力范围最广。活塞式压缩机从低压到超高压都适用，目前工业上使用的是最高工作压力达3500KG/CM,实验室中使用压力则更高。
（2）效率高。由于工作原理不同，活塞式压缩机比离心式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原因，效率亦较低。
（3）适应性强。活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择；特别是在较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。此外，气体的重度对压缩机性能的影响，亦不如速度型那样显著，所以同一规格的压缩机，将其用于压缩不同介质时，较易改造。
随着工业的发展，活塞式压缩机压缩的气体种类也日益增多。主要应用于采矿、冶金、石油、化工、机械、建筑等部门。作动力用的空气压缩机数量最大，而化学工业用的规格品种最多。由于石油化学工业的蓬勃发展，要求压缩各种烃类气体的压缩机日趋增多[1]。
1.2 活塞式压缩机的发展趋向
（1）高压、高速、大容量。某些化工部门，提高压力可以提高合成效率，所以相应的压缩机工作压力也不断提高。如合成氨用的压缩机工作压力达到600KG/CM及1000KG/CM，而合成聚乙烯用压缩机的压力已达3500KG/CM。
高转数、短行程结构的应用，使机器占地面积、金属消耗量大为降低。大型压缩机的转数一般为250~500转/分，中型为500~1000转/分，小型为1000~3000转/分。
目前常压进气时的单机容量最大为333M/分。提高容量的主要途径是运用离心式或回转式压缩机与活塞式压缩机串联运行。
提高效率和延长使用期限。压缩机时一种消耗巨大能量的机器，如1000台排气压力为9KG/CM、排气量为20M/分的压缩机，就需12.5万千瓦的动力。因此，注意提高压缩机效率，对国民经济建设具有重大意义，而通过合理的设计，提高其效率5~10%，是完全可以做到的。
1.3 国内外压缩机的发展状况
不可忽视的选型要素是：往复活塞式动力用空压机不但价廉，而且运行节能。容积流量3m3/min以下的往复活塞式微小型空压机用途极其广泛，绝对需求量很大。而在现代产销模式下，其单机售价有限，所以只有生产规模很大并有一定技术含量的制造企业才能立足和将产品外销。
长春空气压缩机制造有限公司、江苏超力机械有限公司、上海东方压缩机制造有限公司、沈阳东陵空压机有限公司、鞍山无油空压机有限公司、北京金环压缩机有限责任公司、天津市气体压缩机厂、天津市压缩机厂、石家庄市三原压缩机厂、太原第二气体压缩机厂、南京华冠压缩机股份有限公司、中国人民解放军第四八一二工厂、马鞍山正棱压缩机有限责任公司、烟台兰星压缩机有限公司、无锡力源压缩机有限公司、常德通用压缩机有限公司、开封市空气压缩机厂、佛山市珊瑚压缩机有限公司、柳州市金象机器制造有限公司、重庆小型压缩机厂等企业，都有着生产往复活塞式微小型空压机的悠久历史和相当的生产能力，较好地满足了社会需求。
以位于浙江省温岭市泽国镇的浙江鑫磊机电股份有限公司、浙江鸿友压缩机制造有限公司，和福建省泉州市力达机械有限公司为代表的一批浙、闽地区民营往复活塞式微小型空压机制造企业，作为异军突起的后起之秀，拥有多国质量认证证书，还实现了极大规模生产，成本低、效率高、产品外观好、质量稳定，绝大部分产品远销欧美澳新，年出口量合计达数百万台以上，成为全球家用往复活塞式微小型空压机的主要供货者[2]。
2 总 体 设 计
2.1 设计原则
设计活塞压缩机应符合以下基本原则：
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、有足够长的使用寿命（应理解为压缩机需要大修时间间隔的长短），足够高的使用可靠性（应理解为压缩机被迫停车的次数）。
3、有较高的运转经济性。
4、有良好的动力平衡性。
5、维护检修方便。
6、尽可能采用新结构、新技术、新材料。
7、制造工艺性良好。
8、机器的尺寸小、重量轻。
总体设计的任务是：选择结构方案、主要参数、相应的驱动方式，以及大体确定附属设备的布置。压缩机的技术经济指标是否先进，能不能很好的满足使用要求，很大程度上决定于总体设计阶段的考虑是否周到和适当。如果总体设计不当，就会给压缩机带来“先天不足”的缺陷，要消除它的后患，就比较困难。因此，总体设计是设计压缩机最重要的环节[3]。
2.2 结构方案的选择
活塞式压缩机的结构方案由下列因素组成：1）机器的型式；2）级数和列数；3）各级气缸在列中的排列和各列曲柄错角的排列，用上述因素组成的图形，称为结构方案图，即习惯上所说的机器纵，横剖面图。
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厂生产的可能性，驱动方式及占地面积等条件，从选择机器的型式和级数入手，制订出合适的方案。
2.2.1 气缸排列型式的选择
根据气缸排列的型式不同，有立式压缩机、卧式压缩机、对称平衡型压缩、对置型压缩机及角度式压缩机。角度式压缩机，气缸中心线具有一定的角度，但不等于零度和180℃。按气缸中心线的位置不同，又可以分为W型、V型、L型和扇型。
由于本设计选择一种较老的结构：角度式式压缩机。其优点在于：1）各列的一阶惯性力的合力，可用装在曲轴上的平衡重达到大部分或完全平衡，因此机器可取较高的转数。2）气缸彼此错开一定角度，有利于气阀的安装与布置，因而使气阀的流通面积有可能增加，中间冷却器和级间管道可以直接装在机器上，机构紧凑。3）角度式压缩机可以将若干列的连杆连结在同一曲拐上，曲轴的拐数可减少，机器的轴向长度可缩短，因此主轴颈能采用滚动轴承【4】。
图2.1 V型空气压缩机
2.2.2 运动机构的结构及选择
活塞式压缩机的运动机构有：无十字头和带十字头两种，本设计为无十字头。选择无十字头的理由是：结构简单、紧凑，机械高度较低，相应的机械重量较轻，一般不需要专门的润滑机构。但是无十字头的压缩机只能作成单作用的，所以，气体容积的利用不充分（因为活塞与气缸之间，只在活塞的一侧形成工作腔），气体的泄漏量也比较大，气缸的工作表面所受的侧向力也较大，因而活塞易磨损，另外，气缸的润滑油量也难于控制。
2.2.3 级数选择和各级压力比的分配
工业用的气体，有时需求较高的压力，需采取多级压缩。在选择压缩机的级
数时，一般应遵循下列原则：使压缩机消耗的功最小、排气温度应在使用条件许可的范围内、机器重量轻、造价低。要使机器具有较高的热效率。则级数越多越好（各级压缩比越小越好）。然而级数增多，则阻力损失增加，机器总效率反而降低，结构也更加复杂，造价便大大上升。因此，必须根据压缩机的容量和工作特点，恰当地选择所需的级数和各级压力比。
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