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微型风冷活塞式压缩机（W-80）的设计【7张图纸】【优秀】

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摘要

　　　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；

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1本课题的研究内容和意义1

1.2国内外的发展概况2

1.3本课题应达到的要求3

2 压缩机总体结构的设计4

2.1 设计原则及设计要求4

2.2 结构方案的选择4

3 压缩机的热力计算7

3.1 技术参数7

3.1.1 总压力比的确定7

3.1.2 压缩机级数的确定7

3.1.3 确定容积系数7

3.3.4 确定压力系数和温度系数8

3.3.5 计算泄漏系数8

3.3.6 初步计算气缸工作容积8

3.3.7 确定行程、缸径及实际行程容积8

3.3.8 复算压力比或调整余隙容积9

3.3.9 计算缸内实际压力，确定最大活塞力9

3.3.10 计算实际排气温度9

3.3.11 计算轴功率10

3.3.12 等温效率10

4 压缩机的动力计算11

4.1 已知数据整理11

4.1.1 运动计算11

4.1.2 气体力的计算13

4.1.3 往复惯性力的计算16

4.1.4 摩擦力的计算17

4.1.5 综合活塞力的计算及综合活塞力曲线的绘制18

4.1.6 切向力的计算及切向力曲线的绘制19

4.1.7 飞轮矩的确定21

5 主要零部件的分析设计24

5.1 运动部件分析计算24

5.1.1运动部件分析24

5.1.2曲轴的平衡计算25

5.1.3运动部件受力校核26

5.2 工作部件分析计算30

5.2.1气阀组件30

5.2.2活塞组件31

5.2.3气缸32

6 结论与展望34

6.1 结论34

6.2不足之处及未来展望34

致谢35

参考文献36

1 绪论

1.1本课题的研究内容和意义

　　　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1-1把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1-2，但是由于偏心轮尺寸不宜过大，故一般仅用于小型压缩机中。　　　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。

1.2国内外的发展概况

　　　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/min到100/min以上。车辆的制动、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。

1.3本课题应达到的要求

　　　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。

微型风冷活塞式压缩机（W-80）的设计.gif

内容简介：: 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（W-80）的设计 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。 4、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日无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：微型风冷活塞式压缩机(W-80)的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：） 2012年11月20日课题来源本课题来源于企业；结合所学知识，老师拟定题目；综合大学里所学知识，将理论与实践相互结合。科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）1、化工、冶金、化肥、食品、医疗等众多企业的生产过程需要用到气体压缩机，而活塞式空气压缩机由于有较高的压缩比，在高压气体生产与输送中尚不能被其它设备所替代，是许多工程项目中的关键设备。2、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，气缸的容积便周期性的变化，借以实现气体的吸进、压缩、和排出。3、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大领域大显身手，压缩机是原基础材料之一的冶金工业中极为重要的设备，又是石油化工流程中的心脏设备。车辆的制动、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，与人民的日常生活更是休戚相关。4、目前压缩机制造业已经发展成为机械制造工业的一个重要组成部分。研究内容1、微型风冷活塞式压缩机的工作原理以及工作形成；2、微型风冷活塞式压缩机参数与结构的设计；3、微型风冷活塞式压缩机设计图纸的绘制。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法：通过阅读有关资料，文献，收集筛选，整理课题研究所需的有关数据，理论依据，综合运用所学理论知识研究论文课题。技术路线：分析微型风冷活塞式压缩机的各个参数的取值情况，包括结构参数、工艺参数、热力学参数和动力学参数。确定各参数的具体数值或取值区间。可行性分析：通过对论文课题的学习研究，达到巩固，扩大，深化已学理论知识，提高思考分析解决实际问题等综合素质的目的。研究计划及预期成果1、首先对微型风冷活塞式压缩机整体结构进行分析，对传动结构进行筛选，初步选择达到设计要求的结构方案；2、对压缩机的热力部分及动力部分进行计算，通过压缩机机构的分析计算可提高其自身的精度；3、对微型风冷活塞式压缩机的主要零件进行强度校核，提高机构稳定性，稳定性。特色或创新之处通过对微型风冷活塞式压缩机的设计及计算，形成一整套现代的设计方法，对理论和实践的结合，起到整体的规划的作用，达到降低损耗提高效率，优化结构设计方便使用。已具备的条件和尚需解决的问题已具备的条件：拥有机械设计手册等参考资料及文献；对活塞式压缩机进行直观的了解与认识，对所学的机械基础知识有较好的掌握；能熟练运用CAXA制图软件，提高作图效率。尚需解决的问题：对于微型风冷活塞式压缩机的工作原理不是非常清楚和熟悉，缺乏设计经验。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日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（W-80）的设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：高级工程师）（职称：） 2013年5月25日II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（W-80）的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 日摘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； Abstract Piston type compressor is a new type of compression. It is used to increase the gas pressure and gas transportation. At present, the piston compressor is widely used in industrial production, such as oil gas separation, oil hydrofining, air spinning, grain pneumatic conveying, refrigeration and other fields.The design of the compressor is mainly used for the textile industry, the metallurgical industry. The basic structure of the compressor is working principle, key grasp its structure design, learn the structure design method contained in parts and its strength check method. In the design process, linking theory with practice, I finally understand the basic idea and design method of a mechanical device.The whole design process mainly consists of three parts. The first part is the thermodynamic calculation, including the determination of the cylinder stroke volume, maximum piston force, the other main structure size, power and efficiency as well as the exhaust temperature of compressor; The second part is the dynamic calculation and analysis, including the analysis of force of crank and connecting rod mechanism, the calculation of main parts of the strength check and balance; The third part is the calculation of crankshaft balance. The whole design process and design are carried out according to the design requirements, meet the demands of engineering.Key words: piston compressor; structure; stroke volume; the main parts of the strength check;目录摘要IIIAbstractIV目录V1 绪论11.1本课题的研究内容和意义11.2国内外的发展概况21.3本课题应达到的要求32 压缩机总体结构的设计42.1 设计原则及设计要求42.2 结构方案的选择43 压缩机的热力计算73.1 技术参数73.1.1 总压力比的确定73.1.2 压缩机级数的确定73.1.3 确定容积系数73.3.4 确定压力系数和温度系数83.3.5 计算泄漏系数83.3.6 初步计算气缸工作容积83.3.7 确定行程、缸径及实际行程容积83.3.8 复算压力比或调整余隙容积93.3.9 计算缸内实际压力，确定最大活塞力93.3.10 计算实际排气温度93.3.11 计算轴功率103.3.12 等温效率104 压缩机的动力计算114.1 已知数据整理114.1.1 运动计算114.1.2 气体力的计算134.1.3 往复惯性力的计算164.1.4 摩擦力的计算174.1.5 综合活塞力的计算及综合活塞力曲线的绘制184.1.6 切向力的计算及切向力曲线的绘制194.1.7 飞轮矩的确定215 主要零部件的分析设计245.1 运动部件分析计算245.1.1运动部件分析245.1.2曲轴的平衡计算255.1.3运动部件受力校核265.2 工作部件分析计算305.2.1气阀组件305.2.2活塞组件315.2.3气缸326 结论与展望346.1 结论346.2不足之处及未来展望34致谢35参考文献3635微型风冷活塞式压缩机（W-80）的设计 1 绪论1.1本课题的研究内容和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1-1把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1-2，但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1-1曲轴连杆机构图1-2偏心连杆机构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。1.2国内外的发展概况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/min到100/min以上。车辆的制动、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。1.3本课题应达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。2 压缩机总体结构的设计2.1 设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=0.52/min；排气压力：P=0.7MPa；需要达到的标准工况是：进气压力：P=0.1MPa；进气温度：T=20C；进气相对湿度：=0.8；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。环状阀、网状阀大中型压缩机：3.54.5。大中型固定式动力用的空压机：34直流阀大中型低压移动式空压机：56微型压缩机（转速高，冲程低，速度较低）：1.02.5所以本次设计的微型压缩机选取的平均速度为根据活塞平均速度：（2.1）当速度1.0时得出s的取值范围是37.5mm93.75mm。所以本次设计选取行程s为60mm。同样得出压缩机转速n的取值范围是500r/min1250r/min。所以本次设计选取转速为800r/min。设计要求：（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。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：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V型、W型及扇型均可。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V型相比，其缺点是：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L型结构，L型可认为是V型转置45，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V型相比其管道布置较方便，此外并无什么独特的优点。二、级数和列数的选择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0.52/min属于微型压缩机，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2.2所示。图2.2W型压缩机示意图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。3.1 技术参数排气量：Q=0.52/min；排气压力：P=0.7MPa；进气压力：P=0.1MPa；进气温度：T=20C；进气相对湿度：=0.8；压缩机转速：n=800r/min；行程：s=。3.1.1 总压力比的确定总压力比为：= （3.1）所以总压力比为表压=7+1=8。3.1.2 压缩机级数的确定表3-1 往复压缩机级数与压力之间的关系终压/MPa0.3-10.6-61.4-153.6-4015-10080-150级数12345-67根据排气压力，压缩机的级数确定为单极压缩3.1.3 确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：低压级：0.070.12中压级：0.090.14高压级：0.110.16单作用式压缩机，如果气阀轴向地配置在气缸盖上，低压级可小至=0.040.07高速短行程压缩机，可高达=0.150.18小型压缩机的高压级可达=0.20而超高压压缩机中可高达=0.25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0.02。表3-2 按绝热指数确定膨胀系数进气压力任意k值K=1.401.5m=1+0.5（k-1）1.21.5-4.0m=1+0.62（k-1）1.254.0-10m=1+0.75（k-1）1.3010-30m=1+0.88（k-1）1.3530m=k1.4由表可知k为1.2，此时膨胀系数m为1.1。容积系数为：=1-（）=0.8876 （3.2）3.3.4 确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=0.95。根据温度系数与压力比的关系，取温度系数=0.95。3.3.5 计算泄漏系数对于不严密和延迟关闭的气阀：=0.01-0.04，取气阀相对泄漏量为0.03。对于单作用式气缸的活塞环：=0.01-0.05，取活塞环相对泄漏量为0.04。所以总相对泄漏量为0.07。得泄漏系数：=0.93 （3.3）3.3.6 初步计算气缸工作容积工作容积：（3.4）3.3.7 确定行程、缸径及实际行程容积根据排气量和之间的关系：（3.5）0.745 （3.6）（3.7）行程H即为60，转速n为800r/min，代入上式中得缸径D为78.5，所以圆整后为80，且圆整后的实际行程容积为=。3.3.8 复算压力比或调整余隙容积表3-3 圆整前、后总的活塞有效面积气缸直径活塞有效面积（）前后前后0.08750.080.009670.010048由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：所以压力比变为=。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：（3.8）所以新的相对余隙容积：（3.9）3.3.9 计算缸内实际压力，确定最大活塞力取进、排气相对压力损失：气缸内实际进、排气压力：盖侧活塞面积为：最大活塞力，垂直列上止点处：（3.10）代入数据得最大活塞力为8.45。3.3.10 计算实际排气温度取压缩指数n=1.3 排气温度：（3.11）代入相关数据得排气温度为473.45K。3.3.11 计算轴功率公式：（3.12）代入已知数据得功率为3.118。总的指示功率为3.118。取机械效率，所以轴功率为：电动机的功率余度取10%，则计算得所需要的功率是3.806。所以根据该功率确定电动机额定功率为4，满载转速为2890r/min，型号为Y112M-2。3.3.12 等温效率等温压缩功率：（3.13）代入已知数据得等温压缩功率为2.141。总的等温指示功率为 2.141。等温指示效率：%=68.67%等温轴效率：%=63.18%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。4.1 已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4-1 已知数据活塞面积0.010048压力吸入0.09250.1排出0.93360.8温度吸入293排气473相对余隙容积0.0259行程60余隙容积折合行程1.554指示功率3.118轴功率3.46机械效率0.90转速800曲柄半径304.1.1 运动计算计算活塞位移、速度、加速度。（4.1）取径长比：（4.2）位移：（4.3）速度：（4.4）加速度：（4.5）表4-2 活塞位移、速度、加速度曲柄转角活塞位移活塞速度活塞加速度000262.925151.270.807248.713304.961.528208.4524510.662.090148.7336017.812.44778.8787525.732.5838.9009033.752.512-52.58510541.262.269-99.9812047.811.904-131.46313553.091.462-148.73315056.920.984-155.867续表4-2曲柄转角活塞位移活塞速度活塞加速度16559.230.493-157.633180600-157.75519559.23-0.493-157.63321056.92-0.984-155.86722553.09-1.462-148.73324047.81-1.904-131.46325541.26-2.269-99.9827033.75-2.512-52.58528525.73-2.5838.90030017.81-2.44778.87831510.66-2.090148.7333304.96-1.528208.4523451.27-0.807248.71336000262.9254.1.2 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和实际的进气压力，且它们的数值不变，故得两条水平的直线，即指示图形的上、下两条边。见图4.1 指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（Brauer）法绘制。其步骤如下：（1）在P-S坐标系统上，画出表示进气过程和排气过程的过程线和。（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A和D，此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O开始，做斜线OE和OG，分别和横、纵坐标轴线成角和角。角和角之间应满足下列关系式：（4.6）式中m指所作过程曲线的多方指数。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0.25。值一经确定，值也随之而定。根据式（4.6），在表4-3中列出了不同多方指数m时，相应于两种值的值。表4-3不同多方指数m(n)时，和值对应的值m1.101.201.251.301.351.400.2780.3070.3220.3370.3520.3690.2230.2460.2560.2690.2790.291根据上表当=0.25时，m=1.1时，=0.278，得=14，=15当=0.25时，n=1.3时，=0.337，得=14，=19作气缸压力指示图如下,力的比例尺。行程的比例尺为。图4.1气缸压力指示图由上图可知膨胀过程线的结束点大致在曲柄转角为45时，而压缩过程线的结束点大致在曲柄转角为285时。气体力计算：膨胀过程：（4.7）进气过程：（4.8）压缩过程：（4.9）排气过程：（4.10）本设计中膨胀系数m为1.1，是活塞位移，代表余隙容积的折合行程，由于本设计是单作用式压缩机，所以只考虑盖侧气体力。盖侧气体力：（4.11）气体力符号规定：盖侧气体力是活塞杆受压，为负。表4-3 盖侧气体力表曲柄转角活塞位移膨胀过程进气过程压缩过程排气过程气体力009.336-9380151.274.840-4860304.961.930-19394510.660.967-9726017.810.925-9297525.730.925-9299033.750.925-92910541.260.925-92912047.810.925-929续表4-3曲柄转角活塞位移膨胀过程进气过程压缩过程排气过程气体力13553.090.925-92915056.920.925-92916559.230.925-929180600.925-92919559.230.938-94321056.920.979-98422553.091.054-105924047.811.179-118525541.261.379-138627033.751.705-171328525.732.264-227530017.819.336-940031510.669.336-94003304.969.336-94003451.279.336-940036009.336-94004.1.3 往复惯性力的计算估算活塞：385，连杆中心距120，255，包括连杆小头67，大头188，活塞销62，113，挡圈20，两个共2（孔用挡圈），活塞环75，35，连杆质心离大头31.5。计算往复质量为：385+67+113+2+35+2=602往复惯性力为：（4.12）（4.13）表4-4 往复惯性力的计算曲柄转角活塞加速度往复惯性力1.5I0262.925158.280237.4215248.713149.725224.58830208.452125.488188.23245148.73389.537134.3066078.87847.48471.226758.9005.35788.03790-52.585-31.656-47.484105-99.98-60.188-90.282120-131.463-79.141-118.712135-148.733-89.537-134.306150-155.867-93.832-140.748165-157.633-94.895-142.343180-157.755-94.969-142.454195-157.633-94.895-142.343210-155.867-93.832-140.748225-148.733-89.537-134.306240-131.463-79.141-118.712255-99.98-60.188-90.282270-52.585-31.656-47.4842858.900-5.3578-8.03730078.878-47.484-71.226315148.733-89.537-134.306330208.452-125.488-188.232345248.713-149.725-224585360262.925-158.280-237.424.1.4 摩擦力的计算接触面间产生的摩擦力，其值取决于彼此间的正压力及摩擦系数。作用于运动件上的摩擦力其方向始终与运动方向相反。摩擦力大小随曲轴转角而变化，且规律比较复杂，因为摩擦力相对于惯性力和气体力要小的多，在下面的作用力分析中，不予考虑。4.1.5 综合活塞力的计算及综合活塞力曲线的绘制将气体力、往复惯性力及摩擦力（忽略不计）合成就得到综合活塞力。表4-5 综合活塞力的计算曲柄转角气体力往复惯性力综合活塞力0-9380237.42-914315-4860224.588-463530-1939188.232-175145-972134.306-83860-92971.226-85875-9298.037-92190-929-47.484-977105-929-90.282-1020120-929-118.712-1047135-929-134.306-1063150-929-140.748-1070165-929-142.343-1071180-929-142.454-1072195-943-142.343-1085210-984-140.748-1125225-1059-134.306-1193240-1185-118.712-1304255-1386-90.282-1476270-1713-47.484-1760285-2275-8.037-2267300-9400-71.226-9329315-9400-134.306-9265330-9400-188.232-9212345-9400-224585-9175360-9400-237.42-9163列的活塞力图如下：图4.2列的活塞力图4.1.6 切向力的计算及切向力曲线的绘制切向力计算公式：（4.14）表4-6 总切向力计算曲柄转角总切向力活塞力00-914315-2355-463530-1267-175145-745-83860-854-85875-951-92190-977-977105-917-1020120-772-1047135-558-1063 续表4-6曲柄转角总切向力活塞力150-296-1070165-10-10711800-1072195551-1085210814-11252251061-11932401298-13042551524-14762701760-17602852038-22673006876-93293154861-92653302548-921234588-91753600-9163总切向力曲线图：图4.3 总切向力曲线图4.1.7 飞轮矩的确定由表4-6计算的切向力求平均切向力：N （4.15）阻力矩：（4.16）驱动力矩：（4.17）表4-7 驱动力矩与阻力矩计算曲柄转角总切向力平均切向力阻力矩驱动力矩radT00586.92017.610.26-2355586.92-70.6517.610.52-1267586.92-16.0817.610.785-745586.92-21.2117.611.05-854586.92-25.6217.611.31-951586.92-28.5317.611.57-977586.92-29.3117.611.83-917586.92-27.5117.612.09-772586.92-23.1617.612.35-558586.92-16.7417.612.62-296586.92-8.8817.612.88-10586.92-0.317.613.140586.92017.613.40551586.9216.5317.613.66814586.9224.4217.613.921061586.9231.8317.614.191298586.9238.9417.614.451524586.9245.7217.614.711760586.9252.817.614.972038586.9261.1417.615.236876586.92206.2817.615.494861586.92145.8317.61续表4-7曲柄转角总切向力平均切向力阻力矩驱动力矩radT5.762548586.9276.4417.616.0288586.922.6417.616.280586.92017.61表4-8 盈亏功计算表曲柄转角（rad）面积017.61017.6100.2617.6170.65-53.04-13.790.5217.6116.081.530.800.78517.6121.21-3.6-2.831.0517.6125.62-8.01-8.411.3117.6128.53-10.92-14.311.5717.6129.31-11.7-18.371.8317.6127.51-9.9-18.122.0917.6123.16-5.55-11.602.3517.6116.740.872.042.6217.618.888.7322.872.8817.610.317.3149.853.1417.61017.6155.303.4017.6116.531.083.673.6617.6124.42-6.81-24.923.9217.6131.83-14.22-55.744.1917.6138.94-21.33-89.374.4517.6145.72-28.11-125.094.7117.6152.8-35.19-165.744.9717.6161.14-43.53-216.345.2317.61206.28-188.67-986.745.4917.61145.83-128.22-703.935.7617.6176.44-58.83-340.636.0217.612.6414.9790.126.2817.61017.61110.59绘制能量变化图如下：图4.4 能量变化图盈亏功的绝对值：（4.18）平均角速度：（4.19）由于原动机经皮带驱动压缩机时，允许压缩机有较大的旋转不均匀度，可取。飞轮的转动惯量：（4.20）5 主要零部件的分析设计空气压缩机的主要零部件包括工作部件和运动部件。工作部件的作用是用来构成工作容积和防止气体泄漏，它有气缸、气阀等，运动部件用于传递动力，它包括曲轴、连杆等。5.1 运动部件分析计算5.1.1运动部件分析压缩机的曲轴连杆机构不仅要将驱动机的回转运动转换为活塞的往复直线运动，而且是传递动力的机构。曲轴连杆机构包括曲轴、连杆、等组件。曲轴是压缩机中传递动力的重要零件。由于它承受很大的交变载荷和磨损，所以对其疲劳强度和耐磨性较高。曲轴一般用40或45优质碳素钢锻造或用稀土球墨铸铁铸造而成。本设计采用QT600-3铸造，因为球墨铸铁不仅加工方便，而且疲劳强度，耐磨性都优于钢。主轴颈、曲柄销的不圆度和不柱度不大于2级精度孔公差之半，主轴颈与曲柄销的不平行度，在100长度上不大于0.02。曲轴的一般结构形式：一根曲轴至少具有三个部分，即主轴颈、曲柄和曲柄销（或称连杆轴颈），如图5.1所示。曲柄和曲柄销构成的弯曲部分称为曲拐。图5.1 曲轴的组成部分在曲轴上往往还装有平衡铁，其目的是平衡角度式压缩机中旋转惯性力和往复惯性力。设计平衡铁时，应尽可能使其重心远离主轴颈中心，以便使平衡铁质量较轻。平衡铁通常做成扇形，其径向尺寸以旋转时不碰活塞裙部为原则，厚度以不碰连杆为原则。平衡铁的结构及连接方式如下图5.2所示图5.2 平衡铁的结构及连接方式5.1.2曲轴的平衡计算W型压缩机当角度为60时以及各列质量相等时，一阶惯性力的合力为定值，方向随曲柄一起旋转，压缩机在工作时需要平衡的惯性力有两部分：旋转惯性力和往复惯性力。旋转惯性力包括连杆大头，往复惯性力由活塞、连杆小头、挡圈以及活塞环组成。惯性力可用加平衡铁的方法平衡之。计算方法如下：旋转惯性力：N往复惯性力：(67+385+113+2+35)N所以总的需要平衡的惯性力为N根据测量得到厚度为25的平衡铁的质量为505090，质心为15.9，密度根据实测为7.09，所以偏心距为：=56698可以看出两者有一定差距。所以将平衡铁的厚度改为22时其质量变为472932，质心变为14，密度不变还是7.09，所以此时偏心距为：可以看出两者接近，即视为平衡。见图5.3为修正好的曲轴：图5.3 曲轴的三维视图5.1.3运动部件受力校核曲轴上受力比较复杂，分为曲柄销受力和主轴颈受力，下面考虑连杆作用在曲柄销上的连杆力和沿曲柄半径的法向力。连杆力计算公式：（5.1）沿曲轴半径的法向力计算公式：（5.2）表5-1 连杆力和沿曲轴半径的法向力计算曲柄转角活塞力连杆力法向力Z0-9143-9143-914315-4635-4645-4399续表5-1曲柄转角活塞力连杆力法向力Z30-1751-747-59545-838-808-46160-858-879-27175-921-949-1790-977-1009252105-1020-1051509120-1047-1072725135-1063-1080887150-1070-1078994165-1071-10731052180-1072-10721072195-1085-10851064210-1125-11281040225-1193-1153947240-1304-1351913255-1476-1432693270-1760-1702425285-2267-2156-39300-9329-9556-2873315-9265-9413-5375330-9212-9285-7398345-9175-9194-8708360-9163-9163-9163轴承支反力计算公式： (5.3)曲柄销上作用力： (5.4)表5-2 轴承支反力和曲柄销上作用力计算曲柄转角切向力法向力轴承支反力曲柄销上作用力TZRF00-91434572914315-2355-43992495499030-1267-59540080145-745-46142284460-854-27144889675-951-1747595190-9772525041009105-9175095241049120-7727255301059135-5588875241048150-2969945181037165-10105252610521800107253610721955511064599119821081410406591318225106194769213852401298913799159825515246937971594270176042585117022852038-3994018813006876-2873372674523154861-5375362472473302548-73983912782434588-8708435487083600-916345829163由表5-1计算知：最大连杆力=-9556N。进行失稳核算：=-9556N，最大轴承支反力R=4582N。由最大轴承支反力确定选用轴承型号6307深沟球轴承，所以主轴颈直径为35。曲轴的受力分析图如下：图5.4曲轴的受力分析图本次设计的曲轴如上图5.1所示：同样运用以上受力分析。曲轴的受力较为复杂，两拐以上的曲轴常是多支点的静不定系统，且四列以上时可能伴有扭转振动的附加应力，所以这里运用分段计算法，即从相邻两轴承中间切开，形成一个独立的曲拐，单独进行计算即可。根据滚动轴承寿命的计算公式：（5.5）式中P即为最大轴承支反力为4582N，预期计算寿命取为8000h，代入上述公式得基本额定载荷为33KN。所以符合深沟球轴承6307的基本额定载荷。5.2 工作部件分析计算5.2.1气阀组件气阀的作用是控制气缸中的气体吸入和排出。气阀是重要的易损件之一，它直接关系到压缩机运转的可靠性和经济性。注意阀片开启高度不大于3mm，这样阀片不易疲劳断裂，能够保证其寿命。气阀组件如下图5.5所示，主要由阀板、排气阀片、升程限制器、吸气阀片垫圈、内六角螺钉组成。1、内六角螺钉2、垫圈3、吸气阀片4、升程限制器5、排气阀片6、阀板。图5.5 气阀组件图簧片阀广泛用于微型空压机。所以本设计采用舌簧阀，其阀片自身为薄的弹簧片，一端固定另一端自由，阀片关闭时平贴在阀座上，开启时阀片挠起贴于限制器上。舌簧阀阀片运动时对升程限制器和阀座的撞击，使其自由端产生复杂的应力，为了缓和这种撞击，往往增加缓冲片。舌簧阀的结构图如下5.6所示，它由阀座、限制器和舌簧片组成。图5.6 舌簧阀的组成舌簧阀结构简单，运动质量轻，因此广泛用于微型高速压缩机中。在气阀组件中，排气阀片和吸气阀片的材料为PH15-7Mo，阀板的材料是HT200，升程限制器的材料为Q235-A，垫圈的材料是65Mn。5.2.2活塞组件活塞组件包括活塞、活塞环等。它们在气缸中作往复运动，与气缸一起构成压缩容积。筒形活塞主要尺寸确定及材料本设计已确定采用单作用气缸，故选用筒形活塞，材料选为ZL102。筒形活塞各部分尺寸可按下述关系确定：图5.7 筒形活塞主要尺寸关系（5.5）（5.6）取。（5.7）D是气缸直径，是最大气体压力，是许用应力。铝制有加强筋时取600。销座的长度按许用的比压确定：（5.8）对于铝销座取。销座外径取：有加强筋时（5.9）销座之间的宽度取连杆小头的宽度加。筒形活塞与气缸之间的间隙很重要，间隙大时会造成曲轴箱中的油向气缸里窜油，间隙小时易造成卡死或拉缸。通常间隙值取：气冷式气缸：铸铁活塞（5.10）铝活塞（5.11）对于筒形活塞的技术要求主要是销座孔，环形槽与中心线的垂直度，一般每100不大于0.02。5.2.3气缸小型和微型压缩机，气缸一般做成单作用式，并且由空气进行冷却。气缸体上的翅片大都是横向布置的，所以本次设计采用横向布置翅片。横向布置的翅片，其尺寸（图5.8）可这样来确定：图5.8 气冷式气缸体上的翅片尺寸关系 h=1430mmt=612mms=48mmmm顶端厚1.53mm气缸材料的选择应考虑到气体性质、压力、温度、加工性能以及经济性等，通常采用黑色金属。个别场合气缸及气缸套也有采用铝合金或其他合金的。压缩一般气体的气缸，工作压力不大于，可采用HT200等。工作压力达时，可以采用球墨铸铁。形状简单、直径小于75mm的气缸，球墨铸铁容许工作压力达材料在低温下具有冷脆性，但在25C至-50C范围内铸铁的冲击韧性并无明显变化，所以当温度为-30C以上时，仍可应用一般铸铁或钢。所以本次设计采用的气缸材料为HT200。气缸镜面的长度，应根据第一道及最后一道活塞环在内外止点的位置而定，并且应比活塞环的极限位置短12mm，镜面长度以外的气缸直径应略大一些。镜面长度短一些是因为工作一段时期后，气缸要被活塞环的摩擦所磨损，如果镜面长度大于两活塞环的极限位置，则可能出现凹陷，拆卸时将发生困难。气缸的壁厚，由于本设计气缸材料选用HT200，所以低压的铸造气缸通常由两方面的因素确定：一是气缸是个压力容器，必须满足强度要求。二是如果因压力低而要求的壁厚很薄时，铸造容易出现白口，因此需要按照工艺的要求确定壁厚。为此低压级通常可按下列关系确定气缸内壁厚度s。表5-3 压力与气缸内壁厚度的关系压力（）233668 根据压力为7，所以计算得：（5.12）外壁厚：（5.13）端壁厚：（5.14）法兰厚：（5.15）6 结论与展望6.1 结论本次设计的压缩机，其结构形式为角度式（W型）压缩机。确定电动机型号为Y112M-2,即电动机的级数是2级，转速为2890r/min，额定功率为4Kw。曲轴上平衡铁的厚度是22mm，阀片选用舌簧阀，气缸材料定为HT200，活塞选为筒形活塞。和其它

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