活塞式压缩机气缸部分的设计

.5 气缸部分的设计5.1气缸9 气缸是活塞式压缩机中的组成压缩容积的主要部分。根据压缩机所达到压力，排气量，压缩机的结构方案，压缩气体的种类，制造气缸的材料以及制造厂的习惯等条件，气缸的结构可以有各种各样的形式。设计气缸的要点是：1应具有足够的强度和刚度。工作表面具有良好的耐磨性。2要具有良好的冷却，在有油润滑的气缸中，工作表面应有良好的润滑状态。3尽可能减少气缸内的余隙容积和气体阻力。4结合部分的连接和密封要可靠。5要有良好的制造工艺性和装拆方便。6气缸直径和阀座安装孔等尺寸应符合“三化”要求。气缸因工作压力不同而选用不同强度的材料，这个设计工作压力1.378kgf/cm2低于60kgf/cm2，本设计采用水冷空气压缩机的单层壁气缸，气缸用铸铁制造，铸铁具有良好的铸造性能，对气缸结构形状的限制较小，所以铸铁气缸的形式较多。在水冷气缸中，应特别注意气阀部分的冷却，一方面要使气阀有充分的冷却，另一方面把吸气阀和排气阀用冷却水隔开，以保证气缸有较高的吸气系数。（1）气缸的壁厚 气缸布置在气缸盖上，气缸形状较简单且用高强度铸铁，取。壁厚的附加项a，其值按0.50.8cm选择，则a=8mm。，则（2）水套壁厚 ，取（3）连接法兰壁厚气缸与气缸套的材料相同：，由于E相对r1与r2大得多，r1与r2分别表示为气缸的内外半径，将其看做r1=r2，r3=18.3cm，则图9 压入气缸套的厚壁气缸中的应用气缸和气缸套内的应力值为：气缸内表面的切应力：气缸内表面的径向应力：气缸套内表面的切向应力：气缸套内表面的径向应力：气缸套外表面的切向应力：气缸套外表面的径向应力：由于铸铁气缸应力不允许超过200300kg/cm2，所以符合要求，满足强度。5.1.4级气缸的计算（1）气缸的壁厚气缸布置在气缸盖上，气缸形状较简单且用高强度铸铁，取。壁厚的附加项a，其值按0.50.8cm选择，则a=8mm。，则（2）水套壁厚 ，取（3）连接法兰壁厚气缸与气缸套的材料相同：，由于E相对r1与r2大得多，r1与r2分别表示为气缸的内外半径，将其看做r1=r2，r3=13.3cm，则气缸和气缸套内的应力值为：气缸内表面的切应力：气缸内表面的径向应力：气缸套内表面的切向应力：气缸套内表面的径向应力：气缸套外表面的切向应力：气缸套外表面的径向应力：由于铸铁气缸应力不允许超过200300kg/cm2，所以符合要求，满足强度。气缸和汽缸套的材料根据压缩气体的性质和承受的压力选取。由于本设计的工作压力低于60公斤/厘米2，取用灰铸铁HT20-40、HT25-475.2气阀3 现代活塞式压缩机使用的气阀，都是随着气缸内气体压力的变化而自行开、闭的自动阀。自动阀由阀座、运动密封组件、弹簧、升程限制器等零件组成。图10 活塞式压缩机自动阀的组成1阀座；2阀片；3弹簧；4升程限制器气阀是活塞式压缩机重要部件之一，它的工作直接关系到压缩机运转的经济性和可靠性。对气阀的基本要求如下：1. 使用期限长，不能由于阀片或弹簧的损坏而引起压缩机非计划停车。2. 气体通过气阀时的能量损失小，以减少压缩机动力消耗。对于固定式长期连续运转的压缩机尤为重要。3. 气阀关闭时具有良好的密封性，减少气体的泄漏量。4. 阀片起、闭动作及时和迅速，而且要完全开启，以提高机器效率和延长和使用寿命。5. 气阀所引起的余隙容积要小，以提高气缸容积效率。 以此，还要求结构简单、制造方便、易于维修、气阀零件标注化、通用化水平要高。压缩机自动阀按运动密封组件的特点可分为：环阀（包括环状阀和网状阀）、孔阀（包括杯状阀、菌状阀、碟状阀等）、直流阀；其它还有诸如条状阀、槽状阀、锥形槽状阀等。 此压缩机设计采用环状阀，因为环状阀制造简单，工作可靠，可改变环数来适应各种气量要求，它适用于各种压力、转数的压缩机。阀座密封表面要经过研磨，阀片上下平面光洁度不低于9，内外边缘要倒钝；气阀组装后要进行泄漏检查。一般环状阀片和网状阀片热处理硬度为RC4652，同一阀片的硬度差不超过3个单位。在阀片精磨后要进行补充回火，其温度不超过第一次回火温度。用30CrMnSiA钢板制造的环状阀片，金相组织为回火马氏体。图11 环状阀的主要结构尺寸及其几何关系力Pa=0.1MPa；一级排气压力Pd=0.29MPa；活塞有效面积F2；活塞的平均速度Cm=3.27m/s；同时作用的齐发数Z=2。结构尺寸的选择：气阀的主要特性参数确定后，就要确定阀座通道宽度b、阀片宽度B和阀座相邻信道平均直径差Da. 选择的阀缝隙通道气体流速 表6 间压缩机数据：压缩机的转速n=980r/min；活塞行程s=100mm；一级吸气压缝隙通道的平均气流速度工作压力（公斤/厘米2）4410103030130130320320600间缝隙通道的平均气流速度（米/秒）304525402035182815201215工作压力P=9.756254kN=0.975625 Kg/cm2407.51.75255100101.753571001.5工作压力P=9.756254kN=0.975625 Kg/cm260100100150150200200300300M101M121.25M161.5M201.5M241.5M271.5由于D0=114mm，故选择M161.5 q. 阀片厚度 取=2mm图13 环状阀主要安装尺寸示意图5.26级上的气阀尺寸选择（由于级计算与级相似，所以图表参照上面） 压缩机数据：压缩机的转速n=980r/min；活塞行程s=100mm；二级吸气压力Pa=0.314MPa；一级排气压力Pd=1.1MPa；活塞有效面积F2；活塞的平均速度Cm=3.27m/s；同时作用的齐发数Z=2。结构尺寸的选择：气阀的主要特性参数确定后，就要确定阀座通道宽度b、阀片宽度B和阀座相邻信道平均直径差Da. 选择的阀缝隙通道气体流速工作压力P=13.78kN=1.378 Kg/cm24 Kg/cm2，则=3045m/s,取=35m/sb. 需要的阀缝隙面积 式中：Z同时作用的同名气阀数F活塞的有效面积 c阀片开启高度 h=1.6mm d. 阀座通道宽度b， 取 又h=1.6mm b=6.4mm e. 阀座密封口宽度 工作压力P=13.78kN=1.378 Kg/cm240Kg/cm2，则阀座密封口宽度1=1.25mm f. 阀片宽度B B=b+21=6.4+21.25=8.9mm，取B=9mm g. 升程限制器通道宽度b1 b1=（11.2）b=（11.2）6.4=6.47.68mm，取b1=7mm h. 限座相邻信道平均直径差D D=2（B+b1）=2(9+7)=32mm i. 阀座通道环数i i=3 j. 阀座最内圈信道平均直径D1mm K. 阀座各环信道平均直径Dj Dj=Di+(j-1) D=-11+(3-1)32=53mm l. 阀座安装直径D0取C1=3.5mm，则D0=DJ+B+2C1=53+9+23.5=69mm，取D0=70mm m. 阀座最大外径取4mm，则 n. 阀座厚度H H=（0.120.2）=（0.120.2）78=9.3615.6mm，取H=15mm o. 阀座安装凸缘高度H1 H1=（0.350.5）H=（0.350.5）15=5.257.5mm，取H1=7mm p. 连接螺栓直径d 由于D0=70mm，故选择M121.25 q. 阀片厚度 取=2mm5.3活塞 活塞与气缸构成了压缩容积。活塞必须有良好的密封性， 此外还有要求：1，有足够的强度和刚度；2活塞与活塞销的连结和定位要可靠；3，重量轻，两列以上的压缩机中，应根据惯性力平衡的要求配置各列活塞的重量；4，制造工艺性好。活塞式压缩机中采用的活塞基本结构型式有:筒形、盘形、级差式、组合式、柱塞等。对于小型无十字头的压缩机一般选用筒形活塞。筒形活塞的主要结构尺寸如右图所示：图14 筒形活塞主要结构尺寸5.3.2 级活塞尺寸活塞环的计算：活塞环是密封气缸镜面和活塞间的缝隙用的零件。另外，它还起布油和导热的作用。对活塞环的基本要求是密封可靠和耐磨损。活塞环的径向厚度t：取t=8mm活塞环的轴向高度h：h=（0.41.4）t=（0.41.4）8=3.211.2mm，取h=4mm刮油环的轴向高度：h3=（12）h=（12）4=48mm，取h3=6mm活塞直径：D=230mm活塞总高度H与活塞直径D一般为：H=（0.651.5）D=（0.651.5）230=149.5345mm，取H=184mm活塞顶面至第一道活塞环的距离：C=（1.23）h=（1.23）4=4.812mm，取C=8mm活塞环之间的距离：C1=（0.81.5）h=（0.81.5）4=3.26mm，取C1=5mm裙座到底边的高度L约为0.7H，则L=0.7H=0.7184=128.8mm，取L=130mm活塞销中心线到底边的距离h1约为0.6L，则h1=0.6L=0.6130=78mm活塞顶部的强度计算，可将活塞顶部作为圆周固定的圆板来计算：对于无加强筋的铸铁活塞B300350Kg/cm2，取B=300 Kg/cm2，取t=8mm5.3.3 级活塞尺寸(与级活塞尺寸计算相似)活塞环的径向厚度t：取t=4mm活塞环的轴向高度h：h=（0.41.4）t=（0.41.4）4=1.65.6mm，取h=4mm刮油环的轴向高度：h3=（12）h=（12）4=48mm，取h3=6mm活塞直径：D=130mm活塞总高度H与活塞直径D一般为：H=（0.651.5）D=（0.651.5）130=84.5195mm，取H=156mm活塞顶面至第一道活塞环的距离：C=（1.23）h=（1.23）4=4.812mm，取C=8mm活塞环之间的距离：C1=（0.81.5）h=（0.81.5）4=3.26mm，取C1=5mm裙座到底边的高度L约为0.7H，则L=0.7H=0.7156=109.2mm，取L=110mm活塞销中心线到底边的距离h1约为0.6L，则h1=0.6L=0.6110=66mm活塞顶部的强度计算，可将活塞顶部作为圆周固定的圆板来计算：对于无加强筋的铸铁活塞B300350Kg/cm2，取B=300 Kg/cm2，取t=8mm5.3.4 活塞材料的选择本次设计活塞材料选用HT20-40，活塞销材料选用20钢。5.4活塞销图15 活塞销1. 20钢和20Cr钢制的销子，圆柱外表面的渗炭深度为：1）壁厚35毫米的活塞销0.81.2毫米；2）厚度大于5毫米的活塞销1.11.7毫米；2. 销子外圆柱表面硬度为HRC5767，各点硬度差不大于3个HRC单位；3. 销子硬化层的显微组织应符合以下规定：1）渗碳层影视细密的马氏体组织，不允许有针状或连续网状的游离渗碳体；2）高频淬火硬化层应是细针状的马氏体组织，其转变区为索氏体组织，并允许有碳素体的晶粒存在。4. 销子外圆的椭圆度和锥形度不大于2级精度直径公差之半5. 销子外圆表面光洁度：1）直径小于150毫米时为9；2）直径大于150毫米时为86. 销子外圆表面不允许有裂纹、凹痕、擦伤、斑疤以及肉眼可见的非金属夹杂物等缺陷7. 销子加工完后，应进行磁粉探伤，不得有裂纹。5.4.2 I级活塞销尺寸活塞销的尺寸，根据最大活塞力Pmax作用下活塞销投影工作表面上的许用比压k初步确定后，按弯曲和剪切作用校核其强度。活塞销的计算尺寸如图： 图16 活塞销计算简图连杆轴承长度=（1.11.4）d，取=1.2d活塞销许用比压k150250 Kg/cm2，取k=200 Kg/cm2则 取d=22mm活塞销内径d0=(0.60.7) d=(0.60.7)22