MED无油往复式空气压缩机设计

分 类 号 TH457 密 级 公开 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)MED无油往复式空气压缩机设计所在学院机械与电气工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级08机自5班姓 名潘浙云学 号08141010528指导老师陈光群2012年 3 月 31 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文MED无油往复式空气压缩机设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要MED无油往复式空气压缩机是一种符合医用要求的机器，它能将气体进行压缩来提高气体压力和实现输送气体的功能。设计针对小流量、低排量的往复式空气压缩机在医学领域中应用的研究与改进。旨在分析空压机在满足基本工作要求的前提下，更深入讨论医用空气压缩机对于特殊工作环境和条件所需要的工作特点与能力的设计。要满足诸多产业如医药卫生、医疗器械、科学研究设备、日常生活以及环境保护等都应该有更便捷、洁净的气体动力源。往复活塞式空气压缩机终究是压缩机产业的源头与压缩机设计根本。设计过程中，根据压缩机的容积流量、吸排气压力、压缩介质、使用要求等具体的技术参数和条件来对往复活塞式无油润滑空气压缩机进行分析与设计。设计工作重点在于压缩机的热力与动力的分析计算和主要零部件设计。其中，在零部件的结构设计上有所创新。关键词：医用，微小型，往复式，无油润滑，空气压缩机VAbstractMED oil-free piston-air compressor is a machine which can compress gas to improve the pressure and conveying it.Also the machine should meet the medical requirements.The theme of this Graduation Project Paper is to design a small piston-air compressor which is used in the medical field in application and improvement.Aimed at the analysis of air compressor and more than the premise in meeting the basic requirement.In order to make further discussion of medical air compressor for special working condition like environment and conditions needed for the work characteristics and the capability of design. In order to meet many industries such as medicine, medical equipment, scientific equipment, daily life and environmental protection career should have more convenient, clean gas source provided in. And the piston-air compressor is still the fountainhead and foundation of air compressor industry and designs.During the work of design,according to specific technical parameters and conditions like the suction of compressor,the pressure of absorbing and exhausting,volume flow rate,the compressed medium,use requirements to analysis and design the oil-free piston-air compressor.This design focuses on the thermodynamic and dynamic analysis and design and the design of the mian parts.Among them,the structural design of the components has innovation.Key Words: medical，miniature，reciprocating piston，oilfree lubricatoin，air compressor目 录摘 要IIAbstractII目 录II第1章 绪论21.1空气压缩机总述21.2无油往复空压机的特点与不足21.3问题来源及医用空压机概论21.3.1课题研究起源21.3.2制药厂及相关设备对压缩空气质量的要求21.3.3研究目的和要求2第2章 整体方案设计、分析及可行性论证22.1概述22.2设计参数与技术要求22.3往复活塞式空气压缩机的基本结构22.4空压机方案设计论证22.5 本章小结2第3章 性能分析与计算23.1热力分析23.1.1结构形式的选择23.1.2排气压力与压力比23.1.3排气温度估算23.1.4容积流量有关系数23.1.5气缸工作容积与直径23.1.6最大活塞力估算23.2功率需求及驱动装置选择23.2.1功率计算23.2.2皮带轮传动23.2.3选择电机23.3动力分析23.3.1曲轴连杆机构的几何结构与运动关系23.3.2曲柄连杆机构的运动关系23.3.3作用力分析23.3.4曲柄连杆运动时的惯性力23.3.5相对运动表面间的摩擦力23.3.6综合活塞力23.4 本章小结2第4章 主要零部件设计24.1气缸组件设计24.1.1气缸24.1.2 气阀部件方案讨论24.2活塞组件24.2.1 活塞24.2.2 活塞环24.2.3销连接24.3连杆组件24.4曲轴部件24.4.1结构形式24.4.2主要尺寸24.5轴承选择与润滑24.5.1润滑方式24.5.2轴承选择与校核24.6 机身组件概要24.7 本章小结2第5章 设计结果价值期望25.1方案创新及功能评价25.2经济性概论2总结与展望2参考文献2致 谢2第1章 绪论第1章 绪论1.1空气压缩机总述空气压缩机（air compressor）简称空压机或压缩机，是气源装置中的主体。它是将原动机（通常是电动机）的机械能通过传动装置转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空压机已经广泛地应用于国民经济和国防建设的诸多领域中，尤其是石油、机械、化工、制药、动力等工业部门。其已成为必不可少的机械装备，更是许多行业工艺流程中的核心组成部分。常用的空压机有往复式压缩机（piston-air compressor）、离心式压缩机和回转式压缩机等。其中，往复活塞式压缩机的发展历史悠久，在各行各业的应用中扮演着极为重要的角色2。早在夏商时期，中国就已经掌握了压气鼓风技术并且普遍地运用于冶炼工业。当时是一种由兽皮制成的辅助器械，称为“橐”；建武七年（公元三十一年），杜诗创造了利用水力鼓风铸铁的机械“水排”。而欧洲在十四世纪才实现水排的普遍使用；然后是一直沿用到现在的木制“风箱”，可以说这是现代往复活塞式压缩机的雏形。上世纪中叶，随着空压机的设计和广泛应用，在工业发展中逐渐提出了一些新的要求，主要概括为：1）在气体被压缩的过程中，有的气体（如CL2、BF3等）会对润滑油起腐蚀作用降低油的粘度，使得润滑油的性能下降，无法起到正常的润滑的作用。2）由于气缸与活塞之间的高速摩擦，使得润滑油的应用越来越广泛，在压缩气体过程中，气体不可避免得与润滑油接触，同时温度又高，当工作介质为某些助燃气体时，很可能引起爆炸而发生事故。3）在石油工业中，某些气体要求在较低的温度下进行操作，而一旦压缩机吸入的气体温度极低，润滑油可能凝固，无法祈祷润滑的作用，或者气体中携带的润滑油会导致反应器中的催化剂中毒等情况。4）对于一些纯度要求较高的气体（如食品、医药工业中），被压缩的气体在有油润滑压缩机中势必受到润滑油的污染，从而达不到事先的要求。5）一旦气体中携带了油，会造成某些气动仪的失灵，如控制系统中的压力表。1934年，采用有自润滑性能的石墨作密封元件，实现了气缸不用油润滑；但石墨比较脆，石墨磨损后的粉末也能污染气体。1935年，苏尔寿公司研制成了利用曲折密封原理的迷宫式压缩机，它去消了金属密封元件，也实现了气缸无油润滑；但这种结构制造要求极高，并且严重的泄露使其热效率较一般压缩机为低。1952年，具有自润滑性的塑料聚四氟乙烯开始用于压缩机作密封元件。由于聚四氟乙烯经过适当改制后的巨大优越性，因此很快得到了推广，已成为现在实现气缸无油润滑的主要手段。到二十世纪七十年代末，随着世界生产力的飞速发展，科学技术及工艺的日新月异，活塞式压缩机也获得了较大的发展和进步。空气压缩机的种类繁多，按工作原理可分为容积式压缩机和速度式压缩机，如图1-1。容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。常用的空气压缩机有活塞式空气压缩机，螺杆式空气压缩机，离心式压缩机以及滑片式空气压缩机，涡旋式空气压缩机等。往复式空气压缩机的压缩元件是一个在气缸内作往复运动的活塞。具有功效稳定、使用寿命长、用途十分广泛等优点。图1-1空压机按工作原理分类空压机中的有油与无油一般都是指空压机排气口排出气体的含油量的多少，一般有油机含油量较大，无油机的含油量为0.01ppm，所以用这个含油量来区分空压机有油与无油。还有一种是全无油的空压机，它不是采用有油润滑，而是采用树脂等特殊材料进行润滑，所以最终排出的气体不含油，即称为全无油空压机。但是以前此种空压机由于密封的润滑脂容易流失导致轴承干磨而损坏，质量并不能够令人满意。最新研制的一种在原全无油空压机基础上改进的全无油空压机，此全无油空压机使用了阻热活塞，使轴承润滑脂不再受高温传导与辐射而流失，从而使全无油空压机寿命大大延长，现已完全超过同档次有油机的寿命。然而许多资料均显示，生产空压机的厂家现在的出产多为有油空压机。1.2无油往复空压机的特点与不足（1）无油润滑空压机具有广泛的用途，在工业发展过程中有着不可取代的地位。无油润滑空压机的重要性取决于其在应用中的显著特点1）输出的压缩气体中不含油污，无需脱油处理，且不污染环境。2）低能耗；仅以润滑油使用为例，一台无油润滑高压循环机每年节约了润滑油达3600kg。中、低压机组上，润滑油的成本节约量也十分可观；在中、低压产品成批使用的场合效果尤为明显。3）无油润滑压缩机系统取消了注油器，油分离器等设备。这不但大大降低系统的阻力，还有利于增加产量。另外也减少了注油器，油分离器的检修工作量和检修费用。4）理想的无油润滑压缩机由于密封摩擦件的摩擦因数小所以使用寿命长。从而减少了非生产检修时间及其相关费用，因此比有油润滑压缩机的效益要高。5）气缸或者气缸套以及活塞杠的使用寿命提高。一般情况下，使用后的气缸或者气缸套经过一定时间的跑合期后，镜面粗糙度会有所提高，而使得摩擦较小。（2）但不可否认的是，在无油润滑空压机发挥独特作用的背后，它仍然存在一些不足之处：1）目前因为该类压缩机的密封元件大多采用以聚四氟乙烯为主体并添加铜粉玻璃等压制而成的密封环。所以，活塞平均速度和转速参数较之有油润滑的压缩机要取得低一些。2）由于密封元件由塑料等非金属制成，而塑料的导热性较差，因而工作温度不能像有油润滑那样高。故除应加强冷却之外，对压力比的选择也需合理，不应过高。3）在无油润滑压缩机中，阀片运动时，可能产生金属之间的摩擦。4）处于无油的状态下，气体中若含有微量的水份和杂质微粒，将导致起气缸的腐蚀或输出气体不符合技术参数要求，所以要考虑去杂质和防腐蚀的问题。随着经济的高速发展，我国的空压机设计制造技术也有了长足进步，在某些方面的技术水平也已经达到国际先进水平。而紧跟着工业的迅速发展，人们生活水平的提高，社会对所需品的要求有了极大的提高。同时，气动元件精密度标准的提高，促使对压缩气体含油、含水等要求越来越高；以往无油空压机新产品因质量问题大大约束其广泛使用。现在，无油空压机质量的不断改善，使其质量发生了根本性的提高，能完全满足现代化工业生产的需要。所以，在各行业的实际使用过程中无油空压机的优越性将会很快得以体现。总而言之，无油空气压缩机（oil-free air compressor）的研究突破将会是空压机领域发展的大趋势之一。1.3问题来源及医用空压机概论1.3.1课题研究起源空气压缩机是各类工矿企业广泛应用的压缩空气源。随着人类社会的进步，社会医疗水平直接影响着全球经济的稳健发展，故对于医药技术的要求也日趋严格。而在医药行业中，医用设备及辅助器械的优劣关系到医疗效果的好坏和医用产品的质量的高低。一方面，有油润滑往复式空气压缩机润滑油消耗量大，能源较为浪费。而且使用过程中润滑油从排污口或空气中排出，严重污染周边环境。并且，这一严峻的事实已经引起了环境保护部门的重点关注。随着人们对环境噪声污染的严格控制，许多压缩机噪声限制在85Db（A）以下。在如今这个环境污染事件频频发生的先进社会里，消除此类潜在污染已成为当务之急。而另一方面，随着现代医药科学飞速的发展，对于空压机的应用要求也在不断的提高。特别是空气压缩机在制药行业和医疗器械上的应用，其对生产与操作过程中对于压缩空气的要求标准直接关系到广大人民群众的身体健康和就医风险。因此，无油空气压缩机在医药领域的设计应用非常具有代表性和实用性，值得学习和研究。1.3.2制药厂及相关设备对压缩空气质量的要求制药企业的压缩空气主要用于液体制剂中的灌装机，固体制剂中的制粒机、加浆机、填充机、包装机、印字机，提取工艺中的提取罐，此外，还有化验中试用气、粉体物料输送、干燥、吹料吹扫、气动仪表元件、自动控制用气等。因为制剂用的压缩空气与药品直接接触，所以压缩空气必须经过净化处理；必须经过验证，以证明系统符合生产要求；还须通过GMP的认证检查。制剂用气，如干燥，压料等用气，必须要控制压缩空气中的油、水和固体粒子以及生物粒子等的含量，同时还地要求无气味。仪表用气，主要是气动仪表和精密（压力，流量）调节器等用气。除了不控制生物粒子，不要求无气味外，其它控制项目和制剂用气相同。仪表用气的质量标准，可由GB/T 13277一般用压缩空气质量等级中查得。这个标准根据固体粒子尽寸和含量，水蒸汽含量和含油量四项控制指标划分质量等级，见表1-1气动仪表对用气质量等级要求，推荐四项指标均为3级。具体指标为：颗粒尺寸最大5m，颗粒含量5mg/m3，水含量（压力露点）最高-20，油含量最大值为1mg/m3。现在气动执行机构，对气源含尘粒径的要求，一般为1m。表1-1气动仪表对用气质量等级要求项目名称参数指标等级123456颗粒尺寸（m）0.11540-颗粒含量（mg/m3）0.11510-水含量（压力露点）-70-40-203710油含量（mg/m3）0.010.11525-制剂用气质量指标一般要求为：制造和工艺操作包括灭菌工艺所采用的压缩空气应是：（1）由无油空压机供应，无油及无油气的，在非控制的环境区域里排放的除外。（2）为防止在管道里出现冷凝水，空气要经过除湿处理。1.3.3研究目的和要求首先，本课题所要研究的要求是对传统的往复式空气压缩机进行改良完善，使其具备相应的功能来应用于医药领域的生产和工作当中去，与自身所学专业相关性较高。MED无油空气压缩机是一种医院、医药专用的小型机械,具有体积小、结构紧凑、效率高、运行平稳等特点,要求气体在压缩时不被润滑油所污染,而目前大多数空气压缩机采用有油润滑。因此,研制与开发高纯度小流量压缩空气的无油润滑压缩空气机具有重大的现实意义。其次，设计的主要对象是往复活塞式空气压缩机。它是压缩机设计与应用领域中的基础，更是当今社会生产的重要的机型。作为最早的压缩机类型，广泛地被各个行业使用并改进，得到了最大程度的认可。然而，随着压缩机技术的不断革新，使得新型压缩机的出现，如膜式压缩机、涡旋式压缩机等。活塞式空压机虽在中小机型中仍然占据市场主导地位，但新型压缩机越来越突出的优越性能时刻提醒着活塞式压缩机急需再一次突破。基于此，往复活塞式压缩机的设计创新就应运而生。43第2章 整体方案设计、分析及可行性论证第2章 整体方案设计、分析及可行性论证2.1概述往复活塞式压缩机是MED无油往复式空压机设计的基础，故以它为本次空压机的设计类型。诸多实例充分证明，存在着一种或数种较严重缺陷的方案设计，在压缩机制造后，很难予以弥补。压缩机方案设计直接关系到压缩机运行的可靠性、经济性及本身的结构合理性。2.2设计参数与技术要求1）排气量qv0.06 L/s； 6）进气湿度0；2）排气压力pd7 kgf/cm20.69 MPa（绝压）； 7）转速n500r/min；3）吸气压力Ps等于大气压； 8）压缩对象：自然空气；4）大气压Pa0.10 MPa； 9）结构类型：W型，风冷； 5）进气温度：10 ；2.3往复活塞式空气压缩机的基本结构图2-1 往复活塞式空压机的基本结构 1 -排气阀 2 -气缸 3 -活塞 4 -活塞杆 5 -滑块 6 -连杆 7 -曲柄 8 -吸气阀 9 -阀门弹簧活塞式空压机的总体结构主要由工作腔部分、传动机构、机身和辅助部分等组成。其中，工作腔部分是指直接处理气体的部位，包括了气阀、气缸、活塞杆和活塞等。传动部分是把原动机（一般指电机）的运动转换为活塞的往复运动一组驱动机构，包括连杆、曲轴和十字头等。机身用于支撑或安装部分零件，如机箱。而辅助设备就是除上述主要部件以外，辅助空压机正常工作的装置。2.4空压机方案设计论证对于无油润滑空气压缩机的设计（尤其是微小型），选择正确合理的压缩机类型以及相应的结构特征是至关重要的，也直接影响设计结果的可行性。所以，对中小型无油空气压缩机类型及部分结构的选择进行如下分析与论证。在中小型空气压缩机的应用中，较为常见类型有活塞式和螺杆式。两者主要的技术参数列于表2-1中。表2-1常见中小型压缩机性能分析类型压缩过程余隙容积基础占地效率功耗应用费用螺杆式实际为多变过程，趋近于绝热压缩；螺杆压缩机的齿间封闭容积，较难改善；无基础运行，重量轻，但无油润滑时，需辅助装置去油，占地大；气体泄漏因素多，不易克服，中低温工况下效率相对较低；加、卸载运行存在浪费，能耗相对较大运行平稳、低噪音、排气压力稳定；一般只用于排气压力小于3MPa场合；容积流量大于0.3m3/min时才具有优越性；制造成本高，易于维护；活塞式实际为多变过程，趋近于等温压缩；气阀附近的容积余隙，可以通过结构设计改善；可实现无油润滑且无需去油装置，不用专门基础固定，占地小；但本身体积较大重量重部分组件和填料采用特殊材料，效率稳定；相对较小应用很广，排气压力较高且稳定，能实现小排量、高压力；可靠性不高，易损件的理想寿命为8000h；制造成本低，但需要相对多的维护；（1）活塞式压缩机的应用范围最为广泛，属于往复式类型，也是最早开发及发展程度最高的压缩机。工作时气体的压缩是间歇、周期性地进行的。但是，其间歇时间极短且运动速度较快，再加上一般压缩机进、排气均有足够大的空间，可维持进、排气近乎连续而稳定，所以工作过程可视为稳定流动。实际压缩过程介于等温过程与绝热过程之间，即多变过程。由于活塞压缩机一般采用多级压缩、中间冷却，所以总体上来说更接近等温压缩。等温压缩是所有压缩过程类型中耗功最低的。（2）螺杆式压缩机属于回转式类型，是目前使用较多的压缩机类型之一。因其可观的性能及结构特点近年来得到了很快的发展。其实际压缩过程也是多变过程，但螺杆式无油润滑压缩机在工作时可视为绝热压缩过程。绝热压缩过程，显然功耗较大。许多螺杆式压缩机是没有像活塞式压缩机一样的气阀的，相对地减少了气阀阻力损失。就无油润滑压缩机来说，螺杆式压缩机还存在一些不足。比如由于没有起密封作用的液体存在，气体通过泄漏三角形、接触线、转子齿顶和排气端面的泄露较为严重，因此效率较低。（3）同类产品中，作为微小型特殊应用的空气压缩机，与同类型的其他机型（如无油螺杆式、无油离心式、谁润滑压缩机等）相比较，往复活塞式空气压缩机有一定的优势。首先，根据表2-1可知，活塞式压缩机能够达到预期的小排量、高压力的目标。其次，往复活塞式压缩机一直是中小型压缩机的主流。利用已有的技术可以对活塞式压缩机进行改进，丰富往复式压缩机的规格。如使用聚四氟乙烯等非金属材料做为活塞环，成本低廉而效果显著。第三，活塞式无油润滑压缩机通过先进的密封技术以及完善的结构，使得压缩空气更大程度地洁净环保和更高的容积效率。基于以上各种原因，选择往复活塞式压缩机作为微小型空气压缩机设计的基本机型是可行的。2.5 本章小结往复式压缩机的开发应该还有较大空间。近年，在世界生产力发展的同时，科学技术和制造工艺也在稳步提高着，因而活塞式压缩机的设计水平得到了较大程度的改进。首先，较低的阀隙流速和相对大的缓冲容积，进一步降低了压缩机的功率损耗。第二，对动式等新的结构形式的广泛运用，能在较大程度上改善大、中型压缩机运行时的动力平衡性能。第三，也是最重要的一点，就是压缩机气缸能在一定的压力范围内能够实现无油润滑。即压缩机工作过程中，被压缩气体不再为润滑油所污染，提高了排出气体的质量。虽然其他类型的压缩机发展也很热门，但是活塞式空气压缩机毕竟是压缩机的起源，从研究的源头总有一些新的内容将会被人们逐渐地开发和利用起来。第3章 性能分析与计算第3章 性能分析与计算3.1热力分析根据设计任务的要求，进行压缩机的热力性能进行分析与计算。一般在已知空压机吸入气体的热力参数（压力、温度、相对湿度等）、容积流量、排气压力以及其他一些条件（具体使用要求），要确定压缩机级数、各级热力参数、各级工作容积大小、转速、结构尺寸（如往复空压机的气缸直径、行程等）、多级压缩机的级间压力和温度、所需轴功率以及相应的效率等，也是设计压缩机是必要的计算说明。而最后，对机器可以进行复算性计算，根据已有的结构参数求取各热力参数与功耗并进行验证合理性。本处采用计算方法是传统的常规热力计算。图3-1空气成份示意图3.1.1结构形式的选择根据选定方案可知，选择单级压缩、W型空压机，结构方案如图2-1所示。压缩机结构型式的选择要考虑诸多因素，例如：工艺流程、现场条件，制造方的系列构成、外协状况等。根据设计要求选立式压缩机。因为与其他结构型式相比，立式压缩机的气缸、活塞环及填料磨损最小而且均匀气体密封条件最佳，气缸和气密元件工作寿命较长。而且气缸、中间接筒和机身的截面中心，多与气缸中心线重合，故作用在机身或中间接筒上的气体力，都不会使其壁面产生弯曲应力。所以壁厚可以较薄，这样既减轻重量又节省原材料。立式压缩机的未平衡往复惯性力，垂直作用于基础，较比水平方向作用于基础时，易被基础承受。这是因为土壤的抗压力远抗拉剪力要大得多。另外，它占地面积小，比卧式压缩机具有较高的抗基础不均匀沉陷能力。在一定的倾斜度内，立式压缩机不致使零件产生附加变形应力。3.1.2排气压力与压力比单级压缩过程中排气压力即为Pd0.69MPa，故总压力比为：t=PdPs ；（进气压力为大气压） （3-1）t=PdPs=0.69Mpa0.1Mpa=6.9 表3-1排气压力和压力比计算值级次名义进气压力Ps/MPa名义排气压力Pd/MPa压力比t0.10.696.93.1.3排气温度估算查参考文献2，18图1-8得空气绝热过程指数：k1.40；取压缩过程指数n1等于空气绝热过程指数（即等熵指数）k，吸气温度Ts10, 压力比t6.9,按式（参考文献2，23式1-75）TdTs tn1-1n1 ；（式中温度单位均为K) （3-2）Td283.156.91.4-11.4491.6K即排气温度td218。列表3-2；表3-2排气温度计算值级次名义吸气温度名义排气温度压力比t压缩过程指数n1tsTstdTd10283.15K218491.6K6.91.43.1.4容积流量有关系数（1）容积系数v由文献2，141式4-15有v1-Z2Z11kT-1 （3-3）故有： v1-0.111.01.06.911.20-10.56式中，为相对余隙容积，由参考文献2，142表4-3可查得；Z2、Z1为相应于排气终了与进气开始状态的气体压缩性系数，由参考文献2，7图1-5可查得，通常都取Z1； 为名义压力比；kT为实际气体温度等熵指数，对于理想气体其值等于膨胀过程指数kTm，m的值可结合等熵指数k值由参考文献2，138表4-1确定。表3-3容积系数参数参数名称Z1Z2kmv数值0.111.01.06.91.401.200.56（2）压力系数p定义： pPaPs式中，Ps为名义进气压力； Pa为进气终了工作腔中的压力，大小与气阀的配置及进气系统设计有关。所以，一般情况下压力系数p0.950.98，故p0.98。（3）温度系数T和泄露系数 l1）可由参考文献2，143图4-7选择，查得T0.95。2）实际计算很难达到精确要求，所以一般根据经验和具体压缩及结构形式在0.900.96范围内取值。故l0.94。（4）进气系数 s和容积效率v svpT0.560.980.950.52v vpTl0.560.980.950.940.49（5）析水系数、抽气系数c由原始数据知0，故无水分析出，析水系数1。因为该机无抽气和充气，故抽气系数c1。表3-4容积流量有关系数参数名称单级相对余隙容积0.11等熵指数k1.40膨胀过程指数m1.20名义压力比6.9进气开始压缩性系数Z11.0排气终了压缩性系数Z21.0容积系数v0.56压力系数p0.98温度系数T0.95泄露系数 l0.94进气系数 s0.52容积效率v 0.49析水系数1.0抽气系数c1.03.1.5气缸工作容积与直径（1）由参考文献2，150式4-32可计算气缸工作容积：Vsqvv n （3-4） 式中，qv为压缩机容积流量，m3/min；v 为一级容积效率；n 为压缩机转速，r/min。参考文献2和该机的特殊性，可初步选择压缩机转速n500r/min。空压机的容积效率v 0.49；又已知qv0.06L/s；因为该机无抽气和充气，故有Vs0.0660/10000.49500 1.4710-5 m3（2）气缸直径由文献2，150式4-36计算得到CmSn30 （3-5）式中：S为活塞行程，m；n为压缩机转速，r/min；Cm为活塞平均速度，m/s。因为该压缩机流量非常小，故先根据经验取D30mm，因为压缩机转速初选为500r/min，所以有。参考文献2，152公式4-37，即D4VsSz （3-6）式中：z为该级的气缸数目，显然z1。代入公式得：S4VszD241.4710-50.0320.021m21mmCm0.021500300.35m/s3.1.6最大活塞力估算计算活塞杆面积时，盖侧无活塞杆按 Ac4D2 计算；轴侧有活塞杆按Az4(D2-d2)计算。活塞力计算时，向盖行程至止点位置时FgcPsAz-PdAc，单位N；向轴行程至止点位置时FgzPdAz-PsAc，单位N；式中，Ps、Pd分别为进、排气压力，Pa；d为活塞杆直径，m；根据参考文献2，152表4-6可初步选定d10mm。并且应符合JB/T 2231.1-1999规定。其他数据前面已知，计算值列于表3-5。Ac40.032 7.0710-4m2 Az4(0.032-0.012)6.2810-4m2Fgc0.11066.2810-40.691067.0710-40.425kNFgz0.691066.2810-40.11067.0710-40.363kN表3-5活塞力参数名称计算值盖侧活塞面积Ac/ m27.0710-4盖侧活塞面积Az/ m26.2810-4向盖行程活塞力Fgc/ kN0.425向轴行程活塞力Fgz/ kN0.3633.2功率需求及驱动装置选择3.2.1功率计算（1）指示功率 Pi根据参考文献2，155式4-51可得单级计算公式：Pin60vPsVsnTnT-1nT-1nT-1Z1+Z22Z1 （3-7）式中：n为压缩机转速，r/min；Ps为进气压力，Pa；nT为温度过程系数，可由参考文献2，138表（3）节内容，查得空气的温度过程系数nT（0.930.98）k；又因k1.40，故取nT0.971.41.358。其他参数见表3-1和表3-4。，计算结果列于表3-7中Pin600.561051.4710-51.31.3-16.91.3-11.3-14.33w表3-6指示功参数参数名称单级温度过程系数nT1.358进气压力损失s0.047排气压力损失d0.062总的相对压力损失00.109指示功率 Pi/w4.33（2）取机械效率m0.94,则轴功率为PshPim4.3w0.944.510-3kw3.2.2皮带轮传动选用同步电机，功率Pe大于Psh即可。因为压缩机转速不高，所以电机和压缩机不是等转速的，因此在驱动电机与压缩机之间设置减速装置即可；所以设计电机与压缩机之间以皮带轮传动，电机与皮带轮之间以键连接；根据文献5表6-1可查得键的尺寸。（1）与传动比i已知大带轮转速n2500r/m，带传动的传动比一般为i 7，推荐值为i25。故令i2，则小带轮转速n11000 r/m。（2）功率与V带的带型1）单根V带的额定功率PrPr（P0P0）KKL （3-8）P0为基本额定功率；P0为单根V带额定功率增量；K为包角修正系数；KL为带长修正系数；查文献5表8-4a、表8-4b、表8-5、表8-2得P00.125kw，P00.02kw，K0.97，KL1.0。Pr0.1450.971.00.14kw2）计算功率Pca是根据传递功率P和带的工作条件参数KA而定的，即PcaPKA （3-9）由文献5表8-7查得KA1.1，P4.510-3kw；所以Pca4.9510-3kw。进而文献5图8-11选择Z型。（3）选择带轮基准直径dd与带速控制1）小带轮基准直径dd1；参考文献5表8-6和表8-8可确定小带轮基准直径dd150mm。2）小带轮线速度V1 dd1n1601000 即，v12.62m/s。 （3-10）3）大带轮基准直径dd2idd1250100mm。（3）中心距a及带的基准长度Ld1）中心距的大小要根据实际应用时结构的尺寸、传动平衡性以及使用寿命等要求适当选择。一般初选带传动中心距a0为0.7（dd1dd2） a0 2（dd1dd2） (3-11)即a0105300mm。初选a0250mm。2）相应带长Ld0Ld02a02（dd1dd2）（dd1dd2）24a0 （3-12)得 Ld02250215015024250758mm。故由文献5表8-2取Ld800mm。3）计算中心距传动的实际中心距近似为 aa0LdLd04250 （3-13） 得 a25042/1000250.042mm。4）验算小带轮包角1因为小带轮包角小于大带轮包角，打滑只可能在小带轮上发生为提高带传动的工作能力，应使包角大于90。 1180（dd2dd1）57.3a1805057.3250.042 1685）V带根数zPcaPr4.9510-30.14；故取z1。3.2.3选择电机由参考文献4表16.1该机最终选用电机的型号为Y90S-6，Pe=0.75kw，效率m=0.725。储备功率PemPsh最好要符合电动机的功率储备5-15要求。3.3动力分析动力计算是以往复压缩机的运动机构即曲柄连杆机构为主要研究对象，分析曲柄连杆机构的运动规律、受力情况以及对压缩机动力性能的影响。动力计算的目的是计算往复压缩机中的各作用力（气体压力所产生的气体力、曲柄连杆机构运动产生的惯性力等）大小，为气缸、活塞、活塞杆、连杆、曲柄等的强度计算，以及轴承、连接螺栓的选取提供依据；为分析惯性力和惯性力矩的平衡问题，继而为计算出未平衡力的大小提供参考。所以，动力分析与计算是压缩机总体结构设计，各零部件的强度、刚度计算以及压缩机基础设计的力学基础与前提。3.3.1曲轴连杆机构的几何结构与运动关系（1）曲柄连杆机构16图3-2 典型的往复压缩机中心曲柄连杆机构示意图1-活塞 2-活塞杆 3-连杆 4-曲轴往复压缩机是通过曲柄连杆机构，将传动机构的旋转运动转换为活塞的往复运动来压缩气体的。图3-2是一典型的往复压缩机中心曲柄连杆机构（以下通称曲柄连杆机构）示意图。图中，气缸中心线通过曲轴旋转中心O点，活塞离O点最远位置点A为上止点，活塞离O点最近位置点B为下止点。点A与点B间的距离为行程S，点D是曲柄销中心，线段OD是曲柄半径r，连杆大小头孔中心之间距离CD是连杆长度l，并定义r/l，称为曲柄半径与连杆长度比（即连杆比）。根据经验,一般取1/40.25。由曲柄与行程之间的关系可知：S2r，又S20mm，故rS210mm；且lr/100.2540mm。3.3.2曲柄连杆机构的运动关系曲柄连杆机构中，曲柄做简单的旋转运动，并通过连杆等带动活塞在气缸内作往复运动。连杆的平面运动可以看成一部分随曲柄销D作旋转运动，另一部分随活塞作往复运动。（1）活塞的位移这里规定曲柄转角的起始位置为上止点A位置，即上止点时0；任意转角时活塞的位移为x，故由图4-1可知，为连杆摆角，即连杆在摆动平面内偏离气缸中心线的夹角，并规定：在0180时为正值；在180360时为负值。由几何关系（lcos）2（rsin）2l2可有xAOCOlr(lcosrcos)r(1cos) 1112sin2 （3-14）（2）活塞的运动速度设压缩机转速 n等速，ddtn30，则有活塞的速度v为vrsin2sin212sin2 （3-15）（3）活塞的运动加速度由式（3-15）对时间t求导可得活塞的运动加速度a。为了计算式简便且有明确的物理意义，可将12sin2按二项式展开并舍去高阶项而得到简化公式：xr(1cos) 4（1cos2） （3-16）vrsinsin2 （3-17）ar 2coscos2 （3-18）简化后的计算式表明活塞作一阶简谐和二阶简谐的和运动。分析式（3-16）（3-18），它们都是由两项组成，是一阶简谐和二阶简谐运动合成。由文献2图5-2准确地表明了活塞位移、速度和加速度在一周内的变化。所以，5003053.36rad/s1）当180时活塞位移达到最大xmax0.01(1cos180) 0.254（1cos360）0.02m2）当80时活塞速度近似最大vmax0.0153.36sin800.25sin1600.57m/s3）当180时活塞加速度近似最大amax0.01 53.362cos1800.25cos3600.4m/s2（4）曲柄销与连杆平面摆动运动关系1）曲柄销切向位移 str切向速度 vtr （3-19）相信加速度 arr 2因为曲柄销的运动即为曲柄销中心点D绕着O点做角速度为的匀速圆周运动，其运动特征明显且简单，故此处只给出计算公式，不做详细计算。2）连杆摆角位移 arcsin(sin) （3-20）摆角速度 ccos12sin2 （3-21）摆角加速度 c(12)2sin12sin232 （3-22）1）当90时，摆角位移达到最大正值arcsin(0.25sin90) 14.482）当0时，摆角速度达到最大c0.2553.36cos010.252sin2013.34 rad/s3）当180时，摆角加速度达到最小c0.25(10.252)53.362sin18010.252sin2180320rad/s23.3.3作用力分析（1）往复压缩机的气体力图3-3单个气缸中气体力指示图气体力是由气体压力造成的作用力。它是压缩机的主要作用力，其他所有作用力都与其体力有关系。并且规定，使连杆受拉的气体力为正，反之使得连杆受压的气体力则为负。如图3-3（a）所示为压缩机盖侧工作容积气体力示意图，纵坐标是气体力Fg，横坐标为活塞位移x。盖侧工作过程中的气体力计算式如下：1）进气过程气体力FgsPsAGPs(1s) AG (3-23)2）排气过程气体力FgdPdAG(1 d ) AG (3-24)3）压缩过程气体力FgcPiAG (3-25)其中Pi满足 PiS+S0xi+S0nPs (3-26)式中：xi大小应满足式（3-14）；压缩过程指数n1.40；S0为工作腔的线性余隙，m；根据经验取S0S0.110.022.210-3m。AG为气缸径向中工作面积，m2；s和 d 分别为进气压力损失与排气压力损失，可由参考文献2图4-11查得。4）膨胀过程气体力FgcPiAG (3-27)其中Pi满足 PiS+S0xi+S0nPs (3-28)式中：膨胀过程指数m1.20；往复压缩机的气体力大小与第3章3.6节的活塞力相似，可以参考活塞力的数据加以分析。另外，气体力的计算公式和状态图都已给出，故此处不