空压机设计改进设计

目录摘要Abstract1 .空气压缩简介 .11.1 活塞式空气压缩机的分类和工作原理 .11.2 基本结构与主要部件 .31.3 空气压缩机控制系统 .101.4 技术特性与主要技术参数 .122. 压缩机技术现状及发展趋势 .132.1.压缩机技术现状 .132.2 压缩机的初步市场分析 .143 .空气压缩机系统及改进方案设计 .153.1 主要研究内容及设计原则 .153.2 设计思路及整体设计方案 .164 .设计方案 .224.1 硬件设计 .224.2 软件设计 .285.抗干扰设计 .33总 结 .34参考文献 .35致谢361 .空气压缩简介空气压缩机顾名思义是将自由状态下的空气压缩成具有一定压力能(即压缩空气)的一种机械。我们在机械、矿山、建筑等领域利用压缩空气作为动力风源，驱动各种风动工具(如风镐、风钻、气动扳手、气力喷砂等)，此时压力一般在 0.61.5MPa。用来控制仪表及自动化装置时其压力为 0.6MPa。交通运输业中利用压缩空气制动车辆、启闭门窗，压力为 0.21.0MPa。纺织工业中利用压缩空气吹送纬纱以代替梭子，大中型发动机的启动，高压空气爆破勘探、采煤，鱼雷发射，潜艇沉浮及打捞，气垫船等等，均需用到不同压力的压缩空气。在这些部门中，空压机就成为必不可少的设备。按照压缩空气的方式不同，空压机通常分为两大类，一类是容积式，另一类是动力式。鉴于本次试验设计改进的压缩机为活塞式空气压缩机，在此，我们只对活塞式空气压缩机作简单介绍。1.1 活塞式空气压缩机的分类和工作原理1.1.1 活塞式空气压缩机的分类活塞式空气压缩机的分类方法很多，通常有如下几种分类方法。1、按排气压力高低分为： 低压空压机 排气压力1.0MPa 中压空压机 1.0MPa排气压力10MPa 高压空压机 10MPa排气压力100MPa 2、接排气量大小分为： 小型空压机 1m3min排气量10m3min 中型空压机 10m3min排气量100m3min 大型空压机 排气量100m3min 空压机的排气量指吸入状态自由气体流量。 一般规定：轴功率15KW、排气压力1.4MPa 为微型空压机。 3、按气缸中心线与地面相对位置分为： 立式空压机气缸中心线与地面垂直布置。 角度式空压机气缸中心线与地面成一定角度（V 型、W 型、L 型等） 。 卧式空压机气缸中心线与地面平行，气缸布置在曲轴一侧。 对动平衡式空压机气缸中心线与地面平行，气缸对称布置在曲轴两侧。4、按结构特点分为： 单作用气体仅在活塞一侧被压缩。 双作用气体在活塞两侧被压缩。 水冷式指气缸带有冷却水夹套，通水冷却。 风冷式气缸外表面铸有散热片，空气冷却。 固定式空压机组固定在地基上。 移动式空压机组置于移动装置上便于搬移。 有油润滑指气缸内注油润滑，运动机构润滑油循环润滑。 无油润滑指气缸内不注油润滑，活塞和气缸为干运转，但传动机构由润滑油循环润滑。 5、按气缸的排列方法分类串联式压缩机：几个气缸依次排列于同一根轴全无油润滑气缸内传动机构均无油润滑。 此外还分为有十字头（中小型无油空压机） 、无十字头（V、W 型低压微型空压机） ；单级压缩、两级或多级压缩。1.1.2 活塞式空气压缩机的工作原理气体压力 p 是指气体分子对单位面积器壁撞击次数和撞击强度。其大小由单位容积内分子数目 n。 、相对分子质量 m 以及分子速度的平方均值 v决定，即P=n mv/3由上式可知，要提高气体压力有两个途径：一是增加单位容积内气体分子的数目，另一个是提高气体温度以提升气体分子运动速度。 4基于工作条件显示灯原因，一般不采用后者。因此，活塞式压缩机的工作原理主要是通过增加单位容积内气体分子的数目来提升气体压力的。 6压缩机的活塞往复运动一次，气缸中所进行的各过程总和为一个循环，称为工作循环。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。压缩过程一般被看作是等熵过程。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。这就是活塞式空气压缩机的理想工作过程与原理。1.2 基本结构与主要部件1.2.1 活塞式空气压缩机基本机构（1） 工作机构工作机构是实现空气压缩的主要部件，由气缸、气阀、活塞组件等组成。气缸呈圆筒形，在气缸盖（及气缸座）上设有若干吸气阀与排气阀。活塞由曲柄连杆机构带动，子啊气缸中做往复运动。L 型运输机有两个气缸，通常垂直列为一级缸，水平列为二级缸。空气吸入一级气缸经过压缩后，进入中间冷却器降温，再进入二级气缸压缩，最后排出到输气管路供使用。（2） 运动机构运动机构由曲轴、连杆、十字头（用于双作用压缩机，单作用压缩机为连杆）组成，用于传递动力，将曲轴大的旋转运动变成往复运动。曲轴的曲拐上装有一个或多个连杆，连杆的另一端与只能在滑道内作往复运动的十字头（对单作用压缩机为在气缸内作往复运动的活塞）连接。 4这样，旋转的曲轴使连杆摆动，传到十字头（活塞）并使之作往复运动，再通过活塞杆使活塞往复运动对气体做功。（3） 机身机身上支承和安装着整个运动机构与工作机构，又兼作润滑油箱用。曲轴用轴承支承在机身上。对于双作用压缩机，机身上两个滑道又支托着十字头，两个气缸分别固定在 L 型机身的两臂上。图 1.2.1 空压机机体1.2.2 活塞式压缩机的主要零部件活塞式压缩机的结构虽然繁多，但其主要组成部分基本相同。一台完整的压缩机组包括两大部分，一为主机，一为辅机。主机包括机身、中体、气缸组件、传动部件、活塞组件、气阀和密封组件以及驱动机等；辅机包括润滑油系统、级间冷却系统、辅助管路系统等。下面就压缩机的主要零部件作一个简单的介绍。（1） 气缸气缸是构成压缩容积实现气体压缩的主要部件。为了能够承受气体压力，应有足够的强度；由于活塞在其中运动，内壁承受摩擦，应有良好的内润滑及耐磨性；为了逸散气缸中进行功热转换时所产生的热量，应有良好的冷却措施；为了减少气流阻力，提高效率，吸排气阀要合理布置。总之，气缸结构复杂，材质和加工要求较高。气缸通常采用水作为冷却介质。它是由环形的缸体、缸盖及缸座组成；吸、排气阀配置在缸盖与缸座是哪个；缸体有三层壁，除了构成工质容积的一层壁外，还有构成水道及气道的两层壁；缸体上设置润滑油接管；气缸轴侧设置防止泄露的填料函；缸盖上设置调节气量装置。气缸水隔套的作用是供冷却水带走压缩过程产生的热量，改善气缸壁的润滑条件和气阀的工作条件，并使气缸壁温度均匀，减少气缸变形。水套的布置除了冷却缸壁、填料函等处外，还要冷却气阀。为了避免在水套内形成死角和气隙，以提高传热效果，冷却水一般是从气缸一端的最下部进入水套，从气缸另一端 最高点引出。另外为了清洗水套内部的芯泥在缸体上有时还开设了一些手孔。（2） 曲轴-连杆机构1. 曲轴曲轴是活塞式压缩机中重要的运动部件之一。它在工作中接受驱动机（一般以转矩形式）输入的动力，并把它转变为活塞的往复作用力，有时气体而做功。它周期性地承受着气体压力和惯性力，因而产生交变的弯曲应力和转矩应力。它不仅应该具有足够的疲劳强度，而且还应该具有足够的刚性和耐磨性。一根曲轴至少具有三个部分，即主轴颈、曲柄和曲柄销。曲柄和曲柄销构成的弯曲部分称为曲拐。根据需要一根曲轴可以由一个或几个曲拐所组成。曲轴运转中所需的润滑油通常是从轴承处通过主轴颈加入的，并通过曲轴内部加工的孔道引至曲拐销。孔道一般开有斜油孔和直油孔两种。直油孔的优点是在经过圆角过渡部分时，不影响该处的强度，但一般情况下加工比较复杂，清洗油孔也不方便。斜油孔加工清洗方便，但消弱了曲轴强度。 4图 1.2.2 ZB-0.1/8 空压机曲轴2. 连杆连杆是连接曲轴与十字头（活塞）的部件，它将曲轴的旋转运动转换成活塞的往复运动。其一端与曲轴相连，称为连杆大端，作旋转运动；另一端与十字头（活塞）相连，称为连杆小端，作往复运动；中间部分称为连杆体，作摆动。 9连杆的形式有开式连杆闭式连杆、叉式连杆和主副连杆。目前应用较多的是开式连杆。（1） 连杆体 绿色体连接着连杆大端和连杆小端，其截面一般有圆形、扁形及工字形等，通常采用工字形。连杆体的截面尺寸沿其长度直线变化，接近大端处最大，接近小端处最小。为了能将大端瓦处的润滑油引向小端瓦，连杆体内部钻有油孔，个别设计也有用旁设润滑油管的办法来导油。由于连杆体在连杆力及横向惯性力的作用下承受着交变的拉、压应力及横向弯曲应力的作用，因此要求其具有足够的强度和稳定性。（2） 连杆大端 连杆大端通过螺栓与曲柄锁连接，传递动力。连杆大端衬耐磨的轴瓦。轴瓦用巴氏合金浇铸而成。过去通常采用巴氏合金厚壁瓦，近年来趋向于采用薄壁瓦。由于薄壁瓦与大端孔内径装配时有一定的过盈量，装入大端孔后，在螺栓的压紧力下使它紧贴于连杆大端上，其贴合度应大于70%，因而它的承受能力比厚壁瓦大。（3） 连杆小端 连杆小端与十字头销相配合。小端孔内衬有耐磨的小端瓦，今年来小端瓦趋向于采用多油槽的整体铜套，材料为铸造锡青铜。连杆大小孔应平行，其平行度误差应在100mm 长度上不大于0.03mm。连杆螺连杆螺旋是压缩机中最重要的零件之一。它承受很大的交变载荷和几倍于活塞力的预紧力。它的断裂将造成严重事故。因此连杆螺旋不仅要求有足够的静强度，更重要的是要有较高的奈疲劳断裂能力。连杆螺旋一般为单头螺旋，螺旋头原支承面必须严格垂直于螺旋中心线。为降低刚度，增加螺旋的弹性，减少螺旋体内应力变化的幅度，螺旋体要做得比其螺纹部分细些。图 1.2.3 空压机连杆图3. 十字头十字头是连接活塞杆与连杆的部件。它在中体导轨里作往复运动，并将连杆的动力传递给活塞部件。对十字头的基本要求是质量轻、耐磨，并具有足够的强度。（1） 十字头与连杆的连接 十字头预连杆的连接方式多采用闭式。在闭式结构中，连杆小端放在十字头内，刚性好，与连杆、活塞杆的连接较为简单。该连接由十字头销完成。十字头销分为浮动销与固定销两种。浮动销为一圆柱体，制造简单，能在销座及连杆小端内缓慢移动，磨损均匀，但浮动销冲击较大；固定销靠锥度压紧在十字头体中，该销的中段为圆柱体，两端具有1/101/20的锥度，用螺钉与压板压紧。十字头销为一重要零件，它传递全部连杆力，要求韧性好、耐磨和耐疲劳。它的材料常用20钢，进行表面渗碳、淬火。（2） 十字头滑板 十字头滑板用来承受侧向力。滑板可与十字头体做成一体，称为整体十字头；也可以做成分开的，称为分开式十字头。整体十字头制造简单，质量轻，近年来由于加工和材料质量的提高，在中、小型压缩机组中，广泛采用整体十字头。它的缺点是磨损后间隙无法调整，只能更换十字头。大型压缩机的十字头和滑板一般都分开，以便调整滑板和导轨间的间隙，并在滑板上浇铸巴氏合金。当巴氏合金磨损后，可在滑板与十字头体的结合面之间增加垫片的方法来补偿间隙，待巴氏合金磨损得完全不能使用时，再拆下重新浇铸。（3） 活塞组件活塞组件包括活塞、活塞杆及活塞环等。它们在气缸中作往复运动，起着也是气体的作用。1.活塞活塞的结构形式很多，常用的有以下几种：筒形活塞、盘形活塞、级差式活塞、组合活塞、柱塞等。盘形活塞适用于有十字头的双作用气缸，形状如圆盘形，材料为铸铁或铸铝。为了减轻质量，活塞常做成中空结构；为了加强端面的刚性与结构长度，在活塞两端面设置数根加筋板把两个端面连接起来。活塞的圆柱面上开有活塞环槽。卧式压缩机中，直径较大的盘形活塞，在下部90120范围内为承压面。承压面用巴氏合金浇铸而成。在承压面的端部开有23的坡度，其两边也应少许挫去一些，有利于形成润滑层。为防止热膨胀时活塞与气缸加剧磨损，活塞的外圆与气缸内圆间应留有12mm 的间隙（承压面除外） 。 10在无润滑油压缩机中，通常用填充氟塑料等耐磨材料制成各种形式的支承作为活塞的承压面。2.活塞杆活塞杆将活塞与十字头连接起来，传递作用在活塞上的力，带动活塞运动。它与活塞通过螺纹联接、凸肩和卡箍连接或锥面连接。活塞杆、十字头的连接端车有螺纹。由于活塞杆承受交变载荷，应尽可能减少应力集中影响，因此，联接螺栓采用细牙螺纹，且根部圆弧半径要大一些。3.活塞环活塞与气缸之间存在相对滑动，必须留有一定的间隙。活塞环有气环和油环两种。它的主要作用是密封气缸与活塞之间的间隙，防止气体从压缩容积的一侧漏向另一侧，此外还有均布润滑油的作用。活塞环为一开口环，在自由状态下，其外径大于气缸的直径，装入气缸后，环径缩小，仅在切口处留下一个热膨胀间隙。活塞环依靠节流与阻塞来密封。当活塞装入气缸后，由于环弹性作用使环紧贴在气缸壁上，若活塞环前的压力为 p1，环后的压力为 p3，环内缘的压力为p2，而活塞 haunted 外缘虽说紧贴气缸，但两者之间仍有一层气体分子或油分子，它的一端作用有压力 p1,另一端作用有压力 p3，可以认为压力沿环高时成直线分布的，其平均值近为P2=(p1+p3)/2因此活塞环作用在气缸镜面上的平均压力为 pmPm=dip2/da-(p1+p3)/2式中 di-活塞环内径da-活塞环外径若略去活塞环厚度的影响，并近似的以 p2p1，则式便成为Pm（p1-p3）/2一般 pm 要比活塞环本身弹力大很多，它使活塞环紧紧地压向气缸镜面达到密封作用，同时成为活塞环和气缸镜面磨损的主要原因。显然，压力越大，pm越大。所以在压缩机中第一道环最先磨损。同理在轴向的(p1-p3)压力差，把环紧压在环槽侧面上起到密封作用。气缸内压力越大，密封压紧力也越大，表明活塞环具有自紧密封的特点。 9在活塞与气缸相互越大的工作面间，完全地阻止泄露是不可能的。普通的活塞环都有切口，气体能通过切口泄露。此外，气缸和活塞环的圆度和圆柱度误差及环槽和环的端面平面度误差也是造成泄露的因素。所以通常采用多个活塞环，经过多次节流阻塞，便可达到密封要求。有研究表明，气体经过第一道活塞环阻流密封作用后，在流经切口间隙之际，由于节流作用，此时压力约降至气缸内气体压力的26%；经第二环的密封作用后，气体压力约为原压力的10%，道第三道话后约为7.6%。因此活塞话的密封作用主要靠前面三道环所承担。但在实际使用中，尤其是在高压级中，第一道环所受的压力差的绝对值比低压级时为大，磨损也快 7。第一道环磨损后使切口增大，泄露量大大增加，即失去密封作用，这时主要压力差便由第二道环所承受。第二道环即起到第一道换的作用，其磨损也加剧，依此类推。因此通常采用较多的活塞环，以延长更换时间。活塞环通常在每个环槽内放置一道，其结构一般制成具有切口的整体式环。活塞环的切口有直切口、搭切口和斜切口三种。（6）飞轮及盘车机构在压缩机的运转过程中，曲轴受驱动力矩和阻力矩的作用。在曲轴旋转一周之中，阻力矩所消耗的功和驱动机所供给的功是相等的。然而，曲轴的阻力矩是一个随曲轴限制角速度而变化的力矩，驱动力矩则是基本上是一个定值，所以这两者在旋转一周之中的瞬间值经常是不平衡的，这就会引起曲轴的加速、减速现象。即：Md-Mk=J式中 Md、Mk-驱动力矩和阻力矩；J-压缩机组中的全部旋转质量的转动惯量；-压缩机曲轴的瞬时角加速度，加速时为正，减速时为负。在压缩机运转时，总不希望角速度有很大的波动，因此设计时可以加飞轮的办法来提高转动惯量 J，以降低瞬时角加速度 。 9飞轮是一个具有较大准东惯量的部件。在压缩机转轴上增设飞轮，其目的就是在于使压缩机转速均匀化。1.3 空气压缩机控制系统 （一）空气系统由空气分离来的氧气，进过入口吸入过滤器，再经过各级压缩及冷却后，通过管网送往各用户，具体的走向如下：进口吸入过滤器一级进口缓冲罐 一级气缸压缩 一级排气缓冲罐 一级冷却器 二级吸气缓冲罐 二级汽缸压缩 二级排气缓冲罐 二级冷却器 管网到用户。二级冷却器没有耸起截止阀及放空阀。放空阀为气体紧急放空、吹吸及试车用。（2）冷却系统主机和各冷却器用的冷却水来自总管，然后分成五条支管分别连接到各级气缸和各冷却器进水口。各排水管管径与相应的进口管道口径一样，各排水管上有测温装置。冷却水正常水温度不大于 。正常回水温度不大于 ，正常水压力为C32C400.350.45MPa。水质应该纯净，不含固体杂质和易在工作温度下沉淀出石灰水垢的化学成分，（3）润滑油系统活塞式空压机导向环、活塞环和填料采用自润滑材料，因此气缸不需要油润滑，只需要润滑其他运动部件就可以了。系统配置有两台齿轮油泵：一台主油泵，一台起动油泵。润滑油循环路线：曲轴箱 粗过滤器 齿轮油泵 油冷却器 细过滤器 进油总管 各主轴瓦 连杆大头瓦 连杆小头瓦 十字小头瓦 十字头滑道 曲轴箱。曲轴箱上有油面镜，上边标有最高和最低油位线。润滑油应该定期化验和更换。（4）仪控系统ZB-0.1/8 空气压缩机的仪控采用 DCS 控制系统，出设置的就地仪表外，其他主要参数均集中于 DCS 控制系统。操作人员在操作设备时，必须认真监视运行参数，时刻掌握压缩机的运行状态。（5）安全系统为了保障压缩机安全稳定运行，活塞式压缩机除了设置 DCS 控制系统报警、停车连锁装置外，各级还设置了安全阀。1.4 技术特性与主要技术参数1.4.1 技术特性活塞式空气压缩机与其他类型的压缩机相比，具有如下特性。1 压力范围宽。活塞式压缩机从低压到超高压都适用。2 效率高。由于工作原理的不同，活塞式空气压缩机比离心式压缩机效率高的多。3 适用性强。活塞式空压机的排气量课在较广泛的范围内进行选择，特别是在较小排量的情况下，做成速度型的往往很困难，甚至是不可能的。4 活塞式空压机的主要缺点是外形尺寸和质量较大，需要较大的基础；气流的脉动性以及易损件多。1.4.2 结构参数和工作参数1 转速 n。指曲轴在单位时间内的旋转圈数，一般单位为转/分（r/min） 。2 外止点和内止点。又称为上止点和下止点。活塞运动至距离曲轴中心最远处时，称为活塞的外止点；活塞运动至距曲轴中心最近时，称为活塞的内止点。3 活塞行程 S。活塞由内止点运动到外止点所移动的距离称为活塞行程。活塞行程的数值为曲轴回转半径 R 的两倍，即 S=2R。4 气缸直径 D。是压缩机重要的结构参数，一般根据气缸的直径的不同将压缩机分成不同的系列，形同系列的汽缸套和塞可以互换。5 气缸数 Z.同一台压缩机中所具有的同意缸径的气缸数量。6 活塞的平均速度 。指活塞在整个行程中线速度的平均值，单位一般mC为 m/s,由下式求得：7 余隙容积 。当活塞运动到外止点时，活塞顶面与气缸端面 之间的容cV积、气阀管道以及第一道 活塞环以上的环形容积的总和。8 气功工作容积 。在理想工作过程中，曲轴每旋转一周，一个气缸所gV吸入的气体体积称为气缸的工作容积。气缸工作容积的计算式为： 42gSD9 相对余隙容积。余隙容积与气缸工作容积之比，用 C 表示：%10gcVC2. 压缩机技术现状及发展趋势2.1.压缩机技术现状活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命；在产品设计上，应用热力学、动力；强化压缩机的机电一体化，采用计算机自动控制，实现优化节能学理论，通过综合模拟预测压缩机在实际工况下的性能运行和联机运行。 在动力领域，活塞式压缩机目前占有主要市场。但随着人们对使用环境及能耗、环保等方面要求的提高，螺杆和涡旋空气压缩机开始占有一定的市场。在制冷空调领域，活塞式制冷压缩机作为一种传统的制冷压缩机，适用于制冷量较广范围内的制冷系统。虽然目前它的应用还比较广泛，但市场份额正逐渐减小。 目前冰箱（包括小型冷冻与冷藏装置）制冷系统的主机仍以往复式压缩机为主。经过多年设计改进和技术进步，往复式冰箱压缩机效率大大提高。同时在与环境保护密切相关的制冷剂替代技术上也取得了可喜的进步。进一步提高往复式冰箱压缩机的效率、降低系统噪声是它的主要发展方向。 （ 1 ） 线性（直线）压缩机 线性压缩机是往复式压缩机的一种型式，由于电动机的直线运动可以直接带动活塞的往复运动，从而避免了曲柄连杆机构的复杂性和由此带来的机械功耗。线性压缩机关键技术是压缩机油路系统的设计、电动机线性位移极限点的有效控制，以及相应的防撞技术。 （ 2 ） 斜盘式压缩机 斜盘式压缩机也是往复式压缩机的一种变型结构，主要用于车用空调系统。经过几十年的发展，斜盘式压缩机已经成为一种非常成熟的机型，在车用空调压缩机市场占有 70% 以上的份额。但它的效率低于回转式压缩机，且体积较大。由于斜盘式汽车空调压缩机的工艺成熟，加上技术的进一步改进，在可预见的将来，仍将保有一定的市场份额，但在一定的排量范围内被逐渐替代是必然之路。 2.2 压缩机的初步市场分析 目前我国压缩机研究领域攻克不少难关，取得重大突破。但我国离心压缩机在高技术、高参数、高质量和特殊产品等方面还不能满足国内需要， 50% 左右产品需要进口。国内中小型往复式压缩机已经能够基本满足国内石化行业需求，但大型往复式压缩机还不能满足市场需要，特别是技术含量高和特殊要求的产品还满足不了国内需求。预计“十一五”期间对大中型压缩机的总量需求会比“九五”“十五”期间的需求增幅较大，尤其是超大型及特种工艺压缩机更是如此。根据目前形势预测，今后五年的压缩机市场基本是稳中有升。 3 .空气压缩机系统及改进方案设计3.1 主要研究内容及设计原则3.1.1 主要研究内容传统与空压机配套的控制及保护系统主要采用机械和人工相结合的方式。随着发展，除了在空压机本身制造工艺上水平的提高，还要监控系统上有更大的改善，通过监控空气压力温度状态以及多极联动，在负载增加或者减小时，自动控制空压机电机的启停，大大节约了电能。本文结合处理器技术特点，设计完成了具有监控能力的小型化控制器。3.1.2 主要设计原则1. 整个设计流程是按工程流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。设计论文的编制按照国家关于电气自动化工程设计中的电气制图、文件编制及其他相关标准和规程、规范和规定。2.系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、适用，减少设备成本。3.在选型、接线、调试的过程中保证系统的安全可靠，不伤害工作人员；系统能够稳定运行；控制方式要灵活，响应速度要快；同时考虑实际情况，做到系统有一点余量又不良妃，考虑系统应用的经济性。4.在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一道多且更加趋于完善。为确保安全运行，空气压缩机必须装设安全阀和自动调节等保护装置。由于各种因素，他们会出现失灵而不能及时动作或动作迟缓。因此，有必要在原设备没有的情况下，根据实际需要，增设一些安全保护装置，以便空气压缩机发生故障时能迅速断电、停机或释压，避免照成严重事故或减轻损害程度。3.2 设计思路及整体设计方案3.2.1 单相交流电动机工作原理及启动单相交流电动机也称单相异步电动机或单相感应电动机。它由单相电源供电的一种电动机。它具有结构简单、成本低廉、噪声小、运行可靠及维护方便等优点，因此广泛应用于电器和医疗器械上，如电扇、电冰箱、洗衣机、医疗器械中毒使用单向交流电动机作为原动机。单相交流电动机在结构上与三相异步电动机相似，转子也是一笼型转子，只是定子上有个单相工作绕组。与同容量的三相异步电动机相比，单相交流电动机的体积较大，运行性能差，因此只作成小容量的，功率在 8750W 之间。1单相交流电动机的工作原理单相交流电动机的工作原理与三相异步电动机相同。三相异步电动机定子绕组通入三相交流电后，是产生了一个旋转磁场。而单相交流电动机定子绕组通入交流电后是产生一个交变脉动磁场。这个磁场的特点是它的轴线在空间保持固定的位置，在气隙中各点上的磁感应强度按照正弦规律分布，各点上的磁感应强度随时间做正弦变化，可表示为 交变脉动的磁场可以分为两个旋tBmsin转磁场，他们以同意转速。 3两个旋转磁场的感应强度的幅度相等，均等于脉动磁场的磁感应强度幅值的一半，即 mm21一个脉动磁场所以分成为连个转向相反的旋转磁场的理由，如图 3.2.1 所示。图 3.2.1 交变脉动磁场磁感应强度正弦规律分布图中表明了在不同瞬间两个转向相反的旋转磁场的磁感强度幅值在空间的位置，以及有他们合成脉动磁场 B 随时间而交变的情况。可见，在任何时刻 t，合成磁感应强度都为 如果电动机的tBt（-t mmm sinsi2sin转子静止，则分成的两个转向相反的旋转磁场和感应电流是大小相等，方向相反的，即由此产生的电磁转矩也是大小相等，方向相反而相互抵消的。这是单相交流电动机定子绕组通以单相交流电时转子启动转矩为零。这是单相交流电动机与三相异步电动机的主要不同点。但是，如果将电动机的转子互相作用，设产生的转子转向相同的电磁转矩为 ，它的变化情况与三相异步电动机的T情况一致，其转差率 ，转子电流频率分 同时，反向旋转121/n-(S） 12fs磁场的转子旋转方向相反，他们之间的相对速度较大，其转差率为转子电流频率 由于 所 s)(ns 211 11fs-2f）（ 2s以 ， 约为电源频率的 2 倍。 3由于转子电流频率高，转子感抗很大，2f2因此决定转矩大的电流有功分量 很小。 3因此，正向和反向旋转磁场同cosI转子作用产生的转矩 和 大小相等 ，且方向相反，故合成转矩为 T=T)(-T正向转矩 的曲线形状与三相异步电动机的相似，如图 3.2.2T）（sf中上部所示。图 3.2.2 脉动磁场分成两个转向相反的旋转磁场反向转矩 的曲线与正向转矩的主要差别是磁场旋转方向相反，所以）（ sfT只要将 T 曲线旋转 ，即可得到反向转矩 ，如图 2.2.3 中下部所示。180)(sfT不论转子超哪个方向旋转，正、反向转矩总要互相抵消一部分，剩下的才是单相交流电动机的合成电磁转矩 T。如图 3.2.3 中间所示为合成转矩与转差率的关系。图 3.2.3 单相交流电动机的曲线综上所述，可有以下结论：当转子静止时，可单相静止时，给单相交流电动机通电，电磁转矩为零。转子不运动。转速为零，即电动机无法自行起动。若用外力使电动机转动起来， 或 部位 1 时，合成转矩不为零，若此s时合成转矩大于负载转矩，则及时去掉外力，电动机也能沿着院转向被加速到接近同步转速 .因此单相电动机虽无起动转矩，但一经起动，便可达到某一稳1n定转速工作，而旋转方向则由起动时的电动机的转向决定。由于总有 的存在，是电动机的总转矩减小，所以单相交流电动机的T过载能力较三相感应电动机小，而在负载相同条件下，转差率则较大。2 单相交流电动机的起动 鉴于该小型空压机 ZB-0.1/8 为单相电容起动交流电动机，因此，在此，只介绍单相电容起动交流电动机的起动方式。在结构上，该电动机和电阻交流电动机相似，只是在辅绕组中串入一个电容。如果电容选择恰当，可使辅绕组 的电流领先主绕组电流 ，若两绕组产生的90磁场幅度相等，则在起动时形成圆形的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩。电动机起动后，也需要将辅绕组从电源切断，由主绕组单独运行，由于电容器是短时工作的，一般可选用交流点解电容。这种电动机适用于具有较高起动转矩的小型空气压缩机、电冰箱、粉磨机、水泵及满载起动的设备中。 73.2.2 控制方式的选择继电器控制系统继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器来实现的。继电器串联在控制电路中根据电路的电压、电流、转速、行程、时间、温度等参量的变化而动作，以实现电气传动装置的自动控制及其保护，简单的控制要求下硬件电路并不复杂，虽然在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响到整个系统的正常运行，查找和排除故障往往很麻烦。不利于检修和维护。但是简单易行的控制电路可以避免。而且继电器元件本身并不贵，安装和接线的工作量都非常小。价格便宜，成本低。灵活性好，响应速度快，安全快捷，适用于小型的控制电路。单片机控制系统单片机是微型计算机的一个主要分支，在结构伤的最大特点是把 CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，就是一台计算机。单片机拥有优异的性价比；集成度高，体积小、很高的可靠性；控制功能强、低功耗、低电压，便于携带；支持扩展等特点。单片机的单芯片以微笑的体积和极低的成本，可广泛地方便的嵌入到玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融嗲子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中主要智能化工具之一。但是，单片机只是一片集成电路，不能直接和外部 I/O信号连接，要将它应用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和 I/O 接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。工业控制计算机系统工业控制计算机控制是以计算机为核心部件的自动控制系统。在工业控制系统中，计算机承载着数据采集与处理，顺序控制与数值控制，直接数值控制与监督控制 ，最优控制与自适应控制，生产管理与经营调度等任务。工业控制计算机采用总线式结构，各厂家产品兼用性强。有实时操作系统的支持，在要求快速，实用性强，功能复杂的领域中占优势。但是工业控制计算机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。而且外部 I/O 接线一般都用芯片扁平电缆和插头 插座，直接从应刷电路板引出，不如接线端子可靠，这些因素都导致工业控制计算机对环境的适应性能差。（4）可编程控制器 PLC 控制系统多年来，可编程控制器从其生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制，过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的 PLC 配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只需要确定可编程控制器的硬件配置和设计外部接线图；同时采用梯形图语言编程，在处理模拟量数字运算人机接口和网络的各个方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。但是成本相对较高，需要有专业的 PLC 知识。由以上3.2.2的方案论证中控制设计简单，方便、有效，成本低廉的比较，直流电动机具有良好的启动，制动性能易于控制。对于 ZB-0.1/8空气压缩机来说，是小型控制电路。单片机具有的高稳定性，并且可以选择功能模块.适合的型号来以最小的电路规模实现监控功能。 1对于设计一个空压机的监控系统来说，首先要考虑的是稳定性，目前有相当一部分空压机采用可编程逻辑控制器进行设计，PLC 本身的稳定性满足了空压机在这一方面的要求。但从价格和体积方面来说，单片机具有很大的优势，选用的 Micochip 公司的 PIC16F873单片机是为空压机控制器设计的一个良好的选择。美国 Microchip 公司的 PIC16系列单片机是一种新型的 CMOS 工艺的8位单片机。因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，因而是一种非常适合在各种便携式设备中使用的高性价比的单片机，并已经得到了越来越广泛的应用。4 .设计方案4.1 硬件设计控制装置的硬件电路由PIC16F873单片机、电源、液晶显示器、压力传感器和线圈驱动回路组成。通过软件编程，利用端口B的RB1和RB2引脚产生两个脉冲信号作为线圈的驱动信号，用于切换线圈中电流的流动方向。实现对电机的控制。由于气缸的活塞杆与曲柄连杆机构直接相联，活塞在曲柄连杆机构的推动下做往复运动。伴随着活塞的往复运动带来的气缸腔室容积的变化，空气被吸入或被压缩，从而实现了空气压缩机的功能。 2空气压缩机在运行中输出压力的大小由压力传感器检测，并由液晶显示器显示出来。当输出压力值达到预先设定的目标压力值时，空气压缩机停止运行，从而实现对空气压缩机的控制。控制器电路设计的整体结构如图4.1.1所示。图4.1.1空压机硬件电路图 PIC16F873 单片机PIC16F873 微处理器属于 PIC 系列单片机的中级产品，28引脚。具有4K14闪速程序存储器、可多次修改程序，使用起来特别方便。192字节片内数据存储器除 RAM 外，还有128字节的 EEPROM，可以当作一般的或非易失性的数据存储器使用，简单方便。3个 IO 端口（RA、RB 和 RC） ，具有13个中断源、3个定时器、2个 CCP（捕捉比较PWM）模块，集成了5路8位 AD 转换器。它还具有片内上电复位、延时电路、看门狗电路等。PIC 系列单片机可工作于不同的振荡器方式，有4种振荡方式可供选择。为了得到快速、精确和稳定的时钟信号，选择了高速晶体振荡 HS 方式。选用10 MHz 石英晶体振荡器和2只20 pF 的电容组成振荡电路，连接到单片机的 OSC1CLKIN 和 OSC2CLKOUT 引脚上，因此可产生10 MHz 的时钟频率。在此高速振荡方式下，应在回路中接入一只1001 k大小的电阻 R2，以提高振荡的稳定性。电源部分PIC 系列单片机功耗极低，动作电压范围宽（2555V） ，可用电池驱动。为了简化电源部分，采用 PIC16F873和负荷（线圈）共用一个电源的供电方案。因线圈已选用镍氢可充电电池驱动，故用4节镍氢可充电电池（公称电压412 V）作为供电电源。考虑到线圈带电时引起的电源电压波动，会影响PIC16F873的正常工作，所以在回路中接入 DCDC 转换器（MAX631） ，使 PIC16F873获得一个稳定的供电电压，如图4.1.2所示。图4.1.2 电源回路图 液晶显示器（LCD）使用液晶显示器来显示小型空气压缩机运行中输出压力的大小。选用的液晶显示器型号为 SC1602BSLB（SUNLIKE 公司） ，如图4.1.3所示。图4.1.3液晶显示器SC1602BSLB 为16文字2行显示，5V 电压供电，消耗电流（03506 mA）极小，可与 PIC 单片机直接相连，适合用电池驱动。该液晶显示器数据的传送由4字节和8字节两种工作模式可供选择。因可供使用的引脚富裕，故选择了8字节的数据传送工作模式。端口 C（RC0RC7）与液晶显示器的8根数据线（DB0DB7）对应相连。用3根控制信号线（E，RW，RS）来实现对显示器的读写操作控制，其分别与端口 B 的 RB3RB5相连。10 k 的可变电阻用来调节显示器的亮度。 8液晶显示器的上行显示目标压力设定值，下行显示空气压缩机运行中输出压力测定值。改变图21中可变电阻阻值，可调节目标压力设定值的大小。压力传感器为了检测小型空气压缩机运行中输出压力的大小，选用可直接安装在电路板上的微型压力传感器（XNPN200，FUJIKURA 公司） ，如图24所示。该压力传感器消耗电流为10 mA 以下，使用电压为5 V，可与 PIC 共用一个电源。压力测定范围为0120kPa，满量程电压为4501 V。PIC16F873的 RA1AN1引脚作为压力传感器的电压模拟信号的输入端使用。另外，RAOANO 引脚作为可变电阻的电压输入端使用，其功能是用来设置目标压力值。图4.1.4 压力传感器线圈驱动回路用4只场效应管构成线圈的桥式驱动回路，并前置场效应管驱动芯片（MAX620） ，实现对线圈中电流流动方向的切换，如图25所示。在线圈驱动信号（FORWARDREVERSE）的控制下，来切换线圈中电流的方向。驱动信号FORWARD 为线圈正向加压信号，当置高电平时，产生正向电流和磁力，驱动活塞向一侧移动；而驱动信号 REVERSE 为线圈反向加压信号，当置高电平时，产生负向电流和磁力，驱动活塞向另一侧移动。两驱动信号为低电平时，磁力消失，活塞在复位弹簧力的作用下从两端返回中位。这样活塞在两驱动信号的控制下，以一定的频率做周期性直线往复运动。图4.1.5 线圈驱动回路输入包括开关量输入和模拟量输入。开关量输入有16个，用于监控空气压缩机的运行状态，主要是监控是否出现错误状态；另外空压机还有按键输入，为了减少IQ 的使用，把按键和开关量的输入统一设计成矩阵扫描。模拟输入量有6路， 路压力分别检测排气压力，机内压力，总管压力， 路温度分别是排气温度，机头温度和机内温度。空压机的温度信号是通过热电耦输入，输入电压在08.3mV 之间， 路信号进来经过一个4052模拟开关选择其中一路信号进行放大然后进行AD转换，采用单电源运算放大器，简化了电路。 2输入的信号很小，一级放大倍数有限，因而还需要在软件中增加一个放大倍数调整的功能。压力信号是由压力变送器送进420maA的电流信号，每一路信号经过一个RC 滤波以及采样电阻实现电流电压信号的转换。采样电阻阻值250 ，经过电流/电压转换得到15V的电压信号可以直接进行放大，电阻阻值具有偏差、离散性，所以同样对A/D转换之后的压力值进行倍数转换。输出有8路，采用继电器方式的开关量输出。整个电路模块只有一个+24V的电源，板子上需要的+5V电源通过一个34063芯片构成的变压模块得到。34063DC-DC芯片具有转换效率高，输出稳定，成本低廉，而且可以提供高达1.5A的电流。4.2 软件设计软件设计在软件设计上采用了分模块的设计方法，各模块之间通过简单的消息机制进行通讯协调，减少了各个功能块之间的耦合关系，而且便于调试。模块分成总调度模块，IO 及按键扫描模块，AD转换模块，显示模块，控制模块以及通讯模块。 4.2.1 简易消息机制协调各模块工作监控的功能需要几个模块协调起来完成，比如说一个动作键按下时，需要按键扫描工作，控制动作，还有状态的显示。如果按下键之后直接调用空压机控制任务，然后再调用显示模块，显得调用关系过于复杂，而且影响程序的实时性。在这里的程序设计上各个分模块之间并没有进行直接的相互调用，而是通过message模块统一调度。下面是message 模块的简要框架。void message (void)while message head!= Message tail)/消息队列不空- -switch(message queuelme head.to kind)-case 1: Case 2:Default :break; 程序中定义了一个总消息模块用于暂时存储所有模块发出的消息，各个模块有自己的一个消息队列以保存自身要处理的消息。比如说一个AD扫描得到的数据后有两项工作要做：将扫描的数据在液晶屏上显示出来和用扫描数据进行判断以切换空压机运行状态或者报警。但是在AD 扫描模块中没有直接做这两项工作，而是向总消息队列分别发送数据显示消息和数据比较判断消息后结束该模块。一个消息的内容包括发送目标和一些相关参数。消息调度负责将消息总队列中各种消息按照其目标模块分发到对应模块消息队列中。就如上面的message()函数那样。各功能模块则查询自己的消息队列，如果有新的消息需要处理则根据消息所包含参数进行相应的操作，否则将CPU交给下一个模块。各个模块各司其职，互不干扰，可以很好的实现模块化，避免相互间的调用，便于调试和维护，同时可以避免某一个任务过长的占用CPU的时间，影响实时性。4.2.2 控制模块图 4.2.1 控制模块的方框图图4.2.1 是控制模块的方框图，控制空压机主要由这一模块实现。控制模块的主要是一个在严格时钟控制下调用的函数，通过这个函数直接对空压机发出命令。控制模块中，在这个函数的外围，接收来自按键和IO扫描得到的信息、远程控制模式下的远程命令，以及AD扫描得到的数据进行比较的结果，设置相应得延时标志位，延时时间项。当每隔1s的定时到来之后，进入这个时间段的操作，主要分成两种类型，用户直接发出的命令处理（也包括远程控制命令）和根据检测数据（包括模拟数据和IO状态）所做的相应状态切换。主要区别是，如果在延时未结束，导致发出的控制命令的状态消失，要撤销该命令，如图4.2.2所示。而用户发出命令延时一旦结束马上对空压机动作， 。还有就是出现报警状态时还要根据故障等级判断是否要停机。开始PIC 和 LCD 初始化中断禁止（压缩机停）目标压力值设定现在压力值采样 A/D变换数值变换液晶显示SW2 开关按下？中断许可（压缩机运行）SW2 开关再次按下？中断禁止（压缩机停）中断许可（压缩机运行）现在压力值采样A/D 变换数值变换液晶显示现在压力值=目标值 YNNYYYN图4.2.2控制流程图4.2.3 结构化数据菜单显示空压机页面有监控页面和设置页面，监控页面显示空压机的运行状态，各个模拟量的大小还有输入输出I/O 的状态，设置页面为用户提供设置空压机运行参数的界面，采用多级菜单。多级菜单的设计使用结构化变量方便的实现了菜单的切换：对于某一级的菜单页中某一数据项，将其视为一个数据对象，定义了一个如下数据结构来描述其所有属性：Struct data strct-Const struct page strct *sub p