空气压缩机课程设计

目录1课程设计任务.31.已知数据.32.课程设计任务及要求.42热力计算.51.初步确定压力比及各级名义压力.52.初步计算各级排气温度.53.计算各级排气系数.64.计算各级凝析系数及抽加气系数.85.初步计算各级气缸行程容积.86.确定活塞杆直径.97.计算各级气缸直径.108.实际行程容积及各级名义压力.109.计算缸内实际压力.1210.计算各级实际排气温度.1311.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径.1312.复算排气量.1513.计算功率，选取电机.1514.热力计算结果数据.163动力计算.181.第级缸解析法.182.第级缸图解法.263.第级缸解析法.294.第级缸图解法.384零部件设计.421课程设计任务1.已知数据1.1结构型式3L-10/8空气压缩机的结构型式为二列二级双缸双作用L型压缩机1.2工艺参数级名义吸气压力：P1I=1.1大气压（绝），吸气温度T1I=20级名义排气压力：P2II=0.9MPa（绝），吸入温度T2II=25排气量（级吸入状态）:Vd=7m3/min空气相对湿度:=0.81.3结构参数活塞行程：S=2r=200mm电机转速：n=450r/min活塞杆直径：d=35mm气缸直径：级，DI=300mm；级，DII=180mm；相对余隙容积：1=0.095，II=0.098；电动机：JR115-6型，75KW；电动机与压缩机的联接：三角带传动；连杆长度：l=400mm；运动部件质量（kg）：见表2-1表2-1运动部件质量名称级级活塞组件25.412.5十字头组件8.28.2连杆组件13.013.02.课程设计任务及要求a.热力计算：包括压力比分配，气缸直径，排气量，功率，各级排气温度，缸内实际压力等。b.动力计算：作运动规律曲线图，计算气体力，惯性力，摩擦力，活塞力，切向力，法向力，作切向力图，求飞轮矩，分析动力平衡性能。2热力计算1.初步确定压力比及各级名义压力(1)按等压力比分配原则确定各级压力比：两级压缩总压力比取(2)各级名义进、排气压力如下：P2k=P1kk，P1(k+1)=P2k表2-2各级名义进、排气压力（MPa)级次名义排气压力P1名义排气压力P20.10.30.30.92.初步计算各级排气温度按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解：介质为空气，k=1.4。计算结果如表2-3所示。计算结果表明排气温度T2160，在允许使用范围内。表2-3各级名义排气温度名义吸气温度计算参数名义排气温度级次Kk(k-1)/kK4031331.41.3214131405032331.41.3214271543.计算各级排气系数因为压缩机工作压力不高，介质为空气，全部计算可按理想气体处理。由排气系数的计算公式：分别求各级的排气系数。(1)计算容积系数：其中，多变膨胀指数m的计算按表1-3查得：I级多变膨胀指数mI：II级多变膨胀指数mII：则各级容积系数为：(2)压力系数p的选择：考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两级压力差也不大，可选取pI=0.97，pII=0.98。(3)温度系数T的选取：考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速中等，从图1-6查得T在0.935-0.975范围内，可选取TI=TII=0。96。(4)泄漏系数1的计算：用相对漏损法计算1：a.考虑气阀成批生产，质量可靠，阀弹簧力中等，选取气阀相对泄漏值VvI=VvII=0.02b.活塞均为双作用，有油润滑，缸径中等，压力不高。选活塞环相对泄漏值Vr1=0.005，VrII=0.006c.因有油润滑，压力不高，选取填料相对泄漏值VpI=0.005，VpII=0.001由于填料为外泄漏，需在第级内补足，所以第级相对泄漏中也包括第级填料的外泄漏量在内，泄漏系数的计算列入表2-4。相对泄漏值泄损部位级级vvI0.02气阀vvII0.02vrI0.005活塞环vrII0.006vpI0.0005填料vpII0.0010.001总相对泄漏v0.02650.027泄漏系数I=1/(1+vi)0.9740.973(5)各级排气系数计算结果列入表2-5级数vpTl=vpTl0.8580.970.960.9740.7780.8650.980.960.9730.7894.计算各级凝析系数及抽加气系数(1)计算各级凝析系数a.计算在级间冷却器中有无水分凝析出来查表1-5得水在40和50时的饱和蒸汽压:PbI=7.375kPa（40）PbII=12.335kPa（50）则:所以在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时1II=1。b.计算各级凝析系数(2)抽加气系数o因级间无抽气，无加气，故oI=oII=15.初步计算各级气缸行程容积6.确定活塞杆直径为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要根据最大气体力来确定，而气体力又需根据活塞面积（气缸直径）来计算，他们是互相制约的。因此需先暂选活塞杆直径，计算气体力，然后校核活塞杆是否满足要求。（1）计算任一级活塞总的工作面积，（z-同一气缸数）有：（2）暂选活塞杆直径根据双作用活塞面积和两侧压差估算出该空压机的最大气体力约为1.5吨左右，由附录2，暂选活塞杆直径d=35mm。活塞杆面积（3）非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算盖侧活塞工作面积:Fg=0.5(Fk+fd)轴侧活塞工作面积:Fz=0.5(Fk-fd)级：级：（4）计算活塞上所受气体力计算a.第一列（第级）：外止点：PI外=P1IFZI-P2IFgI=110571010-4-310572010-4=-14500N内止点：PI内=P2IFZI-P1IFgI=310571010-4-110572010-4=14100Nb.第二列（第II级）：外止点：PII外=P1IIFZII-P2IIFgII=310523310-4-910524310-4=-14880N内止点：PII内=P2IIFZII-P1IIFgII=910523310-4-310524310-4=13680N由以上计算可知，第二列的气体力最大，为-14880N，约合1.5吨。由附表2可知，若选取活塞杆直径d=30mm是可以的，但考虑留有余地，取d=35mm。7.计算各级气缸直径（1）计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径根据，有：（2）确定各级气缸直径根据查表1-6，将计算缸径圆整为公称直径：DI=300mm；DII=180mm8.实际行程容积及各级名义压力（1）计算各级实际行程容积Vh非贯穿活塞杆直径双作用气缸行程容积：（2）各级名义压力及压力比因各级实际行程容积Vhk与计算行程容积Vhk不同，各级名义压力及压力比必然变化。各级进、排气压力修正系数k及k+1分别为：a.各级进气压力修正系数：b.各级排气压力修正系数：c.修正后各级名义压力及压力比:P1k=kP1kP2k=k+1P2k=P2k/P1k计算结果列入表2-6。级次计算行程容积Vhkm30.028560.00953实际行程容积Vhkm30.0280.01k=VhIVhk/(VhIVhk)10.93修正系数k+1=VhIVh(k+1)/(VhIVh(k+1)0.931P1k0.10.3名义吸气压力（MPa）P1k=kP1k0.10.28P2k0.30.9名义排气压力（MPa）P2k=k+1P2k0.280.9修正后名义压力比=P2k/P1k2.83.219.计算缸内实际压力缸内实际压力：Ps=P1(1-s)Pd=P2(1+d)由图1-10，查得s，d，计算各级气缸内实际压力，结果见下表。表2-7考虑压力损失后的缸内实际压力比修正后名义压力(MPa）相对压力损失缸内实际压力损失(MPa)实际压力比级次P1P2sd1-s1-dPsPd=Ps/Pd0.10.280.050.0820.951.0820.0950.3043.20.280.90.0350.0610.9651.0610.270.9593.5410.计算各级实际排气温度按k=1.4和m=1.3两种情况计算，计算结果见下表。从中可以看出，按k=1.4计算出的排气温度超过了180的允许范围，但实际测出的排气温度接近多变压缩m=1.3的结果，认为在允许的范围内。表2-8根据实际压力比求得各级实际排气温度吸气温度k=1.4m=1.3级次()(K)实际压力比(k-1)/kT2(K)T2()(m-1)/mT2(K)T2()403133.21.3944361631.308409136503233.541.4344621891.33843115811.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径气缸直径的圆整，活塞杆直径的选取及各级吸排气压力的修正都直接影响到气体力，需重新计算如下：（1）第列(第级)a.活塞面积盖侧：轴侧：b.压力:PSI=0.95105PaPdI=3.04105Pac.气体力:外止点：PI外=PSIFZI-PdIFgI=0.9510569710-4-3.0410570710-4=-14870N内止点:PI内=PdIFZI-PSIFgI=3.0410569710-4-0.9510570710-4=14480N（2）第列(第级)a.活塞面积盖侧：轴侧：FZII=FgII-fd=0.0254-9.6210-4=24410-4m2b.压力PSII=2.7105PaPdII=9.59105Pac.气体力外止点：PII外=PSIIFZII-PdIIFgII=2.710524410-4-9.5910525410-4=-17800N内止点：PII内=PdIIFZII-PdIIFgII=9.5910524410-4-2.710525410-4=16640N由以上计算表明，最大气体力在第列外止点（-17800N），约为1.8吨，没有超过活塞杆的允许值，可用。12.复算排气量气缸直径圆整后，压力比发生变化，引起容积系数相应的变化。如其它系数不变，则排气系数为：经上述修正后的排气量为：Vd=VhIIn=0.0280.79450=9.96m3/min计算结果与题目要求接近，说明所选用的气缸是合适的。13.计算功率，选取电机（1）计算各级指示功率（2）整机总指示功率：Ni=NiI+NiII=24+26.5=50.2KW（3）轴功率Nz：因本机为中型压缩机，取机械效率m=0.92，则：（4）所需电机功率：因本机是三角皮带传动，取传动效率e=0.97，则：实际本机选用JR1156型三相绕线式感应电动机，功率为75KW是足够的，说明以上计算可用。14.热力计算结果数据（1）各级名义，实际压力及压力比见下表表2-9各级名义、实际压力及压力比名义压力(MPa)实际压力(MPa)级次P1P2PsPd0.10.282.80.0950.3043.20.280.93.210.270.9593.64（2）各级实际排气温度:T2I=409K或T2I=136T2II=431K或T2II=158（3）气缸直径:DI=300mmDII=180mm（4）气缸行程容积:VhI=0.028m3VhII=0.01m3（5）实际排气量:Vd=9.96m3/min（6）活塞上最大气体力:Pmax=PII外=-17800N（7）电动机功率:Ne=75KW（8）活塞杆直径：d=35mm3动力计算1.第级缸解析法1.1运动计算（1）曲柄运动状态：r=s/2=200/2=100mm=2n/60=450/30=47.2r=0.147.2=4.72m/sr2=0.147.22=222.8m/s2（2）位移：盖侧：211cossingXrkr轴侧：zgS速度：1(sincos2)cr加速度:2(i)a每隔10s按上述计算,将结果列入表2-11，其中是第列及gxzca第列本列的曲柄转角，两者结果一样，故共用一个表。活塞位移曲柄转角()gxm()zx活塞速度(/)cms活塞加速度2(/)as曲柄转角036015203403425031067298080971260502413234005116270908181.2气体力计算用列表计算法作各级气缸指示图及气体力展开图。（1）各过程压力：膨胀过程:0misiPx进气过程:Pi=Ps压缩过程:0misix排气过程:Pi=Pd本机属于中型压缩机，取m=m=1.4，xi是活塞位移，用运动计算中各点的位移值。因本机为双作用活塞，盖侧气体力与轴侧气体力应分别列表计算。（2）气体力：盖侧iigPpF轴侧iiz对双作用活塞盖侧与轴侧气体力应分别计算，然后将同一转角时两侧气体力合成。气体力符号规定：轴侧气体力使活塞杆受拉，为正；盖侧气体力使活塞杆受压，为负。（3）将计算结果列入表中：级盖侧气体力列入表2-12，级轴侧气体力列入表2-13，合成气体力列入表2-16。活塞位移膨胀过程进期过程压缩过程排气过程气体力kN曲柄转角1gxkr0migsPpxisp0migsPxidpiigPF012304560789011203415067180921023405267082930123045360曲柄转角活塞位移膨胀过程进期过程压缩过程排气过程气体力kNzgxS0mizsPpxisp0mizsPxidpiizPF01230456078901201345016780192023405267028093102340536曲柄转角I级曲柄转角I级gP盖侧z轴侧P合成gP盖侧z轴侧P合成01901223004235460507268790801293201013243504016517036081.3往复惯性力计算（1）往复运动质量的计算连杆质量：。13mkg取小头折算质量：110.3.9kg级活塞组件及十字头组件质量：25.483.6Pmkg于是得到各级往复运动质量：13.697.5SPkg（2）活塞加速度加速度值由运动计算已知。（3）计算各级往复惯性力：SIma计算结果列入表-2-17。关于惯性力的符号规定：以使活塞杆受拉为正，受压为负，这一规定恰好和惯性力与加速度方向相反的规定一致。1.4摩擦力的计算(1)往复摩擦力的计算取往复摩擦力为总摩擦力的70级往复摩擦力：110.724600.7()6.948725iSnNmRN关于往复摩擦力的符号规定：a.仍以使活塞杆受拉为正，受压为负。b.在00-1800之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正。在1800-3600之间为向盖行程，摩擦力使活塞杆受压，定为负。（2）旋转摩擦力的计算旋转摩擦力为总摩擦力的30110.3()60.3(246.)()60.927805nNmRNS1.5综合活塞力计算（1）将气体力、往复惯性力及往复摩擦力合成就得到综合活塞力PPIR计算结果列入表2-18。活塞力P是随着曲柄转角而变化的其正负号规定同前。曲轴转角气体力往复惯性力往复摩擦力活塞力切向力kNISRkNPsincoITkN012304056708910213045160781902023450267802931023340561.6切向力的计算（1）切向力的计算2sin()sin(si)co1TPP计算结果列入表-2-18。（4）平均切向力的计算a.由列表计算的切向力求平均切向力mT3614201.67mTkNb.由热力计算所得的轴功率计算平均切向力3054.6301.59mNzTkrn1.7飞轮矩的计算（1）压缩机一转中的能量最大变化量L：max0.34928057.9IrLfNm（2）旋转不均匀度的选取本压缩机与电机是用三角皮带传动，由教材=（1/30）（1/40）取=1/30。（3）飞轮矩的计算22236057.930.1.4LMDkgmn1.8分析本压缩机动力平衡性能2.第级缸图解法2.1运动曲线由表2-11中的值描点连线作出曲线图如图2-2。2.2级气缸指示图用活塞行程为横坐标，以气体力为纵坐标，将表中的数据在坐标上描点连线即成，级气缸指示图如图2-3。2.3气体力展开图以曲柄转角为横坐标，以气体力为纵坐标，将指示图展开。轴侧气体力为正，绘在横坐标上，盖侧气体力为负，绘在横坐标以下，并将合成气体力绘出，级气缸气体力展开图如图2-5。（2）列的综合活塞力图的绘制将每列的气体力、往复惯性力及往复摩擦力相迭加，绘在同一比例尺的图上，就到列的综合活塞力图，横坐标为曲轴转角，纵坐标为活塞力P如图2-7。2.4切向力图根据切向力的计算表作切向图，如图2-9（1）用求机仪（或其它方法）求得平均切向力与总切向力曲线所包围的面积：F1=-0.26cm2,F2=8.82cm2,F3=-4.805cm2,F4=0.371cm2,F5=-0.024cm2,F6=0.102cm2,F7=-1.272cm2,F8=0.276cm2,F9=-2.641cm2（2）作幅度面积向量图将平均切向力下方的面积定为向上作向量，平均切向力上方的定为向下作向量，把所有这些向量依次首尾相接平行作出（最末一个向量的终点与第一个向量的始点在同一水平线），得到向量图上最高点与最低点间的差值，如图2-9。比例尺：。2max8.fc21cm3.第级缸解析法3.1运动计算（1）曲柄运动状态：r=s/2=200/2=100mm=2n/60=450/30=47.2r=0.147.2=4.72m/sr2=0.147.22=222.8m/s2（2）位移：盖侧：211cossingXrkr轴侧：zgS速度：1(sincos2)cr加速度:2(i)a每隔10s按上述计算,将结果列入表2-11，其中是第列及gxzca第列本列的曲柄转角，两者结果一样，故共用一个表。活塞位移曲柄转角()gxm()zx活塞速度(/)cms活塞加速度2(/)as曲柄转角0360152430304251603072988907012610250243314020516170908183.2气体力计算用列表计算法作各级气缸指示图及气体力展开图。（1）各过程压力：膨胀过程:0misiPx进气过程:Pi=Ps压缩过程:0misix排气过程:Pi=Pd本机属于中型压缩机，取m=m=1.4，xi是活塞位移，用运动计算中各点的位移值。因本机为双作用活塞，盖侧气体力与轴侧气体力应分别列表计算。（2）气体力：盖侧iigPpF轴侧iiz对双作用活塞盖侧与轴侧气体力应分别计算，然后将同一转角时两侧气体力合成。气体力符号规定：轴侧气体力使活塞杆受拉，为正；盖侧气体力使活塞杆受压，为负。（3）将计算结果列入表中：级盖侧气体力列入表2-12，级轴侧气体力列入表2-13，合成气体力列入表2-16。3.3往复惯性力计算（1）往复运动质量的计算连杆质量：13mkg取小头折算质量：110.3.9kg级活塞组件及十字头组件质量：20.78.Pmkg于是得到各级往复运动质量：120.7394.6SPmkg（2）活塞加速度加速度值由运动计算已知。（3）计算各级往复惯性力：SIma计算结果列入表-2-17。关于惯性力的符号规定：以使活塞杆受拉为正，受压为负，这一规定恰好和惯性力与加速度方向相反的规定一致。3.4摩擦力的计算往复摩擦力与旋转摩擦力分别计算如下：（1）往复摩擦力的计算取往复摩擦力为总摩擦力的70级往复摩擦力:110.726600.7().953224iSnNmRN关于往复摩擦力的符号规定：a.仍以使活塞杆受拉为正，受压为负。b.在00-1800之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正。在1800-3600之间为向盖行程，摩擦力使活塞杆受压，定为负。（2）旋转摩擦力的计算旋转摩擦力为总摩擦力的30110.3()60.3(246.)()60.927805nNmRNS3.5综合活塞力计算（1）将气体力、往复惯性力及往复摩擦力