4L-208型活塞式空气压缩机课程设计

1、摘要 活塞式压缩机是工业上使用量大、面广的一种通用机械。立式压缩机是活塞式压缩机的一种，属于容积式压缩机，是利用活塞在气缸中运动对气体进行挤压，使气体压力提高。 热力计算、动力计算是压缩机设计计算中基本，又是最重要的一项工作，根据任务书提供的介质、气量、压力等参数要求，经过计算得到压缩机的相关参数，如级数、列数、气缸尺寸、轴功率等，经过动力计算得到活塞式压缩机的受力情况。活塞式压缩机热力计算、动力计算的结果将为各部件图形以及基础设计提供原始数据，其计算结果的精确程度体现了压缩机的设计水平。关键词：活塞式压缩机; 热力计算; 动力计算;气缸；曲轴Abstract Reciprocating co

2、mpressor is a common type machine, used in the industry .V- type of piston compressors is a kind of reciprocating compressor, belong to the compressor , utilize the pistons in the cylinder moving to squeeze on the gas ,squeezed the gas pressure. Thermal calculation and dynamical computation is basic

3、 of compressor design calculation, is also an important woke, according to medium, displacement, pressure of task-book, by calculating getting related parameters of compressors, such as levels, columns, size of cylinder, shaft power, by dynamical computation getting stressed status of a piston type

4、compression, due to reduce the vibration is very important. heat calculation and dynamical computation of the piston type compressor, which is providing design data. The calculations reflect exactly the design level of the compressor. Keywords: piston compressor; thermal calculation; dynamical compu

5、tation; cylinder; c目 录第1章 概 述11.1 压缩机的用途21.2 压缩机的工作原理和结构简介41.3 压缩机曲轴组件简介6第2章 6M3型仪控用压缩机总体数据82.1 热力计算9第3章 动力计算213.1 已知数据213.2 动力计算22第4章 曲轴强度计算294.1 曲轴受力分析294.2 静强度计算314.3 疲劳强度计算324.4 曲轴刚度计算33第5章 基本部件设计385.1 十字头主要尺寸确定：385.2 轴承计算：415.3 曲轴基本尺寸设计435.4 带轮设计46第6章 6 结 论49参考文献附录152附录263III第1章 概 述随着国民经济的发展，压缩

6、机的应用也越来越广。压缩机在采矿、冶金、石油化工生产、机械及建筑等部门得到广泛应用，由于石油化工工业的蓬勃发展，各种烃类气体的压缩机也日趋增多，压缩机在石油化工业中的地位就显得尤为重要。将机械能转变为气体的能量，用来给气体增压与输送气体的机械称为压缩机。各种型号的压缩机，按工作原理可分为两大类：速度式和容积式。速度式压缩机靠气体在高速旋转叶轮作用下，得到巨大的能量，随后在扩压器中急速降速，使气体的动能转变成势能（压力能）。容积式压缩机靠在气缸内往复运动或旋转运动的活塞，使容积缩小，从而提高气体压力4。压缩机按结构类型的不同，可分类为：图1.1压缩机分类 活塞式压缩机与其它类型的压缩机相比有许多

7、优点6：（1）适用压力范围广。这种机器依靠工作容积变化的原理工作，因而不论其流量大小，都能达到很高的工作压力；（2）热力效率高；（3）对介质及排气量的适应性强，特别是可用于小排气量情况。1.1 压缩机的用途 压缩机（其外观图见下页），使用压力0.11.6Mpa（绝压）排气量6m3 /min，可用于气动设备及工艺流程，适用于易燃易爆的场合3。图1.2 4L压缩机外观图图1.3 总装配图该种压缩机可以大幅度提高生产率，工艺流程用压缩机是为了满足分离、合成、反应、输送等过程的需要，因而应用于各有关工业中。因为活塞式压缩机已得到如此广泛的应用的需要，故保证其可靠的运转极为重要。气液分离系统是为了减少或

8、消除压缩气体中的油、水及其它冷凝液6。本机为角度式L型压缩机，其结构较紧凑，气缸配管及检修空间也比较宽阔，基础力好，切向力也较均匀，机器转速较高，整机紧凑，便于管理。本机分成两列，其中竖直列为第一列，水平列为第二列，两列夹角为90度，共用一个曲拐，曲拐错角为0度。1.2 压缩机的工作原理和结构简介1.2.1 工作原理本机为往复活塞式压缩机，依靠气缸内往复运动的活塞压缩气体容积而提高其压力。当驱动机（电机）开启后，通过弹性联轴器带动压缩机的曲轴作旋转运动，不断旋转的曲轴使连杆不停的摆动，从而牵动十字头、活塞杆、活塞分别在十字头滑道内和气缸内作往复直线运动5。压缩机工作时，在活塞从内止点到外止点运

9、动的过程中，气缸容积处于相对真空状态，缸外一级进气缓冲罐中的气体即通过吸气阀进入一级气缸内，当活塞行至外止点时，气缸内充满了低压气体。当活塞由外止点向内止点运动时，吸气阀自动关闭，气缸内的气体被逐渐压缩而使压力不断提高，当气体压力大于排气阀外压力和气阀弹簧力时，排气阀打开，排出压缩气体，活塞运动到内止点时排气终了，准备重新吸气。至此，完成一个膨胀、吸气、压缩、排气、再吸气的工作循环14。从一级气缸排出的气体，进入中间冷却器后，再经仪表控制管路组件二级气缸，进行第二次压缩至需要压力，经过二级排气缓冲罐排出压缩机。因此，周而复始，活塞不断的往复运动，吸入气缸的气体亦不断地被吸入排出，从而不断地获得

10、脉动压缩气体。1.2.2 结构简介（1）压缩机构1）气缸组件：各级气缸中都有三层壁并行成三层空腔，最里层的薄壁筒为气缸套，紧贴在内壁上，内壁与其外面一层形成空腔通冷却水，称为冷却水套；冷却水套包在整个缸体、缸头、填料涵腔和气阀空腔周围，以期全面冷却气缸里的各部件；外层是气体通道，它被分成两部分：吸入通道和排出通道，分别与吸入和排出阀相通，缸体靠近曲轴侧，由于穿过活塞杆，为防止气体泄漏，设有填料函腔，整体为铸铁结构6。这种结构的特点是气缸靠轴侧的座盖与缸体铸成一体，简化了座盖结构，减少了密封面，填料涵和气缸中心线的同心度很容易保证，气缸座盖上有止口与压缩机中相配合，以保证气缸和十字头滑道的同心度

11、，但这种结构较复杂，铸造工艺有一定难度。2）活塞组件： 图1.4压缩机结构简图一级活塞为盘形中空组合活塞，整个活塞分成两部分；二级活塞为盘形中空整体活塞。均为铝合金铸造，表面用阳极氧化处理，可以防腐蚀，一级活塞有一道支撑环，四道活塞环，装配时应将活塞环的开口相互错开，可以减少泄漏。各级活塞环均为四氟乙烯，气缸由注油器实现有油润滑。活塞杆有良好的耐磨性，活塞杆与十字头用螺栓连接，旋入或旋出螺纹即可调节气缸和活塞的间隙。3）吸气阀和排气阀部件：各级吸气阀均为环形阀，由阀座、阀盖、阀片、弹簧等零件组成。阀片由不锈钢组成，其它零件都经镀镉处理，因而气阀的耐磨性良好。气阀中均匀分布的弹簧将阀片压紧在阀座

12、上，工作时，阀片在两边压差和弹簧力的作用下打开或关闭，由于气阀阀片自动而频繁的开启，因而要求弹簧力均匀，安装时应对弹簧仔细挑选，力求弹簧高度一致。另外，在阀座、阀盖的密封面上，严禁划伤或粘上固体颗粒杂质。4）填料部件：本机填料部件由节流套、密封环、闭锁环等组成，节流套内的节密封环槽用于节流降压，减轻密封环的负荷。闭锁环、密封环靠外圈弹簧和气体力紧箍在活塞杆上起到密封作用，若内表面磨损，密封元件将自行补充，因而不致密封实效。5）中间接筒部件：中间接筒、刮油环座、油封圈等组成中间接筒部件。中间接筒分别与气缸和机身相连，其上有两个窗孔，供 装卸刮油座及填料等用，并开有三个接管口，一个接填料密封润滑管

13、路，另两路接排污管路。（2）传动机构L型机身内装有曲轴，与联轴器同步电机相连，曲轴轴径两端各装有一个滚动轴承，曲轴上装有两块平衡块，以平衡回转部分不平衡质量和运动部件的部分惯性力，同一曲轴柄销上装有两根连杆，同时带动水平列和竖直列的往复部件。连杆为球墨铸铁铸造，与曲柄销连接的大部分都装有轴瓦，轴瓦与轴颈的间隙可用垫片进行调节，大小头轴瓦之间沿连杆轴向钻有油孔，连杆与活塞杆之间的空隙，十字头销及十字头体上钻有油孔，使由连杆进来的润滑油能进入十字头。1.3 压缩机曲轴组件简介1.3.1 概述曲轴组件，包括曲轴、平衡重及两者之间的连接件等。曲轴如下图所示由三部分组成：主轴颈、曲柄和曲柄销。曲柄和曲柄

14、销构成的弯曲部分称之为曲拐12。1主轴颈 2曲柄 3曲柄销图1.5 曲轴组成示意图1.3.2 曲轴结构压缩机曲轴有三种基本型式：曲柄轴、曲拐轴（简称曲轴）和偏心轮轴。曲轴是目前普遍采用的型式，其曲拐一般两端支承，刚性较曲柄轴好。曲轴的支承方式有两种：全支承是每个曲拐两侧均设有主轴承；非全支承方式是每23个曲拐的两侧用两个主轴承。前者对曲轴的刚性，以及机身系列化时奇数列要求的满足有利；后者对缩短压缩机的长度有利。曲轴的结构设计要点是曲轴定位、轴颈、过渡圆角、油孔、轴端和平衡重的设计。其主要结构尺寸设计应使配用的轴承有承受负荷的能力，同时曲轴应有足够的强度和刚度，以承受交变弯曲与交变扭转的联合作用

15、，保证轴颈偏转角处的应力不超过许用值。曲轴一般用40#和45#优质碳素钢。碳素钢在合理的热处理及表面处理后，已可满足压缩机曲轴的要求，只有极少场合应用40Cr等合金。1.3.3 曲轴强度曲轴强度计算主要包括静强度计算和疲劳强度计算。静强度计算的目的是求出曲轴各危险部位最大工作应力。疲劳强度计算的目的是求出曲轴在反复承受交变工作应力下的最小强度储备，通常以安全系数的形式表示。曲轴的强度计算一般有如下步骤：（1） 轴的受力分析；（2） 轴静强度校核；（3） 轴疲劳强度校核；（4） 轴刚度校核。曲轴的强度计算是压缩机设计中必不可少的重要步骤，具体的计算过程详见第五章。第2章 6M3型仪控用压缩机总体

16、数据结构型式：4L-20/8型空气压缩机-L型（即气缸中心线分别与水平面垂直、平行，且成L型排列）两列双作用（每只活塞两侧均形成相同级次工作容积的压缩机）单重（重数等于曲轴的曲拐数）水冷式压缩机，公称容积流量20,压力13。工艺参数：级名义吸气压力（绝）： 吸气温度：级名义排气压力（绝）： 吸气温度：排气量（级吸入状态）： 空气相对湿度： 结构参数：活塞行程： 电机转速： 活塞杆直径： 气缸直径： 级： 级：相对余隙容积： 电动机： TR127-8型 130KW电动机与压缩机的连接： 三角带传动 连杆长度： 运动部件质量（kg）见表2-1。 表2-1 运动部件质量 kg名称级级活塞及十字头组件

17、 76.945.5连杆 44.744.72.1 热力计算2.1.1 初步确定压力比及各级名义压力（1）确定各级压力比压力比的分配通常按最省工的原则进行，即可按等压比分配原则3。 （2-1）两级压缩总压力比 取（2）各级名义进排气压力如下： （2-2） （2-3）表2-2 各级名义进、排气压力 MPa级次名义吸气压力名义排气压力0.10.2440.2450.62.1.2 初步计算各级排气温度按多变过程方程可得各级排气温度： （2-4） 表2-3 各级名义排气温度级次名义吸气温度计算参数名义排气温度KkK202932.4491.41.324392119303032.4491.41.32440212

18、92.1.3 计算各级排气系数因压缩级工作压力不高，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： （2-5）分别求各级的排气系数。（1）计算容积系数： （2-6）其中，多变膨胀指数的计算按化工机器表32查得3级多变膨胀指数：级多变膨胀指数： 则各级容积系数为： （2）数的选择：考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两极压差也不大，可选取，。（3）温度系数的选取3： 考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸级转速中等，从化工机器图3-12查得在0.935 0.975范围内，可选取 。（4）泄漏系数的计算： （2-7）用相对漏损法计算：1）考虑气阀成批生产，质

19、量可靠，阀弹簧力中等，选取气阀相对泄漏值：2）活塞均为双作用，有油润滑，缸径中等，压力不高，选活塞相对泄漏值： 3）有油润滑，压力不高，选取填料相对泄漏值： 由于填料为外泄漏，须在第级内补足，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下表： 表2-4 泄漏系数的计算漏损部位相对泄漏值级级气阀0.020.02活塞环0.0060.007填料0.00050.0010.001总相对泄漏0.02750.028泄漏系数0.9730.973（5）各级排气系数计算结果列入下表： 表2-5 各级排气系数计算结果级数0.8580.970.960.9730.7770.8620.980.960

20、.9730.7892.1.4 计算各级凝析系数及抽加气系数计算各级凝析系数13（1） 计算在级间冷却器中有无水分凝析出来查化工机器表3-5得水在20和30时的饱和蒸气压：（26）（35）则可知： 所以在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时。（2） 计算各级凝析系数 （3） 抽加气系数因级间无抽气，无加气，故 2.1.5 初步计算各级气缸行程容积 2.1.6 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，而气体力又须根据活塞面积来计算，它们是互相制约的。因此须先暂选活塞杆直径，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

21、面积（Z同一级气缸数）（2-8）（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压缩机的最大气体力约为30吨左右，由化工机器附录四暂选活塞杆直径d=45mm。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 轴侧活塞工作面积 级： 级： （4）计算活塞上所受气体力1）第一列（第级） 外止点： 内止点： 2）第二列（第级） 外止点： 外止点： 由以上计算可知，第二列的气体力最大，为-27630N，约合3吨。由附表2可知，若选活塞直径d=40mm是可以的，但考虑留有余地，取d=45mm。2.1.7 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 （2-9）（2）

22、确定各级气缸直径根据化工机器表3-4，将计算缸径圆整为公称直径3： 2.1.8 计算气缸直径圆整后的实际行程容积，各级名义压力及压力比（1）计算各级实际行程容积非贯穿活塞杆直径双作用气缸行程容积： （2-10）（2）各级名义压力及压力比因各级实际行程容积与计算行程容积不同，各级名义压力及压力比必然变化。各级进、排气压力修正系数及分别为：1）各级进气压力修正系数： （2-11） 2）各级排气压力修正系数： （2-12）3）修正后各级名义压力及压力比 （2-13） （2-14）计算结果列入下表：表2-6 气缸直径圆整后的实际行程容积，各级名义压力及压力比级次计算行程容积 0.01040.00347

23、实际行程容积 0.02320.0147修正系数10.950.951名义吸气压力（MPa）0.10.2440.10.232名义排气压力(MPa)0.2450.60.2330.6修正后名义压力比2.332.592.1.9 按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力缸内实际压力： 由化工机器图3-16，查得，计算各级气体内实际压力，结果见表3-7。 表 2-7 考虑压力损失后的缸内实际压力及压力比级次修正后名义压力(MPa)相对压力损失缸内实际压力（MPa）实际 压力比0.10.2440.050.0810.951.0810.0950.2642.780.2450.90.0340.0610.966

24、1.0610.2370.6372.692.1.10 根据实际压力比，计算各级实际排气温度 （2-15）按k=1.4和m=1.3两种情况计算，计算结果见表8。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级次吸气温度实际压力比k=1.4m=1.3()(K)()(K)(K)()202932.781.4084401671.318413140303032.671.4204581851.3274291562.1.11 缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径气缸直径得圆整，活

25、塞杆直径的选取及各级吸气排气压力的修正都直接影响到气体力，需要新计算如下：（1）一列（第级）1）活塞面积盖侧： 轴侧： 2）压力： 3）气体力 外止点 内止点 （2）二列（第级）1）活塞面积：盖侧： 轴侧： 2）压力：3）气体力： 外止点 内止点 有以上计算表明，最大气体力在第列外止点（-33561），但没有超过活塞杆的允许值，可用。2.1.12 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：计算结果与题目要求相近，说明所选用的气缸是合适的。2.1.13 计算功率选用电机（1）计算各级指示功率 （2-16） （2）整

26、机总指示功率： （3）轴功率因本机为小型压缩机，取机械效率 4 则（4）所需电机功率因本机是三角皮带传动，取传动效率，则实际本机选用TR127-8型电动机，功率为300KW是足够的，说明以上计算可用。2.1.14 热力计算结果数据（1）名义、实际压力及压力比 表 2-9 各级名义、实际压力及压力比级次名义压力（MPa）实际压力(MPa)0.10.2442.440.0950.2642.780.2450.62.450.2370.6372.69（2）各级实际排气温度 （3）气缸直径 （4）气缸行程容积 （5）实际排气量 （6）最大气体力 （7）电动机功率（8）活塞杆直径 d=45mm67第3章 动力

27、计算3.1 已知数据 动力计算部分需要使用热力计算部分所得的结果，现将动力计算已知数据汇总见表3-1。表3-1 动力计算已知数据级次活塞面积0.138470.049060.136880.04747压力(MPa)吸入0.10.2450.0950.237排出0.2440.60.2640.637温度吸入（）2030（K）293303排出（）140156（K）413429相对余隙容积0.0950.098行程(mm)S240240余隙容积折合行程(cm)2.282.35指示功率(KW)44.8855.23轴功率(KW)36.81机械效率0.94转速(r/min)n740连杆长(mm)l5003.2 动力

28、计算3.2.1 运动计算（1）作， 运动曲线图12 （2）位移：盖侧：轴侧： 速度： 加速度： 每隔10°按上述计算，将结果列入附录1表1，其中是第列及第列本列的曲柄转角，两者结果一样，故用一个表。（3）由附录1表1中值描点连线做出曲线图如附录2图1。作图比例尺： ， ， 3.2.2 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： （3-1） 进气过程： （3-2） 压缩过程： （3-3） 排气过程： （3-4）本机属于中型压缩机，取，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12。（2）气体力

29、：盖侧: 轴侧： 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：轴侧气体力是活塞杆受拉，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：级盖侧气体力列入附录1表2，级轴侧气体力列入附录1表3，级盖侧气体力列入附录1表4，级轴侧气体力列入附录1表5，合成气体力列入附录1表6。（4）作各级气缸指示图：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，级气缸指示图如附录2图2，级气缸指示图如附录2图3。作图比例尺：， （5） 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

30、侧气体力为负，绘在横坐标下，并将合成气体力绘出，级气缸气体力展开图如附录2图4，级气缸气体力展开图如附录2图5。 作图比例尺：，3.2.3 往复惯性力计算（1）往复运动质量的计算连杆质量 取小头折算质量 级活塞组件及十字头组件质量 级活塞组件及十字头组件质量 于是得到各级往复运动质量： （2）活塞加速度值由运动计算已知。（3）计算各级往复惯性力 计算结果列入附录1表7，关于惯性力的符号规定：以使活塞杆受拉力为正，受压力为负，这一规定恰好和惯性力与加速度方向相反的规定相一致。3.2.4 摩擦力的计算 （1）往复摩擦力为总摩擦力的70% （3-5）级往复摩擦力 级往复摩擦力 关于往复摩擦力的符号规

31、定：1）使活塞杆受拉为正，受压为负。2）之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正。在之间为向盖行程，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30% 3.2.5 综合活塞力计算及综合活塞力图的绘制（1）气体力、往复惯性力及往复摩擦力合成就得到综合活塞力计算结果列入附录1表8、表9。活塞力是随着曲柄转角而变化的其正负号规定同前。（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叠加，绘在同一比例尺的图上，就得到列的综合活塞力图，横坐标为曲轴转角，纵坐标为活塞力如附录2图6、附录2图7。作图比例尺：，3.2.6 切向力的计算及切向力图的绘制（1）切

32、向力的计算 （3-6）计算结果列入附录1表8、表9。（2）总切向力的计算将列切向力和旋转摩擦力合成就得出总切向力，合成时要注意列的相位差，列按旋转方向超前270°，即将列270°时的切向力与列0°时的切向力叠加，列280°时的切向力与列10°时的切向力叠加，以此类推，合成结果列入附录1表10。（3）作切向力图1）横坐标为曲柄转角，比例尺为，换算为长度比例尺2）纵坐标为切向力，比例尺：3）根据切向力的计算表作切向力图，如附录图8。（4）平均切向力的计算1）由列表计算的切向力求平均切向力 2）由热力计算所得的轴功率计算平均切向力 3）计算作图误差4

33、）误差没有超过在允许的范围内。5）将平均切向力水平线画在切向力图上。3.2.7 作幅度面积向量图1 用求机仪（或其它方法）求的平均切向力与总切向力曲线所包围的面积： 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个水平线上），得到向量图上最高点与最低点间得差值，如附录2图8。 比例尺：。3.2.8 飞轮矩的计算（1）压缩机一转中的能量最大变化量L： （3-7）（2）旋转不均匀度的选取本压缩机与电机使用三角带传动，由化工机器，取。（3）飞轮矩的计算 （3-8）3.2.9

34、分析本压缩机动力平衡性能 如下图为L型压缩机，一列水平配置，一列垂直配置，垂直列常是低压气缸，水平列为高压气缸。设两列的往复运动质量相等为。垂直列的往复惯性力： 水平列的往复惯性力： 将两惯性力合成得： 一阶惯性合力的方向角为，则： 故知 二阶惯性合力的方向角为： 故 以上表明：一阶往复惯性力的合力是个定值，方向始终沿曲柄方向外指，这样就可在曲柄的反方向加平衡质量，产生的离心惯性力，可使一阶惯性力完全平衡。二阶惯性力的合力方向总是在与垂直轴线成角的射线方向上，其大小成周期性变化，故不能用平衡质量加以平衡。旋转惯性力可用平衡质量离心惯性力平衡。由于角度式压缩机各列连杆置于同一曲柄销上，列间距很小

35、，所以各种惯性力矩很小，可忽略不计。由此可见，L型压缩机的动力平衡性很好，结构紧凑，是我国广泛使用的一种中型压缩机机型。第4章 曲轴强度计算4.1 曲轴受力分析为使计算简便，对曲轴的受力情况先作如下简化假定：（1）对于多支承曲轴，作为在主轴承中点处被切开的分段简支梁考虑；（2）连杆力集中作用在曲柄销中点处；（3）略去回转惯性力；（4）略去曲轴自重。作如上假设后，规定轴颈与曲柄的坐标系，如图4.1所示。其中：T为作用在曲柄销上的切向力；为作用在曲柄销上的法向力；、为轴前端载荷沿坐标方向上的分量；为A、B两个主轴承处支反力沿坐标方向的分量；M为输入扭矩；为相邻一跨传来的阻力扭矩。内力正负号规定如图

36、5-1所示。 图4.1 曲轴受力图及正负号规定表5-1 曲轴所受外力表4-1 曲轴所受切向力序号曲轴旋转位置特点曲柄转角(度)列M()(N)(N)(N)(N)T1列综合活塞力最大绝对值290-7.1225.523062.43507.78-12572.83611.98-12936.22列切向力最大值4017.6937.494498.8-8715.86-18471.3-8974.14-19018.73列切向力最小值350-35.2617.672120.417372.6-8715.917887.4-8963.994列法向力最大值23019.6122.732727.6-9661.8-11199.1-9

37、948.15-11530.95列法向力最小值180-44.4821.422570.421915.310553.62567.7-10866.4表4-2 曲轴内力序号曲轴旋转位置特点曲柄转角(度)曲轴截面绕轴弯矩()绕轴弯矩绕轴扭矩（） 轴力()静强度计算用1列综合活塞力最大绝对值2903355447.17315.7-11948.92276.61552.31131.6_-3507.82列切向力最大值403355-1111.020-17569.53344.32282.21662.4_8715.9疲劳强度计算用3456列切向力最大值列切向力最小值列法向力最大值列法向力最小值40350230180333

38、35555-869.61972.4_2282.21075.7_刚度计算用7列综合活塞力最大绝对值2900 077880727.900-1508.70_被校核一跨的结构尺寸如图4-1所示。在这一跨中，一列中分别布置级级气缸。按照强度计算和刚度计算的需要，从动力计算提供的各列活塞力表、切向力表合法向力表，找出曲轴的几个特殊旋转位置、，再找出与、相应的法向力、切向力和输入扭矩M。根据图4-1和表4-1已知数据，按支反力计算公式计算各支反力。计算结果填入表5-1。按照强度计算和刚度计算的需要，根据图4-1尺寸和表4-1数据，按曲轴各截面弯矩、扭矩、轴力计算公式表计算曲轴在各特殊旋转位置时有关截面上的弯

39、矩、扭矩、轴力。计算结果如表4-2所示。4.2 静强度计算由于工作负荷引起的曲轴破坏总是疲劳破坏，因此对曲轴要求进行疲劳强度校核。但为使计算简便，通常把曲轴所受载荷，看成是应力幅度等于最大应力的对称循环载荷，且略去应力集中系数和尺寸系数对计算结果的影响，而代之选用较大的安全系数，从而使复杂的疲劳强度校核具有静强度校核的简单形式3。一般要校核轴颈和曲柄的如下截面：即轴与曲柄连接处和轴颈开油孔处。近似地可取曲轴下述各旋转位置，对曲轴进行静强度校核：1）被校核一跨的输入扭矩最大时；2）被校核一跨中，列的综合活塞力绝对值最大时（在角度式压缩机情形中，是一拐上各列综合活塞力矢量和的绝对值最大时）。轴颈和

40、曲柄各截面的静强度校核按下式进行： （4-1）式中 曲轴材料对称弯曲疲劳极限；危险点上的正应力；危险点上的切应力； 许用安全系数，推荐：被校核危险点的应力计算，对于轴颈： （4-2） （4-3）对于曲柄的校核。截面为矩形时，要校核：（1）截面短轴端点；（2）截面长轴端点；（3）矩形角点。故如图所示，静强度校核截面3-3和截面5-5，计算结果如表4-3所示。表4-3 静强度计算结果序号曲 轴旋 转位 置特 点曲柄转角(度)曲轴截面危险点安全系数许用安全系数是否安全1列 综合 活塞 力绝 对值 最 大290336.54.5安全55短轴端点长轴端点矩形角点3110.410.2555安全安全安全2列

41、切向 力最 大 值40336.04.5安全55短轴端点长轴端点矩形角点1259.69.6555安全安全安全4.3 疲劳强度计算轴颈与曲柄间的过渡圆角处，由于有高度应力集中现象存在，是曲柄最易发生破坏的地方，有时要按考虑了应力集中系数和尺寸系数的疲劳强度计算方法，进行进一步的强度校核。疲劳强度校核方法如下： （4-4）式中 弯扭交变应力综合作用下，曲轴的工作安全系数；弯曲交变应力作用下，曲轴的工作安全系数；扭转交变应力作用下，曲轴的工作安全系数；许用工作安全系数。推荐：=1.82.5 45优质碳素钢 ，故疲劳强度计算截面和截面所在过渡圆角，过渡圆角半径为8mm，计算结果如表5-4所示。表4-4

42、疲劳强度计算结果序号曲柄旋转位置特点曲柄转角（度）曲柄截面安全系数许用安全系数是否安全列切向力最大40334.620.612.74.53.382.5安全列切向力最小350列法向力最大2305511.464.5列法向力最小1804.4 曲轴刚度计算 首先把曲轴转化为变截面直梁，要求转化梁与曲轴有同样的抗弯刚度。转化梁与曲轴有同样的坐标系。可近似地取曲轴的下述旋转位置，对曲轴进行刚度校核，即：被校核一跨列的综合活塞力绝对值最大时。（在角式压缩机情形，是一拐上个列综合活塞力矢量和的绝对值最大时）。本轴只对轴颈偏转角进行计算即可。 式中 曲柄销载荷单独作用时轴颈偏转角； 轴前端载荷单独作用时轴颈偏转角

43、。，的求取，使用图解法较为方便，其步骤如下：（1）根据图4-1，确定变截面转化梁各段的长度尺寸，如图5-2所示。（2）根据图4-1，按刚度转化关系，计算转化梁各段的截面惯性矩。计算结果如表5-5所示。（3）根据表4-5中刚度计算数据，作转化梁的弯矩图，如图4-2a所示(以绕z轴弯曲为例).（4）以为虚载荷，作等截面梁的虚载荷图，如图4-2b所示。（5）作集中虚载荷图，如图4-2c所示。（6）取极距H=16厘米，集中虚载荷比例尺，轴长缩小比例，作力多边形（图5-2e）和索多边形（图4-2d）。（7）作多边形的封闭边，即在图4-2d中，以直线连接001 。（8）计算主轴颈偏转角（以轴承A处为例即可）。表4-5 转化梁各段截面惯性矩转化梁截面挠度放大比例 （4-5）式中：S挠度放大比例尺；m集中虚载荷比例尺；n轴长缩小比例尺；H力多边形中的