1、气 动 增 压 器 结 构 设 计学生姓名： 指导教师： 所在院系： 所学专业：研究方向：Design of Air Operated Pressure Intensifier气动增压器结构设计I摘 要气动增压器是极低压力气体加压到高压力，驱使气体，达到作用效果。气动式往复液压泵是气动增压器种的一种，属于新型动力机，是在这30年种逐渐发展起来的，液压泵活塞和气缸活塞通过活塞杆直接刚性连接组成气动增压器的活塞组件。气动增压器与曲轴式发动机和液压泵的组合动力的区别是省去了液压泵中将旋转运动转换为泵活塞往复运动的旋转斜盘机构，以及曲轴式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机构。所以气动增
2、压器成本低、结构简单、重量轻、零件数目少、效率高及节能等优点。作为新兴发动机，目前世界上老式发动机已被往复式液压泵在实际应用中所取代。第一，运用热力学、数学方程、动量方程等对气动增压系统的输出压力、流量特性、执行机构的运动特性进行了数学描述,重点讨论了气动增压系统的输出压力、流量特性 ,为气动增压器的研制提供了理论基础。 第二,依据系统规范的要求和性能指标 ,基本结构参数、系统原理、实际情况和控制回路、进行设计与计算。 第三,方案评审即气动增压器设计方案,通过评审后对该气压增压器具体结构进行设计。本论文以气动增压器为设计对象，在多方面进行分析包括纯理论分析、方案的可行性分析与液压原理的建立分析
3、，设计结构和校对等诸方面的工作原理进行全面的系统设计。首先，根据系统要求的性能指标，对系统的工作原理和控制回路进行了设计并对其可行性进行了分析，设计中需要的基本结构参数进行了初步的设计与计算。其次，课题的背景及发展概况要进行介绍，在设计过程中将要出现的难题及相应的解决方式进行了分析。最后，对该结构组件进行综合设计，液压缸组件设计、包括气缸组件设计、液压缸组件设计、气针单向阀设计和二位五通阀的设计。依据上述，对气动增压器进行结构设计及图纸绘制。关键词：气动增压；往复运动；气针单向阀；二位五通阀；结构设计气动增压器结构设计IIABSTRACTPneumatic supercharger is ex
4、tremely low pressure gas pressure to high pressure, driven by gas, reach the effect. Pneumatic type reciprocating pump is a kind of pneumatic supercharger, belong to the new engine, is gradually in the 30 years of development, hydraulic pump piston and the cylinder piston by the piston rod of rigid
5、connection of pneumatic supercharger piston component directly. Pneumatic supercharger and crankshaft engine and hydraulic pump combination of power saving is the difference between the hydraulic pump will be rotary motion into reciprocating motion of piston pump swash plate, and the crankshaft type
6、 internal combustion engine piston in reciprocating motion into rotary motion of the crank connecting rod mechanism. Pneumatic supercharger so low cost, simple structure, light weight, less number of parts, high efficiency and energy saving, etc. As a new engine, the old engine in the world today ha
7、s been replaced by reciprocating pump in the practical application. First, by using thermodynamics, mathematics equation, momentum equation and the output pressure and flow rate characteristics of pneumatic supercharging system, the features of the movement of the actuator mathematical description,
8、focuses on the output pressure and flow rate characteristics of pneumatic supercharging system, as the theoretical basis is provided for the development of pneumatic supercharger. Second, according to the system requirements specification and performance index, the basic structure parameters, the sy
9、stem principle, the actual situation and the control circuit, the design and calculation. Third, review the design of pneumatic supercharger, after review of the pneumatic supercharger concrete structure design. With pneumatic supercharger as design object, this paper analyzed in many aspects includ
10、ing pure theoretical analysis, project feasibility analysis and the establishment of the principle of hydraulic analysis, design structure and 气动增压器结构设计IIIproofreading, and other aspects of the work principle of a comprehensive system design. First of all, according to the performance of the system
11、requirements, the systems working principle and control circuit design and its feasibility is analyzed, the basic needs in the design of structural parameters, has carried on the preliminary design and calculation. Second, the topic introduces the background and development situation, will appear in
12、 the process of design problems and corresponding solutions are analyzed. Finally, the integrated design of the structure components, hydraulic cylinder component design, component design, design of hydraulic cylinder components including cylinder, gas needle valve design and two four-way valve desi
13、gn. On the basis of the above, pneumatic supercharger for structure design and drawing. Key words: pneumatic booster; Reciprocating motion. Gas needle valve; Two four-way valve; The structure design 气动增压器结构设计I目 录摘 要 .IABSTRACT.II1.前言 .- 1 -1.1 课题背景 .- 1 -1.2 增压技术的发展概况 .- 1 -1.2.1 国外发展状况 .- 1 -1.2.2
14、国内发展状况 .- 2 -1.3 气动增压系统的发展背景及意义 .- 2 -1.4 课题的提出及主要内容 .- 3 -1.4.1 课题研究的目标 .- 3 -1.4.2 课题的主要内容 .- 3 -2 .气动增压器结构原理及设计计算 .- 4 -2.1 气动增压器系统原理 .- 4 -2.1.1 系统的构成 .- 4 -2.1.2 工作过程的分析 .- 4 -2.2 系统的理论分析与计算 .- 7 -2.2.1 理论流量 .- 7 -2.2.2 基本设计 .- 8 -2.2.3 主要参数初定 .- 10 -3 .组件结构设计 .- 12 -3.1 引言 .- 12 -3.2 气缸内组件的结构选
15、定与设计 .- 12 -3.2.1缸筒 .- 12 -3.2.2 活塞的固定 .- 12 -3.2.3 气口螺纹连接 .- 13 -3.3 液压缸各组件的结构与设计 .- 14 -3.3.1缸筒 .- 14 -3.3.2 活塞与活塞杆 .- 15 -3.3.3进油口孔排油口孔与油口螺纹连接 .- 15 -3.3.4密封的选择 .- 16 -气动增压器结构设计II3.4 二位五通换向阀的结构设计 .- 16 -3.5 蓄能器的结构选择 .- 17 -3.6 本章小结 .- 17 -4.结 论 .- 18 -致 谢 .- 20 -气动增压器结构设计- 1 -1.前言1.1 课题背景目前，国内外对于
16、低压气动技术研究与运用较多，但对于高压气动技术的研究则进展缓慢，之所以在这方面技术研究较少原因在于高压气动技术涉及到系统密封问题、系统的泄露问题、以及对材料有苛刻要求等问题。尽管高压气动技术存在上述很多问题，但是高压气动技术存在诸多优点，比如高压气动技术能够有效提高高压气动系统的动态性能，减轻了系统整体的质量，还能够节约系统安装空间以及减少生产成本等等，正因为它的这些优点，使得高压气动技术越来越受到国内外重视。高压气动技术是一项新兴的技术，在近几年来才逐步收到国内外重视，其真正投入到实际应用中可追溯到 20 世纪 70 年代初期。当时，国外的一些发达国家就开始了高压气动技术的研究，如美国、英国
17、和法国等发达国家的某些发射装置或者舵角控制装置上便运用了高压气动技术。正因为这些发射装置成功运用了高压气动技术，使其整个装置系统质量减轻很多，也是其结构变得简单，不仅如此，它还提高了发射装置的命中率。在很长一段时间，中国都没有重视高压气动技术的发展，更别提踏入高压气动技术的研制领域。当国家已经认识到高压气动技术举足轻重的地位后，国家不断地重视和加大科研力量与科研经费的促进下，中国的高压气动技术也开始稳定向上发展，与外国的研制水平的差距在一步步的缩小，在未来很有可能赶超其他国家。计算机的普及，微电技术的快速发展，还有控制体系的不断完善，尤其是新型材料的发展，新工艺的探索，都是高压气动技术发展的基
18、础，这不仅能够提高国外传统高压气动元件的大部分性能，还能够运用目前先进的设计技术与先进的加工方法对高压气动元件重新加以设计与制造，使其能够更好的符合人们的需求，同时这还可以使人们对于高压气动技术有重新的认识，更加重视高压气动技术的作用和发展。而在液压系统中，由于设计的需要，常常要在系统中的某个部分增大工作压力，若是运用常规的方法将整个系统的总的工作压力提高，虽然也可以解决上述问题，但这必然会造成整个系统的生产成本，造成不必要的损失。所以如果将流体增压技术运用在其中，通过增压装置，在不增加整个系统工作压力的情况下，提高系统的某个部分的工作压力，既满足系统设计的需要，又大大降低了生产成本，也未尝不
19、是一种明智的选择。其次，流体增压技术成本低、性能良好、原理简单、应用广泛，并且能减少环境污染。这些优点使其在液压系统中得到了广泛运用，越来越多的液压系统都开始运用流体增压技术。综上所述，若是将压缩空气作为系统的动力源，采用气-液增压缸装置，提高系统某个部分的工作压力，不仅可以符合设计的要求，还能够简化系统的结构，减少生产成本，减轻环境污染。如今，液压泵也成为现代液压系统中不可缺少的液压元件，当液压系统工作时，液压泵往往总会一直处在工作状态，所以液压泵一般均为液压系统中的的易损元件。若能将液压泵的使用寿命加以提高，便相当于提高了整个液压系统的使用寿命。提高液压泵寿命的方法一般会采用间歇式供油，动
20、力源一般为人力、液压和气动等。除此之外，将采压缩空气作为动力源还具有简单、性能稳定和生产制造成本低廉等诸多优点，所以设计了气动增压器。气动增压器结构设计- 2 -1.2 增压技术的发展概况1.2.1 国外发展状况因为各个国家参与该领域时间先后顺序不同，以及投入的尽力的不同，直接导致各个国家对增压技术的研究水平大不相同。在国外，增压技术已经有七十多年的发展历史了，最近这几年发展更为快速。1988 年，欧洲的六个主要公司开发了 18 种新机型，而近七成新机型为增压器。德国著名的 3K 公司的增压器产量在上世纪 70 年代已经达到了 5 万台，80 年代初期已将产量已经超过 15 万台，1983 年
21、产量达到 45 万台， 1988 年产量达到 60 万台，90 年代初产量突破 100 万台，产量逐年大幅度提高。当然，增压器技术发展速度最快的国家还是要属于美国，无论在技术水平上或者在生产规模上，其发展水平均领先于欧洲各个国家，其在增压器市场占有率很高，目前在增压器研制上处在领先地位。除了美国增压器技术发展迅速，日本的发展也很迅速，特别是在增大增压器效率、简易化、高效化上成绩非常明显。据相关数据统计，目前世界上增压器年产量已经突破 1000 万台，并且还在不断上升。主要集中在美国霍尼韦尔公司（年产量已经达到 300 万台）、霍尔塞特(康明斯)公司、德国 3K 公司、美国 Holset 公司（
22、隶属于美国康明斯公司）、瑞士 abb 公司、日本石川岛播磨公司及三菱重工公司等世界级著名大公司。近几年来，美国、日本、部分欧洲发达国家在重型汽车上的柴油机已经全部安置了增压器，而中小型汽车上的柴油机安置比例也逐步增至 85%，气动增压技术逐步成熟的应用到小型轿车上的柴油机上。总体来说，国外增压技术发展十分迅速，得到了许多发达国家的重视，越来越多的汽车上都采用了增压技术。1.2.2 国内发展状况我国增压器技术的发展已有 50 多年的历史，中国最早开始引进增压技术是在 1958 年，经过不断地创新与发展，目前增压技术已逐渐成形，但与发达国家还有一定差距。截止目前，我国增压器厂商已有上百余家，且数量
23、呈上升趋势。具有较大规模的生产厂家有：山东潍坊富源增压器有限公司、山东潍坊欧特增压器有限公司、无锡康明斯涡轮增压器有限公司、合肥赛亚科技有限公司、福田雷沃重工、江苏四达动力机械集团、霍尼韦尔、上海增压器系统有限公司、以及无锡的霍尔塞特工程有限公司等，以上公司主要负责生产压气机轮直径 50、60、68、76、82、92、102、112、119 等系列增压器，其中 76、82 型号的增压器一般适用于功率在 120220KW 的柴油机上。近几年年来，小型汽车和重型汽车用的柴油机发展十分迅速，与之相适配的气压机轮直径 65、90、127、128、135 等系列增压也开始被国内许多大型增压器企业重视起来
24、，这些企业生产的增压器型号也逐步多样化，生产技术也明显提高。随着国内外汽车行业的兴起，对增压器的需求也不断扩大，国内很多增压器厂也看准了其中的商机，提高了技术改造、扩大了生产规模，投入了更多的研发力量，以保证产品的质量。截止目前，国内大部分增压器厂家已经基本保证了增压器生产规模与质量，研发能力也明显提高，尽管与发达国家仍有较大的差距，但差距在逐步减小。目前，国内拥有先进生产技术水平与大规模生产能力的增压器厂家要属上海霍尼韦尔增压器系统有限公司与无锡霍尔塞特工程有限公司。原名上海联信涡轮增压系统有限公司的上海霍尼韦尔涡轮增压系统有限公司于 1994 年 7 月成立，作为霍尼韦尔在全球范围内建立的
25、第十个涡轮增压器及相关产业的生产厂的总投资为 2,700 万美元。世界知名的盖瑞特牌涡轮增压器及相关产品专业制造和销售来自于上海霍尼韦尔涡轮增压系统有限公司。盖瑞特牌涡轮增压器具有多种优势，第一提高动力性能、降低燃油损耗。第二降低排放，增加扭矩储备。第三，适应高原作业，功率补偿等功效。成立于 1996 年 2 月无锡康明斯涡轮气动增压器结构设计- 3 -增压技术有限公司（原无锡霍尔塞特工程有限公司）由无锡动力工程股份有限公司和康明斯涡轮增压技术有限公司（原霍尔塞特工程有限公司）共同投资组建。主要生产HE300、HE400、HX20、HX25、HX30、HX40 型号的增压器，随着增压技术的发展
26、，该公司成功地与北汽福田轻型发动机配套并成为独家供应商在近几年在轻型车市场也取得了显著的突破。从此打进轻型增压器市场，参与全面竞争，并有了一定的竞争能力和发展前景。1.3 气动增压器系统的发展历史及对社会进步的意义在中国多年来一直注重抓经济发展，带来了高消耗和高污染。很多不可再生的自然资源面临枯竭，能源捉襟见肘能源资源短缺问题也日益严重，能源结构的变化和人们对环境保护意识的提高，加上行走机构中曲轴式内燃机和液压泵组合动力的巨大节能空间，所以在气动增压器在液压发展的世界大舞台上将愈加受关注，成为动力机明星。气液增压装置在实际生活中，尤其是在机床的液压夹具中得到了广泛的应用，已经成为液压夹具中不可
27、缺少的装置。在实际工作中，如果应用气压在 1MPa 以上，那么小型空气压缩机就无法满足这种气压，而假如购买一台高压空气压缩机虽然问题可以解决，但造成了不必要的浪费。这个问题便可以通过采用气液增压装置来解决。气压传动大多数用在传递较迅速，没有速度要求的场合；而液压传动一般用在传递相对稳定，速度要求严格的场合。压缩气体作为气动液压泵的动力源，由于压缩气体响应速度很快，所以液压泵不需要处于开启状态。采用压缩气体作动力，则不需要电源，省去了电路控制的部分。此外，气动液压泵还能够防火、防爆、防磁场干扰、防外力冲击，具有无污染、安装方便、结构简易、性能稳定等许多特点。人们可以充分发挥液压与气动各自的特点，
28、将其应用在一些有特殊场合。气动增压器是依据某个型号的技术指标来研究出相对应其系统的重要零部件，是提高该系统工作性能的重要保证。所以，能够研制出性能稳定、可靠性高的增压器对世界动力发展具有十分重要历史意义。1.4 课题的提出及主要内容1.4.1 课题研究的目标本课题研究的目标是依据某个型号的技术指标来研究出相对应其系统的重要零部件。该增压器的主要技术指标为：气动增压器质量8kg；气动增压器工作频率10Hz；增压器入口液体压力 0.5MPa；增压器出口液体压力 6MPa；气源压力为 2MPa；油液压力为 6MPa；气动设计指标：增压器尺寸不大于 300 300 200（单位:mm）液体 1 密度：1.44610 3kg/m3,质量流量：1.958kg/s；液体 2 密度：0.87610 3kg/m3，质量流量：1.203kg/s；最大工期口面积： A 供气 =1.310-4m2；
