1、 - 1 - 1 引言 毕业设计是学完所有 课 程后应用四年所学到的 课 本知识及课外的知识 而进行的综合性、开放性的训练，是培养学生工程意识和创新能力的重要环节 ， 也是考查 学生四年学习成果的 重要途径 。 此次毕业 设计的主要内容是通过对活塞式压缩机热力性能和动力性能的计算，完成压缩机的校核和选型工作。 通过近两个月的设计过程，对于我 掌握过程流体机械选型基本方法、基本步骤 和基本原则起到了明显的效果，达到了预期的训练目的。同时，通过毕业设计环节，使我的计算机应用能力得到了提高，培养了我 的设计能力和解决实际问题的能力。 毕业设计要求学生正确运用和查 阅与本课题相关的设计标准、规范、手册
2、、图册等技术资料，独立的进行理论计算、结构计算、绘制工程图样、编写设计说明书等。掌握机械设计的基本要求、基本方法、基本步骤，为走向工作岗位打下坚实的基础。 V-0.17/8 空气压缩机设计的主要任务是了解空气压缩机的基本原理与结构类型，着重了解和掌握活塞式空气压缩机的基本原理、组成结构、材料、制造加工工艺、冷却润滑方式等。 1.1 设计参数 题目： V-0.17/8 空气压缩机设计 排气压力 =0.8MPa 吸气压力 Ps=0.1MPa 排气量 Q=0.17m3/min 转速 n=2840r/min 1.2 空气压缩机的结构及工作原理 空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）
3、的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。 空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机，速度式压缩机，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。 本机属于容积式空气压缩机。 往复式空气压缩 机主要有曲轴连杆活塞式、曲柄连杆活塞式和曲柄滑管式三种形- 2 - 式。其主要由活塞、气缸、曲轴、连杆、吸气阀片和排气阀片等组成。连杆小头主要通过活塞销与活塞相连，而连杆大头套在曲轴的曲轴柄部分，曲轴由带轮带动旋转，气缸顶部
4、安装有阀板组件。活塞在气缸中主要通过做往复直线运动来完成对空气的压缩，而压缩机每完成一次对空气的压缩，需要经过压缩、排气、膨胀和吸气四个过程。 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 图 1.1 压缩机工作原理图 当活塞式压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞式压缩机的活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小
5、，气体压力升高，当气缸内压力达 到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞式压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。 图 1.2 往复式压缩机的示意图及工作过程 图 1.2 中的四个过程分别表示了压缩机工作中的四个过程。 - 3 - 到最低位置 (称活塞的下止点 )时，汽缸吸满气体。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，气体被压缩，一直压缩到排汽压力为止。图中 (b)为排汽过程 ：当压力达到一定值 (大于排汽管内压力
6、)时，排汽阀开启，活塞继续上移，气体排出，一直到活塞上移到最高位置 (这位置称活塞的上止点 )时，排汽结束。图中 (c)是余隙膨胀过程：为了防止活塞与吸排汽阀碰撞，活塞上移到上止点时，活塞与汽缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排汽结束时留在余隙内的高压气体阻止吸汽阀开启，吸气不能开始。这时余隙内的气体随着活塞下移而进行膨胀，一直膨胀到吸气压力以下时才结束。图中之 (d)是吸气过程：吸汽阀开启，随着活塞往下运动而吸汽，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止。 1.3 活塞 式 压缩机特点 优点： 1 、适用压力范围广，不论流量大小，均能达到所需压力； 2 、热效率高，单位耗电量少
7、； 3 、适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔的压力范围和制冷量要求； 4 、可维修性强； 5 、对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉； 6 、技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验； 7 、装置系统比较简单；缺点： 1 、转速不高，机器大而重； 2 、结构复杂，易损件多，维修量大； 3 、排气不连续，造成气流脉动； 4 、运转时有较大的震动。随着工业 的发展，活塞式压缩机的使用日趋广泛。主要应用于采矿、冶金、石油、化工、机械、建筑等部门。 2 空气压缩机热力计算 2.1 热力计算的目的 压缩机的热力计算是以热力学理论为基础，根据气体的压力、容积和
8、温度之间存在的一定关系，结合压缩机具体的工作特性和使用要求进行的。其目的是要求得最有利的热力参数（如各级的吸排气温度、压力和所耗功等）和适宜的主要结构尺寸（如活塞行程、气缸直径等）。 压缩机热力计算常用的方法有常规热力计算、工作过程的模拟计算和优化设计计算等。本次课程设计采用常规热力计算方法。常规热力计算是采用简化的 热力学方程，根据已知压缩机吸入气体的热力参数（压力、温度、相对湿度等）、容积流量、排气压力及其他一些条件和使用中的一些要求，确定压缩级数、工作容积、转速、结构尺寸（如- 4 - 气缸直径、行程等）、多级压缩机的级间压力和温度、功率和效率等，这种计算即为设计性热力计算。对压缩机的热
9、力过程进行分析计算，这是设计压缩机时必须进行的。 压缩机结构型式与方案选择。 1.首先计算总压力比，选择级数，然后根据排气量、级数及压缩机用途等选择合理的结构型式及各级气缸的布置方案； 2.确定各级压力比分配，初步估算排气温度； 3.计算并确 定各级的诸系数如： v、 p、 T、 l、 0 和等； 4.计算各级行程容积及缸径； 5.计算各列最大活塞力、功率及压缩机效率； 6.确定驱动机功率并选定驱动机。 2.2 活塞行程与气缸直径的确定 根据往复式空气压缩机的实际工作情况，可以取活塞的相对余隙容积为： c=3%,膨胀指数 m=1.4,压力比 = =8 则： 容积系数： v= （ -1） =1-
10、0.03（ -1） =0.8975 （ 2-1） 压力系数： p =1- Ps=1- 0.05=94% （ 2-2） 式中 Ps/Ps是影响压力系数的主要因素， Ps/Ps=0.05 0.30 温度系数：考虑到排气压力较高，进气压力损失较大，机器运转速度高以及气缸不易冷却等因素，取 t=0.85 泄露系数： l=0.98 容积效率： = v p t l=0.8975 0.94 0.85 0.98=0.7028 （ 2-3） 气缸工作容积： = = =85.17 （ 2-4） 确定缸径 D、行程 S和工作容积 ： 一般（ ） =0.4 0.8,取 0.7， 由 = D2S= D3得 （ 2-5）
11、 - 5 - D= =5.38cm=53.8mm （ 2-6） 选取实际缸径 D=52mm 活塞行程 S=0.7D=0.7 52=36.4mm （ 2-7） 所以压缩机的实际工作容积 = D2S= 522 36.4=77.26cm3 2.3 压缩机功率与效率计算 2.3.1 绝热压缩的指示功率 =1.309 i n Ps S D2 （ 2-8） 式中 是吸排气过程中平均相对压力损失之和： （ 2-9） 参考已有资料，取 =0.115 则 0=0.2115， =988.70W 2.3.2 理论绝热压缩功率 取进气温度 = =25 摄氏度， =273+25=298K,排气温度 td=170 摄氏
12、度，Td=273+170=443K 由 工程 热力学附录 7 得： 进口状态下空气的焓值 =300.43 ,压缩终了的焓值 446.83 压缩机进口处的比容 : = = =0.855 （ 2-10） 输气系数 =0.7028 实际质量输气量 = / =0.7028 3.66 /0.855=3.008 kg/s 理论绝热压缩功率 = =440.37w （ 2-11） - 6 - 2.4 功率计算 指示功率 = =440.37/988.70=0.45 （ 2-12） 摩擦功率 取平均摩擦压力 =0.3=0.3 = = =86.62w （ 2-13） 理论容积输气量 = in S/60=3.66 /
13、s （ 2-14） 轴功率 = =988.70+86.62=1075.32w （ 2-15） 机械效率 = / =988.70/1075.32=0.919 （ 2-16） 轴效率 = =0.45 0.919=0.414 (2-17) 电效率 取电动机的效率 =0.85， 电效率 = =0.414 0.85=0.352 (2-18) 电功率 = / =440.37/0.352=1251.1w (2-19) 由此可选用功率为 1500w 的单相 异步电动机作为它的动力。 3. 空气压缩机的动力计算 3.1 曲柄连杆机构的运动关系 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
14、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。这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。 动力计算的任务是计算压缩机中的作用力，分析压缩机的动力平衡性能，确定压缩机所需的飞轮矩，解决惯性力和惯性力矩的平衡问题。 动力计算的任务是计算压缩机中的作用力，分析压缩机的动力平衡性能，确定压缩机所需的飞轮矩，解决惯 性力和惯性力矩的平衡问题。 (1)压缩机中主要作用力的求解 压缩机中的主要作用力有气体连杆机构运动时产生的惯性力和相对运动表面间产生的摩擦力。根据各力间的相互关系，得出压缩机中的综合活塞力，分析综合活塞力对- 7 - 压缩机的作用效果； (2)
15、确定飞轮矩 通过计算各列的切向力值，作出切向力图及幅度面积向量图，求得压缩机所需的飞轮矩，解决驱动力矩与阻力矩之间的不均衡问题，以保证压缩机运转均匀，从而减小电机和电网的电流、电压波动幅度。 (3)动力平衡性能分析 往复压缩机中的惯性力和惯性力矩是外力，它的大小 和方向均随曲柄转角作周期性的变化，若在机器内部没有相应的平衡力和平衡力矩与之相平衡，则会导致压缩机的振动，并且还会传给基础。为了确保压缩机的平稳安全运转，应力求惯性力和惯性力矩在机器内部的完全平衡。 3.2 活塞的运动 压缩机的曲柄连杆机构在进行动力分析时，往往简化成如图 3.1 所示。即主要运动不见简化为单独的质点，分别为活塞的往复
16、直线运动及曲柄梢部分的等速圆周运动。 图 3.1 曲柄连杆机构的运动图 图中 X轴与气缸轴线重合， Y轴与 X 轴 垂直。 O 点为曲轴旋转中心， OA 代表曲轴，AB代表连杆 ， A 点代表曲柄梢中心，而 C 为活塞外止点时的活塞销中心位置， D 点为活塞内止点时的 活塞销中心位置 。 活塞的位移从 外止点 C算起时为 x,长度为 L 的 连杆与气缸中心线的夹角为 ，曲柄的转角为 。从图上的几何关系可以得出： 活塞位移的近似公式： X=r（ 1- ） + （ 1-cos ） (3-1) 在空气压缩机中， 通常在 1/3.5 1/6 的范围内，取 =1/5 有热力计算可知： S=36.4mm,
17、S=2r,则 r=18.2mm,l=91mm - 8 - X=18.2(1- )+18.2/16(1- ) (3-2) 活塞速度的近似公式： =rw( ) (3-3) W= = =297.25rad/s (3-4) r=18.2mm=0.0182m, 则 =0.0182 297.25( + ) (3-5) 活塞的加速度 a=rw2( + )m/ (3-6) 曲柄梢的加速度 =rw2m/s2 3.3 连杆的质量转化 把连杆质量 的一部分集中在活塞销中心 B 点为 ,集中在曲柄销中心 A 处的为,如图 3.3 所示 图 3.2 连杆简图 根据图 3.3，运用大学物理知识得， = + , = 得出
18、= , = (3-7) 根据已有连杆的统计结果， =(0.3 ) , =(0.6 ) 活塞、活塞销等零件只做往复运动，可认为其质量集中在 B 点，用 表示。 曲拐部分做旋转运动，可认为曲轴、曲柄销的质量集中在 A 点，用 表示。 综上，整个运动机构的 总往复质量为 = + (3-8) 总旋转质量为 = + (3-9) - 9 - 3.4 计算活塞力 压缩机中的气体力 、往复惯性力 和摩擦力 三者的代数和为活塞力 . = + + (3-10) 3.4.1 气体力 取进、排气压力的损失分别为 0.05, =0.10 进气过程气体力： = (1- ) =0.1 1-0.05 =201.65N 排 气
19、 过 程 的 气 体 力： = 1+ =0.8 1+0.10 =1867.92N 3.4.2 往复惯性力 = rw2 =1334.73N (3-11) 式中 = = =0.83Kg 在止点位置停车时， = - =1666.27N (3-13) 3.4.3 摩擦力 = = =15.17N (3-14) 4. 空气压缩机结构设计 V-0.17/8 空气压缩机的结构是将两列气缸相错 600安装在机体上，机体用螺栓固定在储气罐的支撑板上，电机的四个机 脚也用螺栓固定在储气罐的支撑板上，传动方式为皮带传动，大带轮带动曲轴旋转，进而使曲柄连杆 机构做往复直线运动。曲轴的固定由角接触球轴承、端盖及挡圈来完成
20、。 外部形状如下图所示： - 10 - 图 4.1 4.1 活塞设计 活塞是活塞式压缩机的一个主要零件，它与气缸配合形成压缩容积。活塞设计的好坏与压缩机的性能（如排气量）有很大关系。活塞与活塞环、刮油环、活塞销等零件组成活塞组件。 活塞 设计时必须满足 的要求是： （ 1）具有足够的刚度和强度 ； （ 2）导热系数高。活塞在气缸中压缩气体时，高温的气体将热量传给活塞，因此要求活塞的导 热系数高，尽快的将热量传给气缸体，通过气缸体向外放热，这样可以降低活塞的温度，提高输气系数。 （ 3）耐磨性好，热膨胀性小； （ 4）工艺性良好， 价格低 。 设计时应使同一系列的压缩机的活塞大部分尺寸相同，这样，加工非常方便。材料上讲，铸铁价格低，热膨胀系数小，有良好的耐磨性；采用粉末冶金活塞，可以减少加工量和加工工序，节约工时，使制造成本降低。 （ 5）铸造性能良好，重量轻。 以减少往复惯性力。 图 4.2 连杆式压缩机使用的活塞
