1、 I 摘 要 随着国民经济的快速发展，压缩机已 经 成为众多部门中的重要通用机械。压缩机是压缩气体提高气体压力并输送气体的机械 ，它 广泛应用于石油化工、纺织、冶炼、仪表控制、医药、食品和冷冻等工业部门 。在化工生产中 ， 大中型往复活塞式压缩机及离心式压缩机则成为关键设备。本次设计的压缩机为 空气 压缩机，其型号为 D 30/8。 该类设备属于动设备 ，它为对称平衡式压缩机， 其 目的 是为生产装置和气动控制仪表提供气源 ，因此本设计对生产有重要的实用价值。 活塞 式 压缩机是空气压缩机中应用最为广泛的一种 ， 它是利用气缸内活塞的往复运动来压 缩气体的 ， 通过能量转换使气体提高压力的主要
2、运动部件是在缸中做往复运动的活塞，而活塞的往复运动是靠做旋转运动的曲轴带动连杆等传动部件来实现的 。 本文通过 依据工艺条件对 活塞式压缩机 进行了 热力计算 ， 通过确定气缸直径、计算活塞力、复算排气量、计算压缩机功率并 选择 驱动 机 ；依据活塞式压缩机设计规范 对 气缸 组件 和连杆组件进行了详细的 结构 设计 和机械强度计算与校核； 通过采用最新国家标准和行业标准 对 压缩机的 主要零部件 及压缩机辅助设备进行了选型设计， 按照一定要求和步骤对压缩机进行安装和维护。 在保证压缩机安全平稳运转的前提下，尽量 使设计达到经济、环保、高效的目的。 关键词：活塞 式 压缩机；结构； 设计 ；
3、强度 校核；选型 II Abstract With the rapid development of the national economy, the compressor has become an general machinery which used in numerous sections. The compressor is a machine which used to compress the air to increases air pressure and transport the gas, it can widely applied to petrochemical
4、industry、 weaving、 smelting、 metallurgy、 instrument control、 medicine、food and frozen and other industrial departments.In chemical industry production, large and medium scale reciprocating compressor and centrifugal compressor then become critical equipment. The compressor which we design this time
5、is a “air compressor ”. Its model number is D30/8. This kind of equipment belongs to moveing equipment, it is the balanced opposed compressor. This device is intended for production equipments and pneumatic control instrument to provide gas source. The piston compressor is the one which is the most
6、widespread applied in the air compressor. It is the use of reciprocating piston within the cylinder to compress the gas to increase gas pressure. The main moving part through the energy conversion to enhance the pressure is the piston which makes reciprocal motion in cylinder, piston of the reciproc
7、ating motion is done by rotating the crankshaft connecting rods and other drive components to achieve the transmission.Therefore, this design has a important role to the production. This article carries on the thermal design which is based on the technological conditions to the reciprocal compressor
8、. the determination of cylinder bore、 the computation of piston force、 recalculation of the air displacement and selection of the electric motor. It also identifies structure and materials of the air cylinder group and connecting rod assembly to meet the technological requirements which based on the
9、 reciprocal compressor design standard. By using the latest national standards and industry standards the main parts of the compressor and auxiliary equipment carry on the selection design, and it accords to certain requirements and steps to install and maintain the compressor. Under the premise of
10、ensuring safety and smooth operation, the compressor tries to achieve the purposes which is economic、 environmental、 efficiency. Keywords: piston compressor; structure; design; strength check; model selection III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 引 言 . 1 1.1 压缩机的作用及用途 . 1 1.1.1 压缩机的作用 . 1 1.1.2 压缩机的用途
11、 . 1 1.2 压缩机的国内外发展历史 . 1 1.2.2 压缩机的国内发展历史 . 1 1.2.2 压缩机的国外发展历史 . 1 1.3 本次设计的介绍 . 1 第 2 章 压缩机的总体设计 . 错误 !未定义书签。 2.1 主机结构方案的选择 . 错误 !未定义书签。 2.1.1 结构型式的选择 . 错误 !未定义书签。 2.1.2 级数的选择及压力比分配 . 错误 !未定义书签。 2.1.3 列数的选择及气缸的排列 . 错误 !未定义书签。 2.2 主要结构参数的确定 . 错误 !未定义书签。 2.3 驱动机的选择 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 热力计算 . 10 3.1 原始
12、数据 . 10 3.2 热力计算 . 10 3.2.1 总名义压力比 . 10 3.2.2 各级压力比分配 . 11 3.2.3 各级名义压力 . 11 3.2.4 各级排气温度 . 12 3.2.5 各级排气系数 . 13 3.2.6 各级气缸的行程容积 . 15 3.2.7 各级气缸直径 . 16 3.2.8 各级名义压力及温度修正 . 16 3.2.9 活塞力 . 18 3.3 复算排气量 . 20 3.3.1 复算 . 20 3.3.2 第一次复算 . 22 IV 3.3.3 复算排气量 . 23 3.4 压缩机功率 . 24 3.4.1 指示功率 . 24 3.4.2 轴功率 . 2
13、5 3.4.3 电机功率 . 25 3.4.4 电动机型号 . 25 3.4.5 比功率 . 26 第 4 章 活塞组件设计 . 27 4.1 结构形式及选材 . 27 4.2 活塞的设计 . 27 4.2.1 设计计算 . 28 4.3 活塞环选材及设计 . 31 4.3.1 选材 . 31 4.3.2 设计计算 . 32 4.4 活塞杆选材及校核 . 35 4.4.1 选材 . 35 4.4.2 稳定性校核 . 35 4.4.3 凸台比压校核 . 37 4.4.4 静强度 和疲劳强度校核 . 38 第 5 章 连杆组件机械设计 . 44 5.1 结构型式及材料的确定 . 44 5.1.1
14、结构型式 . 44 5.1.2 材料 . 45 5.2 结构设计 . 47 5.3 强度校核 . 51 5.4 连杆螺栓的设计 . 57 5.4.1 主要尺寸的确定 . 57 5.4.2 连杆螺栓的计算 . 59 第 6 章 压缩机主要零部件选型 . 65 6.1 活塞组件 . 65 6.2 气阀组件 . 65 6.3 冷却系统 . 65 6.4 润滑系统 . 65 V 6.5 气量调节系统 . 65 第 7 章 结 论 . 66 参考文献 . 67 致 谢 . 68 1 第 1 章 引 言 1.1 压缩机的 作用及 用途 1.1.1 压缩机的 作用 压缩机是压缩气体提高气体的压力并输送气体的
15、机械。 1.1.2 压缩机的用途 压缩机 的用途极为广泛，遍布工农业、交通运输、国防甚至生活的 各个领域。按照气体被压缩的目的，大致可区分为如下四类： 我国的压缩机设计制造技术也有了长足进步， 在某些方面的技术水平也已经达到国际先进水平 6 。 1.2 压缩机的国内外发展历史 1.2.2 压缩机的 国内发展历史 1.2.2 压缩机的国外发展历史 1.3 本次设计的介绍 2 第 2 章 压缩机 机组结构设计 2.1 主机结构设计 2.1.1 结构型式 压缩机型式的基本特征是压缩机汽缸中心线的空间位置，按照汽缸中心线的位置，活塞式压缩机可分为立式、卧式与角式三大类，每种又可分为有十字头与无十字头两
16、种，这些型式各有优缺点，适合 于不同的场合。 2.1.2 级数及气缸 (1)压缩机的列数 压缩机的列数是指气缸中心线数或连杆数，有单列与多列之分。从动力平衡的角度看，多列机可以得到较好的惯性力平衡性与切向力均匀性，所以机器转速可较高，基础也可较小；功率相同的机器，列数多者的活塞力小，运动机构就轻巧，而且每列串的级数较少，拆装也方便。但列数过多则结构复杂，易损件数量与泄露点增加，所以压缩机的列数是由机器的型式、排气量、级数与活塞力的大小等综合考虑要决定的。通常活塞力（ 2 22） N410 时， 取 2 4列 ；所以本设计取 2列。 级在列中的配置原则是指级在各列中以及在一个列中的排列次序，它是
17、列数确定后对结构方案影响最大的因素。 (2)级的配置原则 应争取各列内外止点时的最大活塞力的相等 对某一刻，这个要求可用运动机构利用系数 来表示，系数接近 1最好，这时活塞往返行程的最大活塞力接近，曲柄连杆机构的强度在往返行程中得到充分利用，从而机构重量轻，惯性力小，机械效率也高。而且由于往返行程的功耗相近，切向力也较均匀，飞轮也可作地小些。一列中配一级时，作成双作用缸时的 较大。 力求泄漏最小 3 泄漏取决于密封压差、密封周长、间隙及润滑剂等，所以相邻两缸的级次应相近，以减少压差，降低泄露，高压级尽量设在盖侧，这样填料设在低压侧，所以泄露也可以减少。 应注意降低流动损失和减少气流脉动 同一级
18、设有几个缸时，应让各缸的吸气和排气按时间错开，以减少级间管道与设备中的气流脉动。 根据参考书 1表 1-3，选择压缩机的级数为 2级，每缸都是双作用。 (3)气缸形式 气缸是构成工作容积实现气体压缩的主要部件。在气缸设计时，除了考虑强度、刚度与制造外，还 应注意以下几个问题： 气缸的密封性、气缸内壁面耐磨性以及气缸、填料的润滑性能要好。 通流面积要大，弯道要少，以减少流动损失。 余隙容积要小，以提高容积系数。 冷却要好，以散逸压缩气体时产生的热量。 进排气阀的阀腔应被冷却介质分别包围，以提高温度系数。 应避免温差应力引起的开裂等。 按冷却方式分，有风冷气缸与水冷气缸；按活塞在气缸中的作用方式分
19、，有单作用、双作用及级差式气缸。 本设计采用双作用水冷式气缸结构，其中第一级和第二级均为水平列，气缸轴线夹角和曲轴错角均为 180，即对动式结构。 2.1.3 参数的确定 压缩机的主要结构参数是转速 n 、活塞平均速度 mC 、活塞行程 S ，它反映了机器的结构面貌和工作特征，三者的关系是 smSnCm /,602 （ 2-1） 式中： mC 活塞平均速度， sm/ ； n 转速， sm/ ； 4 S 活塞行程， m 。 (1)转速 n 设计压缩机时，同样的排气量，转速取得高，则机器的尺寸小，重量轻，并有可能与电机直联，占地面积小；电动机也是如此，同样功率的电机，转速高的尺寸小，价格也便宜，所
20、以转速高的压缩机机组总的经济性好些，正因如此，现代压缩机的转速趋向于提高。 但提高转速需克服一系列 的设计、制造与材料方面的问题，如会使惯性力过大而引起机器振动加剧；转速过高会使易损件寿命降低，比如使活塞环、填料、十字头、连杆轴瓦等的磨损加快，特别是气阀阀片的寿命与转速的提高成反比例降低；转速的提高还使气流通道与气阀中的阻力增加等。 另外，若转速增加使得惯性力超过最大活塞力，则运动机构的设计将以最大惯性力为依据，这样的运动件，其强度在压缩机工作过程中得不到充分利用，机器笨重，浪费材料。 根据参考书 1表 2-10，取压缩机的转速 400n rpm (2)活塞平均速度 mC 转速提高导致活塞平均
21、速度提高，而活塞平均速度的增加又会使易损件的寿命低并增加摩擦功耗，这是因为 mC 提高则单位时间内活塞环、十字头、填料等在单位时间内的摩擦距离增加了；另一方面，活塞平均速度的提高还会导致气流通道的尤其是气阀的阻力增加，所以活塞的平均速度也有一个限值范围；对于采用环状阀的压缩机 smC m /5.45.3 ，大型机取下限；对迷宫压缩机，为减少泄露 smCm /54 ；聚四氟乙 烯密封环压缩机考虑到活塞的寿命，smCm /45.3 超高压压缩机为了保证摩擦副的耐久性， smCm /5.2 ；乙炔压缩机从安全考虑， smCm /1 。 smSnCm /,602 本设计 3.2 /mC m s 。 (
22、3)活塞行程 S 5 转速与活塞平均速度确定后，行程可由 1式 1-222确定，但还应考虑其他因素，如行程应按压缩机的三化标准取标 准值；如要考虑压缩机的结构特点，立式及角度式机行程宜取得比卧式机小些，以免高度太大；另外，还有一个行程与第一级缸径比的取值问题；若取得太大，则机身较长而笨重；若取得过小，则活塞直径过大使活塞力太大，运动机构也将变得笨重，而且虽然气缸直径大、气阀安装方便，但过大又会使气缸接管安装空间减少，还影响到热交换与泄露等等。 根据参考书 1式 1-222取 240S mm 。 2.2 辅助设备设计 压缩机的辅助设备包括，润滑、冷却、气量调节、管路与管路附件等，它们对压缩机的运
23、行有十分重要的关系 。 2.2.1 冷却系统 活塞式压缩机冷却系统由中间冷却器、气缸和填料的水套、润滑油冷却器、后冷却器、水管路以及其他附件组成。 (1)冷却系统的配置原则 保证进入中间冷却器的水温，在系统中为最低；而气缸和填料水套的进水温度不应过低。风冷式压缩机，最冷空气要先进入冷却器，故多为吸风式。 经济性好，即系统耗水量小，管路简单。 运行时检视和调节水量方便。 (2)冷却系统配置的基本方案 本设计采用串联水冷系统。冷却水首先进入中间冷却器，然后依次进入气缸水套，最后经后冷却器排除。 串联冷却系统适用于两级压缩机，三 级以上不予应用。它的优点：耗水量小，管路简单，检视和调节水量、水温的装置较少；缺点是：导管截面尺寸较大，安装不便，特别是各冷却部分不能单独调节，当密封性受破坏时，气体泄入冷却水中，无法检视其破坏位置。 (3)冷却给水要求
