1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 高压直联便携式压缩机（简称高压直联机）具有重量轻、体积小、节能效果好的特点，并且高压直联压缩机的研究和开发可以很 好的促进小型高压气动工具的更新换代，使之较大程度的减轻机身重量和人工的工作强度，提高工作效率。当今高压直联压缩机在国内还没有得到很大范围的运用，对其的一些重要参数进行研究，可以使我们在更大程度上了解高压直联压缩机的知识，并且加速运用在各种气动工具上，使之得到更大范围的运用。 建立高压直联便携式压
2、缩机的瞬态热力学数学模型，在此基础上进行 C 语言或 Matlab 编程，进行程序仿真；保证排气量一定，依次改变一些重要参数，从而得到最优的功率；在排气量一定的情况下，对阻力矩波动进行分析。 由于目前按稳态等压比设计高压直联 压缩机的局限性，本文提出了瞬态过程分析的新方法，建立了高压直联压缩机的瞬态过程数学模型，并对瞬态过程进行了 Matlab 的仿真分析，在排气量一定的情况下，求得仿真过程中瞬态功率的最优值。 在建立的瞬态数学模型的基础上，对压缩机的瞬态功率进行模拟仿真，对高、低压缸的直径，高低压端行程进行改变，比较三种不同气缸布置的高压直联机，从而求出最优的瞬态功率。 关键词 ：压缩机，瞬
3、态功率，优化，仿真 II The instantaneous power calculate and optimize of a directly-driven high pressure portable air compressor Abstract The directly-driven high pressure air compressor has the characteristic of light weight ,small volume and good energy saving result .the study and develop of the directly-d
4、riven high pressure air compressor can well promote the replace the small-sized high pressure tool with a new generation ,also can relatively large extent to lighten the weight of the machine. Can lighten the work strength of manual work , improve the work effcienty . The directly-driven high pressu
5、re air compressor has not applied in large scope in internal, the study of its parameter can in more level to know the knowledge of the directly-driven high pressure air compressor, and apply on different kind of high pressure tool. Established thermodynamic model ,on the based of the C programming
6、language or Matlab program simulation; on this basis, to ensure that displacement will get the minimum power; in the displacement of certain circumstances, the analysis of resistance torque fluctuation analysis Moment of resistance on speed fluctuations. Such as by steady-state due to the current hi
7、gh-voltage direct-pressure ratio compressor design limitations, this paper presents a new transient process analysis method, a transient high-pressure direct-mathematical model of the compressor, and the transient process was Matlab simulation analysis, in some cases displacement, the simulation pro
8、cess of seeking the optimal value of the transient power and speed fluctuation of the resistance moment of impact analysis. Transient in the establishment of mathematical model based on the power of the compressor to simulate the transient simulation of high pressure cylinder diameter, high pressure
9、 cylinder of the connecting rod length, exhaust pressure and uneven bars after the change the itinerary, find the most Excellent transient power. Keywords: compressor， transient power， optimization， simulation III 目录 摘 要 . I Abstract . II 目录 . III 1绪论 . 1 1.1研究背景及意义 . 1 1.2 国内外的发展现状 . 2 1.3 Matlab软件
10、进行仿真 . 3 1.3.1 Matlab软件简介 . 3 1.3.2 Matlab软件的优势 . 3 2 压缩机的基本理论 . 4 2.1 直联压缩机的工作过程 . 4 2.1.1 余隙系数和容积系数 . 4 2.2 直联压缩机的主要性能参数 . 4 2.2.1 排气量 . 5 2.2.2 轴功率与效率 . 6 2.3 高压直联机阻力距计算 . 6 2.3.1 高压直联机阻力距的定义 . 6 2.3.2 气体力的计算 . 6 2.3.3 惯性力的计算 . 7 2.3.4 摩擦力的计算 . 7 3建立高压直联机 的瞬态功率模型 . 9 3.1引言 . 9 3.2 建立瞬态热力学模型 . 9 3
11、.2.1高低压缸分别处于压缩或膨胀阶段 . 10 3.2.2 低压缸处于吸气阶段 . 11 3.2.3 低压缸处于正常排气阶段 . 11 3.2.4 高压缸处于正常吸气阶段 . 14 3.2.5 高压缸处于正常排气阶段 . 14 3.2.6 低压缸排气和高压缸进、排气阀均打开阶段 . 15 3.2.7 低压缸排气、高压缸进气阀打开阶段 . 16 3.3 高压直联机的输入功率、输出功率计算 . 16 4高压直联机瞬态功率仿真计算及优化 . 18 4.1高压直联机瞬态模型的建立及仿真特性的实现 . 18 4.1.1 高压直联机的瞬态仿真建立 . 18 4.1.2 高压直联机的仿真模型的特性实现 .
12、 19 4.1.3整机效率 . 19 4.2 高压直联压缩机瞬态功率仿真 . 20 4.2.1高、低压缸直径对瞬态功率的影响 . 21 4.2.2 不同高、低压端行程对瞬态功率的影响 . 22 4.2.3 三种不同气缸布置方式对瞬态功率的影响 . 24 IV 4.2.4 阻力矩与时间的关系 . 26 4.2.5 电机转速与时间的关系 . 27 4.2.6 电机转角与时间的关系 . 28 4.3 瞬态功率的优化 . 29 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 错误 !未定义书签。 高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1640年德国成功研制出第一台
13、压缩机， 1952年沈阳空气压缩机厂成功制造第一台流量为 6 3m /min压力为 0.68MPa空气压缩机 1。空气压缩机是把机械能转换为气体压力能的一种动力装置 2，在国民经济和国防建设的许多部门中应用极为广泛，特别是在石油、化工、动力等工业领域中已成为必不可少的关键设备 3-5，其主要应用于：在化工生产过程中，为保证某些合成工艺能在高压下进行，通过压缩机把气体加压到所要求的压力，如合成氨生产中将原料气要加压到 32MPa，高压聚乙烯的聚合反应要求把乙烯加压到 200MPa以上，此外制冷和气体分离也离不开压缩气体；在机械、国防和动力工业中常采用压缩空气作为驱动动力，压缩机是提供压缩空气的关
14、键设备，如利用压缩空气来驱动的各种风动机械 6-7、风动工具要求空气压力为 0 7Mpa，用于控制仪表及自动化装置上的气源压力为0 6Mpa，车辆刹车、门窗启闭要求压力 0 3Mpa左右，此外潜水艇的沉浮、鱼雷的发射驱动 都需要压缩空气；在石油、化工医药生产中为输送原料气体采用压缩机增压输送，如远程天然气管道输送、石油化工生产中许多原料气的输送、为了使系统内未反应气体循环利用采用循环压缩机增压等 8。因此压缩机和泵、风机以及电动机一起，被认为是衡量一个国家机械工业发展状况和水平的标志之一 9。 据有关部门的统计，空气压缩机的能耗占全国总发电量的 10%左右 10，可见减低压缩机的能 耗，提高压
15、缩机的效率，对于国家节能减排 11政策，保护环境具有巨大的意义，且对我国刚制定的“十二五”规划的能源政策也有着重要的意义。出于成本考虑，我国目前普遍采用普通的异步感应电动机来驱动，成本低且可靠稳定，但是小功率电机通常效率低下，造成能源浪费严重，因此国家发改委的节能中长期规划中将压缩机系统的节能优化改造列为“十一五 ” 期间重点推广项目12。 由于空气具有良好的可压缩性和膨胀性，适宜做能量传递中的介质 13，输送方便不易凝结，对人没有害处，对环境也没有污染，且不会起火，到处都有，取之不尽用之不竭 ，所以空气作为主要动力源的设备，在市场上普遍的占据了很大的份额，比如在气镐 14，凿岩机，气枪等等气
16、动工具中的运用，为微型压缩机开辟了新的广阔的市场空间 15。便携式压缩机作为微型压缩机中的重要组成部分，由于其重量轻，便于携带，且可用单项电源工作，越来越被大家所喜爱和接受，主要用在小型的气动工具上。 综观近代压缩机技术的发展可知，它的前进是与其他相关行业的发展进步分不开的，直联便携式压缩机的生产发展同样也不例外，目前大部分气动工具如气高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 2 钉枪之类，由于其动力源较弱，也就是起源的压力不够高，只能设计成比较笨重的模样，致使操作者的劳动强度很大。很自然的，人们要求改善这些气动工具，要求他们更加轻巧，灵便，最直接，也是最简便的方法就是提高气源的压力。对于高压气
17、动工具而言，由于动力源更加强劲，其结构可以设计的更加轻巧，从而降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率 6。随着科学技术的发展，气钉枪等气动工具也是在不断地更新，使其更加的高效、灵巧、实用，所有的这些要求的是高压直联机。 在当今世界，科技的发展越来越快，产品的变革也是突飞猛进，不过发展的目标都是朝着技术或者产品的从无到有，从有到优的发展。所以对已有的产品进行优 化是已经摆在现代企业面前的一个难题。压缩机作为国民生活中的一种必不可少的工具已服务在人们生活中的方方面面 17，降低其能耗，不但可以节约能源，还可以保护环境，所以压缩机的功率优化作为减低压缩机的能耗亟待被人们所解决。压缩机的功率又不能从
18、理论上的稳态模型来计算，这样的会造成理论值和实际值相差太大 18，所以功率优化的目标是得到压缩机的瞬态功率，并将其优化，这就是本次论文所要解决的问题 19。 1.2 国内外的发展现状 国外往复式直联压缩机的发展方向是大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可塑 性好、排气净化能力强 20；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，可以使气阀寿命大大提高；在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等 21，提高计算准确度，通过综合模拟模型预测压缩机在实际工况下的性能参数，以提高新产品开发的成功率。采用计算机自动控制，自动显示各项运行参数，实现优化节能运行状态，优化
19、联机运行，运行参数异常显示、报警与保护 22；产品设计重视工业设计和环境保护，压缩机外型美观更加符合环保要求 23。 我国在压缩机领域的主要差距是基础理论研究差，产品技术开发能 力低，工艺装备和实验手段落后，产品技术起点低，规格品种少、效率低、制造质量可靠性差。另外，技术含量高和特殊要求的产品还满足不了国内需要 24，重大设备的软件技术开发基本上停留在模仿的水平上，具有自主知识产权的专有技术少，设备开发做不到专业化、标准化、系列化，设备的可靠性还有待进一步提高。产品可靠性好，效率高，噪声低以及成本低的压缩机，是所有压缩机生产企业不断追求的目标，为了满足生产建设和技术改造的需要，变模仿开发到自主
20、开发，形成一批具有自主知识产权的装备、技术，以适应石化生产工艺的快速发展。满足高温、高压 、易燃、易爆、易腐蚀和长周期运转条件，跟踪世界先进技术，加快技术更新步伐，加大科技投入，以此来全面提升企业在国际市场的竞争能力 25。 直联便携式直联空气压缩机（简称直联机），是一种压缩机与电机同轴并组高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 3 合在一起的高速轻便微型空气压缩机，由于重量轻，便于携带，且可用单相电源，而受到个人用户的喜爱。 1993 年以前，国内市场上的直联机绝大部分是从意大利进口，售价约为 1800 元 /台，年销售量约为 12 万台。 1993年后，国内开始制造，售价约 1500 元
21、/台，年产量约 25千台，外观及性能与国外进口机相比存在相当的差距。 1995年后，随着国内铝件铸造水平的提高以及成本的降低，厦门一带的厂家开始大批量生产直联机 26。 1996年后，生产厂家越来越多，经过十年的发展，其制造水平已达一定水准，有相当一部分出口到欧美地区 27。 1998年以前，直联机一直没有专用标准，生产、制造、验收基本上是参照微型压缩机标准 28，而微型压缩机标准是针对低速机型而定，其性能指标主要追求低能耗、低噪声等，而对轻便、适用单相电源、价格等没有什么要求。显然用微型机的标准来衡量直联机的优劣不太合适 29。针对这种情况，合肥通用所组织 有关厂家制定了直联机专用标准，为行
22、业提供了衡量产品性能的依据，为活塞式直联机的发展打开了合理的空间，同时也为其它类型的直联机发展提供参考。标准中引入了一些家用品的要求，如外观、安全、插头等，主要引用标准除微型机常用标准外，还引用了 GB4706.1、 JB/T1011、 JB/T9542等 30。 1.3 Matlab 软件进行仿真 1.3.1 Matlab 软件简介 MATLAB是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks公司出品的商业数学软 件 ，用于算法开发、数据可视化、数据 分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB和 Simulink两大部分 31
23、-32。 1.3.2 Matlab 软件的优势 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工 程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB来解算问题要比用 C， FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且 mathwork也吸收了像 Maple等软件的优点 ,使
24、MATLAB成为一个强大的数学软件。 33-34 高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 4 2 压缩机的基本理论 2.1 直联压缩机的工作过程 图 2-1 直联压缩机的工作示意图 1、 气缸 2、活塞 3、连杆 4、曲轴 5、排气阀 6、吸汽阀 7、曲轴箱 直联压缩机又称活塞式压缩机。压缩机的工作腔是气缸。活塞在气缸内作上下往复运动，从而完成了压缩、排汽、膨胀、吸汽等过程。图 2-1为直联压缩机的工作示意图，图 中的四个过程分别表示了压缩机工作中的四个过程 35。 图 (a)为压缩机的压缩过程：当活塞运动到最低位置 (称活塞 的下止点 )时，气缸吸满蒸气，而活塞转而向上。这时吸、排气门都关闭
25、，气缸容积缩小，蒸气被压缩，一直压缩到排气压力为止。图中 (b)为排气过程：当压力达到一定值 (大于排汽管内压力 )时，排气阀开启，活塞继续上移，蒸气排出，一直到活塞上移到最高位置 (这位置称活塞的上止点 )时，排气结束。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，活塞与气缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排气结束时留在余隙内的高压蒸气阻止吸气阀开启，吸气不能开始。这时余隙内的蒸气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 (d)是吸气过程：吸气阀开启，随着活塞往下运动而吸气，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止 36。 2.
26、2 直联压缩机的主要性能参数 2.2.1 余隙系数和容积系数 （ 1） 余隙系数 余隙体积占活塞推进一次所扫过体积的百分率，称为余隙系数，以 表示，其表达式为： %10031 3 VV V (2-1) 高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 5 一般大、中型压缩机的低压气缸的 值约在 8以下，高压气缸的 值可达 12左右。 （ 2） 容积系数 压缩机一次循环吸入气 体的体积 (V1 -V4 )和活基一次扫过体积 (V1 -V3 )之比，称为容积系数 0 ，即 31410 VV VV (2-2) 若上式中的 V1 用比较固定的 V3 来表示，如对绝热膨胀，则可导出： 3111233110 VV
27、ppVVV V k (2-3) 整理上式即可得到容积系数和余隙系数的关系： 11 1120kpp(2-4) 式 2-13表明，当气体的压缩比一定时，余隙系数加大，容积系数就变小，压缩机的吸气量也就减少。对于一定的余隙系数，气体的压缩比愈高，余隙气体膨胀后所占气缸的体积也就愈大，使每一循环吸气量下降得更多，当压缩比高到某一程度时，容积系数可能变为零，即 当活塞向右运动时，残留在余隙中的高压气体膨胀后完全充满气缸，以致不能再吸入新的气体 38。 2.2.2 排气量 直联压缩机的排气量又称为压缩机的生产能力，通常将压缩机在单位时间内排出的气体体积换算成吸入状态的数值，所以又称为压缩机的输气量。气体只
28、有被吸进气缸后方能排出，故排气量的计算应从吸气量出发 37。 若没有余隙，直联压缩机的理论吸气量与直联泵的类似，即： 单动直联压缩机 ASnV min （ 2-5） 双动直联压缩机 SnaAV )2(mi n （ 2-6） 由于气缸里有余隙，余隙气体膨胀后占据了部分气缸容积，且气体通过吸气阀时存在流动阻力，使气缸里的压强比吸入气体的压强稍为低一些，气缸内的温度又比吸入气体的温度高，吸入气缸的气体也要膨胀而占去了一部分有效体积。所以实际吸气量要比理论吸气量为少。 由于压缩机的各种泄漏，实际排气量又比实际吸气重要低。 综合上述原因，实际排气量应为： minmin VV l （ 2-7） l 是压缩机的泄露系数
