1、 1 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 高压直联便携式压缩机瞬态功率计算及优化 一前言部分 （阐明课题的研究背景和意义） 1压缩机的概念及其种类 压缩机是一种“在我们周围无处不在”而我们又对其知之甚少的机械设备，在我们的家庭、工作场所以及我们所使用的各种形式的运输工具其中都可以发现它的存在1。它广泛应用于石油、化工、医药、食品、建筑、矿山、道路、机械、运输等行业中，起着重要的甚至是关键性的作用。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 2。压缩机的分类 如表 1 所示。 表 1 压缩机的分类表 按工作原理 容积式 离心式 按运动 件工作 特
2、性 往复式 回 转 式 离 心 式 轴 流 式 旋 涡 式 按运动 件结构 特征 活 塞 式 隔 膜 式 柱 塞 式 转 子 式 滑 片 式 液 环 式 转子三角 涡 旋 式 罗 茨 双 螺 杆 单 螺 杆 叶轮 (透平 )式 按压缩机的工作原理可以将压缩机分为以下两种： 1）容积式压缩机 直接对一可变容积中的气体进行压缩，使该部分气体容积缩小、压力提高。其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔 3。 2 2）离心 式压缩机 它首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能；然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能 4，与此同时气体容积也相应减小。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。
3、 图 1 活塞式压缩机 CAD 装配图 如图 1 所示为简单的活塞式压缩机的 CAD 装配简图，活塞式制冷压缩机主要由机体、曲轴、连杆、活塞组、阀门、轴封、油泵、能量调节装置、油循环系统等部件组成 6。 2活塞式压缩机的工作原理及其优缺点 (1)活塞式压缩机的工作原理： 活塞式压缩机的工作是气缸、气阀和在气缸中作往复运动的活塞所构成的工作容积不断变化来完成。如果不考虑活塞式压缩机实际工作中的容积损失和能量损失（即理想工作过程） 6，则活塞式压缩机曲轴每旋转一周所完成的工作，可分为吸气、压缩和压缩过程、排气过程。 在压缩过程中，活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中被压
4、缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。压缩过程一般被看作是等熵过程。 在排气过程中，活塞继续向上移动，致使气缸内的气体压力大于排气压 力，则排3 气阀开启，气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道，直至活塞运动到上止点。此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用 8，排气阀关闭排气结束。 至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。 (2)活塞压缩机的优点： a. 不论流量大小，都能得到所需要的压力，排气压力范围广，最
5、高压力可达320MPa（工业应用），甚至 700MPa，（实验室中） 9。 b. 单机能力 为在 500m3/min以下的任意流量。 c. 在一般的压力范围内，对材料的要求低，多采用普通的钢铁材料。 d. 热效率较高，一般大、中型机组绝热效率可达 0.70.85左右。 e. 气量调节时，排气量几乎不受排气压力变动的影响。 f. 气体的重度和特性对压缩机的工作性能影响不大，同一台压缩机可以用于不同的气体。 g. 驱动机比较简单，大都采用电动机，一般不调速。 由于以上优点，活塞式压缩机在工业上获得广泛应用，但此机型也存在一些缺点： a. 结构复杂笨重，易损件多，占地面积大，投资较高，维修工作量 大
6、，检修周期较短，一般在 8000小时左右。 b. 转速不高，机器体积大而重，单机排气量一般小于 500m3/min。 c. 机器运转中有振动。 d. 排气不连续，气流有脉动，容易引起管道振动，严重时往往因气流脉动、共振而造成管网或机件的损坏 10。 e. 流量调节采用补助容积或旁路阀，虽然简单、方便、可靠，但功率损失大，在部分载荷操作时效率降低。 f. 用油润滑的压缩机，气体中带油需要脱除。 g. 大型工厂采用多台压缩机组时，操作人员多或工作强度较大。 二 主题部分 （阐明课题的国内外发展现状和发展方向 ，以及对这些问题的评述） 1我国活塞式压缩机的发展状况 4 早在三四千年以前，我国就有压气
7、鼓风的技术，而沿用至今的风箱原理与现在的活塞式双作用气缸压缩机的基本一样。 活塞式压缩机广泛使用在空调和制冷工业中。虽然活塞式压缩机的高维护费用限制了它们在空调工业中的应用 ,但是由于在恶劣工况下它们的高度可靠性以及良好的性能 ,它们仍然主宰着制冷市场。在家用冰箱中近乎 99%的全部冰箱最广泛使用的是活塞式压缩机。在商业和工业方面 ,主要用途在与食品有关的制冷、分配式冷库链和工艺冷却。 11 进入“十五以来，由于国家实施 积极的财政政策，加大了基础设施建设投入，从而带动了整个机械工业的发展。同时由于宏观经济环境的稳定，给压缩机行业带来了生机，使行业经济运行出现了近几年较好的发展时期，一些主要经
8、济指标持续增长，经济效益逐年提高，综合实力进一步加强。党的十六大明确提出要振兴装备制造业，同时制定了一系列的相关政策，给压缩机市场带来了更大的生机 12。 目前活塞式压缩机的主要发展趋势总结如下： a、压缩机产品向结构紧凑、体积小、能耗少、噪声低、效率高、可靠性高以及排气 净化能力强方向发展。 b、压缩机产品机电一体化继续强化，实现优化 节能运行状态、优化联机（压缩机）运行、运行参数异常显示、报警与保护。 c、实现成套压缩机组以撬装无基础、全罩低噪状态供货，节约了安装、基础和调试费用，方便广大用户。 d、应用 CAD 软件等进行产品设计，提高计算的准确度，是新产品开发、设计、科研工作向自动化，
9、最佳化方向发展 13。 e、产品设计中重视工业设计和环境保护，使压缩机产品以优美的外形，安静的运行，卓越的品质面向市场。 2.高压直联压缩机的工作过程 高压直联机是二级压缩，在气体吸气、膨胀、膨胀、排气的不同过程中，低压缸排气阀、高压缸吸气阀和排气阀都处 于导通或关闭状态。阀的导通或关闭状态影响过渡容积、高压缸和储罐是否直接导通 14。过渡容积、高压缸和储罐导通状态影响多变过程方程中的多变指数 m 的大小。阀的工作过程可以分为三个阶段：（ 1）刚启动阶段，高压缸进、排气阀同时打开，低压缸、低压排气管、高压缸以及储罐都处于导通状态，5 也相当于高压缸处于短路状态，基本不起作用；（ 2）随着 压缩
10、机 的运行，储罐内的压力不断增加，在这一阶段，高压缸的压比依然很低，低压缸排气时，仍然可能出现将高压缸进气阀同时打开的情况，但高压缸排气阀处于关闭状态。低压缸、低压缸排气管和高压缸处 于连通状态；（ 3）随着高压缸 压比增大，高低压缸的进、排气缸处于正常开启状态 15。 3 Matlab 计算软件 MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面
11、的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、 Fortran）的编辑模式，代表了当今国 际科学计算软件的先进水平 17。 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， FORTR
12、AN 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 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN， C+ ， JAVA 的支持 18。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 三总结部分（将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测） 本次论文研究的是高压直联便携式压缩机的瞬态工作状态，研究压缩机的行程容积、压缩机的活塞曲 轴半径等因素对直联压缩机
13、的瞬态功率的影响。在活塞式压缩机研究的基础上，高压直联压缩机的瞬态工作，并且建立压缩机的瞬态热力学模型，推6 导出瞬态热力学方程，在 Matlab/simulink 平台上建立起高压直联压缩机的模拟工作状态，并且改变是阻力距变化即压缩机的行程容积、压缩机的活塞曲轴半径等参数，使我们能得到瞬态功率的最优值。 作者认为高压直联便携式压缩机是未来小型压缩机的前进方向，以其灵巧，轻便，功能强大，能耗低等特点使用在我们生活的方方面面。而本次论文所研究的瞬态功率及功率的优化有助于以后高压直联压缩机的设计 。 四参考文献 1 朱玉峰 . 往 复活 塞 式 压 缩 机 冷 却系 统 的 设 计 及 进 展 J
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