壓縮機(jī) 排版 (1)

1、四川理工學(xué)院過控專業(yè)綜合課項(xiàng)目訓(xùn)練6m3/min V型空氣壓縮機(jī)專 業(yè)： 過程裝備與控制工程四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院二O一七年五月 目 錄第1章 壓縮機(jī)的概述41.1空壓機(jī)的概念及應(yīng)用41.2活塞壓縮機(jī)的工作原理4第2章 總體設(shè)計62.1設(shè)計參數(shù)及要求62.2結(jié)構(gòu)方案的選擇62.2.1氣缸排列型式62.2.2運(yùn)動及機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及選擇62.2.3級數(shù)的選擇和各級壓力比的分配72.2.4轉(zhuǎn)速和行程8第3章 熱力計算83.1確定各級的容積效率83.1.1各級的容積系數(shù)83.1.2壓力系數(shù)93.1.3溫度系數(shù)93.1.4泄漏系數(shù)93.2析水系數(shù)103.3各級的行程容積103.4氣缸直徑103.5各級名義

2、壓縮比113.6新的容積系數(shù)113.7新的相對余隙系數(shù)113.8活塞力的計算113.9各級排氣溫度123.10計算軸功率123.10.1各級指示功率123.10.2壓縮機(jī)軸功率133.11選取電動機(jī)13第4章 簡單動力學(xué)計算134.1壓縮機(jī)中的作用力144.1.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系和慣性力144.1.2 第1級綜合活塞力計算154.1.3 第2級綜合活塞力計算15第5章 主要零部件設(shè)計175.1氣缸175.1.1氣缸的結(jié)構(gòu)形式175.1.2 第1級氣缸的主要尺寸175.1.3 第2級氣缸的主尺寸175.2活塞組件175.2.1活塞類型185.2.2活塞尺寸185.2.3活塞環(huán)185.2.4

3、曲軸設(shè)計195.2.5連桿長度205.2.6刮油環(huán)205.2.7氣閥215.3填料函21參考文獻(xiàn)22第1章 壓縮機(jī)的概述1.1空壓機(jī)的概念及應(yīng)用空氣壓縮機(jī)是一種用來壓縮空氣、提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械，是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成壓力能的工作機(jī)，簡稱空壓機(jī)。而本次設(shè)計的活塞壓縮機(jī)是依靠活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)工作容積的周期性變化來工作的。      壓縮機(jī)的應(yīng)用極其廣泛，因其用途的廣泛而被稱為“通用機(jī)械”，幾乎遍及制冷與氣體分離工程、采礦業(yè)、冶金業(yè)、土木工程、石油化學(xué)工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)以及國防工業(yè)等。1.2活塞壓縮機(jī)的工作原理本機(jī)為往復(fù)活塞式

4、壓縮機(jī)，屬于最早的壓縮機(jī)設(shè)計之一，但它仍然是最通用和高效的一種壓縮機(jī)?；钊綁嚎s機(jī)是唯一一種能夠把空氣和氣體壓縮至高壓的機(jī)器，通過連桿和曲軸使活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動，從而壓縮氣體體積來提高壓力。多級壓縮機(jī)中，空氣被分多級壓縮，并逐級增大壓力。當(dāng)驅(qū)動機(jī)“電機(jī)”啟動后，通過皮帶傳動帶動壓縮機(jī)的曲軸運(yùn)動，不斷轉(zhuǎn)動的曲軸使連桿不停地擺動，而牽動活塞桿和活塞，在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動。壓縮機(jī)工作時，在活塞從外止點(diǎn)到內(nèi)止點(diǎn)的運(yùn)動過程中，氣缸容積處于相對真空狀態(tài)，缸外氣體從一級進(jìn)氣口通過吸氣閥吸入缸內(nèi)，當(dāng)活塞行至外止點(diǎn)時，氣缸內(nèi)充滿低壓待壓縮氣體。當(dāng)活塞從外止點(diǎn)向內(nèi)止點(diǎn)運(yùn)動時，吸氣閥自動關(guān)閉，氣缸內(nèi)的氣體隨著活

5、塞的運(yùn)動壓縮，氣缸內(nèi)的氣體壓力不斷提高，當(dāng)氣體壓力大于排氣閥外氣體壓力和氣閥彈簧力時，排氣閥被打開，排出一級壓縮氣體，當(dāng)活塞運(yùn)動到內(nèi)止點(diǎn)時，排氣結(jié)束，準(zhǔn)備重新吸氣。至此，完成一個膨脹、吸氣、壓縮、排氣、再吸氣的工作循環(huán)。從一級氣缸排出的氣體，進(jìn)入中間冷卻器后，再進(jìn)入二級氣缸，進(jìn)行第二級的壓縮，以此直至經(jīng)過第三次壓縮至需要的壓力，經(jīng)過三級排氣閥排出壓縮機(jī)。因此，周而復(fù)始，活塞不斷地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，吸入氣缸的氣體又不斷地被吸入排出，從而不斷地獲得壓縮的氣體。第2章 總體設(shè)計2.1設(shè)計參數(shù)及要求表2-1.設(shè)計參數(shù)排氣量 m3/min6排氣壓力 MPa0.7排氣溫度 150吸氣溫度 25吸氣壓力MPa

6、(絕)0.1工作介質(zhì)空氣相對濕度0活塞行程 mm自定設(shè)計要求： V型壓縮機(jī)概述、熱力計算、簡單的動力計算。2.2結(jié)構(gòu)方案的選擇壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在兩方面，即氣缸排列的形式和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。2.2.1氣缸排列型式V型壓縮機(jī)屬于角度式壓縮機(jī)，氣缸中心線具有一定的角度，且介于0°和180°。此次排氣量和排氣壓力較小，同時為了使其具有良好的平衡性，本設(shè)計中兩相鄰的氣缸中心線夾角為90°，有以下好處： 1）各列的一階慣性力的合力，可用裝在曲軸上的平衡重達(dá)到大部分或完全平衡，因此機(jī)械可以有較高的轉(zhuǎn)速；2）氣缸彼此錯尅一定的角度，有利于氣閥的安裝和布置，因而是氣閥的流通面積有

7、可能增大（相對于立式壓縮機(jī)而言，中間冷卻器和級間管道可以直接安裝在機(jī)械上，使結(jié)構(gòu)緊湊；3）可以將若干列額的連桿連接到同一曲拐上，使曲拐數(shù)減少，機(jī)械的軸向長度減少，因此主軸頸可以采用滾動軸承。2.2.2運(yùn)動及機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及選擇活塞式壓縮機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)有帶十字頭和無十字頭兩種。考慮到機(jī)構(gòu)簡單，緊湊，機(jī)械高度較低，重量輕以及無需單獨(dú)潤滑等因素，此次設(shè)計選用無十字頭。但無十字頭的壓縮機(jī)只能做成單作用式，而且氣體泄漏量較大，故需較高轉(zhuǎn)速。由于無十字頭導(dǎo)致氣缸側(cè)向力大，因而活塞易磨損，氣缸潤滑油量難以控制。2.2.3級數(shù)的選擇和各級壓力比的分配在選擇壓縮機(jī)級數(shù)時，一般遵循以下原則：運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、消耗功率小、結(jié)構(gòu)簡

8、單、重量輕以及易于維修。根據(jù)活塞式壓縮機(jī)終了壓力和級數(shù)的統(tǒng)計值表格選取，排氣壓力為0.8MPa,故取級數(shù)Z=2。表2-2.終了壓力與級數(shù)的關(guān)系理論上，在同樣級數(shù)下，各級壓力比相等時總壓縮功耗最小。但在實(shí)際上考慮到各種壓力損失，所以實(shí)際壓力比的確定與理論是有偏差的。由圖1選取各級壓力比。圖2-1.級間壓力選擇圖上面已確定級數(shù)Z=2,當(dāng)取終壓為0.8MPa時，可得到當(dāng)Z=1時，終壓為0.29MPa。所以第一、二級壓力比分別為1=0.290.1=2.92=0.80.29=2.76各級名義壓力及壓力比匯總?cè)缦卤?-3。表2-3.各級間壓力比與名義壓力級數(shù)名義吸氣壓力/MPa名義排氣壓力/MPa壓力比1

9、0.10.292.920.290.82.762.2.4轉(zhuǎn)速和行程轉(zhuǎn)速和行程的選取對機(jī)器的尺寸、重量和成本有重大影響，還直接影響機(jī)器的效率和壽命和動力特性。近代設(shè)計壓縮機(jī)的總趨勢是提高轉(zhuǎn)速?；钊骄俣菴m、轉(zhuǎn)速n、行程S三者的關(guān)系為Cm=nS30通常小型壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000-3000r/min，此處選取轉(zhuǎn)速n=1200r/min；活塞速度一般在3-4.5m/s，此處選擇Cm=3m/s。由上述公式可得活塞行程S=30Cmn=0.075此處圓整至S=0.080m=80mm，故Cm=3.2m/s，符合活塞平均速度。第3章 熱力計算3.1確定各級的容積效率在熱力學(xué)計算中使用的壓力都是絕對壓力，溫度均

10、為絕對溫度。3.1.1各級的容積系數(shù)3.1.1.1相對余隙容積據(jù)統(tǒng)計，低壓級的相對余隙容積為0.07-0.12，且在多級壓縮中，高壓級的相對余隙容積要比低壓級的大。故取低壓級相對余隙容積1=0.07，高壓級2=0.08。表3-1.膨脹指數(shù)3.1.1.2各級膨脹指數(shù)由表3-1可以取得，各級膨脹指數(shù)m1=1.2 m2=1.25綜上，各級的容積系數(shù)為v1=1-1(11m1-1)= 1-0.07(2.911.2-1)=0.90v2=1-2(21m2-1)= 1-0.08(2.7611.25-1)=0.893.1.2壓力系數(shù)p一般取經(jīng)驗(yàn)值，對于壓縮機(jī)的第一級，吸入壓力常為大氣壓力，可取p=0.95-0.

11、98，其余各級可取p=0.98-1.0。由上原則，此處選取p1=0.97，p2=0.98。3.1.3溫度系數(shù)在選取溫度系數(shù)的原則之一是，相對余隙容積小時取大值，相對余隙容積大時取小值。由圖3-1選取T1=0.96，T2=0.95。圖3-1.溫度系數(shù)T與壓力比的關(guān)系3.1.4泄漏系數(shù)設(shè)計時，一般取1=0.95-0.98，故取1=0.97，2=0.98。綜上，各級的容積效率為v1=v1p1T11=0.9×0.97×0.96×0.97=0.8129v2=v2p2T22=0.89×0.98×0.95×0.96=0.79553.2析水系數(shù)由于相

12、對濕度為0，故取1=1，2=1。3.3各級的行程容積Vh1=Qv1n=60.8129×1200=0.006151 m3Vh2=2QP1T2v2nP2T1=0.98×6×0.1×3130.8129×1200×0.29×298=0.002005 m33.4氣缸直徑采用兩級單作用雙氣缸，風(fēng)冷方式，故1級直徑為D1=4Vh1SZ=4×0.006151×0.08×2=0.2212m=221.2mm依據(jù)表3-2圓整至D1=225mm;D2=4Vh2SZ=4×0.002005×0.08&#

13、215;1=0.1786m=178.6mm圓整至D2=180mm。表3-2.氣缸的公稱直徑3.5各級名義壓縮比取進(jìn)氣相對壓力損失s1=3.8，s2=1.6；排氣相對壓力損失d1=4.0，d2=2.0。所以各級的修正壓力比為1=1+d11-s11=1+4.01-3.8×2.9=3.1352=1+d21-s22=1+2.01-1.6×2.76=2.861實(shí)際吸氣壓力PS=P1(1-s),實(shí)際排氣壓力Pd=P1(1+d)。計算結(jié)果如表3-3表3-3.修正后的系數(shù)匯總級數(shù)修正后名義壓力(MPa)相對壓力損失氣缸內(nèi)實(shí)際壓力實(shí)際壓力比P1P2sdPS=P1(1-s)Pd=P1(1+d)

14、10.10.293.8%4.0%0.09620.30163.13520.290.81.6%2.0%0.28540.8162.8613.6新的容積系數(shù)1.1級氣缸的容積系數(shù)v1=V1AP1Ap2=0.9×(221225)2=0.86832.2級氣缸的容積系數(shù)v2= v2AP1Ap2=0.89×(178180)2=0.87033.7新的相對余隙系數(shù)1=1-v111m1-1=1-0.86833.13511.2-1=0.082762=1-v221m2-1=1-0.87032.86111.25-1=0.083473.8活塞力的計算級次內(nèi)止點(diǎn)活塞力P(106N)軸側(cè)（+）蓋側(cè)（-）Pd

15、（壓力）Fz（面積）PdFzPsFgPsFg10.30160.039270.0118440.09620.039760.003825Pz2=PdFz-PsFg=0.00801920.8160.024740.0201880.28540.025450.007263Pz2=PdFz-PsFg=0.01292級次外止點(diǎn)活塞力P(106N)軸側(cè)（+）蓋側(cè)（-）PsFzPsFzPdFgPdFg10.09620.039270.0037780.30160.039760.011992Pg1=PsFz-PdFg=-0.0154220.28540.039270.011210.8160.025450.02077Pg2=

16、PsFz-PdFg=-0.00956表3-4.計算活塞力的匯總由表可以看出，一級最大活塞力15420N，二級最大活塞力12920N3.9各級排氣溫度取K=1.4，近似取n1=1.35, n2=1.4；前面已取Ts1=298K, Ts2=313K,則1級排壓溫度 Td1=Ts11n1-1n1=298×3.1351.35-11.35=400.75K2級排壓溫度 Td2=Ts22n2-1n2=313×2.8611.4-11.4=422.65K3.10計算軸功率3.10.1各級指示功率1級指示功率 P1s=160P1Q1n1n1-1(1)n1-1n1-1 = 160×10

17、5×7.381×1.350.35(3.135)0.351.35-1=16359.9W取P1s=1.64KW。2級指示功率P2s=160P2Q2n2n2-1(2)n2-1n2-1 = 160×0.29×2.732×1.40.4(2.861)0.41.4-1=16190W取P2s=1.62KW則壓縮機(jī)的總指示功率為Pad=P1s+P2s=1.64+1.62=3.26KW3.10.2壓縮機(jī)軸功率ad=PadP,一般取ad在0.85-0.97之間，此處取ad=0.85，則壓縮機(jī)軸功率PN=Padad=3.260.85=3.84KW此處選擇皮帶傳動，傳動

18、效率為0.96，則電動機(jī)功率P=PN=3.840.96=4KW3.11選取電動機(jī)根據(jù)計算電機(jī)功率P=4KW，考慮到電機(jī)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)可能會有過載保護(hù)，此處選擇電機(jī)功率P=5.5KW，選取電機(jī)如下電機(jī)型號額定功率（KW）滿載轉(zhuǎn)速(r/min)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)質(zhì)量(kg)Y132S-45.514402.268表3-5.電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)第4章 簡單動力學(xué)計算4.1壓縮機(jī)中的作用力圖4-1.曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖壓縮機(jī)中的作用力分析，是進(jìn)行壓縮機(jī)零件強(qiáng)度和剛度計算的依據(jù)，也是判斷這樣力對壓縮機(jī)裝置影響的基礎(chǔ)。壓縮機(jī)中主要的作用力有氣體壓力、曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力和摩擦力。4.1.1曲柄連桿機(jī)

19、構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系和慣性力活塞的位移、速度和加速度可以從曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系中確定。圖4-1即表示幾何關(guān)系。活塞位移x和曲柄轉(zhuǎn)角：x=r(1-cos)+4(1-cos2)往復(fù)慣性力 I=msa=msr2(cos+cos2)=I+I圖4-2.慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化I=msr2cos,為一階慣性力；I=msr2cos2，為二階慣性力，往復(fù)慣性力周期變化的規(guī)律，可以用慣性力圖表示出來，如圖4-2所示。4.1.2 第1級綜合活塞力計算活塞直徑D=225mm，吸氣壓力Ps=0.0962MPa,排氣壓力Pd=0.3016MPa，相對余隙系數(shù)=0.8683,活塞行程S=80mm，轉(zhuǎn)速n=1200r/mi

20、n,m=1.2,n=1.35,=15,活塞位移x和曲柄轉(zhuǎn)角：x=r(1-cos)+4(1-cos2) =30(1-cos)+120(1-cos2)角速度：=2n60=2×120060=125.66rad/s。初步估計每列活塞的質(zhì)量為m=15kg，結(jié)合上面計算結(jié)果和圖4-3示意圖，可得1級最大活塞力F1=15.42KN。圖4-3.1級總活塞受力示意圖4.1.3 第2級綜合活塞力計算活塞直徑D=190mm，吸氣壓力Ps=0.2854MPa,排氣壓力Pd=0.816MPa，相對余隙系數(shù)=0.08347,活塞行程S=80mm，轉(zhuǎn)速n=1200r/min,m=1.25,n=1.4,=15,活塞

21、位移x和曲柄轉(zhuǎn)角：x=r(1-cos)+4(1-cos2) =30(1-cos)+120(1-cos2)角速度：=2n60=2×120060=125.66rad/s。初步估計每列活塞的質(zhì)量為m=15kg，由上面計算結(jié)果得知2級最大活塞力F2=12.92KN。圖4-4.2級總活塞受力示意圖第5章 主要零部件設(shè)計5.1氣缸氣缸是直接壓縮氣體的部件，因要承受氣體的壓力，必須有足夠的強(qiáng)度；由于往復(fù)摩擦，故需良好的潤滑性；摩擦產(chǎn)熱，因而需要冷卻措施；為減少氣體流動阻力，進(jìn)排氣閥需布置合理。因此，氣缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求高。5.1.1氣缸的結(jié)構(gòu)形式因設(shè)計工作壓力為0.8MPa,因此氣缸采用HT25

22、0鑄鐵材料；無十字頭結(jié)構(gòu)，所以采用飛濺潤滑，但潤滑量難以控制；最高排氣溫度為150°，故采用風(fēng)冷；進(jìn)出氣閥軸向布置。5.1.2 第1級氣缸的主要尺寸1.氣缸壁厚=PD12+a =0.3016×2252×300+0.7=0.81cm取=10mm。2.連接法蘭壁厚=1.4=14mm5.1.3 第2級氣缸的主尺寸1.氣缸壁厚=PD22+a =0.816×1902×300+0.7=0.96cm取=10mm。2.連接法蘭壁厚=1.4=14mm5.2活塞組件本設(shè)計中活塞組件包括活塞、活塞環(huán)、連桿（活塞桿）?；钊M件要求有足夠的強(qiáng)度、摩擦小、密封性好、重量輕

23、。5.2.1活塞類型活塞與氣缸構(gòu)成了壓縮容積，活塞按結(jié)構(gòu)可分為筒形、盤形及極差式活塞。因無十字頭，此處選擇筒形活塞。5.2.2活塞尺寸5.2.2.1活塞環(huán)高度一般活塞高度范圍為H=(0.651.5)D所以，1級活塞高度H1=（0.651.5）D1=0.651.5×225146.25337.5此處取H1=300mm,同理取2級活塞高度H2=200mm。5.2.2.2活塞頂面至第一道活塞環(huán)距離活塞頂面至第一道活塞環(huán)距離為c=(1.23)h1級活塞頂面至第一道活塞環(huán)距離c1=(1.23)h1=1.23×5=615mm此處取c1=10mm,同理2級活塞頂面第一道活塞環(huán)c2=10mm

24、。5.2.3活塞環(huán)活塞環(huán)的作用是密封氣缸中的氣體,活塞環(huán)個數(shù)按經(jīng)驗(yàn)可取，Z=2。5.2.3.1徑向厚度1級壓縮活塞環(huán)的徑向厚度t1=(122-136)D1=122-136×225=6.2510.23mm按標(biāo)準(zhǔn)值查取，此處取t1=9.1mm。同理，2級壓縮活塞環(huán)的徑向厚度t2=8.1mm。5.2.3.2軸向厚度1級壓縮活塞環(huán)的軸向厚度h1=(0.4-1.4)t1=0.4-1.4×9.1=3.6412.74mm按標(biāo)準(zhǔn)取查得，此處取h1=5mm。同理，級壓縮活塞環(huán)的徑向厚度h2=5mm。5.2.3.3開口熱間隙1級壓縮開口熱間隙1=aD1(t2-t1) =1.1×10-

25、5×0.225×150-20=1.01mm式中，D活塞環(huán)外徑，mm t2、T2活塞環(huán)工作時的溫度，通常取排氣溫度， t1、T1在檢驗(yàn)尺寸時活塞環(huán)本身的溫度，通常取室溫，20a活塞環(huán)材料的線膨脹系數(shù)，此處鑄鐵a=1.1×10-5/由于采用斜切口，所以1=0.711=0.7mm。同理，2級壓縮開口熱間隙2=0.5mm。5.2.3.4自由開口寬度按容積式壓縮機(jī)設(shè)計手冊標(biāo)準(zhǔn)，取1級自由開口度A1=30.5mm,2級自由開口度A2=27mm。5.2.4曲軸設(shè)計曲軸是壓縮機(jī)中最重要的、工作負(fù)荷很大的運(yùn)動零件。他承受周期性變化的氣體力、慣性力，同時軸頸處有嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。5.2.4.1結(jié)構(gòu)和材料為使機(jī)器緊湊，重量輕，本設(shè)計選取曲拐軸，材料為40鋼。5.2.4.2曲柄銷直徑D=(4656)P×10-4式