V型活塞式壓縮機設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

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The air rate is one cubic meter per minute. This time I mainly carry on the brief introduction of the following several aspects. First, it introduces the working principle of compressor and its function in our daily life. It is convenient for you to have a simple understanding of the machine. Then, a brief overview of the domestic and international compressor development trends and trends, clear the development of China's current situation and the world's main concern in this industry. Come down on my own design introduction compressor. Because of the large air flow, the design of double cylinder is adopted. The V type structure allows the entire machine to become compact. Consideration is also given to the efficiency of the leak prevention design. The calculation starts with the velocity of the piston. Then calculate the stroke of the piston, the diameter of the cylinder, the temperature of the intake and exhaust. The indicated power of compressor power and motor can be calculated by the above data. Selection of various motors. The selection of the shape of the piston compressor mechanism depends to a certain extent on the experience gained. So it's important that we get experience. So far, the thermal calculation is basically completed. The design of the parts is mainly the design of the connecting rod, the structural design of the cylinder, the structural design of the piston and so on. So far, the design is probably the case. Keywords: thermal calculation; calculation of piston force; calculation of parts and components structure 第1章 引 言 1.1 壓縮機的作用及用途 1.1.1 壓縮機的作用 壓縮機是空調(diào)器制冷系統(tǒng)的動力核心，它可將吸入的低溫、低壓制冷劑蒸氣通過壓縮提高溫度和壓力，讓里面的冷媒動起來，并通過熱功轉(zhuǎn)換達到制冷的目的。 如果把制冷系統(tǒng)比作人的身體系統(tǒng)，制冷壓縮機是制冷系統(tǒng)中最主要的部件之一，是蒸氣式制冷系統(tǒng)的核心和心臟。 從蒸發(fā)器中吸取制冷劑蒸氣，以保證蒸發(fā)器內(nèi)一定的蒸發(fā)壓力。提高壓力，將低壓低溫的制冷劑蒸氣壓縮成為高壓高溫的過熱蒸氣，以創(chuàng)造在較高溫度（如夏季35℃左右的氣溫）下冷凝的條件。輸送并推動制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)流動，完成制冷循環(huán)。由此可見，制冷劑蒸氣從低壓提高為高壓以及汽體的不斷流動、輸送，都是借助于制冷壓縮機的工作來完成的。 制冷壓縮機按照提高氣體壓力的原理不同，分為容積型制冷壓縮機和速度型制冷壓縮機。在容積可變的封閉容積中直接壓縮制冷劑蒸氣，使其體積縮小，從而達到提高壓力的目的，這種壓縮機成為容積型制冷壓縮機。 屬于容積型的制冷壓縮機主要有往復(fù)式（又稱為活塞式）、螺桿式、渦旋式、滾動轉(zhuǎn)子式滑片式和旋葉式等形式。 1.1.2 壓縮機的用途 壓縮機是一種壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機器，應(yīng)用極為廣泛。在采礦業(yè)、冶金業(yè)、機械制造業(yè)、土木工程、石油化學(xué)工業(yè)、制冷與氣體分離工程以及國防工業(yè)中，壓縮機是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一。此外，醫(yī)療、紡織、食品、農(nóng)業(yè)、交通等部門的需求也與日俱增。壓縮機因其用途廣泛被稱為“通用機械”。 壓縮機的用途 壓縮空氣作為動力 壓縮空氣供驅(qū)動各種風(fēng)動機械、風(fēng)動工具，壓縮機的排氣壓力為0.7~0.8MPa，用于控制儀表及其自動化裝置；車輛制動、門窗啟閉；制藥業(yè)、釀造業(yè)中的攪拌；噴氣織機中緯砂吹送；大、中型柴油機的啟動；高壓爆破采煤；國防工業(yè)中某些武器的發(fā)射，潛水艇的沉浮、魚雷的射出及驅(qū)動以及沉船打撈等。 壓縮空氣用于制冷和氣體分離 氣體經(jīng)壓縮、冷卻、膨脹而液化，用于人工制冷（冷凍、冷藏及空氣調(diào)節(jié)），如氨或氟里昂壓縮機，這一類壓縮機通常被稱為“制冷機”或“冰機”。另外，液化的氣體若為混合氣時，可在分離裝置中將各組份分別分離出來，得到合格純度的各種氣體。如空氣液化分離后，能得到純氧、純氮和純的其他稀有氣體。目前，石油化學(xué)工業(yè)中，其原料氣—石油裂解氣的分離，是先經(jīng)壓縮，然后采用不同的冷卻溫度，將各組份分別的分離出來。 壓縮氣體用于合成及聚合 在化學(xué)工業(yè)中，氣體壓縮至高壓，常有利于合成和聚合。例如氮和氫合成氨、氫與二氧化碳合成甲醇，二氧化碳與氨合成尿素等。又如在化學(xué)工業(yè)中，聚乙烯工業(yè)發(fā)展很快，所用聚合壓力范圍很廣，有些甚至達到3200公斤/平方厘米。 壓縮氣體用于油的加氫精制 石油工業(yè)中，用人工辦法把氫加熱加壓后與油反應(yīng)，能使碳氫化合物的重組份裂化成碳氫化合物的輕組份，如重油的輕化、潤滑油加氫精制等。 氣體輸送 用與管道輸送氣體的壓縮機，加壓后便于氣體輸送。 1.2 壓縮機的國內(nèi)外發(fā)展趨勢 中國制造業(yè)未來十年的發(fā)展的六個體現(xiàn)。第一、制造業(yè)已發(fā)展成為中國國民經(jīng)濟的支柱。制造業(yè)工業(yè)增加值約占全國GDP的三分之一，占全部工業(yè)的80%；上交稅金約占全部工業(yè)的90%；工業(yè)制成品出口占全國外貿(mào)出口總額的90%；從業(yè)人員占全部工業(yè)的90%?！皬陌l(fā)展趨勢來看，未來十年會有一些變化，但是制造業(yè)在國民經(jīng)濟當(dāng)中還會占比較重要的位置?！钡诙⒅袊圃鞓I(yè)在未來的十年內(nèi)仍將保持一定速度的增長。第三，中國制造業(yè)總量和規(guī)模已居世界前列，在未來的十年內(nèi)將穩(wěn)居世界第一。第四，轉(zhuǎn)型升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整將是未來十年中國制造業(yè)的主旋律。中國制造業(yè)未來面臨五大轉(zhuǎn)變：即從依靠投資的拉動向主要依靠技術(shù)進步和提高勞動者素質(zhì)推動轉(zhuǎn)變；從注重生產(chǎn)能力的擴張向注重技術(shù)能力的積聚轉(zhuǎn)變；從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變；從世界制造業(yè)價值鏈低端向世界制造業(yè)價值鏈高端轉(zhuǎn)變；從對環(huán)境擠壓向?qū)Νh(huán)境友好轉(zhuǎn)變。第五，信息技術(shù)與中國制造業(yè)的融合朝著深度、廣度大力推進。信息化與工業(yè)化融合……“制造業(yè)信息化是兩化融合的重點和匯聚點。”制造業(yè)與信息技術(shù)、高新技術(shù)的融合，能夠促進傳統(tǒng)的制造業(yè)向現(xiàn)代的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。其中，智能化非常重要：產(chǎn)品和裝備實現(xiàn)數(shù)字化，是向國民經(jīng)濟各部門提供智能化工具，從而提高中國社會生產(chǎn)力水平、提高中國裝備制造業(yè)國際競爭力。該領(lǐng)域的研究中心有國家重大技術(shù)裝備獨立第三方研究中心-中國重大機械裝備網(wǎng)。第六，綠色制造、智能制造、服務(wù)型制造將成為中國制造業(yè)的方向。綠色制造就是在我們制造業(yè)的產(chǎn)品和全生命周期當(dāng)中，從設(shè)計、生產(chǎn)到再制造的環(huán)節(jié)，都要貫穿綠色的概念。例如發(fā)展節(jié)能產(chǎn)品、節(jié)能技術(shù)、節(jié)能工藝；發(fā)展少污染、無污染、低排放產(chǎn)品和工藝；促進低碳發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟；減少資源消耗、節(jié)約資源；保護生態(tài)。智能制造系統(tǒng)最終要從以人為主要決策核心的人機和諧系統(tǒng)向以機器為主體的自主運行轉(zhuǎn)變。例如發(fā)展智能化產(chǎn)品（聰明機床）；生產(chǎn)過程的自動化、智能化；發(fā)展工業(yè)自動控制技術(shù)和產(chǎn)品（傳感元件、自動化儀表、PLC、DCS、FCS、現(xiàn)場總線、數(shù)控系統(tǒng)）、遠程監(jiān)控、檢測、診斷等。觀察過去一年的行業(yè)發(fā)展趨勢，各壓縮機企業(yè)變化較大，無論是從銷售渠道還是企業(yè)內(nèi)部管理都進行了改革，這也是各壓縮機企業(yè)迅速恢復(fù)運轉(zhuǎn)的主要壓縮機的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1. 透平壓縮機 在石化領(lǐng)域，目前國內(nèi)離心壓縮機在高技術(shù)和特殊產(chǎn)品等方面還不能滿足國內(nèi)的需要。另外在技術(shù)水平、質(zhì)量、成套性等方面與國外還有差距。隨著我國石化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，離心壓縮機在大型化方面將面臨新的課題，國內(nèi)在設(shè)計制造這些大型氣體壓縮機上還沒有成熟的經(jīng)驗。離心式壓縮機需要向大容量發(fā)展，以滿足我國石化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的要求，同時隨著新技術(shù)的發(fā)展、新型氣體密封、磁力軸承和無潤滑聯(lián)軸器的出現(xiàn)，透平壓縮機的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：不斷開發(fā)高壓和小流量產(chǎn)品；進一步研究三元流動理論，將其應(yīng)用到葉輪和葉片擴壓器等元件的設(shè)計中，以期達到高效機組；低噪聲化，采用噪聲防護以改善操作環(huán)境。 在制冷空調(diào)領(lǐng)域，目前透平壓縮機在大冷量范圍內(nèi)仍保持優(yōu)勢。離心式壓縮機的運動零件少而簡單，且制造精度低，所以其制造費用相對低且可靠性高。由于受到螺桿式壓縮機和吸收式制冷機的影響，離心式制冷壓縮機的發(fā)展相對較為緩慢。在目前的技術(shù)條件下，離心式制冷壓縮機主要用于大型建筑內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)，需求量較少。近幾年由于大型基建項目紛紛上馬，離心式制冷壓縮機又成為關(guān)注的熱點。 2. 往復(fù)式壓縮機 在石化領(lǐng)域，往復(fù)式壓縮機主要是向大容量、高壓力、低噪聲、高效率、高可靠性等方向發(fā)展；不斷開發(fā)變工況條件下運行的新型氣閥，提高氣閥壽命；在產(chǎn)品設(shè)計上，應(yīng)用熱力學(xué)、動力學(xué)理論，通過綜合模擬預(yù)測壓縮機在實際工況下的性能；強化壓縮機的機電一體化，采用計算機自動控制，實現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運行和聯(lián)機運行。 在動力領(lǐng)域，活塞式壓縮機目前占有主要市場。但隨著人們對使用環(huán)境及能耗、環(huán)保等方面要求的提高，螺桿和渦旋空氣壓縮機開始占有一定的市場。 在制冷空調(diào)領(lǐng)域，往復(fù)式制冷壓縮機作為一種傳統(tǒng)的制冷壓縮機，適用于制冷量較廣范圍內(nèi)的制冷系統(tǒng)。雖然目前它的應(yīng)用還比較廣泛，但市場份額正逐漸減小。 目前冰箱（包括小型冷凍與冷藏裝置）制冷系統(tǒng)的主機仍以往復(fù)式壓縮機為主。經(jīng)過多年設(shè)計改進和技術(shù)進步，往復(fù)式冰箱壓縮機效率大大提高。同時在與環(huán)境保護密切相關(guān)的制冷劑替代技術(shù)上也取得了可喜的進步。進一步提高往復(fù)式冰箱壓縮機的效率、降低系統(tǒng)噪聲是它的主要發(fā)展方向。 （ 1 ） 線性（直線）壓縮機 線性壓縮機是往復(fù)式壓縮機的一種型式，由于電動機的直線運動可以直接帶動活塞的往復(fù)運動，從而避免了曲柄連桿機構(gòu)的復(fù)雜性和由此帶來的機械功耗。線性壓縮機關(guān)鍵技術(shù)是壓縮機油路系統(tǒng)的設(shè)計、電動機線性位移極限點的有效控制，以及相應(yīng)的防撞技術(shù)。 （ 2 ） 斜盤式壓縮機 斜盤式壓縮機也是往復(fù)式壓縮機的一種變型結(jié)構(gòu)，主要用于車用空調(diào)系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，斜盤式壓縮機已經(jīng)成為一種非常成熟的機型，在車用空調(diào)壓縮機市場占有 70% 以上的份額。但它的效率低于回轉(zhuǎn)式壓縮機，且體積較大。由于斜盤式汽車空調(diào)壓縮機的工藝成熟，加上技術(shù)的進一步改進，在可預(yù)見的將來，仍將保有一定的市場份額，但在一定的排量范圍內(nèi)被逐漸替代是必然之路。 3. 回轉(zhuǎn)式壓縮機 (1) 滾動轉(zhuǎn)子壓縮機 目前滾動轉(zhuǎn)子壓縮機廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)器，在冰箱上也有一定應(yīng)用。這種壓縮機不需要吸氣閥，使它適用于變速運行，從而可以通過變頻控制提高系統(tǒng)性能。為了確保大功率（電動機輸出功率 2.2kW （ 3P ））滾動轉(zhuǎn)子壓縮機的性能，國內(nèi)于上世紀(jì)末開始研發(fā)雙轉(zhuǎn)子滾動轉(zhuǎn)子壓縮機，現(xiàn)已投放市場。 在2.2kW(3P) 以下的空調(diào)器中，暫時沒有可以替代滾動轉(zhuǎn)子壓縮機的較好機型。所以提高壓縮過程的效率、降低噪聲、電動機變速控制，以及采用 R410A 等新制冷工質(zhì)后的相關(guān)技術(shù)問題等，是滾動轉(zhuǎn)子壓縮機的研究方向。 (2) 滑片式壓縮機 滑片式壓縮機屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機的一種，主要用來提供壓縮空氣，排氣量一般在 0.3 ～ 3 m 3 /min ，市場占有率較低。旋葉式壓縮機是滑片式壓縮機的一種改型結(jié)構(gòu)，由于它的起動性能較好，壓縮過程力矩變化亦不大，目前主要用于微型轎車和一些排量較小的工具車的空調(diào)系統(tǒng)。高速下的動力特性是這種壓縮機的主要技術(shù)研究方向。 (3) 渦旋壓縮機 渦旋式壓縮機在過去十年中得到了快速發(fā)展，構(gòu)成了壓縮機技術(shù)發(fā)展的新亮點。目前渦旋壓縮機已在柜式空調(diào)領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢。在車用空調(diào)領(lǐng)域，渦旋壓縮機的制冷系數(shù)已達 2.0 ，顯示出較強的競爭力。渦旋壓縮機的發(fā)展在于擴大其制冷量范圍，進一步提高效率，使用替代工質(zhì)和降低制造成本等方面。 (4) 螺桿壓縮機 螺桿式壓縮機具有尺寸小，重量輕，易維護等特點，是制冷壓縮機中發(fā)展較快的一種機型。一方面，螺桿型線、結(jié)構(gòu)設(shè)計有了長足的進步。另一方面，螺桿轉(zhuǎn)子專用銑床特別是磨床的引進，提高了這對關(guān)鍵零件的加工精度與加工效率，使得螺桿壓縮機的性能得到了有效提高。目前，螺桿壓縮機主要應(yīng)用于壓縮空氣和中型制冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)。由于螺桿式壓縮機工作可靠性的不斷提高，使之在中等制冷量范圍內(nèi)已逐漸替代往復(fù)式壓縮機，并占據(jù)了離心式壓縮機的部分市場。 三、壓縮機的初步市場分析 1. 氣體壓縮機 常用的氣體壓縮機有離心式氣體壓縮機和往復(fù)式氣體壓縮機。多年來，我國壓縮機制造業(yè)攻克不少難關(guān)，取得重大突破。但我國離心壓縮機在高技術(shù)、高參數(shù)、高質(zhì)量和特殊產(chǎn)品等方面還不能滿足國內(nèi)需要， 50% 左右產(chǎn)品需要進口。國內(nèi)中小型往復(fù)式壓縮機已經(jīng)能夠基本滿足國內(nèi)石化行業(yè)需求，但大型往復(fù)式壓縮機還不能滿足市場需要，特別是技術(shù)含量高和特殊要求的產(chǎn)品還滿足不了國內(nèi)需求。預(yù)計“十一五”期間對大中型壓縮機的總量需求會比“九五”“十五”期間的需求增幅較大，尤其是超大型及特種工藝壓縮機更是如此。根據(jù)目前形勢預(yù)測，今后五年的壓縮機市場基本是穩(wěn)中有升。 2. 家用空調(diào)壓縮機 目前，我國房間空調(diào)器的生產(chǎn)總量已經(jīng)超過美國，居世界第一位。 2004 全年壓縮機的表觀消費量 ( 即銷量＋進口量－出口量 ) 為 4 200 萬臺，而同期空調(diào)的產(chǎn)量高達 4 746 萬臺，兩者之間有近 550 萬臺的缺口。據(jù)估計， 2005 年全年將出現(xiàn) 600 萬臺的缺口空調(diào)壓縮機的供給局面較為緊張。但隨著空調(diào)壓縮機企業(yè)的擴容和制冷空調(diào)企業(yè)的加入，我國空調(diào)壓縮機產(chǎn)銷量將在 2006 年達到 7 000 萬臺，屆時國內(nèi)空調(diào)壓縮機或?qū)⒊霈F(xiàn)供大于求的局面。 3. 汽車空調(diào)壓縮機 目前汽車空調(diào)壓縮機雖然型式多樣，但仍以斜盤壓縮機產(chǎn)量最多，回轉(zhuǎn)式產(chǎn)量最少?；剞D(zhuǎn)式壓縮機零件少、效率高，是汽車空調(diào)壓縮機一個重要的發(fā)展方向?；剞D(zhuǎn)式汽車空調(diào)壓縮機主要有旋葉壓縮機和渦旋壓縮機。旋葉壓縮機主要以日本松下株式會社和日本精工精機株式會社為主，日本電裝公司和杰克賽爾公司也都生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機。渦旋壓縮機主要以日本三電公司，三菱重工公司和電裝公司為主要生產(chǎn)廠。國內(nèi)也有企業(yè)開始涉足回轉(zhuǎn)式汽車空調(diào)壓縮機 1.3 本次設(shè)計的介紹 活塞式壓縮機的工作是氣缸、氣閥和在氣缸中作往復(fù)運動的活塞所構(gòu)成的工作容積不斷變化來完成。如果不考慮活塞式壓縮機實際工作中的容積損失和能量損失（即理想工作過程），則活塞式壓縮機曲軸每旋轉(zhuǎn)一周所完成的工作，可分為吸氣，壓縮和排氣過程。壓縮過程是活塞從下止點向上運動，吸、排汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體在密閉的氣缸中被壓縮，由于氣缸容積逐漸縮小，則壓力、溫度逐漸升高直至氣缸內(nèi)氣體壓力與排氣壓力相等。壓縮過程一般被看作是等熵過程。排氣過程是活塞繼續(xù)向上移動，致使氣缸內(nèi)的氣體壓力大于排氣壓力，則排氣閥開啟，氣缸內(nèi)的氣體在活塞的推動下等壓排出氣缸進入排氣管道，直至活塞運動到上止點。此時由于排氣閥彈簧力和閥片本身重力的作用，排氣閥關(guān)閉排氣結(jié)束。至此，壓縮機完成了一個由吸氣、壓縮和排氣三個過程組成的工作循環(huán)。此后，活塞又向下運動，重復(fù)上述三個過程，如此周而復(fù)始地進行循環(huán)。這就是活塞式壓縮機的理想工作過程與原理。第2章 壓縮機機組結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1主機結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1.1結(jié)構(gòu)型式 活塞式壓縮機可分為立式、臥式與角式三大類，每種又可分為有十字頭與無十字頭兩種。 (1)壓縮機的列數(shù) 壓縮機的列數(shù)是指氣缸中心線數(shù)或連桿數(shù)，有單列與多列之分。從動力平衡的角度看，多列機可以得到較好的慣性力平衡性與切向力均勻性，所以機器轉(zhuǎn)速可較高，基礎(chǔ)也可較?。还β氏嗤臋C器，列數(shù)多者的活塞力小，運動機構(gòu)就輕巧，而且每列串的級數(shù)較少，拆裝也方便。但列數(shù)過多則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件數(shù)量與泄露點增加，所以壓縮機的列數(shù)是由機器的型式、排氣量、級數(shù)與活塞力的大小等綜合考慮要決定的。通?；钊Γ?～22）× 時，取2～4列；所以本設(shè)計取2列。 (2)級的配置原則 ①應(yīng)爭取各列內(nèi)外止點時的最大活塞力的相等 對某一刻，這個要求可用運動機構(gòu)利用系數(shù)來表示，系數(shù)接近1最好，這時活塞往返行程的最大活塞力接近，曲柄連桿機構(gòu)的強度在往返行程中得到充分利用，從而機構(gòu)重量輕，慣性力小，機械效率也高。而且由于往返行程的功耗相近，切向力也較均勻，飛輪也可作地小些。一列中配一級時，作成雙作用缸時的較大。 ②力求泄漏最小 泄漏取決于密封壓差、密封周長、間隙及潤滑劑等，所以相鄰兩缸的級次應(yīng)相近，以減少壓差，降低泄露，高壓級盡量設(shè)在蓋側(cè)，這樣填料設(shè)在低壓側(cè)，所以泄露也可以減少。 ③應(yīng)注意降低流動損失和減少氣流脈動 同一級設(shè)有幾個缸時，應(yīng)讓各缸的吸氣和排氣按時間錯開，以減少級間管道與設(shè)備中的氣流脈動。 (3)氣缸形式 氣缸是構(gòu)成工作容積實現(xiàn)氣體壓縮的主要部件。在氣缸設(shè)計時，除了考慮強度、剛度與制造外，還應(yīng)注意以下幾個問題： ①氣缸的密封性、氣缸內(nèi)壁面耐磨性以及氣缸、填料的潤滑性能要好。 ②通流面積要大，彎道要少，以減少流動損失。 ③余隙容積要小，以提高容積系數(shù)。 ④冷卻要好，以散逸壓縮氣體時產(chǎn)生的熱量。 ⑤進排氣閥的閥腔應(yīng)被冷卻介質(zhì)分別包圍，以提高溫度系數(shù)。 ⑥應(yīng)避免溫差應(yīng)力引起的開裂等。 按冷卻方式分，有風(fēng)冷氣缸與水冷氣缸；按活塞在氣缸中的作用方式分，有單作用、雙作用及級差式氣缸。 2.1.2參數(shù)的確定 壓縮機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是轉(zhuǎn)速、活塞平均速度、活塞行程，它反映了機器的結(jié)構(gòu)面貌和工作特征，三者的關(guān)系是 （2-1） 式中：—活塞平均速度，； —轉(zhuǎn)速，； —活塞行程，。 (1)轉(zhuǎn)速 設(shè)計壓縮機時，同樣的排氣量，轉(zhuǎn)速取得高，則機器的尺寸小，重量輕，并有可能與電機直聯(lián)，占地面積??；電動機也是如此，同樣功率的電機，轉(zhuǎn)速高的尺寸小，價格也便宜，所以轉(zhuǎn)速高的壓縮機機組總的經(jīng)濟性好些，正因如此，現(xiàn)代壓縮機的轉(zhuǎn)速趨向于提高。 但提高轉(zhuǎn)速需克服一系列的設(shè)計、制造與材料方面的問題，如會使慣性力過大而引起機器振動加??；轉(zhuǎn)速過高會使易損件壽命降低，比如使活塞環(huán)、填料、十字頭、連桿軸瓦等的磨損加快，特別是氣閥閥片的壽命與轉(zhuǎn)速的提高成反比例降低；轉(zhuǎn)速的提高還使氣流通道與氣閥中的阻力增加等。 另外，若轉(zhuǎn)速增加使得慣性力超過最大活塞力，則運動機構(gòu)的設(shè)計將以最大慣性力為依據(jù)，這樣的運動件，其強度在壓縮機工作過程中得不到充分利用，機器笨重，浪費材料。 根據(jù)參考書[1]表2-10，取壓縮機的轉(zhuǎn)速 (2)活塞平均速度 轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致活塞平均速度提高，而活塞平均速度的增加又會使易損件的壽命低并增加摩擦功耗，這是因為提高則單位時間內(nèi)活塞環(huán)、十字頭、填料等在單位時間內(nèi)的摩擦距離增加了；另一方面，活塞平均速度的提高還會導(dǎo)致氣流通道的尤其是氣閥的阻力增加. 選取 (3)活塞行程 轉(zhuǎn)速與活塞平均速度確定后，行程可由[1]式1-222確定，但還應(yīng)考慮其他因素，如行程應(yīng)按壓縮機的三化標(biāo)準(zhǔn)取標(biāo)準(zhǔn)值；如要考慮壓縮機的結(jié)構(gòu)特點，立式及角度式機行程宜取得比臥式機小些，以免高度太大；另外，還有一個行程與第一級缸徑比的取值問題；若取得太大，則機身較長而笨重；若取得過小，則活塞直徑過大使活塞力太大，運動機構(gòu)也將變得笨重，而且雖然氣缸直徑大、氣閥安裝方便，但過大又會使氣缸接管安裝空間減少，還影響到熱交換與泄露等等。 根據(jù)參考書[1]式1-222取。 2.2輔助設(shè)備設(shè)計 壓縮機的輔助設(shè)備包括，潤滑、冷卻、氣量調(diào)節(jié)、管路與管路附件等，它們對壓縮機的運行有十分重要的關(guān)系。 2.2.1冷卻系統(tǒng) 活塞式壓縮機冷卻系統(tǒng)由中間冷卻器、氣缸和填料的水套、潤滑油冷卻器、后冷卻器、水管路以及其他附件組成。 (1)冷卻系統(tǒng)的配置原則 ①保證進入中間冷卻器的水溫，在系統(tǒng)中為最低；而氣缸和填料水套的進水溫度不應(yīng)過低。風(fēng)冷式壓縮機，最冷空氣要先進入冷卻器，故多為吸風(fēng)式。 ②經(jīng)濟性好，即系統(tǒng)耗水量小，管路簡單。 ③運行時檢視和調(diào)節(jié)水量方便。 (2)冷卻系統(tǒng)配置的基本方案 本設(shè)計采用串聯(lián)水冷系統(tǒng)。冷卻水首先進入中間冷卻器，然后依次進入氣缸水套，最后經(jīng)后冷卻器排除。 2.2.2潤滑系統(tǒng) 運動零件的摩擦表面需要潤滑，當(dāng)摩擦表面為非自潤滑材料時，一般用液體作潤滑劑，活塞式壓縮機大多數(shù)零件的潤滑就屬于這種情況，這是本節(jié)要討論的內(nèi)容。 (1)活塞式壓縮機潤滑的目的 降低摩擦功耗；減少零件磨損；冷卻摩擦表面，防止燒傷咬死；清除摩擦面雜志和預(yù)防銹蝕等。另外，對氣缸與填料部位的潤滑還有加強氣缸工作容積密封的作用。 (2)活塞式壓縮機潤滑的特點 其潤滑系統(tǒng)分為內(nèi)部潤滑與外部潤滑兩部分，氣缸與填料的潤滑屬于內(nèi)部潤滑，氣缸以外曲軸連桿等運動機構(gòu)的潤滑屬于外部潤滑。在內(nèi)部潤滑中，潤滑油與高溫、高壓的被壓縮氣體直接接觸，需采用特殊的專用潤滑油，如壓縮機油、專用潤滑油或其它專用油。外部潤滑中，潤滑油不與被壓縮氣體接觸，可采用一般的機械油，當(dāng)然也可采用壓縮機油。 小型無十字頭壓縮機中，運動部件與氣缸用同一潤滑油系統(tǒng)，共用內(nèi)部潤滑用的潤滑油—壓縮機油。 外部系統(tǒng)潤滑中，為起冷卻沖洗作用，潤滑油用量很大，是循環(huán)使用的。內(nèi)部潤滑系統(tǒng)中，潤滑油用量很小，是一次性使用，油以每分鐘數(shù)滴速度，壓力注入氣缸與填料，并被壓縮氣體帶走。 (3)內(nèi)部潤滑 ①氣缸的潤滑方式 由于本設(shè)計的活塞環(huán)采用聚四氟乙烯材質(zhì)，故氣缸為自潤滑。 ②填料的潤滑方式 填料的潤滑也屬于內(nèi)部潤滑，潤滑的部位是活塞桿與填料的相互摩擦表面，它采用壓力潤滑，一個點配一個注油器，一般一個填料函設(shè)一個注油點。當(dāng)氣體壓力大于50個大氣壓時，設(shè)置兩個注油點。 (4)空氣壓縮機對內(nèi)部潤滑用油的基本要求 ①在高溫高壓下應(yīng)仍有適當(dāng)?shù)恼扯取? ②良好的抗氧化性。 ③積炭傾向要小。 ④腐蝕性小。 ⑤適當(dāng)?shù)拈W點與高的自燃點。 (5)外部潤滑 外部潤滑是指曲柄連桿機構(gòu)的潤滑，除了微、小型機的曲柄連桿靠飛濺潤滑外，其余的主要都是靠壓力進行循環(huán)潤滑。為沖洗與冷卻摩擦表面，并在軸承處產(chǎn)生足夠的油膜壓力，外部潤滑需采用流量較大的油泵。外部潤滑油一般采用機械油，也可以采用壓縮機油。 ①按傳動方式外部潤滑的分類 主機驅(qū)動方式：主軸直接傳動油泵，曲軸箱又當(dāng)作循環(huán)油箱，這種方式多用于中小型壓縮機。采用這種方式時，在壓縮機啟動前，應(yīng)事先人工搖轉(zhuǎn)油泵注油，以避免干磨。 單獨電動機驅(qū)動方式：大型壓縮機的油泵及油路部件較大，需另用電動機驅(qū)動油泵。采用這種方式時，在壓縮機開啟前，應(yīng)事先啟動電動機帶動油泵注油，以避免干磨。 這兩種方式的油路都是循環(huán)的，而且在油路上設(shè)了過濾器與冷卻器。 ②曲軸連桿機構(gòu)的潤滑油路 一般曲軸與連桿的內(nèi)部都設(shè)有油孔。 曲軸連桿機構(gòu)的潤滑油路有很多形式，本設(shè)計采用：油泵—曲軸中心孔—連桿大頭—連桿小頭—十字頭滑道—油箱—油泵。 對曲軸的滑動軸承，一般用油泵進行壓力潤滑。此外，還有幾個補充來油，在曲軸功率輸入端，機身有一集油槽，它可補充部分潤滑油進入有軸承，同時，軸上為了防止油外泄設(shè)有的由甩油圈與反向螺紋組成的軸封也可以補充部分潤滑油。在曲軸左側(cè)，曲軸中心孔接受來自齒輪泵的潤滑油，從該孔的密封圈泄露出的小部分油，也會進入左軸承，補充潤滑左軸承。 ③曲軸連桿機構(gòu)潤滑油的選用 本設(shè)計為有十字頭壓縮機，所以外部的機構(gòu)潤滑另成系統(tǒng)，一般使用40號或50號機械油，但也可以使用壓縮機油。 ④外部潤滑用的潤滑油泵 第3章 熱力計算 壓縮機的熱力計算是根據(jù)氣體的壓力、容積和溫度之間存在的一定關(guān)系，結(jié)合壓縮機的具體特性和使用要求而進行的。其目的是得到最有利的熱力參數(shù)，比如：各級的吸排氣溫度、壓力、所耗動力；適宜的主要結(jié)構(gòu)尺寸：活塞行程、氣缸直徑等，最終確定驅(qū)動型式。因此，新設(shè)計的壓縮機必須進行熱力計算。 3.1 原始數(shù)據(jù) 型號： 活塞式空氣壓縮機 壓縮介質(zhì)： 空氣 排氣量： 1m3/min 吸氣壓力： 1×105 Pa（絕壓） 排氣壓力： 6×105 Pa（表壓） 吸氣溫度： 25℃ 相對濕度： 0.8 空氣的絕熱指數(shù)： 1.4 活塞行程： 100 mm 壓縮機的轉(zhuǎn)速： 1450 r/min 3.2熱力計算 3.2.1總名義壓力比 由參考文獻[3]式（1—87）計算總壓力比 （3—1） 式中—總壓力比； —Ⅰ級名義吸氣壓力,Pa； —Ⅱ級名義排氣壓力，Pa。 則總的名義壓力比： 3.2.2名義壓力 名義吸氣壓力Pa（絕對壓力） 名義排氣壓力Pa（絕對壓力） 表3—1 各級名義吸、排氣壓力及各級名義壓力比 項 目 級 別 名義吸氣壓力 /105 Pa（絕壓） 名義排氣壓力 /105 Pa（絕壓） 名義壓力比 1 3 3 3.2.3排氣溫度 由參考文獻[3]式（1—117）計算各級排氣溫度 （3—3） 式中—各級名義排氣溫度,K； —各級名義吸氣溫度,K； —空氣的絕熱指數(shù)（）。 名義吸氣溫度K 名義排氣溫度 表3—2 各級名義溫度及壓力 級次 名義吸氣溫度 t/℃ T/K 名義壓力比 絕熱指數(shù) 名義排氣溫度 t/℃ T/K 25 298 3 1.4 1.369 153 426 3.2.4各級排氣系數(shù) （1）容積系數(shù) 按參考文獻[3]表1—2查得各級膨脹系數(shù)為： 按參考文獻[4]，查得當(dāng)壓力小于等于1.936MPa時，壓縮機的相對余隙容積值為=0.07～0.12，參照同類機器產(chǎn)品取， 則各容積系數(shù)為：由參考文獻[3]式（1—74） （3—4） 將已知數(shù)據(jù)代入式（3—4）得 （2）壓力系數(shù) 根據(jù)參考文獻[4]，取， （3）溫度系數(shù) 根據(jù)參考文獻[3]表1—16，取， （4）泄漏系數(shù) 根據(jù)參考文獻[3]，取，。 3.2.5各級氣缸的行程容積 按參考文獻[1]式（3—51）計算行程容積 （3—6） 將已知數(shù)據(jù)代入式（3—6）得 m3/次 3.2.6各級氣缸直徑 由設(shè)計值根據(jù)參考文獻[4]表2—10的選擇方法，初選活塞桿直徑mm。由參考文獻[3]式（1—55）計算氣缸直徑 （3—7） 式中S—活塞行程，mm。 將已知數(shù)據(jù)代入式（3—7）得 m 按參考文獻[4]表2—8進行圓整，取mm。 3.2.7 活塞力 （1）計算氣缸實際平均壓力 相對壓力損失查參考文獻[3]圖1—18得 ， 由于m/s，而圖是按3.5m/s繪制的，故需進行修正。修正后的相對壓力損失為： （2）計算活塞力 最大活塞力 3.3壓縮機功率 3.3.1 指示功率 根據(jù)參考文獻[3]式（1—81） 壓縮指數(shù) n＝0.95x1.4=1.33 排氣溫度 （3—10） 式中低壓級可取（0.95～0.99）k，對中壓與高壓級取。 將已知數(shù)據(jù)代入式（3—10）得 式中， 3.3.2 軸功率 根據(jù)參考文獻[3]，取機械效率 kw 3.3.3 電機功率 考慮到壓縮機運轉(zhuǎn)時常會因工況的變化、冷卻的惡化等引起功率消耗增加而造成驅(qū)動機負荷超過正常工作的需要，因此，一般驅(qū)動機還應(yīng)留有一定的儲備功率。本設(shè)計按10%的裕度取值。 則 kw 3.3.4 電動機型號 根據(jù)kw選擇電動機，由參考文獻[10]選用電動機： 型 式：開啟式單伸軸三相同步電動機 型 號：TK200—18/1430 額定功率：7.5kw 轉(zhuǎn) 速：1450r/min 效 率：90.5% 電 壓：380V 重 量：1743kg 外形尺寸：1457×1350×1260 勵磁方式：可控硅勵磁 4 壓縮機基本零部件設(shè)計 4.1 連桿的設(shè)計 連桿是將作用在活塞上的推力傳遞給曲軸，又將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運動的機件。 連桿包括桿體、大頭、小頭三部分。桿體截面有圓形、環(huán)形、矩形、工字型等。圓形截面的桿體，機械加工最方便，但在同樣強度時，具有最大的運動質(zhì)量，適用于低速、大型以及小批量生產(chǎn)的壓縮機。工字形截面的桿體在同樣強度時，具有最小的運動質(zhì)量，但其毛坯必須用模鍛或鑄造，適用于高速及大批量生產(chǎn)的壓縮機[7]。 圖5.1 連桿零件圖 4.1.1 連桿的定位 為了防止連桿在運動時的左右擺動，以及考慮曲軸的熱膨脹引起的軸向移動對連桿的影響，連桿必須加以定位，定位的方法有大頭定位與小頭定位兩種[8]。 大頭定位是在連桿大頭軸瓦兩端面與曲軸銷的配合端面采用較小的配合間隙（約0.2~0.5毫米）；而在小頭襯套端面與活塞銷的配合端面則取較大的間隙(約為2~5毫米)。小頭定位是在小頭襯套端面與活塞銷的配合端面采用0.20~0.50毫米的配合間隙，而在大頭端面與曲柄銷的配合端面，取2~5毫米的間隙。 大頭定位適用于大頭軸瓦為后壁瓦的情況[9]。 4.1.2 連桿長度L的確定 連桿長度L即連桿大小頭孔中心距，由曲柄半徑R與連桿長度L的比值決定。λ愈大，壓縮機的外形愈小，愈容易使連桿在運動時與滑道壁相碰；λ值小了的話，就會使壓縮機的外形愈大；所以選取要適當(dāng)。 因為V型壓縮機要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以，選取 行程s=100 mm ，曲柄半徑 ∴ 連桿長度L： 4.1.3 連桿寬度B的確定 連桿小頭襯套尺寸的確定 圖5.2 小頭襯套 連桿小頭瓦內(nèi)徑按活塞銷決定：d=25mm 連桿小頭軸瓦近年來采用襯套的結(jié)構(gòu)，襯套的厚度s以及寬度b選取: ，取 ，取b=30mm 小頭襯套與活塞銷的間隙 小頭襯套材料多采用銅合金。 連桿寬度B的確定 從工藝上考慮連桿大小頭寬度取相等。對于連桿寬度取B=0.9b 式中b為軸瓦的寬度；對于大頭定位時，為大頭寬度，對于小頭定位時，則為小頭襯套寬度。 ，取B=27mm 連桿桿體的主要尺寸確定 桿體中間截面的尺寸： 當(dāng)量直徑 ，對于活塞力<1~2噸，短行程的連桿，為了增強剛性，系數(shù)選取為1.65~2.15 所以選擇 ∴ 取 由于本設(shè)計選擇工字型連桿，對于非圓形截面的桿體，計算出桿體的中間截面面積 ， 再根據(jù)工字型的尺寸的公式計算： 。取 桿體截面為圓形截面： 小頭孔直徑 ,取=26mm 在 處， 取處， ，取　　 在 處 取處 ，，取 連桿螺栓中心距的確定 l=(1.24~1.31)D=50mm 連桿大頭蓋的尺寸確定 截面A-A面積： 截面B-B面積： 因為是工字形的截面，所以系數(shù)取大值 A-A截面的厚度： B-B截面的厚度： 連桿小頭的截面：其中D-D 與C-C截面一樣 當(dāng)活塞力P<2噸時，因活塞銷比壓要求，尺寸可稍大些， 螺栓在大頭體內(nèi)長度 圖5.3 大頭螺栓結(jié)構(gòu) ，取 ，取 連桿螺栓要求強度高,塑性好的材料，螺母的材料可以與其不同。 表5-1常用連桿螺栓及螺母的材料 螺栓材料 45 40Cr 30CrMo 35CrMoA 25Cr2MoV 38CrMoAl 40Cr2MnV 螺母材料 35 35Mn,20Cr 20Cr 30Mn 30Mn，30CrMo 30Mn, 30CrMo 30Mn, 30CrMo 連桿螺栓的直徑： ， 取 選擇螺栓為M8×1.5 連桿螺栓長度的確定：螺栓總長度（不包括螺栓頭）： ，取=52mm 連桿螺栓的個數(shù)Z=2 連桿的材料選取45鍛鋼，連桿螺栓的材料選用40Cr鋼。 4.2 氣缸部分的設(shè)計 氣缸是活塞式壓縮機中組成壓縮容積的主要部分。根據(jù)壓縮機所要達到的壓力，排氣量，壓縮機的結(jié)構(gòu)方案，壓縮氣體的種類，制造氣缸的材料以及制造廠的習(xí)慣等條件，氣缸的結(jié)構(gòu)可以有各種各樣的形式[10]。 設(shè)計氣缸的要點是： 1、 應(yīng)具有足夠的強度和剛度。工作表面具有良好的耐磨性。 2、 要有良好的冷卻；在有油潤滑的氣缸中，工作表面應(yīng)有良好的潤滑狀態(tài)。 3、 盡可能減小氣缸內(nèi)的余隙容積和氣體阻力。 4、 結(jié)合部分的連接和密封要可靠。 5、 要有良好的制造工藝性和裝拆方便。 6、 氣缸直徑和閥座安裝孔等尺寸應(yīng)符合“三化”要求[11]。 4.2.1 結(jié)構(gòu)形式的確定 氣缸因工作壓力不同而選用不同的材料，這個設(shè)計工作壓力低于60公斤/厘米2，本設(shè)計采用風(fēng)冷式壓縮機的單層壁氣缸，氣缸用鑄鐵制造，鑄鐵具有良好的鑄造性能，對氣缸結(jié)構(gòu)形狀的限制較小，所以鑄鐵氣缸的形式較多。極差式的鑄鐵氣缸，根據(jù)級在氣缸中的布置方式和氣缸的尺寸，可以制成整體式和分段的。本設(shè)計的氣缸由一級氣缸和二級氣缸組成[12]。 風(fēng)冷氣缸靠氣缸外壁加散熱片來冷卻。散熱片有環(huán)向和縱向兩種布置方式。環(huán)形布置的氣缸剛性較差，但冷卻較均勻；而縱向布置的氣缸剛性好，但冷卻不均勻，被封面的冷卻效果很差。通常多用環(huán)向布置的散熱片。風(fēng)冷氣缸各部分尺寸如圖5-4所示。汽缸蓋端的冷卻時很重要的，所以，通常氣缸靠近蓋端的散熱片較長，而且氣缸蓋也設(shè)散熱片，已加強這一部分的冷卻[13]。 圖5.4 氣缸及其尺寸 4.2.2氣缸主要尺寸的計算 一二級氣缸的壁厚氣缸布置在氣缸蓋上，氣缸形狀較簡單且用高強度鑄鐵，取。 壁厚的附加項a，其值按0.5~0.8cm選擇，則a=6mm。則 4.3 活塞 活塞與氣缸構(gòu)成了壓縮容積，活塞必須有良好的密封性，此外還要求： 1、有做夠的強度和剛度。 2、活塞與活塞桿的連結(jié)和定位要可靠。 3、重量輕。兩列以上的壓縮機中，應(yīng)根據(jù)慣性力平衡的要求配置各列活塞的重量 4、制造工藝性好[14]。 4.3.1 結(jié)構(gòu)型式的確定 活塞式壓縮機中采用的活塞基本結(jié)構(gòu)型式有：筒形、盤形、級差式、組合式、柱塞等[15]。 4.3.2 活塞基本尺寸 一級活塞環(huán)部尺寸： 活塞活塞直徑： D=110mm 環(huán)的徑向厚度t： ∴取t=4mm 活塞環(huán)的軸向高度h： ，取h=4mm 刮油環(huán)的軸向高度： ，取h3=6mm 活塞頂面至第一道活塞環(huán)的距離： ，取C=12mm 活塞環(huán)之間的距離： ，取C1=5mm 活塞環(huán)部高度： 參考文獻 [1] 郁永章.容積式壓縮機技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000. [2] 李云，姜培正. 過程流體機械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. [3] 方子嚴. 化工機器[M].北京：中國石化出版社，1999. [4]《活塞式壓縮機設(shè)計》編寫組.活塞式壓縮機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1974. [5] [6] 趙云揚，李連生，束鵬程. 壓縮機的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 通用機械，2005, 30(9): 36-37. [7] [8] 中國通用機械工業(yè)協(xié)會. 前進中的壓縮機行業(yè)[J]. 通用機械，2005, 12(1): 28-30. [9] 夏克盛，魏鐘南，董天祿. 世界壓縮機發(fā)展趨勢[J]. 通用機械，2001, 27(1): 48-53. 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