毕业设计空气压缩机设计

毕 业 设 计学生姓名： 崔红飞 学 号： 080503105 学 院： 机械电子工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 2V-0.5/10型空气压缩机设计 指导教师： 任欧旭(讲师) 评阅教师： 朱玉峰（教授） 2012年06月 毕 业 设 计 说 明 书 中 文 摘 要压缩机是非常重要的化工机械，属于容积式压缩机，在流体动力过程中应用十分广泛。本设计为对2V-0.5/10型压缩机进行最优化的计算和设计，在保证结构紧凑，重量轻的前提下，进行热力学计算，动力学计算，零部件的结构设计。总体结构设计主要有结构方案选择、转数的确定、气阀的选择、轮滑方式的选择和驱动的确定。热力学计算主要有确定压缩机的设计参数，结构形式、行程、各级压缩比的分配、实际压缩比、热力学四大系数及行程和气缸直径的确定等。动力学计算的主要任务是确定出飞轮矩和平衡惯性力，其目的是保证主轴转动平稳。零部件的结构设计内容主要为一二级的气缸、气缸盖及连杆、曲拐轴、油环、气环和主要运动零部件的结构示意图。关键词 压缩机 结构设计 热力学 动力学 零件图毕 业 设 计 说 明 书 外 文 摘 要Title The Design of 2V-0.5/10-type Air Compressor AbstractThe compressor is a very important chemical machinery, a positive displacement compressor is widely used in the process of fluid power. The design for the 2V-0.5/10 type compressor optimization calculation and design, the compact, light weight, thermodynamic calculations, and dynamics calculations, the structural design of components. The overall structural design of the main structure of the program to select, the number of revolutions to determine the choice of the valve, skating Selection and driven. Thermodynamic calculations to determine the design parameters of the compressor, structural form, stroke, compression ratio distribution at all levels, the actual compression ratio, thermodynamics four coefficients and stroke and the cylinder diameter. Dynamics calculations, the main task is to determine the flywheel moment and balance the inertial force, which aims to ensure that spindle rotation smooth. Parts of the structure design mainly for two cylinders, cylinder heads and connecting rod, crank shaft, oil ring, gas ring, and the structure diagram of the main moving partsKey Words Compressor Structural design Kinetics Parts diagram 本 科 毕 业 设 计 第 II 页 共 页目 录1 绪论11.1 本设计的背景及意义11.2 本设计中的注意事项21.3 本设计的预期工作22总体结构设计32.1 结构方案选择32.2 压缩机转数的确定52.3 气阀的选取52.4 压缩机轮滑方式的选择52.5 压缩机的驱动63 热力学计算73.1 设计参数73.2 结构型式和参数确定73.3 行程的确定73.4 级数选择、各级名义压力比分配和实际压力比83.5 各级排气温度103.6 各级气体的可压缩性系数103.7 各级热力学系数103.8 各级气缸的行程容积133.9 各级气缸直径143.10 圆整后各级名义压力及温度153.11计算活塞力163.12 计算轴功率184 压缩机零部件设计204.1 活塞销设计204.2 活塞设计214.3 曲轴设计244.4 连杆设计254.5 刮油环设计274.6 活塞环设计284.7 气缸设计305动力学计算325.1 动力学任务325.2 活塞组件质量计算数据325.3 动力学作用力计算335.4 综合活塞力计算及列的切向力图绘制395.5 总切向力叠加及总切向力图的绘制435.6 飞轮矩确定485.7 飞轮矩设计48结 束 语50致 谢51参 考 文 献52 本 科 毕 业 设 计 第 54 页 共 52 页1 绪论1.1 本设计的背景及意义压缩机是用来提高气体压力和输送气体的，属于将原动机的动力能转变为气体压力能的工作机械。要实现压缩机的连续运转需要两个条件：一是主机完成压缩任务；二是辅机确保机械的运行安全。压缩机的种类多、用途广，有“通用机械”之称。目前，除了活塞式压缩机，其他各类压缩机机型，比如离心式、双螺杆式、滚动转子式和涡旋式等均被有效地开发和利用，为用户在机型的选择上提供了更多的可能性1。根据 2003 年，压缩机行业协会单位 67 家企业的统计结果，压缩机工业总产值(不变价)达 48 亿元，且在大中型压缩机中，空气压缩机占绝对主导地位。据不完全统计，2005 年国内动力用压缩机的生产销售总量已经达到 120 亿元左右。图 1.1 是从 1952年至 2003 年我国压缩机年产量的变化2。全国压缩机产量图1.1 19522003 年全国压缩机产量变化随着经济的高速发展，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。我国的压缩机专业高等教育学科已设置半个世纪，机械部门的压缩机研究机构也已面世50 年。尤其在改革开放后，压缩机行业得到了快速发展，现已形成了人才培养、科学研究、产品开发设计和制造的完善体系。除少数超高压和特殊气体压缩机外，现有产品品种和数量基本满足国民经济各部门的需要3。1.2 本设计中的注意事项压缩机属于单元过程机械，并都涵盖在流体动力过程的涉及范畴内。压缩机的设计过程是遵循流体力学规律的过程，这其中要涉及到流体静力学过程和流体动力学过程4。在压缩机设计过程中要符合以下基本原则：（1）满足用户提出的排气量，排气压力及有关有关使用条件的要求；（2）有足够长的使用寿命，足够高的使用可靠性；（3）有较高的运转经济性（4）有良好的动力平衡型（5）维护检修方便（6）尽可能采用新机构，新技术，新材料；（7）制造工艺性良好（8）机器的尺寸小，重量轻。显然上述原则是相互矛盾的5。因为，对于压缩机设计者来说，重要的是根据压缩机的用途，掌握其主要要求，在保证主要要求的前提下，尽量满足其他要求。1.3 本设计的预期工作本课题的设计任务是在常温下对空气进行压缩，进气压力为大气压，压缩后排气压力为1.1MPa，排气量不低于0.5 m3/min。为满足设计和技术要求，综合考虑，本设计采用V型两级压缩，有油沦滑，冷却方式为风冷式。设计内容包括进行总体方案和结构设计，进行热力学计算、动力学计算、飞轮设计、主要零部件结构设计及必要的强度校核计算、动平衡设计计算等。其中总体结构设计方面主要包括结构方案选择、气缸排列形式、运动机构的结构选择、级数选择、压缩机转数、行程的确定和驱动选择；热力学计算方面主要是通过各级排气压力、排气温度和各级排气系数的计算来确定各级气缸形成容积和气缸直径及活塞力和轴功率，从而选择电机型号；零部件结构设计方面主要包括活塞组件的设计、曲轴结构、连杆设计和气缸的设计；动画里学计算主要是计算各级平均切向力，然后根据不同方案级数的布置进行叠加计算总平均切向力，选择最优方案，确定飞轮距；飞轮设计主要包括根据及其允许的旋转不均度、飞轮距的大小和冷却所需风量，参照工厂图纸进行尺寸结构设计。 2 总体结构设计总体设计的基本步骤：（1）选择结构方案，主要参数，相应的驱动方式和大体确定附属设备布置。（2）压缩机的技术经济性能指标是否先进，可否满足使用要求根本取决于总体设计阶段考虑的是否恰当等。如果考虑不当就会导致先天不足其消除时十分困难。故此，总体设计十分重要，故先要搜集国内同类型或相近的资料，进行研究比较提出合理方案，再进行热力学计算，动力计算，初步选择主要零件的尺寸，在分析研究的基础上选出最符合要求的方案，最后绘出纵横剖面图和外形布置图等尽量清楚明了。2.1 结构方案选择活塞式压缩机的结构方案由下列因素组成：机器的型式、级数和列数以及各级气缸在列中的排列和各列间曲柄错角的排列。(1)机器的型式。无特殊说明机器的型式均是带十字头的对称平街型压缩机。(2)级数的选择和各级压力比的分配原则。工业用的气体，有时需要较高的压力，需采取多级压缩。在选择压缩机的级数时，一般应遵循下列原则：使压缩机消耗的功最小、排气温度应在使用条件许可的范围内、机器重量轻、造价低。要使机器具有较高的热效率，则级数越多越好(各级压力比越小越好)。然而级数增多，则阻力损失增加，机器总效率反而降低，结构也更加复杂，造价便大大上升。因此。必须根据压缩机的容量和工作特点，恰当地选择所需的级数和各级压力比。(3)各级气缸在列中的排列。在活塞式压缩机中，一个连杆所对应的气缸活塞组即为一列6。压缩机按列数的多少分成单列和多列两类。对称平衡型结构只能制成多列压缩机，而且列数通常是偶数。各级气缸的排列应根据下述原则进行：要求各列往返止点的活塞力相等；尽可能使气体的内泄漏和外泄漏尽可能小；应该使得级间设备和管道得到较有利的布置，以便降低流动阻力损失和减小气流脉动；要使气缸、活塞和气阀的装拆方便。2.1.1 气缸排列形式压缩机气缸的排列多种多样：卧式、立式、L型、V型、W型、星型和对称平衡型7。卧式及对称平衡型压缩机较多用于大、中型压缩机；立式仅用于中小型且中型压缩机主要用于无油沦滑；L型、V型、W型、星型等角度式压缩机适用于中小型和微型。L型、V型、W型、星型等角度式压缩机共同优点：本设计属于微型压缩机常规设计，考虑设计参数和市场现状选用V型结构。其结构中相邻气缸中心线可以选择90、75、60等，其中以90平衡最佳，两级往复质量相等，一阶往复惯性力合力为定值，且始终处于曲柄方向，因此可以在曲柄相反方向用装平衡重的方法来平衡。当两列不为90时，用装平衡重的方法只能平衡掉一阶往复惯性力合力的一部分。在这种情况下往复惯性力合力的方向与曲柄方向是不一致的8。故本设计采用气缸夹角为90。2.1.2 运动机构的结构活塞式压缩机的运动机构有：无十字头和有十字头两种。无十字头结构简单紧凑及其高度较低，相应的机器重量较轻，一般不需要专门的沦滑机构。但是只能做成单作用缸，气体泄漏量较大，气缸工作表面所受侧向力较大，因而活塞易磨损，另外，气缸中的沦滑油量也不好控制。其一般只用于立式、V型、W型和扇形结构。当压缩机功率大于（120150）kW 时，无十字头压缩机重量超过有十字头，而结构也较复杂。因此，无十字头压缩机只在小功率范围内使用。小型压缩机注重紧凑便于搬动，多选用无十字头运动机构。带十字头的特点有：工作表面不承受连杆带来的侧压力，所以气缸与活塞间摩擦和磨损较小，从分利用气缸容积，轮滑油易于控制，可以设置填料函，故气体泄漏量较小。但是机械结构复杂，高度和重量也增加。特别是工艺流程的压缩机，要求机械长期运转，所以多用带十字头的压缩机。我国固定式动力用空压机，排量在（10100）m3/min动率在（60630）kW之间时用带十字头结构。化工石油部门工艺流程中使用都是带十字头的9。本设计为功率较小的V型空气压缩及设计，考虑到以上因素采用无十字头的运动机构。2.1.3 级数选择及各级压力比分配工业用气体有较高的压力，多采用多级压缩，这样可以降低排气温度，提高气缸容积系数，降低作用在活塞上的活塞力也节省功率消耗。选择级数的一般原则是：节省功率，机器结构简单、质量轻成本低及操作维修方便，有时主要是满足工艺流程上的特殊要求，例如排气温度不得超过允许值，某级间压力符合工艺上对中间抽气压力的要求等。对不同的压缩机，选择级数的原则各有侧重，例如化工上常用的大、中型压缩机，首先是以省功和运转可靠为第一要求，同时排气温度不应过高，一般级压力比均取在24之间。间歇使用的小型压缩机，其基本要求则是机器结构简单紧凑、质量轻及成本低，而功耗却处于次要地位，所以这种压缩机可适当提高级的压力比以减少级数。对于易燃、易爆等特殊气体及无油润滑的压缩机，级数选择主要是受排气温度的限制，再兼顾其他原则10本设计为2V-0.5/10压缩机，根据市场常用压缩机形式与宜采用的级数关系，选择级数为二级。对于压缩比的分配，则以省功为主。研究表明，两级压缩当其两级压缩比相等时可获得最小指示功，则此压缩比即为省功的最佳压力比，但是，实际压缩存在损失余隙影响有热交换及回冷不完善等情况，故实际上最佳压力比分配并不是等压缩比分配，但各级名义压缩比的乘积仍等于总压缩比即： （2.1）2.1.4 列数的选择活塞式压缩机的一个连杆所对应的气缸活塞组即为一列。压缩机按列数的多少分成单列和多列两类，其列数的选择主要取决于排气量、排气压力、机器的型式和级数。立式结构和卧式结构可以制成单列和多列压缩机；对称平衡型结构只能制成多列压缩机，且列数通常是偶数；对置型结构却制成多列压缩机。V型结构只能制成多列压缩机。各级气缸的排列应根据下述原则进行：要求各列往返止点的活塞力相等；尽可能使气体的内泄漏和外泄漏尽可能小；应该使得级间设备和管道得到较有利的布置，以便降低流动阻力损失和减小气流脉动；要使气缸、活塞和气阀的装拆方便。本设计采用V型结构，多列压缩机单重V型结构。2.2 压缩机转数的确定转数和行程的选取对机器的尺寸、制造难易和成本有重大影响，并且还直接影响机器的效率、寿命和动力特性。转数、行程和活塞平均速度的关系式如下： (2.2)式中: 活塞平均速度(m/s)；n压缩机转数(r/min)； S活塞行程(m)。压缩机按其转速可以分为低速、中速和高速三种。虽然单从转速出发而不顾及压缩机的尺寸大小来衡量其高速性是不全面的，因而需要依据一些原则，但由于设计的为微型压缩机，为是结构紧凑，只能采取较小行程，较高转数，但活塞平均速度较低，近代压缩机的转速通常在以下范围：微型和小型（10003000）r/min；中型（5001000）r/min；大型（250500）r/min。综合考虑压缩机转速取 n=1000 r/min.2.3 气阀的选取气阀是活塞式压缩机的重要部件之一，它的工作直接关系到压缩机运转的经济性和可靠性，对气阀的基本要求如下：(1)使用寿命长(只阀片和弹簧的寿命长)；(2)气体通过气阀时能量损失小；(3)气阀关闭时具有良好的密封性；(4)阀片起、闭动作及时和迅速，且需完全开启；(5)气阀所引起的余隙容积要小；(6) 还要求结构简单，制造方便，舌簧阀故综合考虑压缩机气阀选用舌簧阀。2.4 压缩机轮滑方式的选择机器进行沦滑的主要目的如下：（1）减小摩擦功率，降低压缩机功率消耗（2）减少润滑部分磨损，延长零件寿命（3）润滑剂有冷却作用可以到走摩擦热，是零件温度不过高，防止润滑部位咬死烧伤（4）做润滑即使有防止零件生锈的作用。按气缸是否用油润滑，可分为有润滑和无油润滑两种（1）无油润滑的特征为由气缸、缸体、气缸盖、连杆、曲轴等组成，采用自润滑材料制成，不用添加润滑油排除气体不含油污，使压缩机的工作环境更加广泛，适用于一切需要高净化行业中。（2）有油润滑大体又可分为两种：飞溅式和压力润滑。飞溅润滑多用于小型无十字头压缩机中，其特点是气缸和运动部件的润滑面都靠装在连杆上的甩杆油，将油甩起飞溅到润滑部位，气缸和运动部件的润滑剂只能采用一种润滑油，气缸内带油量较大。压力轮滑多用于大、中型带十字头的压缩机。因为本压缩机为微型压缩机，小成本故采用有油润滑中的飞溅润滑。2.5 压缩机的驱动活塞式压缩机的驱动包括驱动机和传动装置。驱动方式与压缩机的结构方案和主要参数的选择有着密切的关系，在选择压缩机结构方案和主要参数时，应该同时考虑驱动方式的选择。活塞式压缩机驱动机可分三类；(1)电动机，比如异步交流电动机或同步交流电动机；(2)活塞式发动机，比如内燃机或蒸汽机；(3)旋转式发动机，比如燃气轮机或蒸汽轮机。在活塞式压缩机中，用很最普遍的是电动机驱动。这里根据活塞式压缩机的轴功率来选取电动机，传动装置为三角带传动。3 热力学计算3.1 设计参数热力学计算的任务：根据气体压力、容积和温度之间存在的热力学关系，结合压缩机的具体特性和使用要求确定压缩机的结构型式及合理的热力参数和结构参数。3.2 结构型式和参数确定结构型式：V型压缩机结构和结构示意图见图3.1和图3.2。 图3.1 V型压缩机 V型两级压缩图3.2 V型压缩机结构示意图3.3 行程的确定转数、行程和活塞平均速度的关系式如下： （3.1）式中: Cm活塞平均速度 m/s； n 压缩机转数 r/min； S活塞行程m。活塞式压缩机设计中，在一定的参数和使用条件下，首先应考虑选择适宜的活塞平均速度，一般说来，微型和小型压缩机，为使结构紧凑，而只能采用较小行程，虽有较高转数，但活塞平均速度却较低，只有2m/s左右。个别小型压缩机由于气阀结构改进，也可高达6m/s 。在一定的活塞速度下，活塞行程的选取，与下列因素有关：1 气量的大小2 机器的结构型式3 气缸的结构。在常压进气时，一般当转速低于500r/min时，=0.40.7（D1为级气缸直径）；转速高于500r/min时，=0.320.45。现代活塞式压缩机的行程与活塞力之间，按统计与分析，有下列关系： S=A （3.2）式中: P活塞力， N； A系数，其值在0.0650.095之间，较小值相应于短行程的机器，较大值相应于长行程的机器。选择压缩机转数时，通常应遵循惯性力不超过活塞力原则（因为运动部件的强度是按活塞力来计算的）。一般说来，活塞力较大的机器，转数相应较低，此外，由于各种结构的压缩机的动力平衡性不同，所以转数也会有区别。压缩机与驱动机相连时，应参照驱动机的额定转数。近代压缩机的转数n通常在下列范围：微型和小型： 1000r/min3000r/min中型： 500r/min1000r/min大型： 250r/min500r/min 由于选取转速为1000 r/min可得出压缩机的活塞平均转速，根据以上要求，行程确定如下：行程：s=0.065m3.4 级数选择、各级名义压力比分配和实际压力比根据已知的进、排气压力，初步确定名义压力比10。 (3.3)式中： 各级名义压力比；排气压力，MPa；进气压力，MPa。上述结果是按假设的理想情况得到的。实际压缩机存在压力损失、余隙影响、有热交换及回冷不完善等情况，另外，气缸直径圆整也会引起压力再分配，故实际上各级的压力比分配并不是等压力比分配。在确定各级压力比的分配时往往还需要考虑其他一些因素，例如第I级常取较小的压力比，以增大第I级的容积系数，目的是确保进气量。最末一级也常取较小的压力比，以防止在气量调节时，末级压力比可能增大到超过一般允许值，造成末级超温。由于本设计为两级压缩，以侧重防止第二级超温为前提。考虑到风冷效果不如水冷，为降低中冷负担，将一级压力比适当调低，通过减小一级排气温度来间接降低二级排气温度，已达到缓解中冷负担的目的，故此，一级压力比应做调整为：=（0.900.95）适当选取计算为=0.953.32 =3.154则：=3.1540.1=0.3154= =3.488调整后，各级名义进、排气压力比列于表3.1：表3.1 名义压力比级数名义进气压力p1（MPa）名义排气压力p2（MPa）名义压力比0.10.31540.31541.13.1543.488各级的实际吸气压力按下式计算： （3.4）各级的实际排气压力按下式计算： （3.5）考虑相对压力损失，查参考文献相对压力损失图。查得各级相对压力损失数据，计算各级实际吸、排气压力和压力比如下表3.2：级数p1(MPa)p2（MPa）sdps(MPa)pd(MPa)级0.10.31540.050.0780.0950.34003.58级0.31541.10.0380.0580.30341.16383.84表3.2 各级实际吸排气压力和实际压力比3.5 各级排气温度根据下式，计算各级的排气温度： (3.6)式中： 各级排气温度，K； 各级进气温度，K； n 绝热压缩过程指数。在实际压缩过程中，对微、小型压缩机，各级气体的等熵指数近似取标准状态下的（双原子），此处根据经验取值n=0.95和k=1.33。将计算结果列于下表3.3。表3.3 各级名义排气温度级数名义进气温度Ts名义压力比压缩指数n名义排气温度TdKK20352933083.1543.4881.331.331.3351.359118.2145.6391.2418.63.6 各级气体的可压缩性系数根据空气的气体性质，查空气的出临界压力和临界温度值，根据已求得的吸、排气温度和进、排气压力，且已知当压力不高时，空气可作为理想气体处理。压缩性系数均可取为1。3.7 各级热力学系数3.7.1 容积系数容积系数可按下式进行计算： (3.7)式中： 容积系数； 压力比； 相对余隙容积； m 膨胀指数。值的大小取决于气阀在气缸上的布置方式、压缩的级次和气阀的结构形式以及同一级次气缸行程与缸径之比值等等，一般值在下列范围内：低压级=0.070.12，中压级0.090.14，高压级0.110.16。在选择时，应该考虑到：（1） 在相同的活塞线速度和排气量情况下，高速短行程压缩机的相对余隙容积，要比低转速长行程压缩机的相对余隙容积大。（2） 气阀在气缸上的布置方式不同，相对余隙容积不同。气阀布置在气缸端面上的相对余隙容积较小，气阀径向布置在气缸上的相对余隙容积较大。（3） 各类型气阀，在安装直径相同时，具有不同的余隙容积。（4） 一般直径大的气缸具有较小的相对余隙容积。膨胀过程指数m愈小，膨胀所占体积愈大，容积系数愈小。膨胀过程指数的大小除与气体性质有关外，主要取决于余隙气体在膨胀过程中与缸壁的热交换情况。当气体得到的热量多时，膨胀过程趋于等温过程，m较小，就小。若得到的热量少，则膨胀过程趋于绝热过程，m趋于k，这时变大。对于空气冷却式压缩机，因为受冷风温度的限制，不可能将气体冷却到一级进气温度，导致回冷不完善。因此，其胀过程指数m值接近于1。另外，m值还随气体性质的差异有所不同，膨胀过程指数m可根据进气压力由表3.4来确定。表3.4 不同进气压力下的膨胀过程指数m值进气压力（MPa）等熵指数kk=1.40.15m=1+0.5(k-1)1.200.150.4m=1+0.62(k-1)1.250.41m=1+0.75(k-1)1.3013m=1+0.88(k-1)1.353m=k1.40按照表3.4计算各级膨胀过程指数： m1 = 1+0.5（k-1）= 1+0.5(1.4-1) = 1.2m2= 1+0.62（k-1）= 1+0.62(1.4-1) = 1.248由于采用舌簧阀，根据以上推荐，选择一级和二级的相对余隙容积分别为：于是，各级的容积系数分别为：= = 1-0.034(-1)= 0.996=1-0.035(-1)=0.93973.7.2 压力系数在同一个进气容积下，气体压力愈低，则其中的气体质量愈少，气体经过进气阀需克服气阀弹簧力、气阀通道阻力等，故进入气缸后压力下降。因而对进气过程来说，进气时压力的下降，等于损失了进气量，所以可认为压力系数=表示了由于压力降低使气量减小的程度。按经验0.950.98。因此，取值如下：=0.96 =0.97。3.7.3 温度系数温度系数表示进入气缸的气体由于吸热体积膨胀而使进气量减少的程度。的大小取决于气体吸热的多少，吸热愈多愈小。影响热交换的因素很多，即有：(1)压力比；(2)气体的性质；(3)气缸的冷却程度11。值可从参考文献中查取。并根据经验推荐范围=0.950.98，选择温度系数如下：=0.96=0.953.7.4 泄漏系数（1）外泄漏 多级压缩机填料函的泄漏都是外泄漏，而且为了保证一定的排气量，经第一级开始到发生填料函泄漏的所在级为止所有气缸都必须加大，以弥补这种外泄漏的损失，另外气阀的泄漏对于本级而言属于外泄漏（2）内泄漏 多级压缩机中常有部分气体由高压级通过活塞环泄漏到低压级或级间导管中（但不是漏到第一级或一级入口），在以后的工作循环中又从该低压依次被压向高压级，这种在压缩机内部进行循环流动的泄露属于内泄漏。这种内泄漏不影响压缩机的进气量和排气量，但是影响循环流动所涉及的各个级的进入气量和排出气量，并且使级间压力的分布发生变化，压缩机的功耗也有所增加。影响多级往复活塞式压缩机各级气缸泄漏系数的因素有（1）各级相对泄漏点的个数，（2）内、外泄漏的路线，（3）每个泄漏点两侧的压差。对于通过活塞环的泄漏还应考虑是全循环泄漏还是半循环泄漏等，然后选取各种相对泄漏值。因此，可参照以下原则选择：（1）大直径气缸，取大些，小直径气缸取小些；（2）有油润滑压缩机，取大些，无油润滑时，取小些；（3）高转速压缩机，取大些，低转速压缩机取小些；（4）压力高或高压级，取小些，相反时可取大些。参照以上原则，结合经验取值范围选择温度系数如下： =0.94 =0.933.7.5排气系数排气系数是容积系数、压力系数、温度系数和泄漏系数几个系数的总称，可根据公式3.11算出： （3.11）则= 0.996 0.96 0.96 0.94 = 0.863= 0.9397 0.97 0.94 0.93 = 0.8053.8 各级气缸的行程容积3.8.1 压缩机的排气量在压缩机排气端测得的单位时间内排出的气体容积值，换算到压缩机吸气条件下的数值称为排气量。排气量用表示，其单位为m3/min。计算行程容积时涉及到两大系数。3.8.2 凝析系数(1)凝析的产生 压缩的气体中如含有一定量的水蒸汽，这种气体就为湿气体。当湿气体中的水汽分压大于该温度下的水汽饱和压力时，便会有一部分水汽凝结成水然后在液汽分离器中分离析出，即所谓凝析。凝析出的水量正是过饱和的那部分水汽量。这种水汽的凝析常称为水析 12。(2)水析的条件 根据前面所述水析的原理，如第I级排出的气体经冷却后有水汽冷凝析出，则应存在以下关系式： (3.8)式中：I级进气的相对湿度，它的定义是：=； (3.9) 式中： 、I级、级进气温度下的饱和水蒸汽压； I级的名义压力比。如果计算结果满足，则表明从I级排出的气体经冷却后并无水汽析出。所以上式就是判别气体中有无析水的判别式。（3）凝析系数的计算用公式3.10计算凝析系数： （3.10）式中： 、I级及k级的进气压力，Pa；、I级及k级进气温度下的饱和蒸汽压，Pa；、I级及k级进气的相对湿度。根据已知条件查出饱和蒸汽压=2.337，=7.375。根据空气焓湿图得I级相对湿度=0.65先根据式3.10来判定有无水析出：I级无析水问题： 级： 0.65 2.337 0.3154 0.1 = 4.7911 7.375 级亦无水析出；因此：= 1。3.8.3 抽（加）气系数抽（加）气系数通常针对大中型工艺压缩机而言。小型压缩机一般无无抽（加）气问题，所以，取压缩机的抽（加）气系数：由于没有抽（加）气过程的存在所以：= = 13.8.4 行程容积各级的行程容积，按下式3.12计算： （3.12）计算、得：= =0.0005974 /次= =0.000207 /次3.9 各级气缸直径根据气缸直径和行程的关系由下式来计算气缸直径： m （3.13）根据已知的结构参数，各级气缸直径为：= = 0.1082 m= = 0.0637 m按照表3.6进行圆整，经圆整后：= 110 mm= 65 mm3.10 圆整后各级名义压力及温度3.10.1 确定圆整后各级的实际行程容积利用公式3.13，导出公式3.14： = /次 （3.14）按照上式计算圆整后各级的实际行程容积：= =0.000617 /次= = 0.000216 /次3.10.2 各级压力修正系数按下式计算： （3.15）按照上式计算压力修正系数：一级吸气压力无需修正二级吸气压力修正系数=0.9903.10.3 修正后各级名义压力及压力比计算结果见表3.5。表3.5 修正后各级名义压力及压力比级 次计算行程容积，0.00059740.000207实际行程容积，0.0006170.000216 修正系数10.9900.990名义进气压力0.10.31540.10.31225名义排气压力0.31541.10.312251.1修正后的名义压力比3.12253.5228表3.6 气缸直径93.10.4 修正后各级排气温度计算结果列于表3.7中。表3.7 修正后的各级排气温度级次进气温度，K压力比绝热指数n排气温度，K2933083.12253.52281.331.331.3261.367388.5421.13.11计算活塞力3.11.1计算气缸内进、排气过程的平均压力气缸实际压力及压力比要根据修正后的名义压力查询对应的相对压力损失，相对压力损失根据资料查询得：一级相对压力损失为 = 5%， = 7.8% ；二级的相对压力损失为 = 3.8%， = 5.8% 。根据相对压力损失计算实际气缸内实际压力及压力比，列于表3.8。3.11.2 计算各列活塞力计算各列活塞所承受的活塞力要根据气缸内的实际压力和活塞的工作面积，活塞工作面积根据3.16式计算：对于小型压缩机，活塞工作面积为： （3.16）式中： 轴侧活塞工作面积，； 盖侧活塞工作面积，； D气缸直径，m。一级气缸工作面积： 二级气缸工作面积： 计算各列活塞力，并将计算结果列于表3.9。表3.8 实际压力及压力比级次修正后名义压力（MPa）相对压力损失（%）1-1+气缸内实际气体压力实际压力比0.10.312250.312251.153.87.85.80.950.9681.0781.0580.0950.302260.33661.1633.54323.8477表3.9 各列活塞力级次内止点活塞力（MPa）外止点活塞力（MPa）轴侧（+）盖侧（-）轴侧（+）盖侧（-）0.10.00950.000950.0950.00950.0009030.10.00950.000950.33660.00950.0032=80 =0.02kN=6330N=-2.25 kN0.10.0033170.00033170.302260.0033170.00100.10.0033170.0003171.1630.0033170.0039 =-0.6683 kN=3.6 kN3.12 计算轴功率3.12.1 计算各级指示功率及总指示功率按式3.17： （3.17）式中： 指示功率，kW； k等熵系数； Z压缩性系数。多级压缩机指示功率为各级指示功率之总和。= 1.43564 + 1.6106 = 3.04624 kW3.12.2 压缩机轴功率驱动机传约压缩机主轴的功率称为轴功率，轴功率计算为： (3.18)式中： 轴功率，kW； 机械效率，%；根据已有机器的统计：小微型不带十字头的压缩机 0.850.92取0.90。 kW 3.12.3 所需电机功率对于中、小型压缩机，如在驱动机和压缩机间有传动装置(如皮带、齿轮等)时，驱动机的的输出功率要考虑附加的传动损失，则驱动机功率为： （3.19）式中的为传动效率，一般对皮带传动取=0.960.99，三角皮带传动取下限；取=0.96一般驱动机还应留有5%15的储备功率以防止压缩机运转时常会因工况的变化、冷却的恶化等引起功耗增加而造成驱动机负荷超过正常工作的需要，所以驱动机的名义功率应为： （3.20）计算出驱动机的名义功率后，可据此选取合适的驱动机规格13。选安全裕度为10%，则：= 3.89 kW据此选取电机规格为：Y132M1-6电机额定功率为：4 kW；电机转速为：1000 r/min；满载转速为：960 r/min。4 压缩机零部件设计4.1 活塞销设计4.1.1 活塞销的结构形式及选材活塞销要有足够的强度和刚度为连接了活塞和连杆，承受连杆的重量和连杆作用在活塞销的力。综合考虑选择20Cr。4.1.2 活塞销主要结构尺寸的确定活塞销的计算尺寸如图4.1所示。(1) 活塞销的直径d (4.1)式中： d活塞销直径，mm； l0连杆小轴衬套宽度，l0 =(1.11.4) d mm k2活塞销许用比压，活塞力始终在一个方向时，k2(120150)105 Pa；活塞力的方向有变化时，k2(150250)105 Pa。因为活塞力有变化，可取k2=200105 Pa，则：一级活塞销：，d11.79mm，取d=20 mm二级活塞销：，d14.14mm，取d=20 mm。(2) 计算弯曲应力把活塞销看作两端自由支撑的梁，与连杆接触长度l0上承受均布载荷，如图4.1所示，中间截面的弯曲应力最大，其值为： (4.2)式中： 弯曲应力，MPa；Pmax最大活塞力，N； l活塞销座支撑长度中点间的距离，mm；l0连杆小轴衬套宽度，mm； d0活塞销中心孔径，mm。一般取d0=(0.60.7)d=0.720=14 mm，取d0=14 mm。由于一级活塞直径较大，质量也大，只在一级活塞销打孔。所选材料20Cr属于合金钢，许用弯曲应力：合金钢150 MPa。一级活塞销： MPa，在允许范围之内，符合要求；图4.1 活塞销结构简图及主要尺寸 二级活塞销： MPa，在允许范围之内，符合要求。(3) 连杆部件与活塞销座的间隙为使活塞销受力均匀，连杆部件与活塞销座之间应留出一定间隙，取间隙为=0.5 mm。(4) 活塞销总长L L=2+ 2l+l0 (4.3)一级活塞销：L=20.5+237+24=99 mm；二级活塞销：L=20.5+214+24=53 mm。(5) 计算剪切应力截面上的剪切应力为： (4.4)许用剪切应力：合金钢100 MPa。一级活塞销： MPa，在允许范围内，符合要求；二级活塞销： MPa4.2 活塞设计4.2.1 活塞的结构形式及材料选择本次活塞式压缩机中采用的活塞基本结构型式为筒形活塞，通过活塞销与连杆相连。一、二级气缸直径相差45 mm，选择一级活塞材料为ZL100，二级活塞材料同样是HT200。图4.2 活塞结构简图及主要尺寸4.2.2 活塞的主要结构尺寸的确定 (1) 不计密封环和刮油环高度时的活塞高度H (4.5)式中： Nmax最大侧向力，N，Nmax=Pmax，=； Pmax最大活塞力，N； D活塞直径，mm，如图4.2； k1筒形活塞支撑表面的许用比压，MPa，k1(0.150.30) MPa，可取k1=0.25 MPa，则一级活塞： mm，二级活塞： mm， (2) 活塞的总高度H (4.6)式中：n，m活塞环数和刮油环数； h，h3活塞环轴向高度和刮油环轴向高度。一级活塞：H20.45+23.5+14.5=31.95 mm；二级活塞：H55.38+32.5+14=66.88 mm。活塞总高度H与活塞直径D一般关系为： H=(0.651.50)D (4.7)活塞直径取缸径即可：一级活塞：D =110 mm，H=1.1D，取H=120 mm；二级活塞：D =65 mm，取H=70 mm。(3) 活塞顶面至第一道活塞环的距离c c=(1.23.0)h (4.8)一级活塞： 取c=7.5 mm；二级活塞： 取c=5.5mm。(4）活塞环之间的距离c1 c1=(0.81.5)h (4.9)一级活塞：取c1=4.0 mm；二级活塞：取c1=3.0 mm。(5) 群座到底边的高度L L=0.7H (4.10)一级活塞：取L=84 mm；二级活塞：取L=49 mm。(6) 活塞销中心线到底边的距离h1 h1=0.6L (4.11)一级活塞：取h1=50 mm；二级活塞：取h1=30 mm。(7) 活塞销座处的表面压力q按下式确定 MPa (4.12)式中：q表面压力，MPa； Pmax最大活塞力，N； d如图4.4所示，为活塞销外径，mm； l活塞销在一侧销座中的支撑长度，mm，如图4.3。表面压力的许用值：活塞销在销座中紧固支撑，铸铁活塞q(3040 )MPa。一级活塞：d=20 mm(见活塞销设计)，取l=37