80系列微型风冷活塞式压缩机设计含

编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 80系列微型风冷活塞式 压缩机设计（V80II） 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号：学生姓名：指导教师： 2013年5月25日III无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 80系列微型风冷活塞式压缩机设计（V80II）是本人在俞萍导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械93 学 号： 0923132 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 80系列微型风冷活塞式压缩机设计 （V80II） 2、专题 二、课题来源及选题依据 80系列微型风冷活塞式空气压缩机是风冷单作用压缩机，压缩机由三相异步电动机作为原动机，经“V”型皮带传动，使曲轴作旋转运动，再通过连杆带动活塞在气缸内作往复运动。空气由进气阀吸入一级气缸，压缩后经排气阀进中间冷却器后再经二级气缸压缩后进入储气罐。压缩机的冷却主要由环形散热片进行散热，它具有冷却均匀的优点。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：根据设计参数进行压缩机的热、动力计算（主要包括缸径的确定，电动机 功率计算及选型，压缩机中的作用力的分析， 飞轮距的确定，惯性力和惯性力矩的平衡）； 绘制主机总图及主要零件图； 对压缩机主要零件进行强度校核； 根据计算结果，确定压缩机结构尺寸，完成总装图； 查阅相关资料，完成毕业设计说明书一份，不少于30页。 四、接受任务学生： 机械93 班 姓名 高 宇 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日37摘 要压缩机是现代工业上使用量大，范围广的一种通用机械。按照工作原理区分为两大类，即速度型和容积型，而活塞式压缩机是属于容积型压缩机的其中一种。它是利用活塞在气缸中运动对气体进行挤压，使气体压力提高。它与其它种类的压缩机相比，具有压力范围最广、效率高、适应性强等优点。在活塞式压缩机设计计算中最根本也是最重要的是热力计算和动力计算。根据任务书中提供的介质、气量、压力等参数要求，经过热力计算计算得到相关的参数，如级数、压力比、轴功率、气缸直径等，经过动力计算得到活塞式压缩机的受力情况。活塞式压缩机的热力计算和动力计算的结果将为各部件图形以及基础设计提供原始数据，计算结果的精度将体现活塞式压缩机的设计水平。关键词：活塞式压缩机；热力计算；动力计算；气缸AbstractCompressor is the modern industrial usage, wide range of a kind of general machinery .According to the principle of work is divided into two categories, namely the speed and volume .The piston compressor is belongs to one of the volume type compressor. It is the use of the piston in the cylinder movement to extrusion of gas, increase the gas pressure .It compared with other types of compressor, pressure range and the advantages of high efficiency, strong adaptability .In the piston compressor design and calculation is the most fundamental and most important thermodynamic calculation and dynamic calculation .According to the specification provided in the parameters such as medium, gas, pressure requirements .Through thermodynamic calculation to calculate the related parameters, such as series, pressure ratio, shaft power, cylinder diameter, etc .Through the dynamic force of the piston compressor is calculated .Piston compressor thermodynamic calculation and dynamic calculation results will provide original parts graphics and basic design data .The precision of the calculation result will reflect the design level of piston compressor. Keywords: Piston Compressor; Thermodynamic Calculation; Dynamic Calculation ; Cylinder 80系列微型风冷活塞式压缩机设计 （V80II）目 录摘 要IIABSTRACTIII目 录V1 绪论11.1 压缩机的用途11.2 活塞式压缩机的发展趋向11.3 国内外压缩机的发展状况22 总 体 设 计32.1 设计原则32.2 结构方案的选择32.2.1 气缸排列型式的选择32.2.2 运动机构的结构及选择42.2.3 级数选择和各级压力比的分配42.2.4 转速和行程的确定63 热 力 计 算83.1 计算总压力比83.2 计算容积系数83. 3 选取压力系数93. 4 泄漏系数93. 5 计算气缸工作容积103.6 确定缸径、行程及行程容积103.7 复算压力比调整余隙容积103.8 计算各列最大活塞力113.9 计算排气温度113.10 计算功率123.11 驱动机的选择124 动 力 计 算134.1 计算活塞位移、速度、加速度134.2 气体力计算164.2.1一级盖侧气体力164.2.2 二级盖侧气体力174.3 惯性力计算194.4 切向力的计算224.5 飞轮矩的确定255 压缩机基本零部件设计285.1 连杆的设计285.1.1 连杆的定位285.1.2 连杆长度L的确定285.1.3 连杆宽度B的确定295.2 气缸部分的设计315.2.1 结构形式的确定315.2.2气缸主要尺寸的计算325.3 活塞325.3.1 结构型式的确定325.3.2 活塞基本尺寸336 结论与展望34致 谢35参考文献36 1 绪论1.1 压缩机的用途 现代工业中，压缩气体的机器用得愈来愈多。各种型式的压缩机，按照工作原理区分为两大类，即速度型和容积型。速度型压缩机靠气体在高速旋转叶轮的作用下，得到巨大的动能，随后在扩压器中急剧降速，使气体的动能转变为势能。容积型压缩机靠在气缸内作往复或回转运动的活塞，使容积缩小而提高气体压力。本次设计的对象是活塞式压缩机，它与其他类型的压缩机相比，特点是：（1）压力范围最广。活塞式压缩机从低压到超高压都适用，目前工业上使用的是最高工作压力达3500KG/CM,实验室中使用压力则更高。（2）效率高。由于工作原理不同，活塞式压缩机比离心式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原因，效率亦较低。（3）适应性强。活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择；特别是在较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。此外，气体的重度对压缩机性能的影响，亦不如速度型那样显著，所以同一规格的压缩机，将其用于压缩不同介质时，较易改造。随着工业的发展，活塞式压缩机压缩的气体种类也日益增多。主要应用于采矿、冶金、石油、化工、机械、建筑等部门。作动力用的空气压缩机数量最大，而化学工业用的规格品种最多。由于石油化学工业的蓬勃发展，要求压缩各种烃类气体的压缩机日趋增多1。1.2 活塞式压缩机的发展趋向（1）高压、高速、大容量。某些化工部门，提高压力可以提高合成效率，所以相应的压缩机工作压力也不断提高。如合成氨用的压缩机工作压力达到600KG/CM及1000KG/CM，而合成聚乙烯用压缩机的压力已达3500KG/CM。高转数、短行程结构的应用，使机器占地面积、金属消耗量大为降低。大型压缩机的转数一般为250500转/分，中型为5001000转/分，小型为10003000转/分。目前常压进气时的单机容量最大为333M/分。提高容量的主要途径是运用离心式或回转式压缩机与活塞式压缩机串联运行。提高效率和延长使用期限。压缩机时一种消耗巨大能量的机器，如1000台排气压力为9KG/CM、排气量为20M/分的压缩机，就需12.5万千瓦的动力。因此，注意提高压缩机效率，对国民经济建设具有重大意义，而通过合理的设计，提高其效率510%，是完全可以做到的。1.3 国内外压缩机的发展状况不可忽视的选型要素是：往复活塞式动力用空压机不但价廉，而且运行节能。容积流量3m/min以下的往复活塞式微小型空压机用途极其广泛，绝对需求量很大。而在现代产销模式下，其单机售价有限，所以只有生产规模很大并有一定技术含量的制造企业才能立足和将产品外销。长春空气压缩机制造有限公司、江苏超力机械有限公司、上海东方压缩机制造有限公司、沈阳东陵空压机有限公司、鞍山无油空压机有限公司、北京金环压缩机有限责任公司、天津市气体压缩机厂、天津市压缩机厂、石家庄市三原压缩机厂、太原第二气体压缩机厂、南京华冠压缩机股份有限公司、中国人民解放军第四八一二工厂、马鞍山正棱压缩机有限责任公司、烟台兰星压缩机有限公司、无锡力源压缩机有限公司、常德通用压缩机有限公司、开封市空气压缩机厂、佛山市珊瑚压缩机有限公司、柳州市金象机器制造有限公司、重庆小型压缩机厂等企业，都有着生产往复活塞式微小型空压机的悠久历史和相当的生产能力，较好地满足了社会需求。 以位于浙江省温岭市泽国镇的浙江鑫磊机电股份有限公司、浙江鸿友压缩机制造有限公司，和福建省泉州市力达机械有限公司为代表的一批浙、闽地区民营往复活塞式微小型空压机制造企业，作为异军突起的后起之秀，拥有多国质量认证证书，还实现了极大规模生产，成本低、效率高、产品外观好、质量稳定，绝大部分产品远销欧美澳新，年出口量合计达数百万台以上，成为全球家用往复活塞式微小型空压机的主要供货者2。80系列微型风冷活塞式压缩机设计 （V80II）2 总 体 设 计2.1 设计原则 设计活塞压缩机应符合以下基本原则： 1、满足用户提出的排气量、排气压力，及有关使用条件的要求。 2、有足够长的使用寿命（应理解为压缩机需要大修时间间隔的长短），足够高的使用可靠性（应理解为压缩机被迫停车的次数）。 3、有较高的运转经济性。 4、有良好的动力平衡性。 5、维护检修方便。 6、尽可能采用新结构、新技术、新材料。 7、制造工艺性良好。 8、机器的尺寸小、重量轻。总体设计的任务是：选择结构方案、主要参数、相应的驱动方式，以及大体确定附属设备的布置。压缩机的技术经济指标是否先进，能不能很好的满足使用要求，很大程度上决定于总体设计阶段的考虑是否周到和适当。如果总体设计不当，就会给压缩机带来“先天不足”的缺陷，要消除它的后患，就比较困难。因此，总体设计是设计压缩机最重要的环节3。2.2 结构方案的选择活塞式压缩机的结构方案由下列因素组成：1）机器的型式；2）级数和列数；3）各级气缸在列中的排列和各列曲柄错角的排列，用上述因素组成的图形，称为结构方案图，即习惯上所说的机器纵，横剖面图。选择压缩机的结构方案时，应根据压缩机的用途，运转条件，排气量和排气压力制造厂生产的可能性，驱动方式及占地面积等条件，从选择机器的型式和级数入手，制订出合适的方案。2.2.1 气缸排列型式的选择根据气缸排列的型式不同，有立式压缩机、卧式压缩机、对称平衡型压缩、对置型压缩机及角度式压缩机。角度式压缩机，气缸中心线具有一定的角度，但不等于零度和180。按气缸中心线的位置不同，又可以分为W型、V型、L型和扇型。由于本设计选择一种较老的结构：角度式式压缩机。其优点在于：1）各列的一阶惯性力的合力，可用装在曲轴上的平衡重达到大部分或完全平衡，因此机器可取较高的转数。2）气缸彼此错开一定角度，有利于气阀的安装与布置，因而使气阀的流通面积有可能增加，中间冷却器和级间管道可以直接装在机器上，机构紧凑。3）角度式压缩机可以将若干列的连杆连结在同一曲拐上，曲轴的拐数可减少，机器的轴向长度可缩短，因此主轴颈能采用滚动轴承【4】。 图2.1 V型空气压缩机2.2.2 运动机构的结构及选择 活塞式压缩机的运动机构有：无十字头和带十字头两种，本设计为无十字头。选择无十字头的理由是：结构简单、紧凑，机械高度较低，相应的机械重量较轻，一般不需要专门的润滑机构。但是无十字头的压缩机只能作成单作用的，所以，气体容积的利用不充分（因为活塞与气缸之间，只在活塞的一侧形成工作腔），气体的泄漏量也比较大，气缸的工作表面所受的侧向力也较大，因而活塞易磨损，另外，气缸的润滑油量也难于控制。2.2.3 级数选择和各级压力比的分配工业用的气体，有时需求较高的压力，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（各级压缩比越小越好）。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。 图2.2 级中最佳压力比0与相对压力损失的关系曲线选择压缩机的级数是一个比较复杂的问题。设计时，通常总是从分析工作条件相同或相近的现有机器入手，来确定新集线器所需的级数。图2.3列出了工业上在各种操作条件下使用的压缩机的级数；应该指出，表中所列的级数是考虑了各种具体情况而选取的，如排气压力为220公斤/厘米2的氦氢气压缩机，由于中间有两段的压力为工艺流程所需要，因而取六级；3米2/分一下的微型空气压缩机，在排气压力为7公斤/厘米2时取一级，这是由于其工作是间歇的，并考虑到系列化的原因，所以图2.3只供选择级数时参考。图2.3 工业上常用的各种气体压缩机的级数为了尽量减小机器的体积和考虑到级数过高对设备的要求也大大提高，取Z =2级根据工况的需要，选择级数为二级，按照等压力比分配的原则，1=2=1511/3=5.32,但为使第一级由较高的容积系数，第一级的压力比取稍低值，各级名义压力及压力比见表2-1。级数12吸气压力/MPa0.10.53排气压力/MPa0.532.835压力比3.673.5表2-1 各级名义压力及压力比2.2.4 转速和行程的确定 转速，行程和活塞平均速度的关系：式中 Cm：活塞平均速度（米/秒）； n：压缩机转数（转/分）； S：活塞行程（米）。图2.4 活塞式压缩机主要结构参数表 小型压缩机为使结构紧凑和公司的相关要求，只能采用较小行程,取s=60mm。近代压缩机转数n通常在以下范围： 微型和小型： 1000-3000（转/分） 中型： 500-1000（转/分） 大型： 250-500 （转/分) 取压缩机的转速n=850r/min则，符合活塞平均速度。 3 热 力 计 算压缩机的热力计算，是根据气体的压力，容积和温度之间存在一定的关系，结合压缩机的具体特性和使用要求而进行的，其目的是要求得最有利的热力参数(各级的吸排气温度，压力，所耗动力）和适宜的主要结构尺寸（活塞行程，气缸直径等）。计算前做以下说明：a. 压力在热力计算中使用的压力都是绝对压力，为统一起见，本说明除特别注明外，压力均指绝对压力。 b. 温度在热力计算中所采用的是绝对温度，它以K来表示。绝对温度与摄氏温度之间具有以下关系：c. 比容单位重量气体所占容积。理想气体在不同温度和压力下的重量。按下式计算：式中 气体的压力（kg/cm） 气体的温度（K） M气体的分子量3.1 计算总压力比 选级数： z=2压力比分配：3.2 计算容积系数相对余隙容积根据统计，压缩机的相对余隙容积值多在以下范围内：压力20321公斤/厘米2； =0.120.16微型压缩机的相对余隙容积：排气量在0.2米3/分以下； =0.0880.10排气量在0.3米3/分以上； =0.0350.05取 =0.03；=0.05膨胀指数 m对于双原子气体，从常压进气的大，中型压缩机第一级气缸，根据压缩机转数范围，选取的m值如下：压缩机转数： n200(转/分)，m=1.251.35n 500(转/分)，m=k因为风冷近似绝热，所以参考表3-1 表3-1 k值表进气压力10任意k值K=1.401.5m=1+0.5（k-1）1.21.54.0m=1+0.62（k-1）1.254.010m=1+0.75（k-1）1.31030m=1+0.88（k-1）1.3530m=k1.4m=1.1，m=1.15容积系数：3. 3 选取压力系数 当常压吸气时，p=0.95-0.98，在循环压缩机的第一级和多级压缩机的第二级，因吸气压力较高，即使同样大小的压力损失，相对压力损失仍很小，这时p=0.95-1.0。根据各级的吸入压力选择压力系数如下：p1=0.98 p2=1.00 、根据下图所示关系选取温度系数：图3-1 温度系数t与压力比的关系t1=0.97 t2=0.973. 4 泄漏系数 表3-2 泄漏系数表 相对泄漏值项目第一级第二级气阀一级二级0.020.03活塞环一级二级0.030.04总相对泄漏量0.050.07=0.9520.93 3. 5 计算气缸工作容积= 0.000279m=0.00008m3.6 确定缸径、行程及行程容积已知：n=850r/min，选取行程S=60mm，得活塞平均速度V=1700mm/s=1.7m/s一级气缸直径：Vh1=D=0.077圆整后D1=80mm，圆整后实际行程容积Vh1 =0.0006m3二级气缸直径： Vh2=D2=圆整后D2=45mm，圆整后实际行程容积Vh2=9.53.7 复算压力比调整余隙容积气缸直径圆整后，如其他参数不变，则压力比分配便改变；若忽略压力比改变后对容积系数的影响，则压力比的改变可以认为与活塞有限面积改变成比例5。圆整前后总的活塞有效面积如下表。表3-3 活塞有效面积级次气缸直径活塞有效面积Di=（m）Ai= (m2)前后前后0.01710.0800.00930.0100.0410.0450.00260.0032由于一级缸径圆整变大使一级排气压力反比例降低，降低率由于二级缸径圆整变大使二级排气压力反比例降低，降低率一级压力比变为：二级压力比变为：也可以用调整相对余隙的方法，维持压力比不变，即因第一级缸直径变大了，相对余隙容积也相应变大，使吸进的气量不变；第二级气缸直径增大了，相对余隙容积也增大，使二级吸进的气量也不变。由此可得一级新的相对余隙容积二级新容积系数二级新的相对余隙容积本计算中调整相对余隙容积3.8 计算各列最大活塞力取进、排气相对压力损失 气缸内实际进、排气压力最大活塞力第一级： 3.9 计算排气温度取压缩指数 排气温度3.10 计算功率=1.38KW=0.56KW总的指示功率NI=1.38KW+0.56KW=1.94KW取机械效率轴功率3.11 驱动机的选择活塞式压缩机的驱动包括驱动机和传动装置。驱动方式和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6。驱动活塞式压缩机的却大多数是交流电动机，而交流电动机中又以鼠笼式异步电动机为最多。中、小功率的鼠笼式电动机可按我国电动机系列（JS、JK、JSQ等）选取。不管是异步电动机还是同步电动机，共同的特点是启动电流大而启动力矩小。电机功率余度10%， 则电机功率取4kw。4 动 力 计 算已知数据表 4-1 已知数据级数活塞面积（m2）A0.0100.0032压力吸入P1j0.10.42Psj0.9253.494排出P2j0.4515.43Pdj4.2813.81温度吸入20137.5k293410.5排出137.5157.4k410.5430.4相对余隙容积0.0590.13行程（mm）S60mm余隙容积折合行程（mm）S0 S0=S3.547.8指示功率（kw）Nt1.380.56轴功率（kw）3kw4.1 计算活塞位移、速度、加速度取径长比： ，（备注：）位移： =速度： =加速度： = 表4-2 活塞位移、速度、加速度 曲柄转角活塞位移活塞速度活塞加速度X（mm）V（m/s）a（m/s2）000396.84151.270.85280.79304.961.62235.344510.662.22167.956017.812.689.057525.732.7410.059033.752.67-59.3710541.262.44-112.88 续表4-2曲柄转角活塞位移活塞速度活塞加速度12047.812.02-148.413553.091.55-167.9215056.921.05-175.9716559.230.52-177.96180600-178.1019559.23-0.52-177.9621056.92-1.05-175.9722553.09-1.55-167.9224047.81-2.02-148.425541.26-2.44-112.8827033.75-2.67-59.3728525.73-2.7410.0530017.81-2.6089.0531510.66-2.22167.953304.96-1.62235.343451.27-0.86280.7936000396.844.2 气体力计算膨胀过程： 进气过程： 压缩过程: 排气过程: 本机属于微型压缩机,取m1=m1，m2=m2.是活塞位移为代表余隙容积的当量行程（为相对余隙容积）用运动计算中各点的位移值。因为本机为单作用活塞，所以只将盖侧列入计算。气体力： 4.2.1一级盖侧气体力表4-3 级盖侧气体力表曲柄转角活塞位移膨胀过程进气过程压缩过程排气过程气体力004.28-4280151.273.05-3050304.960.925-9254510.660.925-925 续表4-3曲柄转角活塞位移膨胀过程进气过程压缩过程排气过程气体力6017.810.925-9257525.730.925-9259033.750.925-92510541.260.925-92512047.810.925-92513553.090.925-92515056.920.925-92516559.230.925-925180600.925-92519559.230.94-94021056.920.97-97022553.091.04-104024047.811.14-114025541.261.31-131027033.751.58-158028525.732.01-201030017.812.75-275031510.664.28-42803304.964.28-42803451.274.28-428036004.28-42804.2.2 二级盖侧气体力 m=1.15 表4-4 级盖侧气体力表曲柄转角活塞位移膨胀过程进气过程压缩过程排气过程气体力0013.81-4419.2151.2711.60-3712304.963.494-1260.84510.663.494-1260.86017.813.494-1260.87525.733.494-1260.89033.753.494-1260.810541.263.494-1260.812047.813.494-1260.813553.093.494-1260.815056.923.494-1260.816559.233.494-1260.818060.003.494-1260.819559.233.53-1129.621056.923.66-1143.822553.093.89-1244.824041.814.78-1529.625541.264.83-1545.627033.755.70-182428525.737.07-2262.430017.819.25-296031510.6613.81-4419.23304.9613.81-4419.23451.2713.81-4419.2360013.81-4419.2气缸工作容积指示图 1=15.5 2=19.4图4.1 级气缸容积指示图