2KW全封闭式活塞制冷压缩机设计

1毕业设计说明书学生姓名：学 院：专业年级：题 目：指导教师：评阅教师： 2014 年 05 月 25 日中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计22中文摘要 活塞式制冷压缩机是一种容积式压缩机，把制冷剂从低压提升为高压，并使制冷剂不断循环流动，从而使系统不断将内部热量排放到高于系统温度的环境中。制冷压缩机主要用在空调，电冰箱，制冰机等设备。本次设计的压缩机用于空调中，将 R22制冷剂进行循环压缩。主要包括三部分，一部分是热力计算，包括压缩比，排气温度、功率和效率的确定;另一部分是动力计算与分析，包括缸径和行程的选择，曲柄连杆机构的受力情况的分析计算，并求出活塞力和连杆力；第三部分主要零部件的结构设计以及强度校核。整个设计过程与设计内容是按设计标准要求进行的，符合工程需求。关键词：压缩机；全封闭；热力分析；结构设计；中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计3外文摘要Title Design for Refrigeration Compressor(R22) Abstract: Pisston Refrigeration compressor is a kind of displacement compressor,which of the low-pressure refrigerant gas, and pressure tobecome a high pressure.so that continuous emission of internal heat to the environment than the system temperature. Pisston Refrigeration compressor used in air conditioners, refrigerators, ice machines and other equipment. This time the compressor we designed will be used in the air conditioning ,the R22 refrigerant compression cycle .it contains three parts:the first is heat calculation including Compression ratio 、the temperature of the wasted gas ,power and efficiency ; the other is motive power calculating and analysis ,including the Travel dimension of the cylinder and the calculation and analysis of the stress situation of the connecting rod，and piston force and the connecting rod force ;last,design and checking of the main spare parts. The whole design process and design content are based on the design standard;tally with the engineening requirement. Keywords: compressor ;fully enclosed ;temperature analysis;Structural design;中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计4目 录第 1 章 绪 论 11.1 活塞式制冷压缩机介绍 71.2 本制冷压缩机的工作原理 7第 2 章 热力计算 .92.1 技术参数 92.2 压缩机的热力计算 92.2.1 查取热力参数.92.2.2 压缩机的压缩比 .错误！未定义书签。2.2.3 压缩机的排气温度 错误！未定义书签。2.2.4 计算排气系数错误！未定义书签。2.2.5 压缩机单位理论制冷量和单位理论压缩功错误！未定义书签。2.2.6 压缩机理论容积排气量 .错误！未定义书签。2.2.7 压缩机电动机功率 .错误！未定义书签。2.3 本章小结 .12第 3 章 压缩机动力计算 133.1 确定压缩机缸径 .133.2 曲柄连杆机构运动学 133.2.1 活塞位移 .143.2.2 活塞的速度 .143.2.3 活塞的加速度 .143.2.4 曲柄销加速度 .153.3 曲柄连杆机构中的作用力 .153.3.1 气缸内其体力 .153.3.2 机构的惯性力 .173.3.3 作用在活塞上摩擦力 .203.3.4 作用在活塞上的总作用力 .203.3.5 活塞上的总作用力 分解与传递 22pF第 4 章 活塞组的设计 244.1 活塞的设计 .244.1.1 活塞的要求及材料的选择 .244.1.2 活塞的设计 .244.2 活塞销的设计 .254.2.1 活塞销的结构、材料254.2.2 活塞销强度和刚度计算 .254.3 验算活塞销座比压力 .26中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计54.4 本章小结 .26第 5 章 连杆组的设计 275.1 连杆的设计 .275.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 .275.1.2 连杆长度的确定 .275.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 .275.1.4 连杆杆身的结构设计 .错误！未定义书签。5.1.5 连杆大头 .285.2 连杆螺栓的设计及校核 .295.3 本章小结 .29第 6 章 曲轴的设计 306.1 曲轴的结构型式和材料的选择 .306.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 .306.1.2 曲轴的结构型式 .306.1.3 曲轴的材料 .316.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构设计 .316.2.1 曲柄销的直径和长度 .316.2.2 主轴颈的直径和长度 .316.2.3 平衡重 .316.2.4 曲轴上的油孔和油槽 .336.2.5 曲轴的强度校核 .336.3 本章小结 .34第 7 章 机体和气缸设计 357.1 机体材料的选择357.2 气缸的设计357.3 机体的设计 .36第 8 章 阀组的设计 .378.1 阀板的设计378.2 缸盖的设计 .388.3 进气阀和排气阀 .388.3.1 气阀的要求388.3.2 进气阀和排气阀的设计和校核 .398.4 垫片的设计 .418.5 本章小结 .41第 9 章 其他部件的设计 429.1 机壳的结构 .429.2 压缩机防振装置 .429.3 压缩机润滑和供油机构 .43中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计69.4 压缩机出厂技术要求 .44总 结 .错误！未定义书签。致 谢 .错误！未定义书签。参考文献 .45中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计第 7 页第 1 章 绪 论1.1 活塞式制冷压缩机介绍在制冷压缩机中，活塞式是问世最早的一种机型，因而它得到广泛的发展和深入的研究。目前活塞式压缩机仍被广泛应用于各个领域，其产量仍居各种压缩机之首。活塞式压缩机是制冷系统的心脏，它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，通过压缩冷凝膨胀蒸发的循环过程。活塞式制冷压缩机型式和种类较多，可根据不同的方法分类。根据其密封情况可分为全封闭、半封闭、开启式三种型式。根据压缩机的制冷量壳分为大、中、小型。根据气缸布置分为卧式、直立式和角度式三种类型。按压缩机的运动机构分类，活塞式制冷压缩机可分为滑管式、连杆式和斜盘式。1.2 本制冷压缩机的工作原理在本次压缩机设计中是采用曲轴连杆式传动机构。气缸与进排气消声器，支承曲轴主轴颈的主轴承铸为一体。曲轴的上部另设一个辅助轴承，称为上轴承。曲轴了由于采用双支承，受力情况较单支承要好得多。活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。电动机设置在壳内的下部。电动机的定子用螺栓与气缸体紧固在一起，转子与曲轴连成一体。整个机器用三根弹簧悬吊在壳体内，因此具有良好的减振性。当接通电源后，电机转子旋转，同时带动曲轴连杆大头转动，而连杆小头与活塞在气缸内作往复运动。当活塞从阀板向曲轴方向移动时，制冷剂蒸气从进气管通过消声器，缸盖中的吸气腔，阀板，吸气阀片进入气缸。当活塞从曲轴侧向阀板方向运动时，进气阀片关闭，气缸中制冷剂蒸气被压缩，达到某一压力后，排气阀片打开，高压蒸气通过排气阀片排出气缸，通过排气消声器和排气管排出压缩机进入冷凝器。压缩机的壳体是由下壳和上盖组成。用焊接的方法将二者焊接成一休。壳休上右进气管和排气管，可分别与蒸发器和冷凝器连接。壳体上还焊有接线往，电源通过接线柱供给压缩机动力。为了使压缩机正常启动和安全运转，接线柱上装有启动继电器和过热保护器。当压缩机负载过大或温度过高时，则电源自动切断，压缩机停止工作。压缩机壳体内装有一定量的润滑油。曲轴的下部钻有偏心的吸油孔，末端装有吸中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计8油管。吸油管浸入油面以下。曲轴上加工有油孔和油槽。当曲轴旋转时，润滑油在离心力的作用下通过吸油管沿曲轴的偏心油孔和油槽上升。这样就依次润滑了主轴颈、曲柄销、连杆大头、连杆小头、活塞和气缸。此外还有一部分润滑油向上喷洒到上盖的内壁上，然后作伞状下落，顺壳体内壁下流，将压缩机内的热盘通过壳体向空气中散发，从而降低压缩机的温度。由于本次设计的小型全封闭压缩机应用在空调器上，对它的噪音要求很严。此外，还要求它耗电低，可靠性高和寿命长。中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计9第 2 章 热力计算2.1 技术参数 1）标准工况： 蒸发温度 7.2； 冷凝温度 54.4；过冷温度 46.1；吸气温度 352）制冷工质： R22 3）电源与电机类型：单相异步电动机，220(10)V ，50Hz 4）制冷量：2KW 5）能效比: EER3.02.2 压缩机的热力计算2.2.1 查取热力参数图 2.1 R22 的 P-H 图由 R22 制冷剂的 P-H 图（图 2.1）查的h1：Ps1=624.6Kpa h1=407.54kj/kg V1=0.03817m3/kg S1=1.740h2:Ps2=624.6Kpa h2=427.69kj/kg V2=0.043111m3/kg S2=1.809h3：Pd3=2135.6Kpa h3=462.81kj/kg V3=0.01412m3/kg S3=1.809h4：Pd4=2135.6Kpa h4=418.34kj/kg V4=0.01049m3/kg S4=1.681h6: Ps6=624.6Kpa h6=258.29kj/kg S=1.207中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计10由此可知：蒸发温度下工质压力 Ps=624.6Kpa 冷凝温度下工质的压力 Pd=2135.6Kpa 进口状态下工质的焓值 h2=427.69kj/kg压缩终了时工质的焓值 h3=462.81kj/kg冷凝温度下工质的焓值 h6=258.29kj/kg压缩机进口处的比容 V2=0.04311m3/kg2.2.1 热力计算1.单位质量的制冷量q0=h2-h6=427.69-258.29=169. 4kj/kg2.单位质量的理论绝热压缩功wis=h3-h2=462.81-427.69=35.12kj/kg3.能效比EER=q0/wis=169.4/35.12=4.823 符合要求4.容积系数 v取相对余隙容积 C=0.01v=1-C（错误！未找到引用源。 ）1/m-1取 m=1取排气终了的相对压力损失为错误！未找到引用源。=0.01所以 Pd=0.01Pdv=1-0.01（ ）-1=0.9755624.0135.135.5.压力系数 pp=Psvc1-取进气终了时相对压力损失错误！未找到引用源。=0.03所以 Ps=0.03Psp= =0.968903.975.16.泄露系数 t根据有关资料，取 t=0.98中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计117.温度系数 t压缩机为空气自由冷却取 a=1.15，b=0.25吸气过热度 =(Ts-T )=(35-7.2)=27.8C其中 Ts 为:吸气温度，T 为蒸发温度。t=错误！未找到引用源。= = 0.87288.275.08.27315. 8.压力比49.362.015sdP9.输气系数 =vptt=0.808410.理论制冷量 Q0Q0=Q/=2KW/0.6947=2.4740KW11.理论容积输气量 VhQ0=q0mm= Q0/q0=2.474103w/（50161.0410 3J/kg）=0.291610 -3kgVh=V2m=0.043110.291610-3=0.0125710-3m3=12.57cm312.主要结构参数确定：取气缸直径 D=30mmVh=错误！未找到引用源。 2S/4S=（4Vh）/（D 2）=（412.57）/（3.1432）=1.778cm=18mm实际输气体积 Vh=D 2S/4=12.5663cm313.实际质量输气量Ga=（Vh/V 2）50=0.808412.566310 -650/0.04311=1.178610-2 kg（3）指示功率压力比 =Pd/Ps=2135.6/624.6=3.4191工质在气缸内与汽缸壁的热交换几乎为零，可以按绝热过程计算指示功率Pi=1.30910-2vpinPsSD 2错误！未找到引用源。（1+0）k-1/k-1中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计12=1.30910-20.97550.968930000.6246106 错误！未找1-.到引用源。1.6 3.4191 （1+0.04）1.1-1/1.1-1 =507.09W5-1014.指示效率i=Pis/Pi=413.9243 / 507.0897= 0.816315.摩擦功率取平均摩擦压力 Pm=0.3105PaPm=1.309D2SnPm10-5KW=1.3090.00040.0430000.3=18.85w16.轴功率Pz = Pi+Pm = 507.09+18.85 = 525.94 W17.机械效率m=Pi/Pz=507.09/525.94=0.964218.轴效率z=mi=0.96420.8163=0.787019.电效率取电动机的效率 m0=0.75电效率 e=m0z=0.750.7870=0.590320.电功率Pe=1.25Pis/e=1.25413.9243/0.5903=876.51W21.电动机的选择根据以上计算数据 电动机选择 （外形尺寸单位：mmmmmm）YL802-2 1100w 3000r/min 效率 75% 外形尺寸 295165200（长宽高）2.3 本章小结本章首先主要对压缩机的的热力进行了计算，求出了电动机的所需功率，理论排气量，为后边的求气缸直径，行程以及进一步的动力计算和零件的结构设计提供了基础。中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计13第 3 章 压缩机动力计算3.1 确定压缩机缸径 60/42sniDqv式中 为理论容积排气量； S 为行程取 s=18mm； n 为转速取 n=3000r/min；ivq单缸取 1；求的 D=30mm3.2 曲柄连杆机构运动学图 3.1 为曲柄连杆机构简图。气缸中心线通过曲轴中心 O，OB 为曲柄，AB 为连杆，B 为曲柄销中心，A 为连杆小头孔中心或活塞销中心。当曲柄按等角速度 旋转时，曲柄 OB 上任意点都以 O 点为圆心做等速旋转运动，活塞 A 点沿气缸中心线做往复运动，连杆 AB 则做复合的平面运动，其大头 B 点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。图 3.1 曲柄连杆机构运动简图中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计14=R/L 应在 1/3.5 - 1/5 范围内 取 1/4曲柄半径 r=s/2=9mm连杆的长度 L=r/=36mm曲柄的角速度 为： 3062n式中： 曲轴转数， ；nmin/r已知额定转数 =2940 ，则 ；14.6srad/3.2.1 活塞位移假设在某一时刻，曲柄转角为 ，并按顺时针方向旋转当 = 时，活塞销中心 A 在最外面的位置，此位置称为外止点。当 =180 时，0 A 点在最里面的位置，此位置称为内止点。x= )sin1(cos12r3.2.2 活塞的速度 将活塞位移公式对时间 t 进行微分，即可求得活塞速度 v)2sin/(sirwdtxv当 或 时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当 时，018 90，此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。rv3.2.3 活塞的加速度将活塞速度对时间 微分，可求得活塞加速度t )2cos(2rwdtva曲柄转角活塞位移(mm)活塞速度 m/s活塞加速度m/s*s曲柄转角活塞位移(mm)活塞速度m/s活塞加速度 m/s*s中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计150 0.00 0.00 1065.28 190 17.90 -0.36 -639.07 10 0.17 0.60 1039.48 200 17.59 -0.72 -637.62 20 0.67 1.17 964.03 210 17.08 -1.09 -631.52 30 1.49 1.68 844.57 220 16.36 -1.44 -615.84 40 2.57 2.12 689.84 230 15.45 -1.78 -584.79 50 3.88 2.46 510.80 240 14.35 -2.10 -532.64 60 5.35 2.70 319.58 250 13.09 -2.38 -454.69 70 6.93 2.83 128.27 260 11.67 -2.61 -348.19 80 8.55 2.85 -52.22 270 10.14 -2.77 -213.06 90 10.14 2.77 -213.06 280 8.55 -2.85 -52.22 100 11.67 2.61 -348.19 290 6.93 -2.83 128.27 110 13.09 2.38 -454.69 300 5.35 -2.70 319.58 120 14.35 2.10 -532.64 310 3.88 -2.46 510.80 130 15.45 1.78 -584.79 320 2.57 -2.12 689.84 140 16.36 1.44 -615.84 330 1.49 -1.68 844.57 150 17.08 1.09 -631.52 340 0.67 -1.17 964.03 160 17.59 0.72 -637.62 350 0.17 -0.60 1039.48 170 17.90 0.36 -639.07 360 0.00 0.00 1065.28 180 18.00 0.00 -639.17 表 3.1 活塞的位移、速度和加速度3.2.4 曲柄销加速度2rwa3.3 曲柄连杆机构中的作用力作用于曲柄连杆机构的力分为：缸内气体力、运动质量的惯性力、摩擦阻力。3.3.1 气缸内其体力 pscisAF)(中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计16膨胀过程 10)(psxpmiciddp05.进气过程 2ci压缩过程 20)(psxpmicissp05.2排气过程 1ci曲柄转角 膨胀过程p(Mp)吸气过程p(mp)压缩过程p(mp)排气过程p(mp)气体力p*a(N)0 2.16 -739.28 10 1.15 -414.38 20 0.76 -60.98 30 0.549 34.36 40 0.549 34.36 50 0.549 34.36 60 0.549 34.36 70 0.549 34.36 80 0.549 34.36 90 0.549 34.36 100 0.549 34.36 110 0.549 34.36 120 0.549 34.36 130 0.549 34.36 140 0.549 34.36 150 0.549 34.36 160 0.549 34.36 170 0.549 34.36 180 0.549 34.36 190 0.60 12.23 中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计17200 0.61 6.72 210 0.63 -2.91 220 0.66 -17.40 230 0.71 -37.96 240 0.77 -66.43 250 0.86 -105.69 260 0.98 -160.20 270 1.15 -237.20 280 1.40 -348.85 290 1.75 -509.76 300 2.16 -739.28 310 2.16 -739.28 320 2.16 -739.28 330 2.16 -739.28 340 2.16 -739.28 350 2.16 -739.28 360 2.26 -739.28 表 3.2 其体力3.3.2 机构的惯性力惯性力是由于运动不均匀而产生的，为了确定机构的惯性力，必须先知道其加速度和质量的分布。加速度从运动学中已经知道，现在需要知道质量分布。实际机构质量分布很复杂，必须加以简化。为此进行质量换算。1、机构运动件的质量换算质量换算的原则是保持系统的动力学等效性。质量换算的目的是计算零件的运动质量，以便进一步计算它们在运动中所产生的惯性力。（1）连杆质量的换算连杆是做复杂平面运动的零件。为了方便计算，将整个连杆（包括有关附属零件）的质量 用两个换算质量 和 来代换，并假设是 集中作用在连杆小头中心处，Lm1m21m中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计18并只做往复运动的质量； 是集中作用在连杆大头中心处，并只沿着圆周做旋转运动2m的质量，如图 2.2 所示：图 2.2 连杆质量的换算简图简化到小头的质量 ml=（0.3-0.4）mm2=(0.6-0.7)m在本连杆中 m 粗略估算为 0.03kgm1=0.009kg m2=0.059kg（2）往复直线运动部分的质量 j活塞（包括活塞上的零件）是沿气缸中心做往复直线运动的。它们的质量可以看作是集中在活塞销中心上，并以 表示。其中 为 0.05kg。质量 与换算到连杆小hmhhm头中心的质量 之和，称为往复运动质量 ，即 =0.009+0.05=0.059kg。 1ms 1hs（3）不平衡回转质量 r曲拐的不平衡质量及其代换质量如图 2.3 所示： 中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计19图 2.3 曲拐的不平衡质量及其代换质量曲拐在绕轴线旋转时，曲柄销和一部分曲柄臂的质量将产生不平衡离心惯性力，称为曲拐的不平衡质量。为了便于计算，所有这些质量都按离心力相等的条件，换算到回转半径为 的连杆轴颈中心处，以 表示,其中 mk 估算为 0.02kg。质量 与换算rkmkm到大头中心的连杆质量 之和称为不平衡回转质量 ，即2 r=0.041kg2kr由上述换算方法计算得：往复直线运动部分的质量 =0.059 ，不平衡回转质量 =0.041 。smgrmkg2、曲柄连杆机构的惯性力把曲柄连杆机构运动件的质量简化为二质量 和 后，这些质量的惯性力可以从sr运动条件求出，归结为两个力。往复质量 的往复惯性力 和旋转质量 的旋转惯性ssIr力 。rI（1）往复惯性力2coscos2rmrIsss式中： 往复运动质量， ；smkg连杆比；曲柄半径， ；r曲柄旋转角速度， ；srad/曲轴转角。是沿气缸中心线方向作用的，公式前的负号表示 方向与活塞加速度 的方向sI sPa相反。表 3.3 往复惯性力 曲柄转角（）惯性力（N）曲柄转角（）惯性力（N）曲柄转角（）惯性力（N）0 62.85 130 -34.50 250 -26.83 10 61.33 140 -36.33 260 -20.54 中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计20（2）旋转惯性力2rmPrN94.361.409.41. 23.3.3 作用在活塞上摩擦力=2.83NsnipFmimp2)1(60.3.3.4 作用在活塞上的总作用力由前述可知，在活塞销中心处，同时作用着气体作用力 ，活塞摩擦力 和往gPmpF复惯性力 ，由于作用力的方向都沿着中心线，故只需代数相加，即可求得合力 sImpsFp表 3.4 活塞力曲柄转角 ）惯性力（N）摩擦力（N）气体力(N)活塞力（N）20 56.88 150 -37.26 270 -12.57 30 49.83 160 -37.62 280 -3.08 40 40.70 170 -37.70 290 7.57 50 30.14 180 -37.71 300 18.86 60 18.86 190 -37.70 310 30.14 70 7.57 200 -37.62 320 40.70 80 -3.08 210 -37.26 330 49.83 90 -12.57 220 -36.33 340 56.88 100 -20.54 230 -34.50 350 61.33 110 -26.83 240 -31.43 360 62.85 120 -31.43 中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计210 62.85 2.83 -739.28 -628.81 10 61.33 2.83 -414.38 -305.43 20 56.88 2.83 -60.98 43.51 30 49.83 2.83 34.36 131.81 40 40.70 2.83 34.36 122.68 50 30.14 2.83 34.36 112.12 60 18.86 2.83 34.36 100.84 70 7.57 2.83 34.36 89.55 80 -3.08 2.83 34.36 78.90 90 -12.57 2.83 34.36 69.41 100 -20.54 2.83 34.36 61.44 110 -26.83 2.83 34.36 55.16 120 -31.43 2.83 34.36 50.56 130 -34.50 2.83 34.36 47.48 140 -36.33 2.83 34.36 45.65 150 -37.26 2.83 34.36 44.72 160 -37.62 2.83 34.36 44.36 170 -37.70 2.83 34.36 44.28 180 -37.71 2.83 34.36 44.27 190 -37.70 -2.83 12.23 -73.10 200 -37.62 -2.83 6.72 -78.52 210 -37.26 -2.83 -2.91 -87.78 220 -36.33 -2.83 -17.40 -101.35 230 -34.50 -2.83 -37.96 -120.08 240 -31.43 -2.83 -66.43 -145.48 250 -26.83 -2.83 -105.69 -180.13 260 -20.54 -2.83 -160.20 -228.36 270 -12.57 -2.83 -237.20 -297.39 280 -3.08 -2.83 -348.85 -399.55 中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计22290 7.57 -2.83 -509.76 -549.82 300 18.86 -2.83 -739.28 -768.05 310 30.14 -2.83 -739.28 -756.76 320 40.70 -2.83 -739.28 -746.20 330 49.83 -2.83 -739.28 -737.07 340 56.88 -2.83 -739.28 -730.02 350 61.33 -2.83 -739.28 -725.57 360 62.85 -2.83 -739.28 -724.05 3.3.5 活塞上的总作用力 分解与传递pF如图 2.4 所示，首先，将 分解成两个分力：沿连杆轴线作用的力 ，和把活塞lF压向气缸壁的侧向力 ，h图 3.4 作用在机构上的力其中沿连杆的作用力 为： lF2sin1plF而侧向力 为： h2sinph切向力为 )in1(si2pFT法向力 )si(co2pr中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计23连杆作用力 的方向规定如下：使连杆受压时为正号，使连杆受拉时为负号。lF表 3.5 其他力大小曲柄转角连杆力 切向力 法向力曲柄转角连杆力 切向力 法向力0 -628.81 0.00 -628.81 190 -73.17 9.57 72.54 10 -305.72 -66.11 -298.49 200 -78.81 20.52 76.09 20 43.67 18.39 39.61 210 -88.48 34.31 81.55 30 132.86 80.29 105.85 220 -102.69 52.51 88.25 40 124.30 94.16 81.14 230 -122.34 76.93 95.13 50 114.24 99.95 55.31 240 -149.01 109.86 100.68 60 103.29 98.51 31.05 250 -185.32 154.38 102.52 70 92.13 91.55 10.29 260 -235.61 214.82 96.78 80 81.41 81.18 -6.04 270 -307.14 297.39 76.79 90 71.69 69.41 -17.92 280 -412.24 411.10 30.57 100 63.39 57.80 -26.04 290 -565.65 562.11 -63.18 110 56.75 47.27 -31.39 300 -786.71 750.31 -236.52 120 51.79 38.18 -34.99 310 -771.04 674.63 -373.32 130 48.38 30.42 -37.62 320 -756.03 572.72 -493.53 140 46.25 23.65 -39.75 330 -742.90 448.96 -591.89 150 45.08 17.48 -41.55 340 -732.71 308.55 -664.57 160 44.53 11.60 -42.99 350 -726.26 157.04 -709.07 170 44.32 5.79 -43.94 360 -724.05 0.00 -724.05 180 44.27 0.00 -44.27 3.4 本章小结 本章首先分析了曲柄连杆机构的运动情况，并求出了气缸的直径行程，以及连杆的长度，曲轴的偏心距等，重点分析了活塞的运动，在此基础上分析了每个工作过程的气体压力变化情况，进一步推导出各过程气体力的理论计算公式，进行了机构中运中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计24动质量的换算，并根据其具体结构参数计算出了各过程的气体力，为后面结构设计提供了理论数据的依据。第 4 章 活塞组的设计4.1 活塞的设计 活塞组包括活塞、活塞销，它们在制冷压缩机种是工作条件最严酷的组件。压缩机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。4.1.1 活塞的要求及材料的选择 根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：(1)质量小。往复惯性力与往复质量有关。故要求活塞的质量要小，对于高转速的压缩机，尤其重要；(2)导热系数高。活塞在气缸中压缩气体时，高温的气体将热量传导给活塞，因此要求活塞的导热系数高，尽快地将热量传给气缸体，通过气缸体向外放热。这样可以降低活塞的温度，提高输气系数；(3) 强度高。在规定的压力比下，具有足够的强度；(4)耐磨性好；（5)热膨胀性小。活塞的热膨胀系数愈小愈好，这样，在高温蒸气的传导下，活塞才可保证最佳的气缸间隙；（6）工艺性良好，价格低。设计时应使同一系列压缩机的活塞大部分尺寸相同，如相同的直径，相同的活塞销孔等。这样，加工非常方便。从材料上讲，铸铁价格低，热膨胀系数小，有良好的耐磨性。综合前面的要求，选择常用的 HT200。4.1.2 活塞的设计全封闭制冷压缩机的活塞由于不装活塞环所以没有环部。其尺寸小，刚度大，热膨胀小，故不对其群部进行特殊处理。中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计25图 4.1 活塞示意图参照已有经验活塞的长度 L 与直径 D 之比 L/D 一般为 0.6-l.3。活塞销孔中心线距活塞项部的距离与直径之比 L1/D 为 0. 35-1。活塞销孔直径 d 与活塞外径 D 之比 d/D=0.27 一 0.45。求的 L=38mm L1=25mm d=12mm 活塞顶部厚度=2.8mm 取 t=6mmmPDtax4.0薄壁取 7mm4.2 活塞销的设计4.2.1 活塞销的结构、材料1、活塞销的结构和尺寸活塞销的结构为一圆柱体，中空形式，可减少往复惯性质量，有效利用材料。活塞销与活塞销座和连杆小头孔的连接配合。活塞销的外直径 ，活塞销的内直md12径根据经验值取 ，活塞销长度 ，取md5.2Dl )7.8.5()9.085.(ml282、活塞销的材料由于气体力和往复惯性力作用在活塞销上，加上活塞直径一般很小，故活塞销承受很大的交变弯曲应力和冲击力。活塞销在交变弯曲应力的作用下，油膜不易形成，因而润滑条件差，易磨损。为此，应尽量使用表面硬度高，具有韧性的材料。通常使中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计26用表面渗碳的低碳钢或表面渗碳的低合金钢。在本设计中选用 20Cr 钢，表面渗碳层在0.5-lmm,硬度为 HRC55-62，屈服强度 R540Mpa。4.2.2 活塞销强度和刚度计算由运动学知，活塞销表面受到活塞力的共同作用，总的作用力 ，活NFs05.768塞销长度 L=28mm，连杆小头高度 ，取 9mm，间隙为mdl )6.98()2.180(1，所以活塞销跨度 Lp=10mm。m5.01、最大弯曲应力计算活塞销中央截面最危险其弯矩为 mNLFMp 5.2401.5.7684max空心销的抗弯断面系数为 ，314)(.dW其中 25.012所以弯曲应力为 M即 Paa743 108.)25.01(.0 M482、最大剪切应力计算最大剪切应力出现在销座和连杆小头之间的截面上。横断截面的最大剪切应力发生在中心层上，其值按下式计算：)(max4221maxdF MPa5.17max已知许用弯曲应力 ；许用剪切应力 ，那么校核合MP500格。4.3 验算活塞销座比压力销座比压力为：中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计27)(20maxPldFq papa6610.8)1023(85.7MP9.7q铸铁一般为 M44.4 本章小结 在活塞的设计过程中，分别确定了活塞、活塞销、活塞销座主要的结构参数，分析了其工作条件，总结了设计要求，选择合适的材料，并分别进行了相关的强度和刚度校核，使其符合实际要求。第 5 章 连杆组的设计5.1 连杆的设计5.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用1、工作情况连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。2、设计要求 连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此，在设计时应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果强度不足，就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造成严重事故，同样，如果连杆组刚度不足，也会对压缩机的工作带来不好的影响。所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构形状和尺寸。3、材料的选择连杆的材料在小型全封闭压缩机中，广泛采用铸铁、铝合金和粉末冶金材料。铝合金连杆加工简单，且质量较铸铁连杆小，因此目前许多压缩机都采用铝合金材料制造连杆。本课程设计中也选用铝合金材料。中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计285.1.2 连杆长度的确定设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度 它通常是用连杆比l来说明的， ， ，则 。lr/4/1mr9l365.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆小头的结构设计连杆小头内径 和小头宽度 已在活塞组设计中确定， ， 。1d1Bm12d9B1小头外径 ，取 D1=18mm。)5.2(D12、连杆小头的强度校核在小功率的封闭式压缩机中，常常用下式计算连杆小头的强度。bhImax式中 为最大惯性力； b 为小头宽度，单位 m；h 为连杆小头壁厚，单位 max故 Mpa35.01928.615Mpa，校核合格。连杆的杆身必须具有足够的强度和刚度，为此，多数连杆的杆身的横截面为矩形或工字形。曲柄销旋转时，连杆大头做摆动，由于离心力的作用，对杆身产生弯矩，因此从小头到大头的截面逐渐加大。为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计29图 5.1 连杆零件图 5.1.5 连杆大头连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径 、宽度 、连杆螺栓直径 。qDqBmd其中在 、在曲轴设计中确定， ， ，大头宽度 ，大头孔直径qDmDq14mb142。md142连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度取 ，为了提高连H71杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离 ，一般螺栓孔外侧壁2)3.4.1(dC厚取 2 毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。5.2 连杆螺栓的设计及校核对于刨分式连杆，连杆螺栓的作用是很重要的。压缩机运转时，它受到很大的交变载荷。对于小型全封闭压缩机，由于连杆的尺寸受到限制，因而连杆螺栓的尺寸更小。为了防止应力集中而使材料疲劳断裂，一般是降低螺栓的刚度，提高连杆大头的刚度，缓冲应力集中，从而提高疲劳强度。为了降低螺栓的刚度，一般是缩小螺栓杆身的直径，使杆身直径小一于螺纹根径来实现的。杆身至头部的过渡圆角应尽可能大一些，螺纹采用细牙，螺纹底部不允许有尖角。中南林业科技大学本科毕业设计 2kw 全封闭式活塞制冷压缩机设计30连杆螺栓螺纹外径 mDdm3)25.018.(连杆螺栓螺纹长度 l9连杆螺栓的材料选 40Cr。装配时要严格按规定的力矩紧固螺栓。防止预紧力不足，或预紧力过大而使连杆螺栓断裂。2143.dF其中 F 为 0.5 倍的最大活塞力； 为螺栓的外径1dMpa703.4125.68=200250Mpa故符合强度要求。5.3 本章小结本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况，设计要求，并选择了适当的材料，然后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的主要结构参数，并进行了强度了刚度的校核，使其满足实际加工的要求，最后设计连杆螺栓，并行检验校核。第 6 章 曲轴的设计6.1 曲轴的结构型式和材料的选择6.1.1 曲轴的工作条件和设计要求曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。由于曲轴弯曲与扭转振动而产生附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生的严重的应力集中。特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。所以在设计曲轴时，要使它具有足够的疲劳强度，