空气压缩机设计.doc

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1 引言 毕业设计是学完所有课程后应用四年所学到的课本知识及课外的知识而进行的综合性、开放性的训练，是培养学生工程意识和创新能力的重要环节，也是考查学生四年学习成果的重要途径。此次毕业设计的主要内容是通过对活塞式压缩机热力性能和动力性能的计算，完成压缩机的校核和选型工作。通过近两个月的设计过程，对于我掌握过程流体机械选型基本方法、基本步骤和基本原则起到了明显的效果，达到了预期的训练目的。同时，通过毕业设计环节，使我的计算机应用能力得到了提高，培养了我的设计能力和解决实际问题的能力。 毕业设计要求学生正确运用和查阅与本课题相关的设计标准、规范、手册、图册等技术资料，独立的进行理论计算、结构计算、绘制工程图样、编写设计说明书等。掌握机械设计的基本要求、基本方法、基本步骤，为走向工作岗位打下坚实的基础。 V-0.17/8空气压缩机设计的主要任务是了解空气压缩机的基本原理与结构类型，着重了解和掌握活塞式空气压缩机的基本原理、组成结构、材料、制造加工工艺、冷却润滑方式等。 1.1设计参数 题目：V-0.17/8空气压缩机设计 排气压力=0.8MPa 吸气压力Ps=0.1MPa 排气量Q=0.17m3/min 转速n=2840r/min 1.2 空气压缩机的结构及工作原理 空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。 空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机，速度式压缩机，容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。本机属于容积式空气压缩机。 往复式空气压缩机主要有曲轴连杆活塞式、曲柄连杆活塞式和曲柄滑管式三种形式。其主要由活塞、气缸、曲轴、连杆、吸气阀片和排气阀片等组成。连杆小头主要通过活塞销与活塞相连，而连杆大头套在曲轴的曲轴柄部分，曲轴由带轮带动旋转，气缸顶部安装有阀板组件。活塞在气缸中主要通过做往复直线运动来完成对空气的压缩，而压缩机每完成一次对空气的压缩，需要经过压缩、排气、膨胀和吸气四个过程。 1 —排气阀 2 —气缸 3 —活塞 4 —活塞杆5 —滑块 6 —连杆 7 —曲柄 8 —吸气阀 9 —阀门弹簧 图1.1压缩机工作原理图 当活塞式压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞式压缩机的活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞式压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。 图1.2往复式压缩机的示意图及工作过程 图1.2中的四个过程分别表示了压缩机工作中的四个过程。 到最低位置(称活塞的下止点)时，汽缸吸满气体。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，气体被压缩，一直压缩到排汽压力为止。图中(b)为排汽过程：当压力达到一定值(大于排汽管内压力)时，排汽阀开启，活塞继续上移，气体排出，一直到活塞上移到最高位置(这位置称活塞的上止点)时，排汽结束。图中(c)是余隙膨胀过程：为了防止活塞与吸排汽阀碰撞，活塞上移到上止点时，活塞与汽缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排汽结束时留在余隙内的高压气体阻止吸汽阀开启，吸气不能开始。这时余隙内的气体随着活塞下移而进行膨胀，一直膨胀到吸气压力以下时才结束。图中之(d)是吸气过程：吸汽阀开启，随着活塞往下运动而吸汽，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止。 1.3 活塞式压缩机特点 优点： 1 、适用压力范围广，不论流量大小，均能达到所需压力； 2 、热效率高，单位耗电量少； 3 、适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔的压力范围和制冷量要求； 4 、可维修性强； 5 、对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉； 6 、技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验； 7 、装置系统比较简单；缺点： 1 、转速不高，机器大而重； 2 、结构复杂，易损件多，维修量大； 3 、排气不连续，造成气流脉动； 4 、运转时有较大的震动。随着工业的发展，活塞式压缩机的使用日趋广泛。主要应用于采矿、冶金、石油、化工、机械、建筑等部门。 2 空气压缩机热力计算 2.1 热力计算的目的 压缩机的热力计算是以热力学理论为基础，根据气体的压力、容积和温度之间存在的一定关系，结合压缩机具体的工作特性和使用要求进行的。其目的是要求得最有利的热力参数（如各级的吸排气温度、压力和所耗功等）和适宜的主要结构尺寸（如活塞行程、气缸直径等）。 压缩机热力计算常用的方法有常规热力计算、工作过程的模拟计算和优化设计计算等。本次课程设计采用常规热力计算方法。常规热力计算是采用简化的热力学方程，根据已知压缩机吸入气体的热力参数（压力、温度、相对湿度等）、容积流量、排气压力及其他一些条件和使用中的一些要求，确定压缩级数、工作容积、转速、结构尺寸（如气缸直径、行程等）、多级压缩机的级间压力和温度、功率和效率等，这种计算即为设计性热力计算。对压缩机的热力过程进行分析计算，这是设计压缩机时必须进行的。 压缩机结构型式与方案选择。 1.首先计算总压力比，选择级数，然后根据排气量、级数及压缩机用途等选择合理的结构型式及各级气缸的布置方案； 2.确定各级压力比分配，初步估算排气温度； 3.计算并确定各级的诸系数如：λv、λp、λT、λl、μ0和μφ等； 4.计算各级行程容积及缸径； 5.计算各列最大活塞力、功率及压缩机效率； 6.确定驱动机功率并选定驱动机。 2.2 活塞行程与气缸直径的确定 根据往复式空气压缩机的实际工作情况，可以取活塞的相对余隙容积为：c=3%,膨胀指数m=1.4,压力比ε==8 则： 容积系数：λv=（-1）=1-0.03（-1）=0.8975 （2-1） 压力系数：λp =1-△Ps=1-0.05=94% （2-2） 式中△Ps/Ps是影响压力系数的主要因素，△Ps/Ps=0.050.30 温度系数：考虑到排气压力较高，进气压力损失较大，机器运转速度高以及气缸不易冷却等因素，取λt=0.85 泄露系数：λl=0.98 容积效率：λ=λvλpλtλl=0.89750.940.850.98=0.7028 （2-3） 气缸工作容积：===85.17 （2-4） 确定缸径D、行程S和工作容积： 一般（）=0.40.8,取0.7，由=D2S=D3得 （2-5） D==5.38cm=53.8mm （2-6） 选取实际缸径D=52mm 活塞行程S=0.7D=0.752=36.4mm （2-7） 所以压缩机的实际工作容积=D2S=52236.4=77.26cm3 2.3 压缩机功率与效率计算 2.3.1 绝热压缩的指示功率 =1.309in PsSD2ｗ （2-8） 式中δ０是吸排气过程中平均相对压力损失之和： δ０＝＋ （2-9） 参考已有资料，取=0.115 则δ0=0.2115，=988.70W 2.3.2理论绝热压缩功率 取进气温度==25摄氏度，=273+25=298K,排气温度td=170摄氏度，Td=273+170=443K 由≤工程热力学≥附录7得：进口状态下空气的焓值=300.43,压缩终了的焓值446.83 压缩机进口处的比容:ν===0.855 （2-10） 输气系数 λ=0.7028 实际质量输气量 =λ/ν=0.70283.66/0.855=3.008kg/s 理论绝热压缩功率==440.37w （2-11） 2.4功率计算 指示功率 ==440.37/988.70=0.45 （2-12） 摩擦功率 取平均摩擦压力=0.3=0.3 ===86.62w （2-13） 理论容积输气量 =inS/60=3.66/s （2-14） 轴功率 ==988.70+86.62=1075.32w （2-15） 机械效率 =/=988.70/1075.32=0.919 （2-16） 轴效率 ==0.450.919=0.414 (2-17) 电效率 取电动机的效率=0.85， 电效率 ==0.4140.85=0.352 (2-18) 电功率 =/=440.37/0.352=1251.1w (2-19) 由此可选用功率为1500w的单相异步电动机作为它的动力。 3. 空气压缩机的动力计算 3.1 曲柄连杆机构的运动关系 动力计算是以往复压缩机的运动机构即曲柄连杆机构为主要研究对象，分析曲柄连杆机构的运动规律、受力情况以及对压缩机动力性能的影响。这是压缩机总体结构设计，各零部件的强度、刚度计算以及压缩机基础设计的力学基础。动力计算的任务是计算压缩机中的作用力，分析压缩机的动力平衡性能，确定压缩机所需的飞轮矩，解决惯性力和惯性力矩的平衡问题。动力计算的任务是计算压缩机中的作用力，分析压缩机的动力平衡性能，确定压缩机所需的飞轮矩，解决惯性力和惯性力矩的平衡问题。 (1)压缩机中主要作用力的求解 压缩机中的主要作用力有气体连杆机构运动时产生的惯性力和相对运动表面间产生的摩擦力。根据各力间的相互关系，得出压缩机中的综合活塞力，分析综合活塞力对压缩机的作用效果； (2)确定飞轮矩 通过计算各列的切向力值，作出切向力图及幅度面积向量图，求得压缩机所需的飞轮矩，解决驱动力矩与阻力矩之间的不均衡问题，以保证压缩机运转均匀，从而减小电机和电网的电流、电压波动幅度。 (3)动力平衡性能分析 往复压缩机中的惯性力和惯性力矩是外力，它的大小和方向均随曲柄转角作周期性的变化，若在机器内部没有相应的平衡力和平衡力矩与之相平衡，则会导致压缩机的振动，并且还会传给基础。为了确保压缩机的平稳安全运转，应力求惯性力和惯性力矩在机器内部的完全平衡。 3.2 活塞的运动 压缩机的曲柄连杆机构在进行动力分析时，往往简化成如图3.1所示。即主要运动不见简化为单独的质点，分别为活塞的往复直线运动及曲柄梢部分的等速圆周运动。 图3.1曲柄连杆机构的运动图 图中X轴与气缸轴线重合，Y轴与X轴垂直。O点为曲轴旋转中心，OA代表曲轴，AB代表连杆，A点代表曲柄梢中心，而C为活塞外止点时的活塞销中心位置，D点为活塞内止点时的活塞销中心位置。 活塞的位移从外止点C算起时为x,长度为L的连杆与气缸中心线的夹角为β，曲柄的转角为α。从图上的几何关系可以得出： 活塞位移的近似公式：X=r（1-）+λ（1-cosα） (3-1) 在空气压缩机中，λ通常在1/3.51/6的范围内，取λ=1/5 有热力计算可知：S=36.4mm,S=2r,则r=18.2mm,l=91mm X=18.2(1-)+18.2/16(1-) (3-2) 活塞速度的近似公式：ν=rw() (3-3) W===297.25rad/s (3-4) r=18.2mm=0.0182m, 则 ν=0.0182297.25(+) (3-5) 活塞的加速度 a=rw2(+λ)m/ (3-6) 曲柄梢的加速度 =rw2m/s2 3.3 连杆的质量转化 把连杆质量的一部分集中在活塞销中心B点为,集中在曲柄销中心A处的为,如图3.3所示 图3.2 连杆简图 根据图3.3，运用大学物理知识得， =+, = 得出=, = (3-7) 根据已有连杆的统计结果，=(0.3) ,=(0.6) 活塞、活塞销等零件只做往复运动，可认为其质量集中在B点，用表示。 曲拐部分做旋转运动，可认为曲轴、曲柄销的质量集中在A点，用表示。 综上，整个运动机构的总往复质量为=+ (3-8) 总旋转质量为=+ (3-9) 3.4 计算活塞力 压缩机中的气体力、往复惯性力和摩擦力三者的代数和为活塞力. =++ (3-10) 3.4.1 气体力 取进、排气压力的损失分别为0.05,=0.10 进气过程气体力：=(1-)=0.1﹙1-0.05﹚=201.65N 排气过程的气体力：=﹙1+﹚=0.8﹙1+0.10﹚=1867.92N 3.4.2 往复惯性力 =rw2=1334.73N (3-11) 式中===0.83Kg 在止点位置停车时，=-=1666.27N (3-13) 3.4.3 摩擦力 ===15.17N (3-14) 4. 空气压缩机结构设计 V-0.17/8空气压缩机的结构是将两列气缸相错600安装在机体上，机体用螺栓固定在储气罐的支撑板上，电机的四个机脚也用螺栓固定在储气罐的支撑板上，传动方式为皮带传动，大带轮带动曲轴旋转，进而使曲柄连杆机构做往复直线运动。曲轴的固定由角接触球轴承、端盖及挡圈来完成。外部形状如下图所示： 图4.1 4.1 活塞设计 活塞是活塞式压缩机的一个主要零件，它与气缸配合形成压缩容积。活塞设计的好坏与压缩机的性能（如排气量）有很大关系。活塞与活塞环、刮油环、活塞销等零件组成活塞组件。活塞设计时必须满足的要求是： （1）具有足够的刚度和强度 ； （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给活塞，因此要求活塞的导热系数高，尽快的将热量传给气缸体，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）耐磨性好，热膨胀性小； （4）工艺性良好，价格低。设计时应使同一系列的压缩机的活塞大部分尺寸相同，这样，加工非常方便。材料上讲，铸铁价格低，热膨胀系数小，有良好的耐磨性；采用粉末冶金活塞，可以减少加工量和加工工序，节约工时，使制造成本降低。 （5）铸造性能良好，重量轻。以减少往复惯性力。 图4.2连杆式压缩机使用的活塞 活塞行程缸径比： ψ===0.7 (4-1) 活塞的平均速度：===3.45m/s (4-2) 4.2 活塞的几何尺寸与相互关系 在开启式压缩机中，常常采用图4.3的固定方式，即把活塞销用压力机压销孔固定，销孔两端压上挡圈。 图4.3 活塞的长度L与直径D之比为0.61.3，活塞销孔中心线距活塞顶部的距离与直径之比为0.351。 活塞销孔直径d与外径D之比=0.270.45,活塞与连杆小头的连接宽度b与直径之比为0.320.5。 图4.4 活塞几何尺寸的相互关系 图4.5 尺寸d、b与D的关系 综上，D=52mm,=0.8,L=42mm =0.5,=26mm;=0.3,d=16mm;=0.4.b=21mm. (4-3) 取活塞侧壁的厚度t,=3mm。 活塞顶部的厚度：t=﹙0.4﹚Dmm， 取t=4mm (4-4) 活塞材料为ZAlSi12,HBW=50,活塞外表面为加工面。 活塞顶部的强度验算： 由于活塞顶部并非自由支承，若圆盘厚度为δ，直径D=52mm，则直径截面处的最大弯曲应力为： =μ﹙﹚2 (4-5) 式中为最大气体压力差 对于圆形活塞，可以取μ=0.68，D为活塞直径；δ为活塞顶部最薄处的厚度。 =﹙1+﹚-﹙1-﹚=0.785MPa 则： (4-6) =0.68﹙﹚20.785≤[]=180N/ 得出： δ≥2.2mm，所以强度符合要求。 (4-7) 4.3 活塞销设计 4.3.1 活塞销的材料 由于气体力和往复惯性力作用在活塞销上，加上活塞销直径一般很小，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，应尽可能使用表面硬度高、具有韧性的材料。取活塞销材料为20Cr. 活塞销的长度l总是小于活塞直径D。一般l=(0.850.95)D=46mm 活塞销的外径应使连杆小头孔有合适的比压K.连杆小头孔德宽度b=21mm 图4.6 活塞销强度验算简图 比压：K= 式中 =-=1867.92-201.65=1666.27N (4-8) 许用比压[K] ≤﹙150﹚N/ 将上述数据代入公式得 ≥5.29mm 取 ,=12mm 4.3.2 活塞销的强度计算 把活塞销作为简支梁对待，验算其弯曲应力和剪切应力。连杆小头的作用力为均布载荷，销座的支反力假设为集中力，只考虑气体力的影响，于是作用于活塞销上的最大弯矩为： =﹙-﹚ (4-9) 式中 为两销座中心的距离，=l-,取为20mm 最大弯曲应力： =﹙-﹚=﹙0.020-﹚=88.64N/ (4-10) 对于碳素钢， [] ≤﹙600-1200﹚N/ (4-11) 活塞销横截面的剪切应力： τ===58.96N/ (4-12) 对于碳素钢，[τ] ≤500N/ (4-13) 综上，强度符合要求。 4.4 连杆 4.4．1 连杆基本尺寸 在曲柄连杆机构中，曲轴的旋转运动就是通过连杆使活塞在汽缸中作往复直线运动的。根据连杆大头的结构，可分为整体式和剖分式，整体式连杆（图4.7）用于行程短的曲轴或采取偏心轴的结构。整体式连杆的加工精度容易保证，由于加工时可以同时加工大小头孔，又省去了连杆螺栓、螺母、垫片等零件，不但加工简单，而且装配也很方便，制造成本低。在这里采用整体式连杆。 连杆在工作中主要承受气体压力和惯性力所产生的交变载荷，因此，对连杆的结构要求是：具有足够的强度和刚度；具有较高的加工精度和表面粗糙度；在保证连杆强度和刚度的条件下，应尽量减少连杆的质量；减小连杆大小头孔中心距，可使压缩机总体尺寸和重量下降；连杆大小头孔耐磨性良好；连杆易于加工和测量，成本低等。 图4.7 整体式连杆 由前面动力计算得，连杆长度l=91mm （1）杆身中间截面尺寸当量直径 =﹙1.652.45﹚=8.2m (4-14) （2）杆身中间截面当量面积 ===52.8 (4-15) （3）杆身中间截面尺寸 高度： ===9.5mm (4-16) 宽度 ： =0.6=5.7mm (4-17) 图4.8 连杆中间截面简图 图4.9 连杆简图 （4）连杆小头轴向内径：因连杆小头轴孔与活塞销外径配合，故取d==18mm （5） 连杆小头轴承宽度：=1.2d=21.6mm （6） 连杆大头轴向内径：连杆大头与曲柄销配合，故取D=39mm （7）连杆中间长度：≤L-- 4.4.2 杆体的稳定性计算 连杆的杆身必须具有足够的刚度和强度，为此，多数连杆的杆身的横截面是矩形或工字形。曲柄销旋转时，连杆大头作摆动，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组件增大。 杆身截面处所受的压应力为： ===315.58N/ (4-18) 在连杆摆动平面内，连杆两端可以看成是铰接支承，这时，杆体中间截面在这方面的纵弯曲应力为： =c (4-19) 式中 c=,取c=6.0, ==814.5 (4-20) 在垂直于连杆摆动平面的平面内，连杆两端可以看成是固定支承，杆体中间截面在这方向上纵弯曲应力为 =c, ==407.25N/ (4-21) 连杆杆体所受压缩和纵弯曲应力的总应力： =+, =+ (4-22) 许用应力[σ] ≤﹙8001200﹚N/, ﹤[σ],﹤[σ] 强度符合要求 4.4.3 杆体的强度验算 连杆小头处于最小杆体截面积按最大压差工况下的压缩应力考虑。其压缩力为：σ==315.58N/ (4-23) σ﹤[σ] 故强度符合要求。 4.5 曲轴 曲轴是活塞式空气压缩机的主要部件之一（图4.10），传递着压缩机的全部功率。其主要作用是将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。曲轴在运动时，承受拉、压、剪切、弯曲和扭转的交变复合负载，要求具有足够的强度和刚度以及主轴颈与曲柄销的耐磨性。曲轴一般采用优质碳素钢锻造，这里采用45号钢。 图4.10 曲柄机构示意图 4.5.1 曲轴的计算 曲柄销直径：=（0.70.8）D，取=39mm (4-24) 主轴颈直径：=（1.01.1）， 取=40mm (4-25) 4.5.2 曲轴的强度校核 曲柄销上的弯矩为===66.65Nm (4-26) 曲柄部分的弯矩为 =﹙﹚=16.66Nm (4-27) 主轴颈部分的弯矩为==12.50Nm (4-28) 曲轴的平均扭矩为==26.94Nm (4-29) 合成弯矩=0.35+0.65=96.379Nm (4-30) 对于曲柄销部位的合成弯曲应力： ==16.56MPa﹤﹙80﹚MPa (4-31) 4.6 机体和气缸 4.6.1 机体 机体是活塞式空气压缩机非常重要的部件，机体支承着曲轴、连杆机构和气缸等零部件，并使这些零件互相保持着合适的位置与间隙。 机体的作用有： ⑴承受压缩机中的作用力；此外，机体还可以将曲柄连杆机构的重量，电动机的重量，在有些场合还可以将缸体、活塞、级间的重量还给基础。 （2）给传动机构提供定位和导向基础；如曲轴支承在机体的主轴承上，十字头以机身滑道为导向。 （3）作气缸和某些辅助部件的承座。如某些润滑系统、冷却系统等就安装在机体上。 对机体的要求有： ⑴ 机体除承受曲轴、连杆机构和气缸等零件的重量外，还承受着大小和方向不断变化的气体力和惯性力。因此，在设计机体时，应合理的构型，尽量使应力均匀分布，使机体具有足够的强度和刚度，保证各运动零部件的正确位置和间隙。在具有足够的强度和刚度的条件下，应尽量减小机体的重量和尺寸。 ⑵良好的铸造工艺性和加工工艺性。 机体一般采用优质灰铸铁，机体的铸件应尽量造型简单，起模简单，便于清砂。 4.6．2 气缸 图4.11气缸 气缸是往复式压缩机中直接进行气体压缩的部分。它与活塞、气阀等共同组成气体的工作腔。 对气缸的要求是：应具有足够的强度和刚度，工作表面具有良好的耐磨性；应尽可能减小气缸内的余隙容积；结合部分的连接和密封要可靠；具有良好的铸造工艺性，拆装方便。 气缸的壁厚度： t=+α=+2=2.7mm (4-32) 式中 D为汽缸直径，为最大排气压力，为材料的许用应力，对于铸铁，为30MPa, α为铸造误差造成增加的厚度。 4.7 气阀 阀分进、排气阀两种，均为单向阀，由弹簧、阀片、阀座及升程限制器组成。通过弹力和气体压力的作用实现自动开启。 阀片是活塞式压缩机的关键零件之一，它控制着压缩机吸气和排气，影响到压缩和膨胀过程。活塞向内止点移动时，余隙容积中的高压气体膨胀，使气缸内的压力降低。当气缸内外的压力差大于阀片的弹簧力时，阀片打开，气体被吸入气缸。在活塞接近内止点之前，进气阀片一直是开启的；在活塞接近内止点时，由于活塞移动速度下降，阀片前后的压力差减小，阀片在弹簧力的作用下关闭，吸气过程结束。活塞到达内止点后，开始向外止点移动，此时，吸气阀片和排气阀片都是关闭的，汽缸容积缩小，气体被压缩，因而气体压力提高。 当活塞接近外止点时，气缸内气体的压力与排气阀片外的压力差大于排气阀片本身的弹簧力时，排气阀片打开，这就是排气过程。当活塞到达外止点时，排气过程结束。活塞从外止点向内止点移动时，膨胀过程开始，气体在气缸内膨胀时，吸气阀片和排气阀片都是关闭的。 气阀受阀片两侧气体压力差控制而自行启闭的自动阀，它主要由阀座、阀片、气阀弹簧和升程限制器四个主要零件组成。气阀工作是否正常，直接关系到压缩机的性能。因此，气阀设计的基本要求是： 1 气体流过气阀的阻力要小； 2 气阀形成的余隙容积要小； 3 气阀及时启闭，并且应有良好的密封性，关闭后不允许泄露； 4 气阀的寿命要长；气阀的使用寿命不但与阀片的材料、工艺过程有关，而且与升程、转速等有关，阀片的寿命最好与压缩机的寿命相同。 5 结构简单，制造方便，易于维修，通用化程度高。 对阀片的材料的要求： 1 高疲劳强度。阀片的断裂主要是疲劳破坏。因此阀片必须具有高的冲击、弯曲疲劳强度以及低的疲劳缺口敏感度。阀片表面是疲劳裂纹核心容易产生的地方，在工作状态下，表面处应力最大，因此应提高阀片表面强度。对阀片进行离子氮化处理，是提高阀片表面硬度和冲击韧性的有效措施。 2 非金属夹杂物含量和带状组织级别要低，阀片中的非金属夹杂物主要是氧化物和硫化物。 选择阀片材料考虑的因素：阀片所受应力及材料综合性能、使用温度、耐腐蚀性、材料质量、价格等。故选用马氏体不锈钢3Cr13. 4.8 带轮的设计 4.8.1 设计参数 功率：=1.5kw 转速：=2840r/min =980r/min 传动比：i=3.0 4.8.2 带轮的计算 ⒈ 确定计算功率 ,由表8-7得，=1.1 ==1.51.1=1.65kw (4-33) ⒉由 、n ,选择Z型 ⒊确定带轮的基准直径和验算带速V 由表8-6和8-8.，取小带轮的基准直径=112mm 带速V===16.6m/s, 带速符合 (4-34) 大带轮的基准直径 =i=3112=336mm (4-35) ⒋确定V带的中心距a和基准长度 由式0.7﹙+﹚≤≤2﹙+﹚得=400mm (4-36) ≈2+﹙+﹚+=1570.09mm (4-37) 由表8-2选=1400mm 实际中心距a=+=315mm (4-38) ⒌验算小带轮上的包角 =180-﹙-﹚=135.8﹥90 (4-39) ⒍计算带的根数Z 由=112mm和=2840r/min,由表8-4a得=0.82kw 由表8-4b得Δ=0.04kw ,由表8-5得=0.882 由表8-2得=1.14 =﹙+Δ﹚=0.865kw (4-40) Z==1.90 取根数为2根。 ⒎大带轮的结构设计 采用椭圆轮辐式 =355mm ,1.8d=1.836=64.8mm 取=8.5mm,=8mm,e=12mm,f=8mm,=2.5mm, δ=6mm B=﹙Z-1﹚e+2f=﹙2-1﹚12+16=28mm L=B=28mm, C’=B=7mm,S=C’=7mm =-2δ=355-12=343mm =290=290=21mm =0.2=0.221=4.2mm =0.4=8.4mm =0.8=0.88.4=6.72mm =0.821=16.8mm =0.2=0.216.8=3.36mm 4.9 曲轴的结构设计 曲轴是往复式压缩机的主要部件之一，传递着压缩机的全部功率。其主要作用是将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。曲轴在运动时，承受拉、压、剪切、弯曲和扭转的交变复合负载，工作条件恶劣，要求具有足够的强度和刚度以及主轴颈与曲轴销的耐磨性。故曲轴一般采用40、45或50号优质碳素钢锻造。在本设计中采用45号钢。 4.9.1 初步确定轴的最小直径 ==125=14.4mm (4-41) 显然，最小直径是安装大带轮的，取d=28mm,因为是圆锥体形的，所以选=36mm. 图4.12曲轴简图 带轮的宽度B=28mm,带轮左端用挡圈定位，查设计手册得挡圈直径D=50mm,为了保证挡圈完全压在带轮上，所以=26mm. 4.9.2 拟定轴上零件的装配方案 取=30mm,选0组游隙7026C角接触球轴承，其尺寸为dDB=306216,故=16mm 端盖：e=1.2d=1.26=7.2mm,盖宽=e+m=20mm =62+2.56=77mm,=+2.56=92mm =-36=59mm , =62-10=52mm 取=30mm 角接触球轴承用挡圈定位，取=34mm. Ⅵ-Ⅶ段是用来安装连杆大头的，直径等于曲柄销直径。 4.10 空气压缩机的储气罐 空气压缩机是一种用来压缩空气、提高气体压力或输送气体的机械, 简称为空压机, 被广泛应用于 冶金、电子电力、医药、包装、化工、食品、采矿、纺织、交通等众多领域。在空压机系统内, 空气通过滤清器被吸入空压机, 在空压机中经过压缩, 使其达到规定压力后进入储气罐, 然后由排气管路送往使用地点。储气罐装在空压机和压缩空气管网之间, 其作用是缓和由于排气不均匀和不连续而引起的压力波，储备一定数量的压缩空气, 维持供需气量之间的平衡, 以及去除压缩空气中的油水和杂质, 净化压缩空气。近年来, 空压机储气罐事故时有发生, 甚至于包括重大事故, 给正常的生产生活以及人身安全带来重大的损失和威胁。作为压力容器, 储气罐的结构和规格是根据其技术参数和使用条件, 参照《钢制压力容器》( GB150- 1998) [ 5] 和其它相关标准[ 6- 7] 设计。操作压力越大, 则设计压力越大, 需要的壳体材料强度和厚度就越大; 操作温度越高, 则钢板在设计条件下的许用应力越小, 需要的壁厚越大; 另外储气罐壳体焊缝的焊接接头系数, 开孔和接管, 以及腐蚀裕量的大小也同样对容器壁厚有着直接的影响。在储气罐制造过程中, 若选材不当或者钢板材料质量差, 存在诸如钢板壁厚不均匀, 机械性能(如抗拉强度)不达标, 或者由于焊接原因, 焊接接头存在气孔、夹渣、裂纹、未焊透等严重制造缺陷, 造成焊缝质量不合格。在储气罐的使用过程中, 也有可能产生材质劣化、壁厚减薄、严重腐蚀或裂纹等缺陷。这种制造或者使用中产生的缺陷会严重削弱壳体材料的强度, 即使储气罐仍在原额定压力下工作, 仍然可能因其强度不够发生爆炸。因此必须严格按要求设计空压机储气罐。 储气罐容积V=（0.10.14）Q=（0.10.14）0.17=0.0204 (4-42) 综上，选取储气罐内径D=300mm,=75mm,L=25mm,=6mm 5．电动机的选择 根据前面的热力计算得，电动机的转速 =2840r/min,功率=1.5kw. 根据转速和功率，选择Y90S-2三相异步电动机。 Y系列三相异步电动机是按照国际电工委员会（IEC）标准设计的，具有国际互换性的特点。其中，Y系列电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部之特点，B级绝缘。适用于无特殊要求的机械上，如机床、泵、风机、运输机、搅拌机、农业机械等。 型号：Y90S-2 额定功率：=1.5kw 额定电压：V=220V 电源频率：f=50HZ 额定电流：I=6.82A 效率：μ=85% 6．压缩机的振动与防振 压缩机运转时产生的振动消耗能量，会加剧零件的磨损，振动力传到机壳外，使机壳振动，增大噪音，特别是压缩机在启动和停机时，由于转速在瞬时发生急剧的变化，不但使噪音增大，还容易引起连接管道的疲劳破损。因此，应重视解决压缩机的振动问题，并提出有效地措施。此外，气流脉动也是引起压缩机振动的原因之一。压缩机的减振方法常常从以下几个方面考虑。 1．排气管的减振 压缩机的排气管一端与机体焊接在一起，另一端与排振动，气消声器连接。为了减小由于气流脉动引起的排气管应使排气管的固有振动频率远离气柱的固有振动频率，因此排气管的长度需通过计算确定。为了减小排气管的刚度，常常使它具有较复杂的形状，如盘成弯曲的蛇状。有的压缩机还在排气管上套有一个细而长的弹簧，用来吸收排气管的振动。 2．防过振动装置 压缩机启动和停止时，以及运输中，会产生较大的振动，即过振。压缩机是否一定要设防振装置以及防过振是否有效，应通过实验决定。将压缩机固定在振动试压机上，进行垂直及水平两个方向的振动，经过规定时间的振动之后，检查压缩机是否损坏。此实验称为过振试验或运输试验。 7．压缩机的润滑、冷却和噪声处理 7.1 压缩机的润滑 7.1.1 润滑的作用 ⒈ 把润滑油输送到各零件表面，并使零件的表面形成油膜，减小零件的磨损，提高压缩机的使用寿命，减小由于摩擦阻力产生的摩擦功率和摩擦产生的热量。 ⒉ 润滑油在气缸和活塞表面形成的油膜不但起到润滑的作用，而且起到密封气体的作用，以减小高压气体的泄露。 3． 冷却的作用。压缩机在各零件表面流过时，零件上的热量传给润滑油，润滑油将零件上的热量带走，且向机体喷洒，最后由机体将内部的热量传递给外部的空气。 空气压缩机为无油润滑，但在高速运行下，转动副之间、活塞与气缸内表面之间必须有润滑，润滑与压缩机运转性能和使用寿命有密切关系，应根据使用的要求特性选择合适的润滑剂。油脂润滑其作用有：①、润滑摩擦面，使摩擦面完全被油脂分隔开来，从而降低摩擦功、摩擦热和磨损；②、在密封部位充满油，起密封作用。压缩机的润滑方式有两种：飞溅润滑和压力润滑。飞溅润滑是利用曲柄的旋转运动拍击油面，使油飞溅到各个运动零件的摩擦面上，飞溅润滑不需要专门的润滑机构。压力润滑是采用专门的润滑机构，以一定的压力将润滑油强制送到各个运动机构的摩擦表面。在V-0.17/8空气压缩机中可以采用飞溅润滑。 7.2压缩机的冷却 7.2.1压缩机过热的危害 压缩机过热时，对压缩机一般有以下危害： ⒈ 润滑油粘度下降，运动零件的表面不能形成完全的油膜，特别是连杆小头部位，负荷较大，在正常情况下润滑条件就较恶劣。压缩机过热时，连杆小头产生不正常的磨损，甚至发生烧坏。 2． 电动机烧毁。对于B级绝缘，压缩机在130的温度范围内长期运转，由于化学反应加快，绝缘材料性能变差，电动机易被烧毁。 7.2.2 压缩机冷却的方法 空气压缩机在运行时，由于热力过程的不可逆损失和机械摩擦所产生的热量使压缩机的温度升高。为了防止压缩机过热，以保证其工作的可靠性和耐久性，提高其热力性能和动力性能，必须进行压缩机冷却。 1． 汽缸盖的冷却 汽缸盖的表面铸有一定数量的肋片以改善汽缸盖的散热效果。 2． 降低吸气过热度 3． 润滑油的冷却 4． 电动机的冷却 在转子上安装一个叶轮，或者在转子上直接铸出叶片。转子转动时，在叶片的作用下，电动机可以得到较好的冷却。 5． 采取外部用风扇冷却的措施。 7.3 压缩机的噪声 7.3.1 压缩机的噪声源 国家标准对压缩机的噪声限制有明确规定。噪声大于国标规定值的压缩机，视为不合格产品。因此应对压缩机的噪声源进行分析，以便采取各种方法降低压缩机的噪声。压缩机的噪声一般来源于以下几个方面： 1． 机械性噪声。压缩机的机械性噪声主要是由不平衡的往复惯性力和旋转惯性力造成的，它使排气管加大振动而产生噪声，它还使曲柄连杆机构的摩擦声和冲击声加大。当曲柄连杆机构的间隙过大时，这种噪声会更显著。压缩机的零件表面粗糙度差，尺寸精度和形位公差不好时，噪声也会更显著。此外，阀片开启和关闭时产生的冲击声，气阀的自激振动也产生噪声。 2． 气流噪声。气流噪声是指气流通过各零件产生的噪声。如通过吸气管、消声器、阀、气缸、排气管以及钉子与转子之间的气流产生的噪声。由于气流存在着压力脉动，所以它可能加大这些部位的振动，特别是排气管的振动。 3． 压缩机零部件的共振声。零部件的共振声主要发生在壳体、排气管、消声器之间。 4. 润滑油的喷射声和油泡声。 5． 壳体内高压气体的泄露声。 6． 电动机发出的电磁声。 7.3.2 降低噪声的方法 1． 防止压缩机壳体共振及减少透过声 （1）增加壳体板材的厚度； （2）机壳形状的改进，如采取椭圆形或球形机壳； （3）吸、排气管与机壳连接的部位刚性要好； （4）避免排气管与机壳共振。 2． 防止排气管共振 （1）改变管长、管径和管子的形状； （2）在管上套一个细弹簧，减少管的振动； （3）不要使管子的低频共振频率接近电源频率。 3． 防止零件共振 （1）减少曲柄连杆机构的不平衡力； （2）不使振源的振动频率与零件的共振频率接近或相同，可通过改变材质、形状的方法获得。 （3）改变各运动零件的配合间隙，提高零件的加工精度。 4． 采用消声效果明显的消声器。 8．活塞式空气压缩机的保养与维修 往复活塞式压缩机是广泛用于压缩气体、输送气体的机器,在矿山,冶金,机械制造,石油化学工艺流程,都离不开活塞式压缩机。压缩机性能及运转情况的好坏,直接影响着工厂的生产和经济效果。若使用与维修不善,或采取对防患不利的危险操作,不但会降低压缩机的使用寿命,最终还将引起事故,使工厂生产蒙受巨大的损失。因此对压缩机的使用保养和维修是否合理和完善,是确保压缩机正常运转的重要措施。 为保证压缩机处于良好的运转状态，延长机器的使用寿命，必须进行维护保养 ，通过维护与保养，能全面掌握机器的状况，可以及时发现问题，排除故障，改善机器的工作条件。即使出现故障，也便于判断和采取措施。 8.1压缩机使用的注意事项 （1）为使压缩机能正常、连续运转, 延长其使用寿命, 应实行定期维护检修制度。压缩机故障的出现, 会给使用单位一部或全部生产带来很大影响, 因此对压缩机的日常检修工作是不可少的, 切不可忽视之。 （2）压缩机要求耐磨、耐热、耐腐蚀、韧性强的易损件比较多, 有些使用单位以自己的材料仿制出来满足急需, 多数不能耐久, 也成为事故的原因。例如气缸垫片过厚时, 使气缸的余隙容积增大, 造成排气量不足，过薄时又可能成为撞击气缸盖的原因。气阀材质不好,破损时破片掉入气缸内, 可成为活塞与气缸烧研和划伤气缸镜面的主要因素。所以最好使用制造厂的零部件, 应适当储备制造厂所推荐的备品、备件, 使用以后要及时补充, 因此用户保管一批备品、备件是十分必要的。 （3）压缩机出现某种异常现象时, 看起来似乎仍在运行着, 但多数情况, 已经有了事故的预兆, 能早期发现异常的前兆是防止事故发生的重要素。要想早期发现异常, 就需掌握平时正常运转的情况。每当日常检查、定期检修时都应详细记录, 这种资料除对检查故障不可缺少以外, 有助于日常检修及早期发现异常现象。 （4）驱动用原动机检修不好, 往往也是引起事故的因素, 特别是交流电动机, 多在环境低劣的环境运转, 安全保护不当处使用, 应很好的擦拭和检修。 8.2 压缩机的定期检修 1．日常检修 压缩机在正常运转时, 即使是不需要监控的压缩机, 每天至少要做一、二次检查。如前所述, 这是早期发现异常现象的重要工作之一。此外, 应根据需要还应做定期巡回检查。 2．定期检修及大修 压缩机定期检修, 是为使压缩机能正常运转, 延长其使用寿命。压缩机的检维工作应是按计划、有步骤地进行。一般按检修的要求和工作量的不同, 可分为小修、中修、大修三种情况。 ① 小修：不定期, 主要是检查性的维修。例如, 排除运行中发现的不正常现象及小事故。（阀片的破裂, 弹簧折断, 紧固件松动等等） 。 ② 中修： 一般运转30006000小时后进行一次。主要是检修易损的零件 ﹙如吸、排气阀、填料、活塞环等﹚ , 并校验压力表, 安全阀及其它阀门的密封性。 ③大修： 一般运转1200026000小时后进行一次。主要是全面拆卸, 检查所有零部件, 并对照原来记录的数据, 重新找中、找平, 彻底清洗积垢的零件 如气缸水套, 冷却器等! , 冷却器还需做强度及气密性检查, 并作防腐处理, 对压缩机基础还要进行沉降观测, 并检查有无裂纹等不正常现象。 3． 润滑油的合理使用 适当选择压缩机油, 是合理使用好压缩机油的前提。润滑油的选择, 主要根据压缩机的类型、操作条件、压缩介质、气体的纯度来决定。 (1) 压缩机油的选择 活塞式压缩机根据工作条件而选用不同的润滑油, 对气缸及填料进行润滑。由于气缸中的温度较高, 在有些情况下是不能采用矿物油的, 所以对油的性能必须有一定的要求。 对压缩机气缸的润滑油来说, 应考虑以下几个方面的情况： ① 应使压缩机润滑油在高温情况下具有足够的粘度, 以便保持一定的油膜强度, 对各密封间隙才能保持一定的密封能力。 ②要有良好的化学稳定性。对于压缩机在高温下能与润滑油起激烈反应的气体尤为重要, 否则将易出现积炭, 不仅容易破坏润滑油性能, 而且还可能引起爆炸事故。 ③ 润滑油应具有一定的闪点, 通常要求比排出温度高20 50℃ 即可, 过分要求高闪点的油是没有意义的。 ④ 气缸用润滑油, 不应与水形成乳化物, 因为乳化物的出现将影响油的润滑性能。 （2）气缸、填料的耗油量调节 气缸、填料处的注入油量必须适当。如果不足将引起激烈的摩擦, 甚至将气缸表面和活塞杆表面烧伤或拉毛, 将活塞环和填料烧坏。润滑油量过多, 由于高温、高压空气中的氧将会氧化润滑油, 容易产生积炭, 导致火灾和爆炸事故。所以压缩机气缸、填料的润滑油量应严格加以控制。气缸与填料的总耗油量应为各部分耗油量之和。 （3）对于压缩机的保养, 要注意定期更换润猾油, 定期清洗滤油器。严寒季节停车时间较长, 各加工面应涂防锈油, 并做定期盘车,使各相接触部件改变位置, 以免润滑油脂干硬或发生锈蚀。 结 论 致 谢 参 考 文 献 ［1］成大先主编.机械设计手册（单行本）轴及其连接.北京：化学工业出版社，2004.1 ［2］成大先主编.机械设计手册第一卷第四版.北京：化学工业出版社，2002.1 ［3］郑文纬、吴克坚主编.机械原理(第七版).北京：高等教育出版社，1997.7 ［4］刘鸿文主编.材料力学（Ⅰ）第4版.北京：高等教育出版社