二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 械設(shè)計(jì)制造及其自動化 </p>

2、<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)

3、計(jì)的課題是二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)是輸送氣體和提高氣體壓力的一種從動的流體機(jī)械。壓縮機(jī)的用途十分廣泛，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)各個生產(chǎn)領(lǐng)域，如礦山、冶金、石油化工、機(jī)械、國防和農(nóng)業(yè)灌溉等等。過去的幾十年時間里，活塞式壓縮機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，所以對活塞式壓縮機(jī)的研究與新型壓縮機(jī)的開發(fā)顯得尤為重要和迫切。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程包括全面了解壓縮機(jī)生產(chǎn)工藝過程，依據(jù)設(shè)備的性能要求，進(jìn)行熱力學(xué)

4、性能設(shè)計(jì)，主要零部件的分析計(jì)算；進(jìn)行各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度校核，繪制設(shè)備總圖；了解生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，確定設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案等。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)的過程中主要運(yùn)用了Pro/ENGINEER 4.0軟件對壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)體的建模，完成整個設(shè)計(jì)，此外還利用了AutoCAD2004軟件進(jìn)行裝配圖及零件圖的繪制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：活塞式壓縮機(jī)；高壓直聯(lián)機(jī)；熱力學(xué)過程；電

5、機(jī)軸</p><p>　　Design of the Directly-driven Two high-Pressure Protable Air Compress Design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design is the subject of The Directly-dri

6、ven Two high-Pressure Protable Air Compressure. Compressor is fluid machinery to delive gas and improve the pressure of gas. The use of a wide range of compressor, Almost every industrial and agricultural production area

7、s in all, Such as mining, metallurgy, petrochemical, machinery, defense and agricultural irrigation and so on. Piston compressor in all areas in the national economy has been more widely used. Therefore, research on the

8、piston compres</p><p>　　Comprehensive understanding of the design process, including production process of the compressor, Based on performance requirements, the main components of the analysis and calculati

9、on, The structural design of each component, The total figure drawing equipment; Analysis of the production process characteristics; Overall design of programs to determine equipment and so on.</p><p>　　In t

10、he process of designing the main use of Pro / ENGINEER 4.0 software modeling entity compressor, In addition, use of software AutoCAD2004 assembly drawing and part map.</p><p>　　Keywords: Piston compressor；Th

11、e direct-drive high pressure handy air compressor； Thermodynamic process；Component design</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</

12、p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1選題的背景和意義1</p><p>　　1.2壓縮機(jī)的組成、分類及特點(diǎn)1</p><p>　　1.2.1壓縮機(jī)的組成1</p><p>　　1.2.2壓縮機(jī)的特點(diǎn)1</p><p>　　1.3活塞式

13、壓縮機(jī)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容2</p><p>　　2 二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1.1級數(shù)的選擇3</p><p>　　2.1.2結(jié)構(gòu)型式的選擇4</

14、p><p><b>　　2.2方案評價(jià)5</b></p><p>　　2.3二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的總體設(shè)計(jì)5</p><p>　　3 二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的熱力學(xué)性能設(shè)計(jì)計(jì)算7</p><p>　　3.1排氣壓力與排氣量的確定8</p><p>　　3.2高低壓缸的行程和氣缸直徑設(shè)計(jì)

15、9</p><p>　　3.3排氣溫度11</p><p>　　3.4功率和效率11</p><p>　　4 二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的零部件設(shè)計(jì)與校核13</p><p>　　4.1氣缸部分主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算13</p><p>　　4.1.1氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算13 </p><p>

16、　　4.1.2活塞組件設(shè)計(jì)計(jì)算15 </p><p>　　4.2機(jī)座部分主要零部件設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.2.1電機(jī)軸的設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.2.2 連桿設(shè)計(jì)19</p><p><b>　　結(jié)論與展望21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

17、22</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　附錄25</b></p><p>　　附錄圖1 電機(jī)錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄圖2 低壓缸25</p><p>　　附錄圖3 低壓缸活塞25<

18、/p><p>　　附錄圖4 低壓缸進(jìn)出氣閥25</p><p>　　附錄圖5 低壓缸缸體25</p><p>　　附錄圖6 低壓缸偏心輪25</p><p>　　附錄圖7 低壓缸曲柄連桿25</p><p>　　附錄圖8 墊圈125</p><p>　　附錄圖9 墊圈225</p&

19、gt;<p>　　附錄圖10 硬鋁環(huán)25</p><p>　　附錄圖11 高壓缸活塞25</p><p>　　附錄圖12 高壓缸缸體25</p><p>　　附錄圖13 高壓缸偏心輪25</p><p>　　附錄圖14 高壓缸曲柄連桿25</p><p>　　附錄圖15 電機(jī)軸25</p

20、><p>　　附錄圖16 鋁環(huán)25</p><p>　　附錄圖17 小塑料件25</p><p>　　附錄圖18 轉(zhuǎn)子25</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1選題的背景和意義</p><p>　　壓縮機(jī)是輸送氣體和提高氣體壓力的一種從

21、動的流體機(jī)械，是制冷系統(tǒng)的心臟[1]。它從吸氣管中吸入低溫低壓的氣體，通過電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動活塞對氣體進(jìn)行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的氣體，從而實(shí)現(xiàn)吸氣→壓縮→排氣→膨脹這樣的一個循環(huán)過程。壓縮機(jī)的用途十分廣泛，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)各個生產(chǎn)領(lǐng)域，如礦山、冶金、石油化工、機(jī)械、國防和農(nóng)業(yè)灌溉等等[2]。</p><p>　　活塞式壓縮機(jī)自19世紀(jì)末至20世紀(jì)初問世以來，其類型和用途得到了較大的發(fā)展。特別是近幾十年來，隨著新技

22、術(shù)在壓縮機(jī)中的應(yīng)用、新機(jī)型的不斷涌現(xiàn)，活塞式壓縮機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為石油化工生產(chǎn)中必不可少的關(guān)鍵性設(shè)備[3]。所以對活塞式壓縮機(jī)的研究與新型壓縮機(jī)的開發(fā)顯得尤為重要和迫切。</p><p>　　1.2活塞式壓縮機(jī)的組成、及特點(diǎn)</p><p>　　1.2.1活塞式壓縮機(jī)的組成</p><p>　　壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)包括主機(jī)和輔機(jī)兩部份。主機(jī)由運(yùn)動

23、機(jī)構(gòu)（包括曲軸、連桿、十字頭等）、工作機(jī)構(gòu)（包括氣缸、活塞、氣閥等）及機(jī)身（包括機(jī)體、中體、機(jī)座等）等組成。輔機(jī)包括潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等。</p><p>　　1.2.2活塞式壓縮機(jī)的特點(diǎn)[4，5]：</p><p>　　（1）壓力分為最廣。活塞式壓縮機(jī)從低壓到超高壓都適用，目前工業(yè)上使用的最高工作壓力近350Mpa。</p><p><b>　

24、　（2）效率高。</b></p><p>　?。?）適應(yīng)性強(qiáng)?；钊綁嚎s機(jī)的排氣量可在較廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。此外，氣體的密度對活塞式壓縮機(jī)性能的影響，并不如速度型壓縮機(jī)那樣顯著，所以同一規(guī)格的壓縮機(jī)，將其用于壓縮不同介質(zhì)時較易改造。</p><p>　　1.3活塞式壓縮機(jī)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)在我國的活塞式壓縮機(jī)行業(yè)已能自己設(shè)計(jì)和制

25、造多種類、多用途并能滿足不同排氣壓力和排氣量的產(chǎn)品，初步形成了比較完整的、有一定規(guī)模和技術(shù)水平的制造體系，生產(chǎn)的產(chǎn)品不但滿足了國內(nèi)市場需求，還遠(yuǎn)銷國外，在國際市場競爭中占有一席之地[6]。近年來生產(chǎn)的部分新產(chǎn)品在設(shè)計(jì)水平、制造精度及運(yùn)行可靠性等方面已接近世界先進(jìn)水平，但同國外著名廠家的產(chǎn)品相比，還存在一定的差距。其缺點(diǎn)和不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面[7，8]：輔機(jī)及配套儀表能力較差，生產(chǎn)周期長，成本較高，同時各制造廠家型號較不統(tǒng)一，使得配

26、件多不能通用。以及還存在機(jī)器可靠性較差，關(guān)鍵零件壽命短等缺點(diǎn)，這就降低了運(yùn)轉(zhuǎn)效率，所以還有待進(jìn)一步完善。</p><p>　　此外，現(xiàn)役活塞式壓縮機(jī)還存在對環(huán)境污染較大，工程系數(shù)適應(yīng)性差以及制造工藝水平低，加工精度較差，表面質(zhì)量差等缺點(diǎn)。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，活塞式壓縮機(jī)的制造技術(shù)也得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步，其發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><

27、;p>　　設(shè)計(jì)將上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊式。如對氣缸、活塞、填料等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)其直徑、壓力和級數(shù)采用多種系列的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[9]。壓縮機(jī)廠家可以根據(jù)客戶的要求在短時間內(nèi)用計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)，并且做到配件標(biāo)準(zhǔn)化。不但可滿足不同工藝流程的需要，而且還降低了成本，易于維修，從而提高了產(chǎn)品的使用率。此外新科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用[10，11]（計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控?cái)?shù)顯技術(shù)等），使易損件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨標(biāo)準(zhǔn)和合理化，同時采用先進(jìn)制造工藝改善了易損

28、件的加工工藝、提高加工精度，可以進(jìn)一步提高壓縮機(jī)工作的可靠性和平穩(wěn)性。以上技術(shù)的運(yùn)用提高了壓縮機(jī)工作的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)長周期安全運(yùn)行。還有在一些壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)時采用先進(jìn)的控制儀表和安全聯(lián)鎖裝置，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中控制。這樣就可以將備用機(jī)組取消，使得工程造價(jià)降低。整機(jī)的合理設(shè)計(jì)會使機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)行，噪聲和振動污染得到控制。另外得益于良好的潤滑性能的自潤滑材料的研制和開發(fā)，氣缸已能實(shí)現(xiàn)無油潤滑，這為壓縮機(jī)向無油潤滑方向發(fā)展創(chuàng)造了有利得條件。

29、</p><p>　　為了提高活塞式壓縮機(jī)的可靠性，進(jìn)一步完善閥件、密封件，采用非金屬材料，運(yùn)用技術(shù)診斷系統(tǒng)等等均具有重大意義?；钊綁嚎s機(jī)自動閥的完善前景與廣泛應(yīng)用氣體阻尼原理，利用合成材料制造關(guān)閉元件，進(jìn)一步發(fā)展直流結(jié)構(gòu)，研究更高轉(zhuǎn)速的新結(jié)構(gòu)和增加可靠性并減少余隙容積等方面有關(guān)[12]。總之，隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展及進(jìn)步，目前存在活塞式壓縮機(jī)中的一些缺點(diǎn)及問題將會很好的得到解決，使活塞式壓縮機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)和

30、可靠。</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本次壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)以熱力學(xué)性能設(shè)計(jì)和主機(jī)部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)（運(yùn)動機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)）為主，主要內(nèi)容包括所設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的說明書、壓縮機(jī)的裝配圖和各零部件圖紙的繪制等。</p><p>　　2 二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)</p><p>　　壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況的良好與否，

31、以及壓縮機(jī)的使用耐久性都與壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是否合理有關(guān)。壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速的合理選擇，不僅能使機(jī)器的重量和占用空間最大限度的減少，并且對壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和耐久性影響重大，本次設(shè)計(jì)將以此為基礎(chǔ)將對壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.1二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　高壓直聯(lián)壓縮機(jī)有低壓級部分、高壓級部分、電機(jī)以及儲罐等部分組成。此次的設(shè)計(jì)將

32、在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，做一些變化，以便更合理的設(shè)計(jì)壓縮機(jī)。</p><p>　　2.1.1級數(shù)的選擇</p><p>　　級數(shù)的選擇的原則是保證功耗最小，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于維修及質(zhì)量輕[13]。長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的大型壓縮機(jī)，應(yīng)以運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和經(jīng)濟(jì)性好為原則，此外還應(yīng)與工藝流程密切配合，一般每級壓力比不應(yīng)大于4。一般在允許范圍內(nèi)，可適當(dāng)提高壓力比。表2-1列出了當(dāng)吸氣壓力為大氣壓是，終了壓

33、力與級數(shù)z的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。 </p><p>　　表2-1 活塞式壓縮機(jī)級數(shù)與終壓間的關(guān)系 </p><p>　　終壓/105Pa 5~6 6~30 14~150 36~400 150~1000 200~1000 800~ 1500 </p><p>　　級數(shù)（z） 1 2 3

34、 4 5 6 7</p><p>　　氣體經(jīng)過一次壓縮即達(dá)到排氣壓力，稱為單級壓縮；若將氣體的壓縮過程分在若干級中進(jìn)行，并在每級壓縮之后將氣體導(dǎo)入中間冷卻器冷卻至接近初始溫度，這樣的壓縮過程稱為多級壓縮，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 多級壓縮機(jī)流程圖</p><p>　　若采用多級壓縮，具有一定的優(yōu)勢

35、：減少功耗提高壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；提高容積系數(shù)；降低排氣溫度；降低作用在活塞上的氣體力[14]。但同時采用多級壓縮會帶來一些問題，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，成本、體積和重量將大幅上升。綜合考慮本次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)所要達(dá)到的要求將級數(shù)定為二級，通過二級壓縮來達(dá)到所需的排氣壓力。</p><p>　　2.1.2結(jié)構(gòu)型式的選擇</p><p>　?。?）對動式布置形式的汽缸</p><p>

36、　　圖2.2 對動式示意圖</p><p>　　如圖2.2所示，對動式壓縮機(jī)的氣缸分布在偏心輪的兩側(cè)，倆偏心輪偏心方向錯開角度為1800，兩活塞的運(yùn)動方式為對動運(yùn)動[15，16]。氣缸的運(yùn)轉(zhuǎn)方式為同時壓縮、同時吸氣，二列活塞的往復(fù)慣性力可以相互抵消，壓縮機(jī)震動較小，但其負(fù)載力矩的波動較大，會引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，從而降低電機(jī)的效率，并增加噪音。</p><p>　?。?）對置式布置形式的汽缸

37、</p><p>　　圖2.3 對置式示意圖</p><p>　　如圖2.3所示為氣缸對置式放置，氣缸分布在偏心輪的兩側(cè)，相對列的偏心輪偏心方向錯開角度為00。兩列的活塞做同方向的運(yùn)動，這樣，當(dāng)一個氣缸壓縮或排氣時，另一個氣缸處于吸氣狀態(tài)，因此壓縮機(jī)的負(fù)載力矩波動相對較小，有利于電機(jī)的高效運(yùn)行，但是慣性力無法平衡，導(dǎo)致壓縮機(jī)振動和產(chǎn)生噪音。</p><p>　?。?

38、）角度式布置形式的汽缸</p><p>　　圖2.4 角度式示意圖</p><p>　　如圖2.4所示，角度式的兩氣缸軸線呈一定的夾角布置，當(dāng)氣缸軸線夾角為900時，為L型壓縮機(jī)。高壓缸垂直布置，低壓缸水平布置，此種放置方式使得兩個氣缸的力矩波動較小，從而降低了對電機(jī)最大輸出扭矩的要求，能夠降低噪音，提高效率。</p><p>　　從以上的三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，

39、此次設(shè)計(jì)將選擇L型作為高低壓缸的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，曲軸是壓縮機(jī)中重要的一個運(yùn)動零件，它不僅應(yīng)該有足夠的疲勞強(qiáng)度，而且還應(yīng)該有足夠的剛性及耐磨性。這就使得在設(shè)計(jì)時對曲軸的設(shè)計(jì)會花很多的時間，做很多的工作。此次設(shè)計(jì)將利用偏心輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮機(jī)的曲軸。工作時，高、低端的偏心輪都裝在電機(jī)軸上，電機(jī)驅(qū)動高、低端偏心輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，再通過偏心輪帶動連桿做往復(fù)運(yùn)動，連桿再推動活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮及傳送。</p>&

40、lt;p><b>　　2.2方案評價(jià)</b></p><p>　　方案確定了壓縮機(jī)級數(shù)為二級，采用多級壓縮的方式，并將壓力合理的分配到各級中去，充分發(fā)揮了多級壓縮的優(yōu)點(diǎn)，使得壓縮機(jī)總的理論循環(huán)功最小。同時在壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)上也做了一些改動，利用偏心輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮機(jī)的曲軸，同時省去了十字頭結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅減少了設(shè)計(jì)時的工作量，更使得壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)簡單化，節(jié)省了壓縮機(jī)的占據(jù)空間，體積和重量

41、也會大大降低。</p><p>　　2.3二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)總體設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容</p><p>　　總體設(shè)計(jì)是壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一，也是進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)?？傮w設(shè)計(jì)對壓縮機(jī)的性能、尺寸、外形、質(zhì)量及生產(chǎn)成本具有重大的影響。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：</p>

42、<p><b>　　總體布置設(shè)計(jì)；</b></p><p><b>　　確定總體主要參數(shù)；</b></p><p><b>　　繪制總體設(shè)計(jì)圖樣；</b></p><p>　　編寫總體設(shè)計(jì)報(bào)告書及技術(shù)說明書等。</p><p><b>　?。?）總體布置設(shè)計(jì)

43、</b></p><p>　　總體布置的基本要求主要有：</p><p>　　保證壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行；</p><p>　　降低噪音，提高效率；</p><p>　　提高抗振性及熱穩(wěn)定性；</p><p>　　結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間?。?lt;/p><p>　　操作、維修、調(diào)整方便；</

44、p><p><b>　　外形美觀。</b></p><p>　?。?）總體主要參數(shù)的確定</p><p>　　考慮到此次設(shè)計(jì)的高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的便攜性，再根據(jù)普通人的隨身攜帶能力可以初步將壓縮機(jī)的整體質(zhì)量定在18到20千克。在此基礎(chǔ)上，來考慮壓縮機(jī)的排氣壓力。若排氣壓力過大會導(dǎo)致壓力比過大，由此會產(chǎn)生一系列不利于壓縮機(jī)正常運(yùn)行的問題，同時儲氣罐的壁厚

45、也會增大，不利于降低壓縮機(jī)的質(zhì)量。綜合考慮以上因素，此次設(shè)計(jì)將排氣量達(dá)到在3.0Mpa時排氣量為80L/min。</p><p>　　3 二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的熱力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　活塞式壓縮機(jī)的熱力性能是指排氣壓力、排氣量、排氣溫度，以及功率和效率。熱力性能表征壓縮機(jī)的熱力特性，是壓縮機(jī)研究的一個重要方面。</p><p>　　本次壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)

46、將根據(jù)要求的排氣量、排氣壓力，以及已知的進(jìn)氣壓力、溫度、濕度，確定壓縮機(jī)的級數(shù)、各級壓力比分配、氣缸工作容積、功率和效率，同時驗(yàn)算各級的排氣溫度；并且根據(jù)選定的行程和活塞的平均速度，進(jìn)一步確定各級氣缸直徑。在壓力比分配的設(shè)計(jì)方面將按照等壓比的方法進(jìn)行，這樣各級壓比相等，在理論上循環(huán)功最小[17]。多級壓縮機(jī)把總的壓力合理的分配到各級中，以使多級壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揮。在級數(shù)的選擇上為二級，這主要是因?yàn)槎嗉墘嚎s機(jī)相對于單級壓縮機(jī)有以下的優(yōu)點(diǎn)

47、：可以減少功耗并且提高壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；提高容積系數(shù)；降低排氣溫度；降低作用在活塞上的氣體力[18]。如圖3.1所示，將氣體的壓力從P1壓縮到壓力P2，過程線3為最理想的單級等溫壓縮，單級絕熱壓縮為過程線1，當(dāng)采用多級壓縮時，過程線為線2。由圖可知按照多級壓縮會介于等溫壓縮和絕熱壓縮兩者之間。當(dāng)級數(shù)越多，過程線將變成更加密的階梯形折現(xiàn)，即更接近等溫度壓縮過程線，所以更能節(jié)省壓縮氣體的指示功。</p><p>　　圖

48、3.1多級壓縮P-V圖</p><p>　　活塞式壓縮機(jī)工作原理是通過連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)為活塞的往復(fù)運(yùn)動，在這過程中，氣體將在氣缸內(nèi)被壓縮并完成吸氣、壓縮、排氣、膨脹等四個過程，并借助氣閥的自動開啟和關(guān)閉，周期性地吸入和排出氣體，從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮和輸送。但在實(shí)際的運(yùn)行過程中，存在著各方面的因素影響，例如余隙容積、阻力、熱交換、泄漏等，使得實(shí)際循環(huán)功與理論上有一定的差異，如圖3.2所示。</p>

49、<p>　　圖3.2 實(shí)際示功圖</p><p>　　3.1排氣壓力和排氣量</p><p><b>　　（1）排氣壓力</b></p><p>　　壓縮機(jī)的排氣壓力通常是指最終排出壓縮機(jī)的氣體壓力。排氣壓力應(yīng)在壓縮機(jī)末級排氣接管處測量。在這之前排出的氣體壓力，稱為級間壓力[19]。本次設(shè)計(jì)將使壓縮機(jī)的排氣壓力達(dá)到3.0Mpa。&l

50、t;/p><p><b>　?。?）排氣量</b></p><p>　　壓縮機(jī)的排氣量，通常是指單位時間內(nèi)壓縮機(jī)最后一級排出的氣體，換算到第一級進(jìn)口狀態(tài)的壓力和溫度時的氣體容積值。</p><p>　　壓縮機(jī)在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，實(shí)際排氣量與理論的排氣量之間會有一定的差異，這種差異主要來源于以下幾個方面[20]：</p><p&g

51、t;　　1）進(jìn)氣壓力的影響。此次設(shè)計(jì)將以大氣壓為進(jìn)氣壓力，而大氣壓會受到氣溫和海拔的影響，進(jìn)氣壓力的變化進(jìn)而影響到排氣量。</p><p>　　2）進(jìn)氣溫度的影響。進(jìn)氣溫度的影響主要通過中間冷卻效果來實(shí)現(xiàn)，若在中間環(huán)節(jié)氣體沒有得到很好的冷卻，那么氣體溫度會逐漸升高，導(dǎo)致氣體密度減小，由此使同流部分的壓力損失減小，故氣量也有可能增加。</p><p>　　3）轉(zhuǎn)速的影響。由于電網(wǎng)的不穩(wěn)定或是

52、異步電動機(jī)的電壓不足時，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響了排氣量。</p><p>　　4）泄漏的影響。隨著機(jī)器的運(yùn)行時間越長，泄漏問題也會逐漸增加，這對排氣量的影響會很嚴(yán)重。</p><p>　　綜合考慮到以上因素，將根據(jù)排氣量的理論計(jì)算公式來計(jì)算排氣量。排氣量應(yīng)等于每一級吸進(jìn)的氣體扣除中途泄漏掉的氣體再乘以轉(zhuǎn)速，即</p><p>　　[20]

53、 （3-1）</p><p>　　式中 為第一級氣缸的行程容積，</p><p>　　、為第一級氣缸的壓力系數(shù)、溫度系數(shù)，</p><p>　　、為第一級氣缸的容積系數(shù)、泄漏系數(shù)，</p><p><b>　　n為轉(zhuǎn)速，</b></p><p>　　考慮到以上對排氣量的影響因素和排氣量的理論

54、計(jì)算，在本次設(shè)計(jì)中，將使壓縮機(jī)的排氣量達(dá)到80L/min。</p><p>　　3.2高、低壓缸的行程和氣缸直徑</p><p>　　壓縮機(jī)的排氣壓力為3.0Mpa,排氣量為80L/min，采用兩級壓縮，按照等壓比方法進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　?。?）計(jì)算總壓力比</b></p><p><b>　

55、　（3-2）</b></p><p><b>　?。?）壓力比分配</b></p><p><b>　　（3-3）</b></p><p><b>　?。?）計(jì)算容積系數(shù)</b></p><p>　　取 相對余隙容積 </p><p&

56、gt;<b>　　低壓缸容積系數(shù)為</b></p><p>　　=0.793 （3-4）</p><p><b>　　高壓缸容積系數(shù)為</b></p><p><b>　　=0.773</b></p><p>　?。?）計(jì)算各級行程容積與缸徑等參

57、數(shù)</p><p>　　低壓缸行程容積為： </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　取 壓力系數(shù)=0.98，溫度系數(shù)=0.97，泄漏系數(shù)=0.9731。</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　高壓缸行程容積為：

58、 </p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　取 壓力系數(shù)=1.00，溫度系數(shù)=0.97，泄漏系數(shù)=0.9737。</p><p><b>　　則 </b></p><p><b>　　低壓氣缸直徑為：</b></p>&l

59、t;p>　　==65.4mm，圓整 （3-7）</p><p><b>　　高壓氣缸直徑為：</b></p><p>　　==44.5mm，圓整</p><p>　　確定高低壓端活塞行程為：s1=22mm，s2=11。根據(jù)高壓直聯(lián)壓縮機(jī)中，和取值范圍為0.1~0.25，這里取值為0.1。由此可以得到低壓端連桿長度為110mm，高

60、壓端連桿長度為55mm。</p><p><b>　　3.3排氣溫度</b></p><p>　　壓縮機(jī)的排氣溫度是指每一級排出氣體得溫度，通常它在各級排氣接管處或閥室內(nèi)測得。由于壓縮機(jī)的排氣溫度過高會對壓縮機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面的影響，所以必須對壓縮機(jī)的排氣溫度加以限制。當(dāng)氣缸用油潤滑時，排氣溫度過高會使?jié)櫥驼扯冉档图皾櫥阅軔夯?；在空氣壓縮機(jī)中，因排氣溫度過高使得潤滑

61、油中的輕質(zhì)餾分容易揮發(fā)，它一方面導(dǎo)致氣體中含油量增加，另一方面，會形成積碳現(xiàn)象[21]。所以一般空氣壓縮機(jī)的排氣溫度限制在160。氣體在汽缸中受到壓縮時，氣體的溫度會升高，壓力比越大或氣缸冷卻效果越差，則排氣溫度就越高。排氣溫度的計(jì)算為：</p><p>　　（i=1,2） （3-8）</p><p>　　式中 i為1時表示低壓缸，i為2時表示高壓缸；為

62、高壓缸的排氣壓力；為低壓缸的吸氣壓力；為進(jìn)氣溫度；m為多變指數(shù)。取m1=1.35，m2=1.4。</p><p><b>　　根據(jù)上式可以求得：</b></p><p><b>　　==386.3 K</b></p><p><b>　　==391.7 K</b></p><p&g

63、t;<b>　　3.4功率和效率</b></p><p>　　單位時間內(nèi)消耗的功稱為功率。壓縮機(jī)消耗的功，一部分是直接用于壓縮氣體的，另一部分是用于克服機(jī)械摩擦的，前者稱為指示功，后者稱為摩擦功。主軸需要的總功為兩者之和，稱為軸功。</p><p>　　指示功率就是壓縮機(jī)活塞作用于氣體的功率，屬于內(nèi)部功。高壓直聯(lián)機(jī)的指示功率為第一級和第二級壓縮指示功率之和，指示功率N

64、為：</p><p>　　[22] （3-9）</p><p><b>　　第一級指示功率為：</b></p><p><b>　　＝0.55 kW</b></p><p><b>　　第二級指示功率為：</b></p><p>

65、<b>　?。?.79 kW</b></p><p><b>　　總指示功率為：</b></p><p>　　==1.34 kW （3-10）</p><p><b>　　取機(jī)械效率為：</b></p><p><b>　　則軸功率為： &l

66、t;/b></p><p>　　kW （3-11）</p><p>　　由于在實(shí)際的運(yùn)行時，還存在著各類摩擦損耗和傳動損耗，并且壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時常會因工況的變化、冷卻的惡化等引起功耗增加而造成電機(jī)負(fù)荷超過正常工作的需要，所以電機(jī)一般留有5%~15%的功率余度。取功率余度為10%，則電機(jī)的功率為1.56 kW。</p><p>　　4

67、二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的零部件設(shè)計(jì)與校核</p><p>　　活塞式壓縮機(jī)的主要零部件包括機(jī)身、工作部件和運(yùn)動部件。工作部件的作用是用來構(gòu)成容積和防止氣體泄漏，主要有氣缸、氣閥、活塞組件、填料函（活塞桿密封）等；運(yùn)動部件用于傳遞動力，包括曲軸、連桿、十字頭等。此次設(shè)計(jì)中，在傳統(tǒng)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)上做出一些變化，利用偏心輪而使得不需要設(shè)計(jì)曲軸，直接設(shè)計(jì)直軸就可以了，還省去了十字頭結(jié)構(gòu)。</p><p

68、>　　4.1 氣缸部分主要零部件設(shè)計(jì)</p><p>　　氣缸部分直接實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮，是壓縮機(jī)的重要部件之一，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。氣缸部分主要的零部件有氣缸、活塞、閥以及滑動密封元件等[23]。</p><p>　　4.1.1 氣缸的設(shè)計(jì)</p><p>　　氣缸是連接在機(jī)身上，與氣閥、活塞構(gòu)成氣體的工作容積。</p><p>　?。?）氣缸

69、的設(shè)計(jì)要達(dá)到如下的要求[24]：</p><p>　　具有足夠的強(qiáng)度和剛度，工作表面要有良好的耐磨性；</p><p>　　要有良好的冷卻條件，在有油潤滑的氣缸中，工作表面上要有良好的潤滑；</p><p>　　盡可能減少氣缸的余隙容積和氣體流動阻力；</p><p>　　結(jié)合部分的連接要牢固，密封要嚴(yán)密；</p><p&

70、gt;　　制造工藝好，拆裝方便；</p><p>　　氣缸直徑和閥座孔等尺寸應(yīng)符合系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化要求。</p><p>　?。?）氣缸的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　氣缸主要由缸體和缸蓋兩部分組成，其內(nèi)部設(shè)有工作腔、氣道水套、潤滑油接管、指示器孔等。根據(jù)氣量、壓力、冷卻方式，氣閥配置等其他參數(shù)的不同，氣閥結(jié)構(gòu)可以分為很多的型式[25]。按照冷卻方式分，有風(fēng)冷

71、和水冷兩種氣缸；按有無氣缸座分，有開式和閉式氣缸；按氣缸的壓縮方向分為單作用、雙作用氣缸。</p><p>　　根據(jù)本次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)的參數(shù)，排氣量為80L/min，排氣壓力為3.0Mpa以及其它的參數(shù)，設(shè)計(jì)的低壓缸如圖4.1所示，主要部件有： 1—低壓氣缸；2—黑色墊圈；3—進(jìn)氣閥片；4—墊圈；5—墊圈；6—排氣閥片；7—六角頭自攻鎖緊螺釘；8—低壓蓋；9—低壓缸進(jìn)出氣閥；10—十字槽盤頭螺釘；11—鋼墊片。&l

72、t;/p><p>　　圖4.2所示為高壓缸部分主要部件有：1—進(jìn)氣閥片；2—墊圈；3—高壓缸進(jìn)出氣閥；4—高壓缸蓋；5—墊圈；6—高壓缸體；7—黑色墊圈；8—六角頭不脫出螺釘</p><p>　　圖4.1 低壓缸結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖4.2 高壓缸結(jié)構(gòu)圖</p><p>　?。?）氣缸的材料選擇</p><p>　

73、　氣缸材料的選擇應(yīng)考慮到氣體性質(zhì)、壓力、溫度、加工性能以及經(jīng)濟(jì)性等，通常采用黑色金屬。考慮到本次設(shè)計(jì)時壓縮的氣體為空氣，工作壓力為3.0Mpa，將采用HT200為氣缸材料。因?yàn)殍T鐵材料具有良好的鑄造性能，耐磨性、減磨性、低的缺口敏感性的優(yōu)質(zhì)性能，且制造容易，價(jià)格便宜，在工業(yè)加工中廣范使用。</p><p>　?。?）氣缸的尺寸確定及強(qiáng)度校核</p><p>　　氣缸是一個壓力容器，必須滿足

74、強(qiáng)度要求。如果因壓力低而要求的壁厚很薄時，鑄造容易出現(xiàn)白口，所以要按工藝的要求確定壁厚。</p><p>　　低壓缸可按下列關(guān)系式確定氣缸內(nèi)壁厚S1。</p><p>　　表4-1 低壓級氣壓與氣缸內(nèi)壁厚度關(guān)系式</p><p>　　其中 D—?dú)飧字睆?，?lt;/p><p>　　根據(jù)前面一章所計(jì)算出來的低壓缸直徑以及低壓缸的出氣壓力為5.5&#

75、215;105N/m2可以計(jì)算出低壓缸內(nèi)壁的厚度：</p><p><b>　　==4.12mm</b></p><p>　　高壓缸的壁厚可按薄壁圓筒理論求得：</p><p>　　[26] （4-1）</p><p>　　式中 —最大氣體壓力；</p><p&

76、gt;　　—材料的許用拉伸應(yīng)力，普通鑄鐵=（160~180）×105N/m2，此次設(shè)計(jì)將取=160×105N/m2;</p><p>　　—考慮到鑄造模型誤差的附加壁厚，取0.5×10-3m。</p><p>　　則 </p><p>　　4.1.2 活塞組件的設(shè)計(jì)</p><p>　

77、　根據(jù)活塞的作用和它的運(yùn)動規(guī)律及受力特點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)的活塞將達(dá)到以下的要求：足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性好，密封性好，重量輕。</p><p>　　活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣缸結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且取決于是否需要承受側(cè)向力。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可以分為筒形、盤形、級差式、組合式及柱塞式等幾種形式[27]。此次設(shè)計(jì)將采用筒形和盤形兩種形式分別作為高低壓端中的活塞形式。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)的低壓缸活塞如圖4

78、.3所示，采用的是盤形活塞。盤形活塞一般用于低、中壓的雙作用氣缸中。</p><p>　　圖4.3 低壓缸活塞</p><p>　　1—偏心輪；2—曲柄連桿；3—皮碗；4—低壓缸活塞；5—軸承</p><p>　　高壓缸活塞如圖4.4所示，采用的是筒形活塞。筒形活塞用于十字頭的單作用小型壓縮機(jī)中，連桿小頭通過活塞銷與活塞連接并帶動活塞工作。筒形活塞由頂部、環(huán)部和裙部

79、三部分組成[28]。頂部直接承受氣體壓力，溫度也高，采用筋板加強(qiáng)。</p><p>　　圖4.4 高壓缸活塞</p><p>　　1—曲柄連桿；2—偏心輪；3—軸承；4—銷軸墊圈；5—高壓缸活塞；6—活塞環(huán)；7—銷軸；8—v形開環(huán)</p><p>　　4.2 機(jī)座部分主要零部件設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)座部分包括曲軸、連桿、十字頭和機(jī)身等

80、零件。但在此次設(shè)計(jì)中，對壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)上做了一些變化，將偏心輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮機(jī)的曲軸，同時也省去了十字頭機(jī)構(gòu)。以下將對電機(jī)軸、連桿和機(jī)身進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.2.1電機(jī)軸設(shè)計(jì)</p><p>　　傳統(tǒng)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時一般會采用曲軸結(jié)構(gòu)，但此種結(jié)構(gòu)存在一些缺點(diǎn)。采用曲軸結(jié)構(gòu)時壓縮機(jī)只能取臥式型式，使得壓縮機(jī)笨重，基礎(chǔ)龐大。此次設(shè)計(jì)是采用電機(jī)軸結(jié)構(gòu)，如圖4.5所示。這樣會使壓縮機(jī)的

81、結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。此外，還將保證曲軸足夠的剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上合理的設(shè)計(jì)曲軸的尺寸。</p><p><b>　　圖 4.5 電機(jī)軸</b></p><p>　　(1)電機(jī)軸強(qiáng)度校核</p><p>　　軸的受力有氣體力、慣性力、摩擦力和綜合活塞力。其中慣性力可以分解為兩個部分，一部分是活塞組件在往復(fù)運(yùn)動中產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，往復(fù)慣性力的方向始終是

82、沿著該氣缸的中心線；另一部分慣性力是由電機(jī)軸和連桿大頭部分做偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的旋轉(zhuǎn)慣性力，方向沿著曲軸的偏心方向。氣體力、往復(fù)慣性力和往復(fù)摩擦力都作用在活塞組件上，且方向都是沿著氣缸中心線方向，把它們合在一起就是綜合活塞力，如式4-2所示:</p><p>　　=++ [29] （4-2）</p><p>　　壓縮機(jī)列的切向力乘以曲柄半徑為切

83、向力矩，在二級壓縮機(jī)中，將同一瞬間的各列切向力矩相加，并加上該壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩，就是該壓縮機(jī)的阻力矩。高低壓端阻力矩公式為:</p><p>　?。╥=1,2） （4-3）</p><p><b>　　低壓端處的扭矩：</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><

84、p><b>　　高壓端處的扭矩：</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)子處的扭矩：</b></p><p>　　根據(jù)以上公式計(jì)算出來的各彎矩和扭矩值，并作出扭矩圖和彎矩圖。（如圖4.2所示）由這些內(nèi)力圖可以得知危險(xiǎn)截面為截面3-3。在截面3-3上，扭矩T和合成彎矩M分別為：</p><p><b>　　T

85、=8.6</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其他截面上的合成彎矩值如圖4.2所示。此次設(shè)計(jì)的電機(jī)軸所選用的材料為45鋼，其許用應(yīng)力為=85Mpa。根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，則：</p><p><b>　　（4-6）</b></p><p>

86、　　由計(jì)算結(jié)果可知 12.25Mpa<,所以此軸為安全軸。 </p><p>　　圖4.2 電機(jī)軸的強(qiáng)度計(jì)算圖</p><p>　　4.2.2 連桿設(shè)計(jì)</p><p>　　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(yùn)動轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運(yùn)動的機(jī)件。連桿一端與活塞銷或十字頭銷相連，稱為小頭；另一端與曲柄銷相連，稱為大頭；中間部分稱為桿身[

87、30]。</p><p>　　圖 4.6 低壓缸曲柄連桿 圖 4.7 高壓缸曲柄連桿</p><p>　　此次設(shè)計(jì)的高低壓端曲柄連桿的結(jié)構(gòu)分別如圖4.6和圖4.7所示，其中低壓端的曲柄連桿的大頭部分為整體式結(jié)構(gòu)。桿體的截面為工字形，采用這種形狀的連桿，在同樣的強(qiáng)度時，能夠擁有最小的運(yùn)動質(zhì)量。</p><p><b>　　結(jié)

88、論與展望</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)中，我利用了autoCAD和Pro/ENGINEER軟件來進(jìn)行壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，不但使我在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中更加方便快捷，讓我更加熟練運(yùn)用這兩個軟件，這在我的學(xué)習(xí)上是一個飛躍。</p><p>　　其次在設(shè)計(jì)中介紹了活塞式壓縮機(jī)的原理、組成、分類以及特點(diǎn)，接著介紹了此次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)的方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)，以及壓縮機(jī)的熱力學(xué)性能方面的設(shè)計(jì)，包括一

89、些參數(shù)的確定，如排氣壓力、排氣量、功率等，最后重點(diǎn)對二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的零部件設(shè)計(jì)與校核，包括氣缸、電機(jī)軸、連桿等。</p><p>　　在完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，本人漸漸地熟悉了壓縮機(jī)設(shè)計(jì)地一般過程和步驟。設(shè)計(jì)過程中需要大量地運(yùn)用已學(xué)過的知識，因此很好地鞏固了書本上所學(xué)到的知識，對所學(xué)知識掌握得更加牢固。通過這次二級高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，使我加深了壓縮機(jī)方面的認(rèn)識，在這個過程中培養(yǎng)了自身的獨(dú)立思考

90、問題、解決問題的能力。但由于本人在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)不足，本畢業(yè)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)中還有一些不足，存在一些問題，希望在以后積累更多的經(jīng)驗(yàn)，解決可能出現(xiàn)的問題。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)得到鐘美鵬老師的幫助和輔導(dǎo)，在這里我向鐘美鵬老師表示衷心的感謝。以后我一定更加努力學(xué)習(xí)，為將來打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><

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