vw320空气压缩机的设计解析.docx

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vw320空气压缩机的设计解析

vw-3/20空气压缩机的设计

[摘要]：

压缩机的用途非常广泛，在石油、化工生产中，已成为必不可少的关键设备。

活塞式压缩机属于容积式压缩机的一种，它的作用是提高气体压力或输送气体。

本设计的内容包括了两部分：

一部分是通过热力学计算，设计出气缸的行程容积、排气温度、功率和效率以及确定出压缩机的其它主要尺寸；另外一部分是通过动力计算和分析，计算了曲柄连杆机构的受力情况，主要零部件的尺寸、强度校核以及力矩平衡。

在整个的设计过程中，设计内容是以设计标准为依据的，符合要求。

[关键词]：

压缩机热力计算动力计算

Thedesignofvw-3/20 aircompressor

Zhao Fei

（ShaanxiradioandTelevision University Open Education 12autumnappliedchemical specialty ofWeinan TVUniversity）

[Abstract]:

 compressor iswidelyused inpetroleum, chemicalindustry, inproduction, hasbecome thenecessarykeyequipment. Apistontypecompressor belongtothecompressor, itsroleisto increasethegaspressure orgastransportation. Thedesignincludes twoparts:

 onepartisdesigned bythermodynamiccalculation, strokevolume, cylinderexhausttemperature, powerandefficiency andtodeterminethe other maindimensionsof compressor; theotherpart is the dynamiccalculationandanalysis, theforce ofthecrankconnectingrodmechanism iscalculated,thesizeofthemaincomponents, strength checkand balanceofmoment.Throughoutthedesignprocess, thedesigncontent isthedesignstandardasthebasis, tomeettherequirements.

[keyword]:

 compressor thermodynamiccalculationdynamiccalculation

1、绪论

压缩机是一种用于压缩气体借以提高气体压力的机械。

也称为“压气机”或“气泵”。

一般提升压力小于0.2MPa时称为鼓风机，提升压力小于0.02MPa时称为通风机。

属于将原动机的动力能转变为气体压力能的工作机。

它的种类多、用途广，有“通用机械”之称。

1.1压缩机的用途

压缩机的应用广泛，几乎遍及农业,工业，国防甚至生活的各个领域。

按气体被压缩的的，大致可分为以下几类：

（1）压缩空气作为传递力能的介质空气取之不尽用之不竭，而用压缩空气作为传递力能的介质又具有安全的优点，所以用压缩机来驱动各种工具及机械越来越普遍。

（2）使气体液化、气体压缩冷却膨胀液化。

（3）压缩气体有利于合成化学工业中常将合成的气体原料压缩至高压，利于合成反应。

1.2压缩机的分类

1.2.1按工作原理分类

按工作原理，压缩机压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。

容积式压缩机直接对一对可变容积工作腔中的气体进行压缩，使该部分气体的容积缩小、压力提高，其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔。

容积式压缩机工作的理论基础是反映气体基本状态参数P、V、T关系的气体状态方程。

动力式压缩机首先使气体流动速度提高，即增加分子的动能，然后使气体速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减少，其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。

动力式压缩机的工作理论基础是反映流体静压与动能守恒关系的伯努利方程。

1.2.2按排气压力分类

按排气压力分类时，压缩机的进气压力为大气压或小于0.2MPa。

对于进气压力高于0.2MPa的压缩机，称为“增压压缩机”，化工厂中常用的循环压缩机（循环泵）即为增压机的一种。

1.2.3按压缩级数分类

在容积式压缩机中，经过一次工作腔压缩后，气体便进入冷却器中进行一次冷却，这称为一级。

而在动力式压缩机中，往往经过两次或两次以上的叶轮压缩后，才进入冷却器进行冷却。

单级压缩机——气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩；

两级压缩机——气体顺次通过两次工作腔或叶轮压缩；

多级压缩机——气体顺次通过多次工作腔或叶轮压缩，相应通过几次便是几级压缩。

1.3往复活塞式压缩机工作原理及结构特点

1.3.1结构及工作原理

活塞式压缩机主要由三大部分组成运动机构曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等、工作机构气缸、活塞、气阀等与机身。

三个辅助系统即润滑系统、冷却系统及调节系统。

运动机构是一种曲柄连杆机构把曲轴的旋转运动变为十字头的往复运动。

机身用来支承和安装整个运动机构和工作机构又兼作润滑油箱用曲轴用轴承支承在机身上机身上的两个滑道又支托着十字头两个气缸分别固定在机身的两臂上。

工作机构是实现压缩机工作原理的主要部件。

气缸呈圆筒形两端都装有若干吸气阀与排气阀活塞在气缸中间作往复运动。

将蒸发器内的低压蒸气吸入使其压力升高后排入冷凝器完成吸入压缩和输送制冷剂的作用。

往复活塞式压缩机的简单工作原理是由于活塞在气缸内的来回运动与气阀相应的开闭动作相配合使缸内来自蒸发器的低压蒸气依次实现膨胀、吸气、压缩、排气四个过不断循环升压后排入冷凝器完成吸入、压缩和输送制冷剂的作用。

1.3.2主要部件

（1）曲轴

曲轴是往复活塞式压缩机的重要运动部件外界输入的转矩要通过曲轴传给连杆、十字头从而推动活塞作往复运动。

它又承受从连杆传来的周期变化的气体力与惯性力等。

曲轴的基本结构每个曲轴由主轴颈安装柱轴承部位、曲柄销与连杆大小头相连部位、曲柄所组成。

（2）连杆

连杆式将作用在活塞上的气体力等各种力传递给曲轴又将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动的机件。

连杆包括大头、小头、杆体三部分。

（3）十字头

十字头是连接活塞环与连杆的零件它具有导向作用。

（4）气阀

气阀是往复活塞式压缩机中的重要部件也是易损坏的部件之一。

它的好坏直接影响压缩机的排气量、功率消耗及运转的可靠性。

（5）气缸

气缸是活塞式压缩机工作部件中的主要部分。

根据压缩机不同的压力、排气量、气体性质等需要应选用不同的材料与结构型式。

基本要求是应具有足够的强度与刚度应具有良好的冷却、润滑及耐磨性应尽可能地减少余隙容积和气体阻力应有利于制造和便于检修应符合系列化、通用化、标准化的“三化”要求以便于互换。

（6）活塞

活塞与气缸构成压缩工作容积是压缩机中重要的工作部件。

可分为两大类筒形活塞和盘形活塞。

筒形活塞常为单作用活塞用于小型无十字头的压缩机通过活塞销与连杆直接相连。

2、总体设计

2.1设计依据及参数

公称容积流量：

2.0m3/min

压缩介质：

空气

进气压力：

大气压

公称排气压力：

3MPa（表）

排气温度：

＜180℃

2.2总体设计原则

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）有足够长时间的使用寿命（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）有相当高的运转经济性。

（4）有很好的动力平衡性。

（5）维护检修很方便。

（6）应该尽可能采用新结构、新技术、新材料。

（7）制造工艺性良好。

（8）机器的尺寸小、重量轻。

2.2.1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。

压缩机的结构特点主要体现在两方面，气缸排列的型式和运动机构的结构。

2.2.2vw压缩机的特点

系列无油润滑压缩机氛围两V型，电动机直连驱动。

是为食品、医药、纺织、石化、电子、冶金、环保、机械等工业部门设计制造的中型压缩机，为其提供不含油的纯净空气。

系列压缩机采用止口联接，定位度高，拆装维修十分方便。

主机与电动机采用国际上流行的之联方式，同轴度高，传动效率高功率损耗小，机器运转稳，结构紧凑，体积小节省空间，外形美观漂亮。

采用国际上最先进的V型结构，对称平衡，活塞环，填料等润滑和密封元件不会产生严重的偏磨现象而造成泄漏产气量不足的情况。

2.2.3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。

本设计选择立式V型压缩机。

其优点在于：

（1）活塞工作表面不承受活塞重量，因而气缸和活塞的磨损比卧式的小且均匀，活塞环的工作条件有所改善，能延长机器的使用寿命。

（2）占地面积比较小。

（3）因为载荷使机身主要产生拉伸和压缩应力，所以机身的形状简单，重量轻。

（4）往复运动部件的惯性力垂直作用在基础上，而基础抗垂直振动的能力较强，尺寸较小。

3、气缸部分的设计

3.1气缸

气缸是活塞式压缩机中的组成压缩容积的主要部分。

根据压缩机所达到压力，排气量，压缩机的结构方案，压缩气体的种类，制造气缸的材料以及制造厂的习惯等条件，气缸的结构可以有各种各样的形式。

设计气缸的要点是：

（1）应具有足够的强度和刚度。

工作表面具有良好的耐磨性。

（2）要具有良好的冷却，在有油润滑的气缸中，工作表面应有良好的润滑状态。

（3）尽可能减少气缸内的余隙容积和气体阻力。

（4）结合部分的连接和密封要可靠。

（5）要有良好的制造工艺性和装拆方便。

（6）气缸直径和阀座安装孔等尺寸应符合“三化”要求。

3.1.1结构形式的确定

气缸因工作压力不同而选用不同强度的材料，这个设计工作压150kgf/cm2低于200kgf/cm2，本设计采用水冷空气压缩机的单层壁气缸，气缸用铸铁制造，铸铁具有良好的铸造性能，对气缸结构形状的限制较小，所以铸铁气缸的形式较多。

极差式的铸铁气缸，根据级在气缸中的布置方式和气缸的尺寸，可以制成整体式和分段的。

本设计的气缸由一二级气缸组成。

在水冷气缸中，应特别注意气阀部分的冷却，一方面要使气阀有充分的冷却，另一方面把吸气阀和排气阀用冷却水隔开，以保证气缸有较高的吸气系数。

3.2活塞

活塞可分为筒形和盘形两大类。

我国系列压缩机的活塞均采用筒形结构，它由顶部，环部和群部三部分组成。

活塞顶部组成封闭气缸的工作面。

活塞环部的外圆上开有安装活塞环的环槽，环槽的深度略大于活塞环的径向厚度，使活塞环由一定的活动余地。

活塞裙部在气缸中起导向作用并承受侧压力。

活塞材料一般为铝合金或铸铁。

灰铸铁活塞过去在制冷压缩机中应用较广，但由于铸铁活塞的质量大且导热性能差，因此，今年来系列制冷压缩机的活塞都采用铝合金活塞。

铝合金活塞的优点是质量轻，导热性能好，表面经阳极处理后具有良好的耐磨性。

但铝合金活塞比铸铁活塞的机械强度低，耐磨性差。

活塞与气缸构成了压缩容积。

活塞必须有良好的密封性，此外还有要求：

1，有足够的强度和刚度；2活塞与活塞销的连结和定位要可靠；3，重量轻，两列以上的压缩机中，应根据惯性力平衡的要求配置各列活塞的重量；4，制造工艺性好。

活塞式压缩机中采用的活塞基本结构型式有:

筒形、盘形、级差式、组合式、柱塞等。

4、基本部件的设计

4.1曲轴

4.1.1曲轴结构的选择

压缩机曲轴有两种基本型式，即曲柄轴和曲拐轴。

曲柄轴结构，连同电机轴一起，一般只有两个主轴承。

曲拐轴在制造安装方面，虽较曲柄轴为差，但是采用曲拐轴的压缩机，可以实现结构紧凑，重量轻。

4.1.2曲轴结构设计

曲轴设计基本原则：

（1）曲轴的轴颈要有适当的尺寸，使配用的轴承能有胜任的负荷能力曲轴要有足够的强度，以承受交变弯曲与交变扭转的联合作用。

曲轴的2处，要进行强度校核

（2）曲轴要有足够的刚度。

轴颈偏转角不应超过许用值，以保证轴承可靠的工作。

在采用悬挂电机结构时，电机转子中心的绕度应不超过许用值，以保证电机正常工作。

4.1.3曲轴材料

压缩机上用的较多，制造经验较成熟的，是中碳钢锻造曲轴，近年来由于铸造技术的发展，采用稀土镁球墨铸铁铸造曲轴的越来越多。

制造曲轴可以节省原材料和大量减少加工工时，并且有条件把曲轴的形状设计地更合理。

本次设计中曲轴材料选用球墨铸铁。

5、轴承

压缩机常用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承使用、维护方便，机械效率较高，结构虽然复杂，但由专业厂制造，价格也不很贵，而且通用化标准化程度很高。

滑动轴承的结构简单紧凑，制造方便、精度高、振动小、安装方便。

一般中、小型压缩机适宜采用滚动轴承；大型压缩机及多支承的压缩机普遍采用滑动轴承。

本设计是小型压缩机，采用圆锥滚子轴承。

6、联轴器

压缩机与驱动机的连接，一般分为：

（1）压缩机与驱动机为同一轴的直连；

（2）压缩机与原动机两轴间有速比的皮带传动；（3）压缩机与原动机两轴间没有速比的联轴器连接。

对于中、小型压缩机与电动机的连接，多采用弹性与半弹性的联轴器。

常用的弹性圈柱销联轴器及弹性联轴器，后一种联轴器适用于高速、起动频繁的情况下，安装时允许在径向上与转角上有稍许偏移。

弹性圈柱销联轴器通常以不装圈的一半为主动轴。

我国已有弹性圈柱销联轴器标准。

它的缺点是加工要求较高，寿命较低，弹性圈常易损坏。

为了提高寿命，我国维修工人在实践中创造了木销联轴器。

经过几年来的使用，可代替弹性圈柱销联轴器，且结构简单，寿命长，轴向允许有较大的窜动。

7、填料

填料是阻止气缸内气体自活塞杆与气缸之间泄漏的组件。

堆填料的要求是密封性能好并耐用。

它是易损件，故设计中尽量采用标准化或通用化的元件，以便于生产管理，提高生产效率，降低成本。

8、气路系统

8.1空气滤清器

空气进入压缩机前，必须经过滤清器过滤。

虽然排气量为12m3/min以下的空气压缩机，都采用纸制过滤器，但为了提高过滤器的吸气能力，采用金属丝网滤清器或金属屑滤清器。

8.2液气分离器、缓冲器和储气罐

为了减少或消除压缩机中的油、水及其他冷凝液，必须采用液气分离器。

液体分离器的作用是根据液体和气体的重度差别，利用气流方向和速度改变时的惯性作用，使液体和气体分离。

液气分离器配置在压缩机各级中间冷却器之后。

为了消除吸、排气管内气流的脉动，需要在级间配置渐渐缓冲器。

空气压缩机在末级之后配置储气罐，用来稳定空气管道的压力，储备一定量的气体，维持供需气量之间的平衡。

液体分离器、缓冲器和冷却器可分别单独设置，也可组合成一体。

组成一体的结构，可以简化级间设备和管路，便于操作和维修。

9、润滑系统

压缩机中，在零件相互滑动部位，如活塞与气缸、填料与活塞杆、主轴承、连杆大头瓦、连杆小头瓦衬套以及十字头滑道等处，要注入润滑剂进行润滑，已达到以下目的：

（1）擦功率，降低压缩机功率消耗；

（2）动部分的磨损，延长零件寿命；（3）有冷却作用，可导走摩擦热，使零部件温度不高；（4）滑剂时，尚有防止零件生锈的作用。

本次设计采用无油润滑，无油润滑压缩机是被压缩的气体不带油的压缩机，即压缩机的无油润滑一般是指被压缩的气体所接触的零部件（不包括传动部件）无油润滑压缩机的主要特点为：

（1）被压缩气体不带油污，不需脱油处理，不污染环境。

（2）能耗低。

仅以节省的润滑油为例，一台无油润滑高压循环机每年可节省润滑油3600kg。

（3）无油润滑压缩机系统取消了注油器、油分离器等设备，不但大大降低系统的阻力，有利于增加产量，而且还减少了往油器、油分离器的检修工作量和检修费用。

（4）理想的无油润滑压缩机由于密封摩擦件摩擦因数小，因而使用寿命长，减少了非生产检修时间及其费用。

因此，比有油润滑压缩机的效益高。

10、冷却系统

10.1概述

活塞式压缩机冷却系统由中间冷却器，气缸和填料的水套，润滑油冷却器，后冷却器，水管路以及其他附件组成。

活塞式空压机工作时，内部气体会迅速被压缩，气体的温度将很快升高。

为了降低排气温度，必须对空压机实行冷却。

对压缩机冷却器结构的一般要求是：

紧凑，流动阻力小，消耗材料少，工艺性好和便于清洗。

由于活塞式压缩机压力范围宽广和用途众多，所以冷却器的结构型式也各式各样。

通常可按用途、换热面几何形状、承受压力大小、冷却介质种类（水或空气）及流动方式等进行分类。

10.2冷却介质的选择

本次设计采用水冷式冷却器。

对于中、大型压缩机，排气量较大，压力高，所需传递的热负荷大，一般选用比热容大、价格低，容易获得的水作为冷却介质。

应该指出缺点：

运行一段时间后，在冷却系统内会有水垢形成，致使水流通道截面积减小，水循环的阻力增加，阻碍正常的热交换造成设备冷却不良，增加功率消耗，甚至发生事故。

因此，使用前必须对冷却水进行软化处理，并当水垢超过一定厚度时及时将其清除掉。

11、结语

毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的vw-3/20型空气往复压缩机的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升，使我认识到，想要成为一名成功的设计者，细节确定成败。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。

各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的，在设计过程中，我不间断翻阅最新的相关书籍和杂志，不断更新和完善我的设计理念。

和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，这些本是我工作后才会意识到的问题，通过这次毕业设计让我提前了解了这些知识，这是很珍贵的。

vw3/20型空气往复压缩机的设计，主要是热力计算和动力计算，对压缩机的曲轴、连杆以及活塞的尺寸设计，并对其进行校核。

根据任务书提供的介质、气量、压力等参数要求，经过计算得到压缩机的相关参数，如级数、列数、气缸尺寸、轴功率等，经过动力计算得到活塞式压缩机的受力情况，机组受力情况准确地分析，对于消除机组的振动非常重要。

活塞式压缩机热力计算、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。

在设计过程中，通过不断地选定参数，借鉴前人的经验，从而达到构件的强度和刚度要求。

参考文献

[1]PaulC.Hanlon.压缩机手册[M].郝点,北京:

中国石化出版社,2003.

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中国标准出版社,2004.

[3]活塞式压缩机编写组.活塞式压缩机设计[M].北京:

机械工业出版社,1981.

[4]朱圣东,邓建,吴家声.无油润滑压缩机[M].北京:

机械工业出版社,2001.

[5]上海东方压缩机厂有限公司.水冷系列空气压缩机[EB/OL].上海:

2009[2009-02-05]．

[6]高慎琴.化工机器[M].北京:

化学工业出版社,1992.

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[8]高路，张喜杰．空气压缩机喘振原因分析及对策[J]，化工机械，2009.

[9]蔡传文，孙振熙．氯气压缩机段间冷却器超声波防垢技术[C]，2007年中国氯碱设备与技术研讨会论文集，2007．

[10]李云，姜培正.过程流体机械[p],化学工业出版社，2010.

参考文献内容摘要

[1]PaulC.Hanlon.压缩机手册[M].郝点,北京:

中国石化出版社,2003.

本书论述了压缩机的工程基础的同时介绍了压缩机及其零部件的许多结构形式和实际应用技术，并对影响压缩机寿命的重要零部件进行了讨论和分析，是一本将压缩机理论与实践、设计与应用、制造与维护相结合的综合性实用技术手册。

[2]高路，张喜杰．空气压缩机喘振原因分析及对策[J]，化工机械，2009.

通过对空气压缩机喘振原因的分析与计算，结合其管路配置的实际情况，提出了防止喘振的改造计划。

[3]活塞式压缩机编写组.活塞式压缩机设计[M].北京:

机械工业出版社,1981.

为保证往复活塞式压缩机的运行可靠性和经济性,必须通过冷却系统对其进行良好的冷却。

针对不同类型的压缩机,对风冷式压缩机和水冷式压缩机的冷却系统的组成、特点、设计原则分别进行了阐述。

进而对压缩机冷却系统在冷却器等方面的研究和改进的进展情况作了介绍。

[4]朱圣东,邓建,吴家声.无油润滑压缩机[M].北京:

机械工业出版社,2001.

为推动无油润滑压缩机的研究、设计和制造技术的发展，指导和提高无油润滑压缩机安全使用与管理水平，本书突出了无油润滑压缩机研究成果和实用技术及实例的介绍。

本书内容包括：

概述、自润滑材料、塑料的摩擦磨损机理、活塞式压缩机的无油润滑结构与设计、无油润滑压缩机的常见故障及失效分析、活塞式无油润滑压缩机的生产运行操作与维护保养、有油润滑压缩机的技术改造与工程实例、压缩机的故障诊断技术与故障实例分析．

[5]高慎琴.化工机器[M].北京:

化学工业出版社,1992..

本书以常用的、典型的机器为主要对象，系统地介绍了流体输送机械中活塞式压缩机、离心式压缩机、轴流式压缩机和离心泵的工作原理、基本运算、基本性能、基本结构和调节原理与方法；能量回收机械中烟气轮机的工作原理、基本性能、基本结构与气动特点；固液分离机械中过滤机和离心机的工作原理、基本性能、基本结构、生产能力的计算和选型等。

2014年5月5日