活塞式空气压缩机的结构原理及故障排除毕业论文.docx

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活塞式空气压缩机的结构原理及故障排除毕业论文

活塞式空气压缩机的

结构原理及故障排除毕业论文

摘要

此设计的对象是目前使用较普遍的立式型活塞式空气压缩机。

现代企业中，使用压缩机的机器愈来愈多，例如:

石油、冶金、轻工、纺织、及采矿等，许多工业中无不广泛使用各种各样的气体压缩机。

因此，气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用机器。

综合所学过的中小型压缩机，了解其基本结构及工作原理，重点掌握其结构设计学会所含零部件的结构设计方法及其强度校核方法，在设计过程中，要理论联系实际，最终了解设计一个机械设备的基本思路和方法。

其内容是对活塞式压缩机的用途、结构、工作原理、性能特点进行了详述，并对压缩机的曲轴组件的结构进行了简介，侧重于根据已知的压缩机的类型对立式型活塞式空气压缩机进行总体结构设计、热力计算、初定相关零部件的结构尺寸，然后借助AUTOCAD等绘图软件绘图，选定轴承等标准件，然后对活塞式空压机常见故障、事故及其原因,提出了可行的排除方法及预防措施,对空压机安全运行、提高平均无故障运行时间有指导意义，对提高其生产效率有重大意义。

关键词：

活塞式压缩机:

结构设计:

相关计算:

AUTOCAD：

Abstract

Thepistoncompressorverticalwhichiswidelyusedatpresenthasbeenstudiedinthisthesis.Themodernenterprise，usingcompressedhasmachinesismoreandmore，forexample，chemical，metallurgical，lightindustry，textile，andmining，andsoon，manyindustriesarewidelyusedinallkindsofgascompressors。

Therefore，gascompressorisamodernindustrialproductioningeneralmachinery。

Combinedwiththebasicstructureandhowitworks，focusitsstructuredesign，learnthepartsofthestructuredesignanditsstrengthverificationmethod，inthedesignabasicideaofmechanicalequipmentandmethods。

Thecompressor’suse,structure,workprincipleandfunctioncharacteristicsofthecompressorhasbeenexpatiated,Theentiredesignprocessconsistsoftheoverallstructuraldesign,thermodynamiccalculation,laysdowntherelevantpartsofthestructureofthedimension,andthenwiththeAUTOCADdrawing,

Thispaperanalyzesthecommonpiston-typeaircompressorfailure,accidentsandthereasonsputforwardtoexcludepossiblemethodsandpreventivemeasures,safeoperationofaircompressor,raisingtheaverageuptimeofguidingsignificancetoimprovingtheefficiencyoftheirproductionaresignificance.

Keywords：

pistoncompressor:

structuralDesign:

correlationcalculation:

AutoCAD:

目录

第1章绪论5

1.1概述5

1.2压缩机的工作原理和结构简介6

1.2.1工作原理6

1.2.2结构简介7

1.3压缩机在国内外的发展前景8

1.4压缩机的用途9

1.5压缩机曲柄连杆结构简介9

1.5.1概述9

1.5.2曲轴结构10

第2章总体设计11

2.1设计原则及设计要求11

2.2结构方案的选择11

第3章热力计算13

3.1概述13

3.2气缸容积和行程的确定14

3.2.1设计原始数据14

3.2.2压缩机转数和行程的确定14

3.2.3容积计算15

第4章气缸部分的设计16

4.1气缸16

4.1.1设计气缸的要点16

4.2气阀17

4.2.1气阀材料和主要技术要求17

第5章压缩机常见的一些故障与排除17

5.1润滑系统故障17

5.2冷却系统故障19

5.3压力异常19

5.4过热20

5.5排气故障21

5.6主要零部件损坏22

结论26

致谢26

参考文献27

绪论

1.1概述

随着国民经济的发展，压缩机的应用也越在采矿来越广。

压缩机、冶金、石油化工生产、机械及建筑等部门得到广泛应用，由于石油化工工业的蓬勃发展，各种烃类气体的压缩机也日趋增多，压缩机在石油化工业中的地位就显得尤为重要，用来给气体增压与输送气体的机械称为压缩机。

各种型号的压缩机，按工作原理可分为两大类：

速度式和容积式。

速度式压缩机靠气体在高速旋转叶轮作用下，得到巨大的能量，随后在扩压器中急速降速，使气体的动能转变成势能（压力能）。

容积式压缩机靠在气缸内往复运动或旋转运动的活塞，使容积缩小，从而提高气体压力。

压缩机按结构类型的不同，可分类为：

轴流式、速度式、离心式、混流式、滑片式、回转式、螺杆式、转子式、容积式模式、往复式活塞式。

活塞式压缩机与其它类型的压缩机相比有许多优点：

（1）适用压力范围广。

这种机器依靠工作容积变化的原理工作，因而不论其流量大小，都能达到很高的工作压力；

（2）热力效率高；

（3）对介质及排气量的适应性强，特别是可用于小排气量情况。

活塞式压缩机的主要缺点是：

外形尺寸和重量大，需要较大的基础，气流有脉冲性，且易损件较多。

活塞式基本结构大致可以分为三个部分：

基本部分：

包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头等部件。

其作用是传递动力，连接基础与气缸部分。

气缸部分：

包括气缸、气阀、活塞、填料以及安装在气缸上的排气量调节装置等部件。

其作用是形成压缩容积和防止气体泄漏。

辅助部分：

包括冷却器、缓冲器液气分离器、滤清器、安全阀、油泵、注油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机正常工作所必须的。

　　　随着工业的发展，活塞式压缩机的气体种类也越来越多，重要应用于采矿冶金石油化工机械建筑及船舶等部门。

1.2压缩机的工作原理和结构简介

1.2.1工作原理

本机为往复活塞式压缩机，依靠气缸内往复运动的活塞压缩气体容积而提高其压力。

当驱动机（电机）开启后，通过弹性联轴器带动压缩机的曲轴作旋转运动，不断旋转的曲轴使连杆不停的摆动，从而牵动十字头、活塞杆、活塞分别在十字头滑道内和气缸内作往复直线运动。

压缩机工作时，在活塞从内止点到外止点运动的过程中，气缸容积处于相对真空状态，缸外一级进气缓冲罐中的气体即通过吸气阀进入一级气缸内，当活塞行至外止点时，气缸内充满了低压气体。

当活塞由外止点向内止点运动时，吸气阀自动关闭，气缸内的气体被逐渐压缩而使压力不断提高，当气体压力大于排气阀外压力和气阀弹簧力时，排气阀打开，排出压缩气体，活塞运动到内止点时排气终了，准备重新吸气。

至此，完成一个膨胀、吸气、压缩、排气、再吸气的工作循环。

从一级气缸排出的气体，进入中间冷却器后，再经仪表控制管路组件二级气缸，进行第二次压缩至需要压力，经过二级排气缓冲罐排出压缩机。

因此，周而复始，活塞不断的往复运动，吸入气缸的气体亦不断地被吸入排出，从而不断地获得脉动压缩气体。

压缩机的工作原理图如下：

图1-1空气压缩机的工作原理

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

1.2.2结构简介

（1）气缸组件：

各级气缸中都有三层壁并行成三层空腔，最里层的薄壁筒为气缸套，紧贴在内壁上，内壁与其外面一层形成空腔通冷却水，称为冷却水套；冷却水套包在整个缸体、缸头、填料涵腔和气阀空腔周围，以期全面冷却气缸里的各部件；外层是气体通道，它被分成两部分：

吸入通道和排出通道，分别与吸入和排出阀相通，缸体靠近曲轴侧，由于穿过活塞杆，为防止气体泄漏，设有填料函腔，整体为铸铁结构。

这种结构的特点是气缸靠轴侧的座盖与缸体铸成一体，简化了座盖结构，减少了密封面，填料涵和气缸中心线的同心度很容易保证，气缸座盖上有止口与压缩机中相配合，以保证气缸和十字头滑道的同心度，但这种结构较复杂，铸造工艺有一定难度。

（2）活塞组件：

一级活塞为盘形中空组合活塞，整个活塞分成两部分；二级活塞为盘形中空整体活塞。

均为铝合金铸造，表面用阳极氧化处理，可以防腐蚀，一级活塞有一道支撑环，四道活塞环，装配时应将活塞环的开口相互错开，可以减少泄漏。

各级活塞环均为四氟乙烯，气缸由注油器实现有油润滑。

活塞杆有良好的耐磨性，活塞杆与十字头用螺栓连接，旋入或旋出螺纹即可调节气缸和活塞的间隙。

（3）吸气阀和排气阀部件：

各级吸气阀均为环形阀，由阀座、阀盖、阀片、弹簧等零件组成。

阀片由不锈钢组成，其它零件都经镀镉处理，因而气阀的耐磨性良好。

气阀中均匀分布的

弹簧将阀片压紧在阀座上，工作时，阀片在两边压差和弹簧力的作用下打开或关闭，由于气阀阀片自动而频繁的开启，因而要求弹簧力均匀，安装时应对弹簧仔细挑选，力求弹簧高度一致。

另外，在阀座、阀盖的密封面上，严禁划伤或粘上固体颗粒杂质。

（4）填料部件：

本机填料部件由节流套、密封环、闭锁环等组成，节流套内的节密封环槽用于节流降压，减轻密封环的负荷。

闭锁环、密封环靠外圈弹簧和气体力紧箍在活塞杆上起到密封作用，若内表面磨损，密封元件将自行补充，因而不致密封实效。

（5）中间接筒部件：

中间接筒、刮油环座、油封圈等组成中间接筒部件。

中间接筒分别与气缸和机身相连，其上有两个窗孔，供装卸刮油座及填料等用，并开有三个接管口，一个接填料密封润滑管路，另两路接排污管路。

（2）传动机构与联轴器同步电机相连，曲轴轴径两端各装有一个滚动L型机身内装有曲轴轴承，曲轴上装有两块平衡块，以平衡回转部分不平衡质量和运动部件的部分惯性力，同一曲轴柄销上装有两根连杆，同时带动水平列和竖直列的往复部件。

连杆为球墨铸铁铸造，与曲柄销连接的大部分都装有轴瓦，轴瓦与轴颈的间隙可用垫片进行调节，大小头轴瓦之间沿连杆轴向钻有油孔，连杆与活塞杆之间的空隙，十字头销及十字头体上钻有油孔，使由连杆进来的润滑油能进入十字头。

图1-2压缩机结构简图

1.3压缩机在国内外的发展前景

　　1.压缩机的范围很广，有时也称为通用机械。

自20世纪70年代石油化工大发展之后，形成与之配套的压缩机，如大化肥压缩机乙烯工业“三机”等。

　　总体看来，目前国内外压缩机产品的供需情况是：

一般的动力活塞式压缩机和微型压缩机的产品的生产能力大于市场的需求，微型压缩机的快速发展主要依赖于出口为主的生产模式，工业用压缩机虽然有了较快的发展，但技术水平和技术能力，特别是在产品的稳定性、可靠性方面与国际先进水平还有一定的差距。

　　“十一?

五”期间石油化工、化学工业、轻纺工业、冶金及采矿工业等各大领域内成套设备的加大国产化为我国压缩机行业的发展提供了巨大的商机，同时也为压缩机行业加快提升压缩机品质、赶超世界水准提供了前所未有的机遇。

　　2.活塞式气体压缩机，为新设计的全无油气体压缩机，传动原理为曲轴、连杆、摆杆、气阀是新设计的直流阀。

目前国内外生产的活塞式气体压缩机，传动原理是曲柄连杆传动（有油压缩机），或曲柄连杆十字滑块活塞杆传动（半无油压缩机），所用气阀均为网状阀。

新型机有以下优越性：

　　体积小，新机型的体积只有现机型的五分之三，节省能耗，新机型比现机型节能百分之二十以上。

新机为全无油机，保证排出气体的洁净，可为用户节省大量资金去购买空气净化设备。

新机型曲轴箱内无润滑油并与大气相连整个运动机械零件都在常温下工作，降温冷却效果特好，对整机的使用寿命，安全性，可靠性，都大有提高，这是现型机无法相比的。

新型机用了二比一的杠杆机构曲柄只承受一半的活塞力，对部分零件的强度要大为降低。

　　综合上述对比，新机型是一种全新换代产品。

该产品可设计出多种规格，排

气量为3至40m3,排气压力为5至12kg。

该产品在一般机械厂均可生产。

市场需求最大，如化工、食品、石化、医药、纺织等行业都要用该项领域。

1.4压缩机的用途

（1）传统的空气动力：

风动工具，凿岩机、风镐、气动扳手，气动喷砂。

（2）仪表控制及自动化装置，如加工中心的刀具更换、车辆制动，门窗启闭。

3）喷气织机中用压缩空气吹送纬纱以代替螺杆空压机。

（4）食品、制药工业，利用空压机压缩空气搅拌浆液。

（5）大型船用柴油机的起动、风洞实验、地下通道换气、金属冶炼。

（6）油井压裂。

（7）高压空气爆破采煤。

（8）武器系统，导弹发射、鱼雷发射。

（9）潜艇沉浮、沉船打捞、海底石油勘探、气垫船。

（10）轮胎充气。

（11）喷漆。

（12）吹瓶机。

　　1.5压缩机曲柄连杆结构简介

　　1.5.1概述

　　曲轴组件，包括曲轴、平衡重及两者之间的连接件等。

曲轴如下图所示由三部分组成：

主轴颈、曲柄和曲柄销。

曲柄和曲柄销构成的弯曲部分称之为曲拐。

　图1-3曲轴组成示意图

主轴颈2?

曲柄3?

曲柄销

1.5.2曲轴结构

压缩机曲轴有三种基本型式：

曲柄轴、曲拐轴（简称曲轴）和偏心轮轴。

曲轴是目前普遍采用的型式，其曲拐一般两端支承，刚性较曲柄轴好。

曲轴的支承方式有两种：

全支承是每个曲拐两侧均设有主轴承；非全支承方式是每2~3个曲拐的两侧用两个主轴承。

前者对曲轴的刚性，以及机身系列化时奇数列要求的满足有利；后者对缩短压缩机的长度有利。

曲轴的结构设计要点是曲轴定位、轴颈、过渡圆角、油孔、轴端和平衡重的设计。

其主要结构尺寸设计应使配用的轴承有承受负荷的能力，同时曲轴应有足够的强度和刚度，以承受交变弯曲与交变扭转的联合作用，保证轴颈偏转角处的应力不超过许用值。

曲轴一般用40#和45#优质碳素钢。

碳素钢在合理的热处理及表面处理后，已可满足压缩机曲轴的要求，只有极少场合应用40Cr等合金。

图1-4连杆结构示意图

图1-5曲轴结构示意图

第2章总体设计

2.1设计原则及设计要求

设计活塞式压缩机应符合以下基本原则：

满足用户提出的排气量，排气压力及有关使用条件的要求。

有足够长的使用寿命、足够高的使用可靠性。

有较高的运转经济性。

有良好的动力平衡性。

维护检修方便。

尽可能采用新结构、新材料、新技术。

制作工艺性良好。

机械的尺寸小、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，以及大体确定辅助设备的布置。

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党和适当。

其次，在总体设计时应广泛搜集国内外同类型和相近机型的资料，进行充分的分析比较，提出几个方案，通过热力计算，动力计算，初步确定主要零部件的组要尺寸，在分析研究的基础上，选择最符合的总体设计方案。

2.2结构方案的选择活塞式压缩机的结构设计方案由下列因素组成：

（1）机器的形式；

（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。

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生产的可行性，驱动方式以及占面积等条件，从选择机器型式和级数入手，是顶出合适的方案。

立式压缩机

其优点是：

主机直立，占地面积小：

活塞重量不支撑在气缸上，没有因此

产生的摩擦和磨损。

缺点是：

大型时高度达，需设置操作平台，操作不方便、管道布置困难。

多级时级间设备占地面积大，所以，立式压缩机仅用于中、小型及微型，使机器高度均处于人体高度便于操作的范围内，且中型压缩机主要用于无油润滑结构，活塞无需支承而仅需导向，此外，级数以少为宜，以避免管道布置而麻烦。

卧式压缩机

　　卧式压缩机大多都制成气缸置于机身俩侧的机构，其优缺点正好和立式压缩机反，卧式压缩机的级间设备甚至可以配置在压缩机的上方，特别是缓冲容积可紧靠气缸，故中、大型压缩机宜采用卧式结构。

角度式压缩机

　　　其优点是结构紧凑，每个曲拐上装有俩根以上的连杆，使曲轴结构简单、长度简单，并可能采用滚动轴承。

缺点是大型时高度大，所以角度式压缩机的适用范围也仅为中小型或微型。

L型可认为是V型45度，通常优点是管道布置及设备安装方便。

　　　综合上述优缺点及任务参数要求，设计的压缩机为中小型，及压缩机参数等因素，所以选择立式压缩机。

　　　活塞式压缩机的运动机构有：

无十字头与带十字头两种。

无十字头运动机构的特点是：

结构简单、紧凑，机器高度较低相应

机器重量较轻，一般不需专门的润滑机构。

但是无十字头的压缩机只能做成单作用的，所以，气缸容积利用不充分，气体泄漏也较大，气缸工作表面所受的侧向力也较大，因而活塞易磨损，另外，气缸中的润滑油量也难于控制。

　　　无十字头的压缩机一般只适于做成立式、V型、W型和扇形的结构。

当压缩机的功率大于120～150KW时，无十字头的压缩机的重量要超过有十字的压缩机，而且结构也较复杂。

因此无十字头压缩机只能在小功率范围内采用。

在小型移动装置中用的压缩机，要求轻便紧凑以便搬运，多选用无十字头的运动机构。

带十字头的运动机构的特点是：

由于带有十字头，气缸工作表面不

受连杆传来的侧压力，所以，气缸与活塞间的摩擦和磨损较小，充分利用了气缸容积，润滑油易于控制，可以设置填料密封，所以，气体的泄漏量小，特别是对于易燃、易爆、有毒的气体，只能采用此种结构。

当然，带十字头的压缩机增多了十字头、活塞杆及填料等部件，使机器的结构复杂，高度和重量也相应增加。

　一般排气量在10～100m3/min、功率在55～630KW之间的都是带十字头结。

化工、石油等部门工艺流程中使用的压缩机都带有十字头。

带十字头的压缩机差不多都是设计成水冷式的。

第3章热力计算

3.1概述压缩机的热力计算，是根据气体的压力、容积和温度之间的存在一定的关系，结合压缩机的具体特点和使用要求而进行的，其目的是要求最有利的热力学参

　和适宜的主要结构尺寸。

这是新设计压缩机时必须进行的计算。

　计算步骤大致如下：

把标准状态下的气量换算成进气状态下的气量：

ＱＱNm3/min

式中Po?

标准状态下Po1.013X105N/m2TO?

标准状态下TO273K

计算总压力比并选择级数

　　　　总压力比ε

确定各级压力比分配

一般可根据总压力比及级数等压力比分配

计算各级容积系数压力系数温度系数泄漏系数析水系数等。

计算各级气缸每分钟工作容积VKJQm3/min

　式中PJ?

任一级的进气压力。

　T1?

任一级的进气温度。

　3.2气缸容积和行程的确定

3.2.1设计原始数据

排气量60m3/h;进气压力0.1MPa;排气压力3.0MPa

进气温度20℃；进气相对湿度0.8，压缩机转速750r/min

3.2.2压缩机转数和行程的确定

　　　　转数、行程和活塞的平均速度的关系式如下：

Cm（3一1）

　　　　式中Cm一活塞平均速度（m/s）

　　　　　　　n一压缩机转数r/mins一活塞行程（m）

活塞式压缩机设计中，在一定的参数和使用的条件下，首先应考虑适宜的活塞平均速度，因为：

（1）活塞平均速度的高低，对运动机件中的摩擦和磨损有直接的影响。

对气缸内的工作过程也有影响。

（2）活塞速度过高，气阀在气缸上难以得到足够的安装面积，所以气阀、管道中的阻力损失很大，功率的消耗和排气温度将会过高。

严重影响压缩机工作的经济性和可靠性。

一般说来，对工艺流程中使用的大、中型压缩机，活塞速度可取4～5m/s;对于大批量生产的动力用固定式空气压缩机，为获得较高的效率3～4m/s；移动式压缩机为尽量减小机器重量和尺寸，所以取4～5m/s;微型和小型压缩机，为使结构紧凑，而只能采用较小的行程，虽然转数较高，但活塞平均速度较低，只有2m/s左右。

在一定的速度下，活塞行程的选取，与下列因素有关：

排气量的大小，排气量大者行程应取得长些，反之则短些。

机器的结构形式，考虑到压缩机的维护和使用条件，对于立式、V型、W型、扇型等结构，活塞机行程不易取太长。

气缸的结构，主要考虑一级缸径与行程要保持一定的比例，如果行程太小，则进排气接管在气缸上的布置将困难。

在常压进气时，一般当转数低于500r/min时，S/D0.4～0.7（D为一级气缸直径），转数高于500r/min时S/D0.32～0.45。

现代活塞式压缩机的行程和活塞力之间的关系，按统计与分析，有下列关系：

SA√P110mm式中P一活塞力（t）A一系数，其值在0.065～0.095之间，较小值相应于短行程的机器，较大值相应于长行程的机器。

　　　应该注意到只有当转数与行程最终确定后，才能由式（3一1）得出压缩机实际的活塞的平均速度。

3.2.3容积计算1计算总压力比ε30

（2）选择级数

　　　　　　　　　　　　z2（3）压力比分配ε1ε25.48

（4）计算容积系数

　　　取相对余隙α10.15α20.17

　　　膨胀过程系数m11.20m21.255确定压力系数取λp10.98λp21.006确定温度系数

　　　　　　　　　　　　取λT10.97λT20.97

（7）计算泄漏系数

表3-1泄漏系数表

　　（8）计算气缸行程容积VH10.10578m3VH2

0.01714m3第4章气缸部分的设计

　　4.1气缸

　　4.1.1设计气缸的要点

（1）应具有足够的刚度和强度，工作表面具有良好的耐磨性。

（2）要有良好的冷却性，在有油润滑气缸中，工作表面应有良好的润滑状态。

（3）尽可能减小气缸内的余隙容积和工作阻力。

（4）结合部分的密封和连接要可靠。

（5）要有良好的制造工艺性和拆装方便。

（6）气缸直径和阀座安装孔等尺寸应符合要求。

4.2气阀

4.2.1气阀材料和主要技术要求

（1）阀片材料

为了保证阀片具有足够的强度和较长的使用寿命，阀片材料应具有强度高、韧性好、耐磨、耐腐蚀等性能。

对于空气等没有腐蚀性介质的压缩机。

其阀片材料经常使用30rMnSiA。

（2）阀座和升程限制器的材料

根据气阀俩侧压差选取，查表得，阀座材料为稀土球墨铸铁。

对于升程限制器的材料，一般与阀座材料相同。

（3）气阀弹簧材料

气阀弹簧材料为合金弹簧钢丝。

压缩机常见的一些故障与排除

5.1润滑系统故障

一、油压突然降低

1、油池油量不足?

?

加油2、油压表失灵?

?

更换3、管路堵塞?

?

清洗4、油泵机械故障?

?

检修

二、油压逐渐降低

1、压油管漏油?

?

检修2、过滤器堵塞?

?

清洗3、连杆、油泵等机械磨损?

?

检修，更换4、油液性能不符?

?

更换

三、润滑油