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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

排气压力開=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

（町压曲汽4）序曜噪汽

ffiI往■光压■怙的承童EB良工ftit*

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：

入v、入p、入T、入l、卩0和卩8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£j二爲=8贝

容积系数：

入v=]…fr（-1）=1-0.03（-广1）=0.8975（2-1）

1+c1+0103

压力系数：

入p=1-△Ps=1X0.05=94%（2-2）

如兔0-B975

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，取入t=0.85

泄露系数：

入l=0.98

容积效率：

入=

=Xv入p入t入l=0.8975X0.94X0.85X0.98=0.7028（2-3）

气缸工作容积：

Q0.17xlOGOah

===85.17•（2-4）

确定缸径D行程S和工作容积:

FI址0胡！

（2-5）

般（-）=0.40.8,取0.7，由跺匸&S=D3得

D=—=5.38cm=53.8mm

Ct7?

（2-6）

选取实际缸径D=52mm

活塞行程S=0.7D=0.7X52=36.4mm

（2-7）

所以压缩机的实际工作容积一=一心X52

X36.4=77.26cm

2.3压缩机功率与效率计算

2.3.1绝热压缩的指示功率

=1.309X

XiXnPsXSXD2XX

fc-1

（2-8）

式中S0是吸排气过程中平均相对压力损失之和:

—十

（2-9）

参考已有资料，取.^0-

则S0=0.2115，內=988.70W

2.3.2理论绝热压缩功率

取进气温度=[_=25摄氏度，谯=273+25=298K,排气温度td=170摄氏度，

Td=273+170=443K

由w工程热力学》附录

焓值绥=446.83

压缩机进口处的比容：

「^—=0.855曲

（2-10）

输气系数入=0.7028

实际质量输气量喙尸入/V

=0.7028X3.66Xj閉"70.855=3.008Xj閉即kg/s

理论绝热压缩功率堆：

=乱恵扌=440.37w

（2-11）

7得:

进口状态下空气的焓值1=300.43二,压缩终了的

2.4功率计算

（2-12）

指示功率==440.37/988.70=0.45

摩擦功率取平均摩擦压力•=0.3=0.3xM

p二/%叭」港曲鸥曲削2

36Q0360Q

雄必③黑Uf=86.62w

（2-13）

（2-14）

（2-15）

（2-16）

（2-17）

（2-18）

（2-19）

理论容积输气量.“in「S/60=3.66xj（泸稲（/s

轴功率_=珞十黑駅=988.70+86.62=1075.32w

机械效率札尸./_=988.70/1075.32=0.919

轴效率._.=魁晶=0.45X0.919=0.414

电效率取电动机的效率3fcf=0.85,

电效率：

=謝出]=0.414X0.85=0.352

电功率一=./]=440.37/0.352=1251.1w

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。

（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。

图中X轴与气缸轴线重合，丫轴与X轴垂直。

0点为曲轴旋转中心，0A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B，曲柄的转角为a。

从图上的几何关系可以得出：

活塞位移的近似公式：

X=r（1-讥般）+-入（1-cosa）（3-1）

在空气压缩机中，入通常在1/3.5制1/6的范围内，取入=1/5

有热力计算可知：

S=36.4mm,S=2r,则r=18.2mm,l=91mm

X=18.2⑴爲掬+18.2/16（1-:

诩紛（3-2）

活塞速度的近似公式：

V=m--八-）（3-3）

rfl

344<840

W===297.25rad/s（3-4）

3030

r=18.2mm=0.0182m,贝Uv=0.0182X297.25（或厲+：

「-）（3-5）

活塞的加速度a=rw2（砌就+M；承蠢）m/_（3-6）

曲柄梢的加速度：

喙=rWm/s?

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点为朋社，集中在曲柄销中心A处的为

琨爲，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，

「=；_+】，一=二得出；-

根据已有连杆的统计结果，叫|=（0.3*：

）%¥,加烈=（0.6丸!

7）

（3-7）

活塞、活塞销等零件只做往复运动，可认为其质量集中在

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•.叫+站（3-8）

总旋转质量为沁-7=气+地毀（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

\=[+「+：

3.4.1气体力

（3-10）

取进、排气压力的损失分别为〔0.05,二=0.10

进气过程气体力：

=（1-）：

_=0.1xj胪x（1-0.05

）x-x

吆臨「201如

.F㈣宅

ft+D

在止点位置停车时,

（3-13）

排气过程的气体力：

.[=•.（1+）•_=0.8xjffx（1+0.10）x-x

耳

皿二1867.92N

3.4.2往复惯性力

（3-11）

=1334.73N

：

O.O182X297.25JXtl4j=0.83Kg

3.4.3摩擦力

0£・：

60Pf

2Sn

（3-14）

.1H,0.6X60X933.70Xf1；

J一-I==15.17N

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：

书丄二=0.7（4-1）

活塞的平均速度：

「一―=3.45m/s（4-2）

303D

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。

帥

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

、绘

径之比为0.35沖1。

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。

综上，D=52mm,=0.8,L=42mm

（4-3）

（4-4）

Lrib

=0.5,=26mm;=0.3,d=16mm;—=0.4.b=21mm.

DDD

取活塞侧壁的厚度t，=3mm

活塞顶部的厚度：

t=（0.40。

占）D]¥^mm取t=4mm

活塞材料为ZAISi12,HBW=50,活塞外表面为加工面。

活塞顶部的强度验算：

式中『忘召为最大气体压力差

由于活塞顶部并非自由支承，若圆盘厚度为S,直径D=52mm则直径截面处的最大弯曲应力为：

（4-5）

对于圆形活塞，可以取卩=0.68,D为活塞直径；S为活塞顶部最薄处的厚度

；爲_沪.（1+）-一（1-一）=0.785MPa则：

（4-6）

52x10"^

=0.68X（'）2X0.785XjffV[]=180“砂讪/川得出:

S>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I总是小于活塞直径D。

一般l=（0.850.95）D=46mm

活塞销的外径二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

式中[=-[=1867.92-201.65=1666.27N（4-8）

许用比压[K]<（150一…）Xj胪N/.

将上述数据代入公式得讹i>5.29mm

-=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：

式中为两销座中心的距离,

=1-,取为20mm

（4-9）

最大弯曲应力:

lit62?

ara

（0.020-——）

=88.64x

（4-10）

对于碳素钢，[-[]

<（600-1200）x：

「；佯N/

（4-11）

活塞销横截面的剪切应力:

2X1666,2?

n「1:

=—=58.96八（4-12）

对于碳素钢，[n]<500X（胖N/肿（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。

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

=（1.652.45X=8.2Xm

（4-14）

（2）杆身中间截面当量面积

咗3.14X8J2

=528：

际用

（4-15）

（3）杆身中间截面尺寸

高度：

焉范=丽丽=9.5mm（4-16）

宽度:

=0.6=5.7mm

（4-17）

<•-

图4.9连杆简图

图4.8连杆中间截面简图

（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:

农产L-一-=

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：

/r如iwjfr

==315.58N/；用（4-18）

（4-19）

（4-20）

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勺毎为：

厂…C

式中c=—,取c=6.0x］「

==814.5

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抵

==407.25N/渤怡

（4-21）

连杆杆体所受压缩和纵弯曲应力的总应力：

（4-22）

-=二+%¥,=二+為

许用应力［Z］<（8001200）N/冰",

<[Z],<[Z]强度符合要求

443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：

»=315.58N/总？

（4-23）

Z<[Z]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。

4.5.1曲轴的计算

曲柄销直径：

叼二（0.70.8）D,取叼=39mm（4-24）

主轴颈直径：

•产（1.01.1）:

取•_=40mm（4-25）

4.5.2曲轴的强度校核

„F」1656.27X011S

曲柄销上的弯矩为列尸亠=66.65N•m（4-26）

主轴颈部分的弯矩为

曲柄部分的弯矩为

一

=12.50N•m

曲轴的平均扭矩为礼==26.94N•m

合成弯矩=0.35场:

;+0.65…-=96.379N-m

对于曲柄销部位的合成弯曲应力：

-=16.56MPa<

（80）MPa

（4-27）

（4-28）

（4-29）

（4-30）

（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

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