往复活塞式压缩机设计设计.docx

1、往复活塞式压缩机设计设计全套设计1 引言空气压缩机是指压缩介质为空气的压缩机，主要作用是为生活、生产提供源源不断 地、具有一定压力的压缩空气。作为一种工业装备，压缩机广泛应用于石油、化工、天 然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元 件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机 不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资可观，耗 能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相 关，因而成为备受关注的心脏设备 1。压缩机按工作原理可分为容积式和动力式两大类；按压缩级数分类，

2、可分为单级压 缩机、两级压缩机和多级压缩机；按功率大小分类，可分为微小型压缩机、中型压缩机 和大型压缩机。按压缩机的结构形式可分为立式、卧式和角度式。而且角度式又可分为 L型、V型、W型、扇形和星型等。不同形式的压缩机具有其鲜明的特点，根据其工作 原理的不同决定了其不同的适用范围 2。空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。 起源的工作压力应比气动 系统中的最高工作压力高 20% 左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。 如果 系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气压力分别为低压(0.7MPa1.0MPa )、中压(1.0MPa10MPa

3、)、高压(10MPa100MPa)和超高压( 100MPa 以上)，可根据实际需求来选择。常见使用压力一般为0.71.25MPa 3。空气压缩机应用范围极为广泛，且由资料显示国内需求量呈上升趋势，是中小型工 业用压缩机一个庞大的族群。中、小型微型工业用往复活塞式压缩机有着相同的传动部 件基础上变换压缩级数和气缸直径，迅速派生出多品种变形产品的便利条件。不仅其容 积流量、排气压力变化多端，通过适当调整部分零部件材质还可以压缩多种气体，大为 扩展服务领域 4。活塞式压缩机与其他类型的压缩机相比，特点是（1）压力范围最广。活塞式压缩机从低压到超高压都适用，目前工业上使用的最 高工作压力达 350MP

4、a ，实验室中使用的压力则更高。（2）效率高。由于工作原理不同，活塞式压缩机比离心式压缩机的效率高很多。 而回转式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原内，效率亦较低。（3）适应性强。活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择；特则是在 较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。此外，气体的重 度对压缩机性能的影响也不如速度型那样显著，所以同一规格的压缩机，将其用于不同 介质时，较易改造 57 。根据机械部 JB1407-85 微型往复活塞式空气压缩机基本参数规定，额定排气压 力分为 0.25MPa、0.4MPa、0.7MPa、I.OMPa、1.25MPa 和 1.

5、4MPa 几个档次，并规 定了相应的单级、双级压缩所对应的公称容积流量（公称排气量） 。但目前 1.0MPa 、 1.25MPa 和 1.4MPa 的压缩机产品相对较少，无法满足用户对不同压力空气气源的需 要。因此，本课题设计一种排气压力为 1.2MPa，排气量为0.6m3/min的微型压缩机， 旨在我国现有的小型压缩机产品品种的基础上，开发相关的压缩系列产品，以填补两级 空气压缩机产品的空白，符合压缩机制造行业拓展新产品的开发意向。本课题的设计任务是在常温下对空气进行压缩，进气压力为大气压，压缩后排气压 力为1.2M Pa，排气量不低于0.6m3/min。为满足设计及技术要求，综合考虑，本设

6、计 采用 W 型二级压缩，油润滑，冷却方式为风冷式。设计内容包括总体结构设计、热力学计算、主要零部件结构设计、动力学计算和飞 轮设计五个方面。其中总体机构设计方面主要包括结构方案选择、气缸排列形式、运动 机构的结构选择、级数选择、压缩机转数、行程的确定和驱动选择；主要零部件结构设 计主要包括活塞组件的设计、曲轴结构、连杆部件的设计和气缸设计；动力学计算主要 是计算各级平均切向力，然后根据不同方案级数的布置，进行叠加计算总平均切向力， 选择最优方案，确定飞轮距；飞轮设计主要是通过根据机器允许的旋转不均匀度、飞轮 距的大小和冷却所需风量，参照工厂图纸进行尺寸结构设计 8122 总体结构方案设计设计

7、往复活塞式压缩机时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）有足够长的使用寿命，足够高的使用可靠性； （3） 有较高的运转经济性；（4）有良好的动力平衡性；（5）维护检修方便；（6）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。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间曲柄错角的排列。选择压缩机的结构方案，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、驱动方式以及占地面积等条件，从选择机器的型式和级数入手，制

8、 订出合适的方案。总体设计的任务：选择结构方案、主要参数、相应的驱动方式以及大体确定附属装 备的布置。2.1 气缸排列的型式压缩机气缸有多种排列型式，按气缸轴线布置的相互关系分为：卧式、立式、L型、 V 型、 W 型、星型和对称平衡型。卧式、对称平衡型压缩机动力平衡性能较好， 运转较平稳， 宜用于大、 中型压缩机； 立式压缩机现仅用于中、小型和微型，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； L 型、 V 型、 W 型、星型等角度式压缩机则适用 于中、小型和微型。L 型、 V 型、 W 型、星型等角度式压缩机共同的优点是（1） 各列的一阶惯性力的合力可用装在

9、曲轴上的平衡重达到大部分或完全平衡。 因此，机器可取较高的转数。（2） 气缸彼此错开一定角度，有利于气阀的安全与布置。因而使气阀的流通面积 有可能增加。中间冷却器和级间管道可以直接装在机器上，结构紧凑。（3） 角度式压缩机可以将若干列的连杆连接在同一曲拐上，曲轴的拐数可减少， 机器的轴向长度可缩短，因此主轴颈能采用滚动轴承。本设计属于微型中压压缩机常规设计，综合考虑其设计参数 （压缩介质、排气量及 排气压力 ）及市场现状，采用 W 型结构。2.2 运动机构的结构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，相应的机器重量较 轻，一般

10、不需要专门的润滑机构。但是无十字头的压缩机只能作成单作用的，所以气缸 容积的利用不充分 （因为活塞与气缸之间，只在活塞的一侧形成工作腔 ），气体的泄漏量 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作成立式、 V型、W型和扇形的结构。当 压缩机的功率大于（120150） kW时，无十字头的压缩机的重量要超过有十字头的压 缩机，而且结构也较复杂。因此，无十字头压缩机只在小功率范围内采用。在小型移动 装置中用的压缩机，要求轻便紧凑以便于搬动，多选用无十字头的运动机构。带十字头运动机构的特点是：由于带有十字头，气缸工作表面不承

11、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，气体地 泄漏量较小，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。一般固定式的压缩机功率都较大，特别是工 艺流程中用的压缩机，要求机器长期连续运转，所以多用带十字头的压缩机。我国固定 式动力用空压机，排气量在（10100） m3/min、功率在（60630） kW 之间的都是 带十字头结构。化工、石油等部门工艺流程中使用的压缩机都带有十字头。本设计为功率较小的 W 型

12、空气压缩机设计，考虑到以上因素，故采用无十字头的 运动机构。2.3 级数选择及各级压力比的分配工业用的气体， 有时需要较高的压力， 此时需采取多级压缩。 多级压缩有下列优点： （ 1）降低排气温度； （2）节省功率消耗； （3）提高气缸容积系数； （4）降低作用在活 塞上的最大活塞力。在选择压缩机的级数时，一般一般应遵循下列原则：使压缩机消耗的功最小、排气 温度应在使用条件许可的范围内、机器重量轻、造价低。要使机器具有较高的热效率， 则级数越多越好（各级压力比越小越好） 。然而级数增多，则阻力损失增加，机器总效 率反而降低，结构也更加复杂，造价便大大上升。因此，必须根据压缩机的容量和工作 特点

13、，恰当地选择所需的级数和各级压力比。本设计为W-0.6/12型压缩机，根据市场常用压缩机型式，选择级数为二级。2.4列数选择在活塞式压缩机中，一个连杆所对应的气缸活塞组即为一列。压缩机按列数的多少 分成单列和多列两类。压缩机列数的选择，主要决定于排气量、排气压力、机器的型式和级数。立式结构 可以制成单列和多列压缩机；卧式结构可以制成单列和双列压缩机；对称平衡型结构只 能制成多列压缩机，而且列数必须是偶数；对置型结构只能制成多列压缩机。W型结构 只能制成多列压缩机，即单重 W型和双重W型，其他型式类似。各级气缸的排列应根据下述原则进行：（1）要求各列往返止点的活塞力相等。这时, 曲柄连杆机构利用

14、充分，重量较轻，惯性力较小，机械效率较高。由于往返行程的功也 大致相等，因而飞轮较轻。（2）通过布置气缸排列，达到使气体的内泄漏和外泄漏尽可 能小的目的。本设计采用W型结构，如前所述，只能制成多列压缩机，采用单重 W型结构。2 . 5压缩机转速和行程的确定转速和行程的选取对机器的尺寸、重量、制造难易和成本有重大影响，并且还直接 影响机器的效率、寿命和动力性能。如果压缩机与驱动机直接连接，则也影响驱动机的 经济性和成本。近代设计活塞式压缩机的总趋势是提高转速。转速、行程和活塞平均速度的关系式如下式中：Cm 活塞平均速度，m/s;n压缩机转数，r/min ；S活塞行程，m。活塞式压缩机设计中，在一

15、定的参数和使用条件下，首先应考虑选择适宜的活塞平 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，功率的消耗及排气温度将会过高。严重地影响压缩机运转的经济性和 使用的可靠性。移动式压缩机为尽量减少机器重量和外形尺寸，所以取活塞速度为( 45) m/s ,而本设计就属于此类。由于微型和小型压缩机，为使结构紧凑，而只能采用较小行程， 所有较高转数，但活塞平均速度却较低，只有 2m/s左右。本设计采用2m/s。在一定的活塞速度下，活塞行程的选取，与下列因

16、素有关：排气量的大小；机器的 结构型式；气缸的结构。现代活塞式压缩机的行程与活塞力之间，按统计与分析，有下列关系：S = A、. P (2-2)式中：P 活塞力，t;A 系数，其值在0.0650.095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。现代活塞式压缩机使用的气阀，都是随着气缸内气体压力的变化而自行开、闭的自 动阀。气阀是活塞式压缩机的关键部件之一，气阀的优劣直接影响压缩机的性能。自 70年代以来，国外微型空气压缩机开始普遍采用舌簧阀，以代替盘状阀或环状阀。在 70年代末期开始，我国对这项技术进行了研究和推广。舌簧阀具有排气系数高、比功 率低、寿命长、噪声小、制造工艺简

17、单等优点。但舌簧阀相对盘状阀或环状阀寿命低， 选择转速时要综合考虑。选择压缩机转速时应注意到惯性力的影响，惯性力的大小与转速成平方关系；通常应遵循惯性力不超过活塞力的原则(因为运动部件的强度是按活塞力来计算的) 。另外转数过高对阀片、活塞环、填料的使用寿命也会产生不利影响。一般说来，活塞力较大的机器，转数相应地较低，因为活塞力较大则运动部件的尺 寸和重量也相应的增加，惯性力增长的程度往往显著地超过活塞力增长的程度。此外， 由于各种机构的压缩机的动力平衡性不同，所以转数也会有所区别。另外，压缩机与驱 动机直联时，应顾到驱动机的额定转数。综合考虑本设计中的上述因素， 取压缩机的行程为 s=0.06

18、5m 、转速为 n=800r/min ， 而气阀则选用舌簧阀。2.6 压缩机润滑方式的选择压缩机中，在零件相互滑动的部位，如活塞环与气缸、填料与活塞杆、主轴承、连 杆大头瓦以及连杆小头衬套等处，要注入润滑剂进行润滑，以达如下目的： （ 1）减小摩 擦功率，降低压缩机功率消耗； （2）减少滑动部位的磨损，延长零件寿命； （3 ）润滑剂 有冷却作用，可导走摩擦热，使零件工作温度不过高从而保证沿动部位必要的运转间 隙，防止滑动部位咬死或烧伤， （4）用油作润滑剂时，尚有防止零件生锈的作用。设计和选择润滑系统的基本要求是： （1）要有可靠的供油装置。要保证有适量的润 滑油输送至各运动部位； （2）系统

19、中要有便了检查供油情况的部位和仪表； （3）要有使 润滑油净化的过滤装置； （4）供油管路的布置要紧凑、整齐，便于拆装和清洗，同一管 路中管件的选择要力求划一。按气缸是否用油润滑， 压缩机的润滑方式可区分为油润滑和无油润滑两种。 全无油 润滑压缩机其实是指所有运动摩擦副均不采用液体润滑剂润滑， 排出的压缩气体是洁净 无油的一种动力机械。其特征是由气缸缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴、曲轴箱等组 成；铝合金或铸铁缸体采用表面处理工艺提高了表面硬度；连杆的两端采用轴承结构提 高了整机的使用寿命。采用自润滑材料制成，不需添加润滑油，排出的气体不含油污， 不污染作业环境和工作介质，使压缩机的工作范围更加

20、广泛，适用一切需要高净化气源 行业使用。根据压缩机的结构特点，所采用的有油润滑方式大体可分为两种 :飞溅润滑和压力润滑。飞溅润滑多用于小型无十字头压缩机中。其特点是气缸与运动部件的摩擦面均靠 装在连杆上的甩油杆，将油甩起飞溅到个润滑部位进行润滑，气缸和运动部件的润滑剂 只能采用同一种润滑油，气缸内带油量较大。压力润滑多用于大、中型带十字头的压缩 机中。这种润滑分为两个独立系统，即气缸和填料部位是用供油压力较高的注油器供油 润滑，而其它运动部件的润滑则是靠油泵连续供油。鉴于前述内容，由于本设计是微小型的压缩机，考虑使用材料的成本，制造的工艺 复杂程度等因素，本设计采用有油润滑方式，并结合两种有油

21、润滑方式各自的特点，具 体采用飞溅润滑方式。2.7 压缩机驱动的选择活塞式压缩机的驱动包括驱动机和传动装置。驱动方式与压缩机的结构方案和主要参数的选择有着密切的关系， 在选择压缩机结构方案和主要参数时，应该同时考虑驱动方式的选择。活塞式压缩机驱动机可分三类（1） 电动机异步交流电动机或同步交流电动机；（2） 活塞式发动机 内燃机或蒸汽机；（3） 旋转式发动机一一燃气轮机或蒸汽轮机。在活塞式压缩机中，用得最普遍的是电动机驱动。以市场现有同类产品为对照，本设计选择电动机作为驱动机，传动装置为皮带传动 综上所述：本设计结构型式为 W型，属角度式压缩机。此类压缩机结构紧凑，每 个曲柄销上装有两根以上的

22、连杆，曲轴结构简单、轴向长度较短，并可采用滚动轴承， 主要适用于中、小型及微型压缩机。 W型合理的列间夹角为60，在此前提下，若能保证各列往复运动质量相等，有利于惯性力的平衡。压缩机结构方案示意图如图2.1所示，结构方案采用两级置中式结构。电动机转速 取n =800r/min。作用方式选用单作用式，无十字头。根据参数要求，取行程s=65mm 。图2.1 压缩机结构方案示意图3热力学计算3.1初步确定各级排气压力和排气温度3.1.1 初步确定各级压力多级压缩过程中，常取各级压力比相等，这样各级消耗的功相等，而压缩机的总耗 功也最小。各级压力比按下式确定。 = （3-1）式中： 1 任意级的压力比；i 总压力比；z 级数。