活塞式空气压缩机专业课程设计.doc

4L-208型活塞式空气压缩机选型及设计（）摘要：随着国民经济迅速发展，压缩机已经成为众多部门中重要通用机械。压缩机是压缩气体提高气体压力并输送气体机械，它广泛应用于石油化工、纺织、冶炼、仪表控制、医药、食品和冷冻等工业部门。在化工生产中，大中型往复活塞式压缩机及离心式压缩机则成为核心设备。本次设计压缩机为空气压缩机，其型号为D42/8。该类设备属于动设备，它为对称平衡式压缩机，其目是为生产装置和气动控制仪表提供气源，因而本设计对生产有重要实用价值。活塞式压缩机是空气压缩机中应用最为广泛一种，它是运用气缸内活塞往复运动来压缩气体，通过能量转换使气体提高压力重要运动部件是在缸中做往复运动活塞，而活塞往复运动是靠做旋转运动曲轴带动连杆等传动部件来实现。核心词：活塞式压缩机；构造；设计；强度校核；选型 1.1 压缩机用途 4L20/8型空气压缩机（其外观图见下页），使用压力0.11.6Mpa（绝压）排气量20m3 /min，可用于气动设备及工艺流程，合用于易燃易爆场合。该种压缩机可以大幅度提高生产率，工艺流程用压缩机是为了满足分离、合成、反映、输送等过程需要，因而应用于各关于工业中。由于活塞式压缩机已得到如此广泛应用需要，故保证其可靠运转极为重要。气液分离系统是为了减少或消除压缩气体中油、水及其他冷凝液。本机为角度式L型压缩机，其构造较紧凑，气缸配管及检修空间也比较宽阔，基本力好，切向力也较均匀，机器转速较高，整机紧凑，便于管理。本机提成两列，其中竖直列为第一列，水平列为第二列，两列夹角为90度，共用一种曲拐，曲拐错角为0度。1.2 压缩机工作原理和构造简介1.2.1 工作原理本机为往复活塞式压缩机，依托气缸内往复运动活塞压缩气体容积而提高其压力。当驱动机（电机）启动后，通过弹性联轴器带动压缩机曲轴作旋转运动，不断旋转曲轴使连杆不断摆动，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5。压缩机工作时，在活塞从内止点到外止点运动过程中，气缸容积处在相对真空状态，缸外一级进气缓冲罐中气体即通过吸气阀进入一级气缸内，当活塞行至外止点时，气缸内布满了低压气体。当活塞由外止点向内止点运动时，吸气阀自动关闭，气缸内气体被逐渐压缩而使压力不断提高，当气体压力不不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，完毕一种膨胀、吸气、压缩、排气、再吸气工作循环。从一级气缸排出气体，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，通过二级排气缓冲罐排出压缩机。因而，周而复始，活塞不断往复运动，吸入气缸气体亦不断地被吸入排出，从而不断地获得脉动压缩气体。1.2.2 构造简介（1）压缩机构1）气缸组件：各级气缸中均有三层壁并行成三层空腔，最里层薄壁筒为气缸套，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边，以期全面冷却气缸里各部件；外层是气体通道，它被提成两某些：吸入通道和排出通道，分别与吸入和排出阀相通，缸体接近曲轴侧，由于穿过活塞杆，为防止气体泄漏，设有填料函腔，整体为铸铁构造。这种构造特点是气缸靠轴侧座盖与缸体铸成一体，简化了座盖构造，减少了密封面，填料涵和气缸中心线同心度很容易保证，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同心度，但这种构造较复杂，锻造工艺有一定难度。2）活塞组件： 图1.4压缩机构造简图一级活塞为盘形中空组合活塞，整个活塞提成两某些；二级活塞为盘形中空整体活塞。均为铝合金锻造，表面用阳极氧化解决，可以防腐蚀，一级活塞有一道支撑环，四道活塞环，装配时应将活塞环开口互相错开，可以减少泄漏。各级活塞环均为四氟乙烯，气缸由注油器实既有油润滑。活塞杆有良好耐磨性，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、弹簧等零件构成。阀片由不锈钢构成，其他零件都经镀镉解决，因而气阀耐磨性良好。气阀中均匀分布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作用下打开或关闭，由于气阀阀片自动而频繁启动，因而规定弹簧力均匀，安装时应对弹簧仔细挑选，力求弹簧高度一致。此外，在阀座、阀盖密封面上，禁止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、闭锁环等构成，节流套内节密封环槽用于节流降压，减轻密封环负荷。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、油封圈等构成中间接筒部件。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，一种接填料密封润滑管路，另两路接排污管路。（2）传动机构L型机身内装有曲轴，与联轴器同步电机相连，曲轴轴径两端各装有一种滚动轴承，曲轴上装有两块平衡块，以平衡回转某些不平衡质量和运动部件某些惯性力，同一曲轴柄销上装有两根连杆，同步带动水平列和竖直列往复部件。连杆为球墨铸铁锻造，与曲柄销连接大某些都装有轴瓦，轴瓦与轴颈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，连杆与活塞杆之间空隙，十字头销及十字头体上钻有油孔，使由连杆进来润滑油能进入十字头。1.3 压缩机曲轴组件简介1.3.1 概述曲轴组件，涉及曲轴、平衡重及两者之间连接件等。曲轴如下图所示由三某些构成：主轴颈、曲柄和曲柄销。曲柄和曲柄销构成弯曲某些称之为曲拐12。1主轴颈 2曲柄 3曲柄销图1.5 曲轴构成示意图1.3.2 曲轴构造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。曲轴是当前普遍采用型式，其曲拐普通两端支承，刚性较曲柄轴好。曲轴支承方式有两种：全支承是每个曲拐两侧均设有主轴承；非全支承方式是每23个曲拐两侧用两个主轴承。前者对曲轴刚性，以及机身系列化时奇数列规定满足有利；后者对缩短压缩机长度有利。曲轴构造设计要点是曲轴定位、轴颈、过渡圆角、油孔、轴端和平衡重设计。其重要构造尺寸设计应使配用轴承有承受负荷能力，同步曲轴应有足够强度和刚度，以承受交变弯曲与交变扭转联合伙用，保证轴颈偏转角处应力不超过许用值。曲轴普通用40#和45#优质碳素钢。碳素钢在合理热解决及表面解决后，已可满足压缩机曲轴规定，只有很少场合应用40Cr等合金。1.3.3 曲轴强度曲轴强度计算重要涉及静强度计算和疲劳强度计算。静强度计算目是求出曲轴各危险部位最大工作应力。疲劳强度计算目是求出曲轴在重复承受交变工作应力下最小强度储备，普通以安全系数形式表达。曲轴强度计算普通有如下环节：（1） 轴受力分析；（2） 轴静强度校核；（3） 轴疲劳强度校核；（4） 轴刚度校核。 第2章第2章4L-20/8型空气压缩机2.1 热力计算2.1.1 初步拟定压力比及各级名义压力（1）拟定各级压力比压力比分派普通按最省工原则进行，即可按等压比分派原则3。 （2-1）两级压缩总压力比 取（2）各级名义进排气压力如下： （2-2） （2-3）2.1.2 计算各级排气系数因压缩级工作压力不高，介质为空气，所有计算可按抱负气体解决。由排气系数计算公式： （2-5）分别求各级排气系数。（1）计算容积系数： （2-6）级多变膨胀指数：级多变膨胀指数： 则各级容积系数为： 2.1.3 计算各级凝析系数及抽加气系数计算各级凝析系数（1） 计算在级间冷却器中有无水分凝析出来查得水在26和35时饱和蒸气压：（26）（35）则可知： 因此在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时。（2） 计算各级凝析系数 （3） 抽加气系数因级间无抽气，无加气，故2.1.4 初步计算各级气缸行程容积 2.1.5 拟定活塞杆直径为了计算双作用气缸缸径，必要一方面拟定活塞杆直径，但活塞杆直径要依照最大气体力来拟定，而气体力又须依照活塞面积来计算，它们是互相制约。因而须先暂选活塞杆直径，计算气体力，然后校核活塞杆与否满足规定。（1）计算任一级活塞总工作面积（Z同一级气缸数）（2-8）（2）暂选活塞杆直径依照双作用活塞面积和两侧压差估算出该压缩机最大气体力约为30吨左右，由化工机器附录四暂选活塞杆直径d=45mm。活塞杆面积 （3）非贯穿活塞杆双作用活塞面积计算盖侧活塞工作面积 轴侧活塞工作面积 级： 级： （4）计算活塞上所受气体力1）第一列（第级） 外止点： 内止点： 2）第二列（第级） 外止点： 外止点： 由以上计算可知，第二列气体力最大，为-27630N，约合3吨。由附表2可知，若选活塞直径d=40mm是可以，但考虑留有余地，取d=45mm。2.1.6 计算各级气缸直径（1）计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径依照 （2-9）（2）拟定各级气缸直径依照化工机器表3-4，将计算缸径圆整为公称直径： 1.12.13.1 动力计算第3章3.13.1.1 运动计算（1）作， 运动曲线图12 （2）位移：盖侧：轴侧： 速度： 加速度： 每隔10°按上述计算，将成果列入附录1表1，其中是第列及第列本列曲柄转角，两者成果同样，故用一种表。（3）由附录1表1中值描点连线做出曲线图如附录2图1。作图比例尺： ， ， 3.1.2 气体力计算 用列表计算法作各级气缸批示图及气体力展开图。（1）各过程压力：膨胀过程： （3-1） 进气过程： （3-2） 压缩过程： （3-3） 排气过程： （3-4）本机属于中型压缩机，取，是活塞位移，用运动计算中各点位移值。因本机为双作用活塞，盖侧气体力与轴侧气体力应分别列表计算12。（2）气体力：盖侧：轴侧： 对双作用活塞盖侧与轴侧气体力应分别计算，然后将同一转角时两侧气体力合成。气体力符号规定：轴侧气体力是活塞杆受拉，为正；盖侧气体力使活塞杆受压，为负。（3）将计算成果列入表中：级盖侧气体力列入附录1表2，级轴侧气体力列入附录1表3，级盖侧气体力列入附录1表4，级轴侧气体力列入附录1表5，合成气体力列入附录1表6。（4）作各级气缸批示图：用活塞行程为横坐标，以气体力为纵坐标，将表中数据在坐标上描点连线即成，级气缸批示图如附录2图2，级气缸批示图如附录2图3。作图比例尺：， （5） 气体力展开图：以曲柄转角为横坐标，以气体力为纵坐标，将批示图展开。轴侧气体力为正，绘在横坐标上，盖侧气体力为负，绘在横坐标下，并将合成气体力绘出，级气缸气体力展开图如附录2图4，级气缸气体力展开图如附录2图5。 作图比例尺：，3.1.3 往复惯性力计算（1）往复运动质量计算连杆质量 取小头折算质量 级活塞组件及十字头组件质量 级活塞组件及十字头组件质量 于是得到各级往复运动质量： （2）活塞加速度值由运动计算已知。（3）计算各级往复惯性力 计算成果列入附录1表7，关于惯性力符号规定：以使活塞杆受拉力为正，受压力为负，这一规定正好和惯性力与加速度方向相反规定相一致。3.1.4 摩擦力计算 （1）往复摩擦力为总摩擦力70% （3-5）级往复摩擦力 级往复摩擦力 关于往复摩擦力符号规定：1）使活塞杆受拉为正，受压为负。2）之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正。在之间为向盖行程，摩擦力使活塞杆受压，定为负。（2）旋转摩擦力计算旋转摩擦力为总摩擦力30% 3.1.5 飞轮矩计算（1）压缩机一转中能量最大变化量L： （3-7）（2）旋转不均匀度选用本压缩机与电机使用三角带传动，由化工机器，取。（3）飞轮矩计算 （3-8）3.1.6 分析本压缩机动力平衡性能 如下图为L型压缩机，一列水平配备，一列垂直配备，垂直列常是低压气缸，水平列为高压气缸。设两列往复运动质量相等为。垂直列往复惯性力： 水平列往复惯性力： 将两惯性力合成得： 一阶惯性合力方向角为，则： 故知 二阶惯性合力方向角为： 故 以上表白：一阶往复惯性力合力是个定值，方向始终沿曲柄方向外指，这样就可在曲柄反方向加平衡质量，产生离心惯性力，可使一阶惯性力完全平衡。二阶惯性力合力方向总是在与垂直轴线成角射线方向上，其大小成周期性变化，故不能用平衡质量加以平衡。旋转惯性力可用平衡质量离心惯性力平衡。由于角度式压缩机各列连杆置于同一曲柄销上，列间距很小，因此各种惯性力矩很小，可忽视不计。由此可见，L型压缩机动力平衡性较好，构造紧凑，是国内广泛使用一种中型压缩机机型。第4章 曲轴强度计算4.1 曲轴受力分析为使计算简便，对曲轴受力状况先作如下简化假定：（1）对于多支承曲轴，作为在主轴承中点处被切开分段简支梁考虑；（2）连杆力集中作用在曲柄销中点处；（3）略去回转惯性力；（4）略去曲轴自重。 4.2 静强度计算由于工作负荷引起曲轴破坏总是疲劳破坏，因而对曲轴规定进行疲劳强度校核。但为使计算简便，普通把曲轴所受载荷，当作是应力幅度等于最大应力对称循环载荷，且略去应力集中系数和尺寸系数对计算成果影响，而代之选用较大安全系数，从而使复杂疲劳强度校核具备静强度校核简朴形式3。普通要校核轴颈和曲柄如下截面：即轴与曲柄连接处和轴颈开油孔处。近似地可取曲轴下述各旋转位置，对曲轴进行静强度校核：1）被校核一跨输入扭矩最大时；2）被校核一跨中，列综合活塞力绝对值最大时（在角度式压缩机情形中，是一拐上各列综合活塞力矢量和绝对值最大时）。轴颈和曲柄各截面静强度校核按下式进行： （4-1）式中 曲轴材料对称弯曲疲劳极限；危险点上正应力；危险点上切应力； 许用安全系数，推荐：被校核危险点应力计算，对于轴颈： （4-2） （4-3）4.3 疲劳强度计算轴颈与曲柄间过渡圆角处，由于有高度应力集中现象存在，是曲柄最易发生破坏地方，有时要按考虑了应力集中系数和尺寸系数疲劳强度计算办法，进行进一步强度校核。疲劳强度校核办法如下： （4-4）式中 弯扭交变应力综合伙用下，曲轴工作安全系数；弯曲交变应力作用下，曲轴工作安全系数；扭转交变应力作用下，曲轴工作安全系数；许用工作安全系数。推荐：=1.82.5 45优质碳素钢 ，4.4 曲轴刚度计算 一方面把曲轴转化为变截面直梁，规定转化梁与曲轴有同样抗弯刚度。转化梁与曲轴有同样坐标系。可近似地取曲轴下述旋转位置，对曲轴进行刚度校核，即：被校核一跨列综合活塞力绝对值最大时。（在角式压缩机情形，是一拐上个列综合活塞力矢量和绝对值最大时）。本轴只对轴颈偏转角进行计算即可。 式中 曲柄销载荷单独作用时轴颈偏转角； 轴前端载荷单独作用时轴颈偏转角。，求取，使用图解法较为以便。 由以上强度计算和刚度计算成果可知，4L-20/8型活塞压缩机曲轴在强度上和刚度上均满足使用规定，可以保证压缩机曲轴在不断周期性变化气体力、往复和回转运动质量惯性力以及它们力矩（转矩和弯矩）共同作用下安全运营，使之不至于产生较大变形和振动对活塞、连杆、轴承、十字头等重要零件工作可靠性和经济性产生较大影响