2023年活塞式空气压缩机课程设计.docx

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1、 旧在几作品编号：2254487796631145587263GF24000022 时间：2023.12.134L-208 型活塞式空气压缩机的选型及设计摘要：随着国民经济的快速进展，压缩机已经成为众多部门中的重要通用机械。压缩机 是压缩气体提高气体压力并输送气体的机械，它广泛应用于石油化工、纺织、冶炼、仪表掌握、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关键设备。本次设计的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，其目的是为生产装置和气动掌握仪表供给气源，因此本设计对生产有重要的有用价值。活塞式压缩机是空气压

2、缩机中应用最为广泛的一种，它是利用气缸内活塞的往复运动来压缩气体的，通过能量转换使气体提高压力的主要运动部件是在缸中做往复运动的活塞，而活塞的往复运动是靠做旋转运动的曲轴带动连杆等传动部件来实现的。关键词：活塞式压缩机；构造；设计；强度校核；选型1.1 压缩机的用途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，适用于易燃易爆的场合。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别、合成、反响、输送等过程的需要，因而应用于各有关工业中。由于活塞式压缩机已得到如此广泛的应用的需要，故保证其牢靠的运转极为重要

3、。气液分别系统是为了削减或消退压缩气体中的油、水及其它冷凝液。1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，根底力好，切向力也较均匀，机器转速较高，整机紧凑，便于治理。本机分成两列，其中竖直列为第一列，水平列为其次列，两列夹角为90 度，共用一个曲拐，曲拐错角为 0 度。1.2 压缩机的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摇摆，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

4、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，气缸内的 气体被渐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 气阀翻开，排出压缩气体，活塞运动到内止点时排气终了，预备重吸气。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，再经仪表掌握管路组件二级气缸，进展其次次压缩至需要压力，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

5、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四周，以期全面冷却气缸里的各部件；外层是气体通道，它被分成 两局部：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，整体为铸铁构造。这种构造的特点是气缸靠轴侧的座盖与缸体铸成一体，简化了座盖构造，削减了密封面，填料涵和气缸中心线的同心度很简洁保证，气缸座盖上有止口与压

6、缩机中相协作， 以保证气缸和十字头滑道的同心度，但这种构造较简单，铸造工艺有肯定难度。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，整个活塞分成两局部；二级活塞为盘形中空整体活塞。均为铝合金铸造，外表用阳极氧化处理，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，可以削减泄漏。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整气缸和活塞的间隙。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

7、阀的耐磨性良好。气阀中均匀分布的弹簧将阀片压4紧在阀座上，工作时，阀片在两边压差和弹簧力的作用下翻开或关闭，由于气阀阀片自 动而频繁的开启，因而要求弹簧力均匀，安装时应对弹簧认真选择，力求弹簧高度全都。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，假设内外表磨损，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，

8、供 装卸刮油座及填料等用，并开有三个接收口，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个滚动轴承， 曲轴上装有两块平衡块，以平衡回转局部不平衡质量和运动部件的局部惯性力，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，与曲柄销连接的大局部都装有轴瓦，轴瓦与轴颈的间隙可用垫片进展调整，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。1.3 压缩机曲轴组件简介1.3.1 概述曲轴组件，包括曲轴、平衡重及两者之间

9、的连接件等。曲轴如以下图所示由三局部组成：主轴颈、曲柄和曲柄销。曲柄和曲柄销构成的弯曲局部称之为曲拐12。41主轴颈2曲柄3曲柄销图 1.5曲轴组成示意图1.3.2 曲轴构造压缩机曲轴有三种根本型式：曲柄轴、曲拐轴简称曲轴和偏心轮轴。曲轴是目前普遍承受的型式，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23 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、轴端和平衡重的设计。其主要构造尺寸设计应使配用的轴承有承受负荷的

10、力量，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外表处理后，已可满足压缩机曲轴的要求，只有极少场合应用40Cr 等合金。1.3.3 曲轴强度曲轴强度计算主要包括静强度计算和疲乏强度计算。静强度计算的目的是求出曲轴各危急部位最大工作应力。疲乏强度计算的目的是求出曲轴在反复承受交变工作应力下的最小强度储藏，通常以安全系数的形式表示。曲轴的强度计算一般有如下步骤：（1） 轴的受力分析；（2） 轴静强度校核；（3） 轴疲乏强度校核；5（4） 轴刚度校核。第 2 章 4L-20/8

11、型空气压缩机2.1 热力计算2.1.1 初步确定压力比及各级名义压力（1） 确定各级压力比压力比的安排通常按最省工的原则进展，即可按等压比安排原则3。PP1I2ee=k102-1P两级压缩总压力比e =2P1I= 1.0= 7.140.14e取e = e=I= 2.67（2） 各级名义进排气压力如下：P2k= P e1kk2-22-3P= P1(k +1)2k2.1.2 计算各级排气系数因压缩级工作压力不高，介质为空气，全部计算可按抱负气体处理。由排气系数的计算公式：2-5分别求各级的排气系数。1计算容积系数：l = l l l lvPTl1l= 1 -ae m - 12-6级多变膨胀指数m

12、：Iv级多变膨胀指数m：mI = 1 + 0.5(k - 1) = 1 + 0.5(1.4 - 1) = 1.2P则各级容积系数为：m= 1 + 0.62(k - 1) = 1 + 0.62(1.4 - 1) = 1.2511l= 1-a e mI -1 = 1- 0.095 31.2 -1 = 0.858vII I11l= 1 -a e m-1 = 1 - 0.09831.25 -1 = 0.862v 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时的饱和蒸气压：P= 3.170 kPa 26bI则可知：jP= 5 .

13、 621kPa35b P e = 0.8 3.170 2.67 = 6.771kPa P= 5.621kPa1IbI 1b所以在级间冷却器中必定有水分凝析出来，这时j= 1。1（2） 计算各级凝析系数m fI = 1mf=P- j P1I1IbIP1 - 0.8 0.0737531 = 0.981（3）P- j PP11b1I3 - 1 0.123351 旧在几作品编号：2254487796631145587263GF24000022 时间：2023.12.13（4） 抽加气系数因级间无抽气，无加气，故m= m= 1oIo2.1.4 初步计算各级气缸行程容积m mV=fIoI1120 Vd =

14、 0.06435m3hIlIn0.777400PmmV=f o1ITV1d0.9811132320= 0.02138m3hlPT11In0.78933134002.1.5 确定活塞杆直径为了计算双作用气缸缸径，必需首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要依据最大气体力来确定，而气体力又须依据活塞面积来计算，它们是相互制约的。因此须先暂选活塞杆直径，计算气体力，然后校核活塞杆是否满足要求。（1） 计算任一级活塞总的工作面积VF=hkZ同一级气缸数2-8kS ZF = VhI0.06435= 0.26813m 2 = 2681.3m3IS Z0.24 1F= Vh0.02138= 0.08908m 2

15、= 890.8m3S Z0.24 1（2） 暂选活塞杆直径依据双作用活塞面积和两侧压差估算出该压缩机的最大气体力约为 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fd= pd 2=4p (4.5)24= 15.90cm 2（3） 非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算盖侧活塞工作面积F= 1 (F + f)g2kd轴侧活塞工作面积F= 1 (F - f)z2kd级：F= 1 (F + f)= 1 (2681.3 + 15.90)= 1349cm222gII(d1) 1F=F - f=(2681.3 - 15.90)= 1333cm2级：zI2I(12F=Fd+ f)=221

16、(890.8 + 15.90)= 453cm2g(d1) 122F=F- f=(890.8 - 15.90)= 438cm2zd（4） 计算活塞上所受气体力1） 第一列第级外止点： PI外= P F1IZI- P F2IgI= 1105 1333 10-4 - 3 105 1349 10-4= -27140N内止点： PI内= P F2IZI- P F1IgI= 3 105 1333 10-4 - 1105 1349 10-4= 26500N2） 其次列第级外止点：P外= P F1Z- P F2g= 3 105 438 10-4 - 9 105 453 10-4= -27630N外止点： P内

17、= P F2Z- P F1g= 9 105 438 10-4 - 3 105 453 10-4 = 25830N由以上计算可知，其次列的气体力最大，为-27630N，约合3 吨。由附表2 可知，假设选活塞直径d=40mm 是可以的，但考虑留有余地，取d=45mm。2.1.6 计算各级气缸直径2Vp SZhk+d 221计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径依据DK=2-92Vp SZhI+d 222 0.064353.14 0.24 1+ 0.0452D =2Vp SZh +d 22ID= 0.415m2 0.021383.14 0.24 1+ 0.0452= 0.241m（2） 确定各级气缸直径依据

18、化工机器表 3-4，将计算缸径圆整为公称直径：D = 420mDI= 250m3.1 动力计算3.1.1 运动计算1作 x - a ， c - a ， a - a 运动曲线图12r = s / 2 = 240 / 2 = 120mml = r / l = 120 / 500 = 0.24w = 2pn =400p= 41.96030rw = 0.12 41.9 = 5.028m/srw 2 = 0.12 41.92 = 210.67m/s22位移：()1 - l2 sin 2 a盖侧： xg= r (1 - cosa)+ 1 1 -l = k r1轴侧： xz= S - xgc = rwsin

19、a + l sin 2a 速度：2加速度： a = rw(cosa + l2a )每隔 10按上述计算 x g ， x z ，c ，a ，将结果列入附录1 表 1，其中a 是第列及第列本列的曲柄转角，两者结果一样，故用一个表。（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： mx= 40mm / cm ， mc= 1m / s / cmm= 40m / s 2 / cm， maa= 20 / cm3.1.2 气体力计算用列表计算法作各级气缸指示图及气体力开放图。（1） 各过程压力：膨胀过程：PS= P S0m3-1id+ x0i进气过程：Pi= PS S + S

20、m3-2压缩过程：P= P S+0 3-3iSx0i排气过程：P = Pid3-4本机属于中型压缩机，取m = m = 1.4 ， xi是活塞位移，用运动计算中各点的位移值。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: Pi轴侧： P= -P Fig= P Fiiz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） 将计算结果列入表中：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

21、附录 1 表 5，合成气体力列入附录 1 表 6。（4） 作各级气缸指示图：用活塞行程为横坐标，以气体力为纵坐标，将表中的数据在坐标上描点连线即成， 级气缸指示图如附录 2 图 2，级气缸指示图如附录 2 图 3。作图比例尺： mx= 1cm / cm ， mp= 2kN / cm（5） 气体力开放图：以曲柄转角为横坐标，以气体力为纵坐标，将指示图开放。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，级气缸气体力开放图如附录 2 图 4，级气缸气体力开放图如附录2 图 5。作图比例尺： ma= 20 / cm ， mp= 4kN / cm3.1.3 往复惯性力计

22、算1往复运动质量的计算连杆质量 ml= 21.9kg取小头折算质量m1= 0.3ml= 0.3 21.9 = 6.57kg级活塞组件及十字头组件质量 m= 49 + 14.44 = 63.44kgPI级活塞组件及十字头组件质量 m= 25.5 + 14.44 = 39.94kgP于是得到各级往复运动质量：m= m+ m= 63.44 + 6.57 = 20.01kgSIPIIm= m+ mSP= 39.94 + 6.57 = 46.51kg（2） 活塞加速度值由运动计算。（3） 计算各级往复惯性力I = m aS 旧在几作品编号：2254487796631145587263GF24000022

23、 时间：2023.12.13计算结果列入附录 1 表 7，关于惯性力的符号规定：以使活塞杆受拉力为正，受压力为负，这一规定恰好和惯性力与加速度方向相反的规定相全都。3.1.4 摩擦力的计算 1往复摩擦力为总摩擦力的 70% 10.7 Nik h-1 603-5R=imS2Sn级往复摩擦力R0.7 50.541 0.93=- 1 60= 832NSI2 0.24 400级往复摩擦力R0.7 52.91 0.93=- 1 60= 871NS关于往复摩擦力的符号规定：2 0.24 4001） 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

24、杆受压，定为负。2旋转摩擦力的计算旋转摩擦力为总摩擦力的 30% 10.3 (50.54 + 52.9) 1- 1 600.3N -160ihR=m= 0.93= 465NIpSnp 0.24 4003.1.5 飞轮矩的计算（1） 压缩机一转中的能量最大变化量L：L = m m Df= 1164.6N mlTmax3-7（2） 旋转不均匀度d 的选取本压缩机与电机使用三角带传动，由化工机器d =（3） 飞轮矩的计算1 1 ，取d = 1 。304030MD 2= 3600Lp 2 n 2d=3600 1164.6 31.42 4002 = 79.65kgm23-81303.1.6 分析本压缩机

25、动力平衡性能如以下图为 L 型压缩机，一列水平配置，一列垂直配置，u = 90，垂直列常是低压气缸，水平列为高压气缸。设两列的往复运动质量相等为m 。S垂直列的往复惯性力： I = m1Srw 2 cosaI = m2Srw 2 l cos 2a水平列的往复惯性力： a= a + d - g = a - 902I = m1Srw 2 cos(a - 90)= mSrw 2 sinaI = m1Srw 2 cos 2(a - 90)= -mSrw 2 l sin 2a将两惯性力合成得：I=1= m rw 2(I )2 + (I )211S(I )2 + (I )222I=2m2Srw 2 l c

26、os 2a一阶惯性合力的方向角为q ，则：q I sina1tg=I = cosa1= tga故知q = a二阶惯性合力的方向角为q ：q I - cos 2a2tg故q = -45= I =2cosa= -1以上说明：一阶往复惯性力的合力是个定值，方向始终沿曲柄方向外指，这样就可在曲柄的反方向加平衡质量，产生的离心惯性力I r 0，可使一阶惯性力完全平衡。二阶惯性力的合力方向总是在与垂直轴线成 - 45角的射线方向上，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I平衡。r 0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，所以各种惯性力矩很小，可无视不

27、计。由此可见，L 型压缩机的动力平衡性很好，构造紧凑，是我国广泛使用的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，对曲轴的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的分段简支梁考虑；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的曲轴破坏总是疲乏破坏，因此对曲轴要求进展疲乏强度校核。 但为使计算简便，通常把曲轴所受载荷，看成是应力幅度等于最大应力的对称循环载荷， 且略去应力集中系数和尺寸系数对计算结果的影响，而代之选用较大的安全系数，从而 使简单的疲乏强度校核具有静强度校核的简洁形式3

28、。一般要校核轴颈和曲柄的如下截面：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，对曲轴进展静强度校核：1被校核一跨的输入扭矩最大时；2 被校核一跨中，列的综合活塞力确定值最大时在角度式压缩机情形中，是一拐上各列 综合活塞力矢量和确实定值最大时。轴颈和曲柄各截面的静强度校核按下式进展：ss 2 + 4t 2-1n = n4-1式中s曲轴材料对称弯曲疲乏极限；-1s 危急点上的正应力；t 危急点上的切应力；n 许用安全系数，推举：n= 3.5 5被校核危急点的应力计算，对于轴颈：M 2 + M 2yzs =4-2WyMt =x4-3Wx4.3 疲乏强度计算轴颈与曲柄间的过渡圆角处

29、，由于有高度应力集中现象存在，是曲柄最易发生破坏的地方，有时要按考虑了应力集中系数和尺寸系数的疲乏强度计算方法，进展进一步的强度校核。疲乏强度校核方法如下：n n 4-4stn2 + n2stn = n11式中 n 弯扭交变应力综合作用下，曲轴的工作安全系数；1n 弯曲交变应力作用下，曲轴的工作安全系数；sn 扭转交变应力作用下，曲轴的工作安全系数；tn 许用工作安全系数。推举：n11=1.82.545 优质碳素钢s= 250 340MPa，t= 150 200MPa-1-14.4 曲轴刚度计算首先把曲轴转化为变截面直梁，要求转化梁与曲轴有同样的抗弯刚度。转化梁与曲轴有同样的坐标系。可近似地取

30、曲轴的下述旋转位置，对曲轴进展刚度校核，即：被校核一跨列的综合活塞力确定值最大时。在角式压缩机情形，是一拐上个列综合活塞力矢量和确实定值最大时。(q +q )2 + (q +q )2zzyy本轴只对轴颈偏转角q 进展计算即可。q =式中 q ,q 曲柄销载荷单独作用时轴颈偏转角；zq ,qzy 轴前端载荷单独作用时轴颈偏转角。yq ,q ，q ,q 的求取，使用图解法较为便利。zyzy由以上强度计算和刚度计算结果可知，4L-20/8 型活塞压缩机的曲轴在强度上和刚度上均满足使用要求，能够确保压缩机曲轴在不断周期性变化的气体力、往复和回转运动质量的惯性力以及它们的力矩转矩和弯矩共同作用下安全运行，使之不至于产生较大的变形和振动对活塞、连杆、轴承、十字头等重要零件的工作牢靠性和经济性产生较大影响 旧在几作品编号：2254487796631145587263GF24000022 时间：2023.12.13