活塞式空氣壓縮機(jī)課程設(shè)計(jì)

活塞式空氣壓縮機(jī)課程設(shè)計(jì)PAGE14L-208型活塞式空氣壓縮機(jī)的選型及設(shè)計(jì)（）摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，壓縮機(jī)已經(jīng)成為眾多部門中的重要通用機(jī)械。壓縮機(jī)是壓縮氣體提高氣體壓力并輸送氣體的機(jī)械，它廣泛應(yīng)用于石油化工、紡織、冶煉、儀表控制、醫(yī)藥、食品和冷凍等工業(yè)部門。在化工生產(chǎn)中，大中型往復(fù)活塞式壓縮機(jī)及離心式壓縮機(jī)則成為關(guān)鍵設(shè)備。本次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)為空氣壓縮機(jī)，其型號(hào)為D—42/8。該類設(shè)備屬于動(dòng)設(shè)備，它為對(duì)稱平衡式壓縮機(jī)，其目的是為生產(chǎn)裝置和氣動(dòng)控制儀表提供氣源，因此本設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)有重要的實(shí)用價(jià)值?；钊綁嚎s機(jī)是空氣壓縮機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種，它是利用氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮氣體的，通過能量轉(zhuǎn)換使氣體提高壓力的主要運(yùn)動(dòng)部件是在缸中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，而活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是靠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲軸帶動(dòng)連桿等傳動(dòng)部件來實(shí)現(xiàn)的。關(guān)鍵詞：活塞式壓縮機(jī)；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核；選型壓縮機(jī)的用途4L—20/8型空氣壓縮機(jī)（其外觀圖見下頁），使用壓力0.1~1.6Mpa（絕壓）排氣量20m3/min，可用于氣動(dòng)設(shè)備及工藝流程，適用于易燃易爆的場(chǎng)合。該種壓縮機(jī)可以大幅度提高生產(chǎn)率，工藝流程用壓縮機(jī)是為了滿足分離、合成、反應(yīng)、輸送等過程的需要，因而應(yīng)用于各有關(guān)工業(yè)中。因?yàn)榛钊綁嚎s機(jī)已得到如此廣泛的應(yīng)用的需要，故保證其可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)極為重要。氣液分離系統(tǒng)是為了減少或消除壓縮氣體中的油、水及其它冷凝液。本機(jī)為角度式L型壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)較緊湊，氣缸配管及檢修空間也比較寬闊，基礎(chǔ)力好，切向力也較均勻，機(jī)器轉(zhuǎn)速較高，整機(jī)緊湊，便于管理。本機(jī)分成兩列，其中豎直列為第一列，水平成兩部分；二級(jí)活塞為盤形中空整體活塞。均為鋁合金鑄造，表面用陽極氧化處理，可以防腐蝕，一級(jí)活塞有一道支撐環(huán)，四道活塞環(huán)，裝配時(shí)應(yīng)將活塞環(huán)的開口相互錯(cuò)開，可以減少泄漏。各級(jí)活塞環(huán)均為四氟乙烯，氣缸由注油器實(shí)現(xiàn)有油潤(rùn)滑。活塞桿有良好的耐磨性，活塞桿與十字頭用螺栓連接，旋入或旋出螺紋即可調(diào)節(jié)氣缸和活塞的間隙。3）吸氣閥和排氣閥部件：各級(jí)吸氣閥均為環(huán)形閥，由閥座、閥蓋、閥片、彈簧等零件組成。閥片由不銹鋼組成，其它零件都經(jīng)鍍鎘處理，因而氣閥的耐磨性良好。氣閥中均勻分布的彈簧將閥片壓緊在閥座上，工作時(shí)，閥片在兩邊壓差和彈簧力的作用下打開或關(guān)閉，由于氣閥閥片自動(dòng)而頻繁的開啟，因而要求彈簧力均勻，安裝時(shí)應(yīng)對(duì)彈簧仔細(xì)挑選，力求彈簧高度一致。另外，在閥座、閥蓋的密封面上，嚴(yán)禁劃傷或粘上固體顆粒雜質(zhì)。4）填料部件：本機(jī)填料部件由節(jié)流套、密封環(huán)、閉鎖環(huán)等組成，節(jié)流套內(nèi)的節(jié)密封環(huán)槽用于節(jié)流降壓，減輕密封環(huán)的負(fù)荷。閉鎖環(huán)、密封環(huán)靠外圈彈簧和氣體力緊箍在活塞桿上起到密封作用，若內(nèi)表面磨損，密封元件將自行補(bǔ)充，因而不致密封實(shí)效。5）中間接筒部件：中間接筒、刮油環(huán)座、油封圈等組成中間接筒部件。中間接筒分別與氣缸和機(jī)身相連，其上有兩個(gè)窗孔，供裝卸刮油座及填料等用，并開有三個(gè)接管口，一個(gè)接填料密封潤(rùn)滑管路，另兩路接排污管路。（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)L型機(jī)身內(nèi)裝有曲軸，與聯(lián)軸器同步電機(jī)相連，曲軸軸徑兩端各裝有一個(gè)滾動(dòng)軸承，曲軸上裝有兩塊平衡塊，以平衡回轉(zhuǎn)部分不平衡質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)部件的部分慣性力，同一曲軸柄銷上裝有兩根連桿，同時(shí)帶動(dòng)水平列和豎直列的往復(fù)部件。連桿為球墨鑄鐵鑄造，與曲柄銷連接的大部分都裝有軸瓦，軸瓦與軸頸的間隙可用墊片進(jìn)行調(diào)節(jié)，大小頭軸瓦之間沿連桿軸向鉆有油孔，連桿與活塞桿之間的空隙，十字頭銷及十字頭體上鉆有油孔，使由連桿進(jìn)來的潤(rùn)滑油能進(jìn)入十字頭。壓縮機(jī)曲軸組件簡(jiǎn)介概述曲軸組件，包括曲軸、平衡重及兩者之間的連接件等。曲軸如下圖所示由三部分組成：主軸頸、曲柄和曲柄銷。曲柄和曲柄銷構(gòu)成的彎曲部分稱之為曲拐[12]。1——主軸頸2——曲柄3——曲柄銷圖1.5曲軸組成示意圖曲軸結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)曲軸有三種基本型式：曲柄軸、曲拐軸（簡(jiǎn)稱曲軸）和偏心輪軸。曲軸是目前普遍采用的型式，其曲拐一般兩端支承，剛性較曲柄軸好。曲軸的支承方式有兩種：全支承是每個(gè)曲拐兩側(cè)均設(shè)有主軸承；非全支承方式是每2~3個(gè)曲拐的兩側(cè)用兩個(gè)主軸承。前者對(duì)曲軸的剛性，以及機(jī)身系列化時(shí)奇數(shù)列要求的滿足有利；后者對(duì)縮短壓縮機(jī)的長(zhǎng)度有利。曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)是曲軸定位、軸頸、過渡圓角、油孔、軸端和平衡重的設(shè)計(jì)。其主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)使配用的軸承有承受負(fù)荷的能力，同時(shí)曲軸應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受交變彎曲與交變扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，保證軸頸偏轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力不超過許用值。曲軸一般用40#和45#優(yōu)質(zhì)碳素鋼。碳素鋼在合理的熱處理及表面處理后，已可滿足壓縮機(jī)曲軸的要求，只有極少場(chǎng)合應(yīng)用40Cr等合金。曲軸強(qiáng)度曲軸強(qiáng)度計(jì)算主要包括靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度計(jì)算。靜強(qiáng)度計(jì)算的目的是求出曲軸各危險(xiǎn)部位最大工作應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度計(jì)算的目的是求出曲軸在反復(fù)承受交變工作應(yīng)力下的最小強(qiáng)度儲(chǔ)備，通常以安全系數(shù)的形式表示。曲軸的強(qiáng)度計(jì)算一般有如下步驟：軸的受力分析；軸靜強(qiáng)度校核；軸疲勞強(qiáng)度校核；軸剛度校核。第2章4L-20/8型空氣壓縮機(jī)熱力計(jì)算初步確定壓力比及各級(jí)名義壓力（1）確定各級(jí)壓力比壓力比的分配通常按最省工的原則進(jìn)行，即可按等壓比分配原則[3]。（2-1）兩級(jí)壓縮總壓力比取（2）各級(jí)名義進(jìn)排氣壓力如下：（2-2）（2-3）計(jì)算各級(jí)排氣系數(shù)因壓縮級(jí)工作壓力不高，介質(zhì)為空氣，全部計(jì)算可按理想氣體處理。由排氣系數(shù)的計(jì)算公式：（2-5）分別求各級(jí)的排氣系數(shù)。（1）計(jì)算容積系數(shù)：（2-6）Ⅰ級(jí)多變膨脹指數(shù)：Ⅱ級(jí)多變膨脹指數(shù)：則各級(jí)容積系數(shù)為：計(jì)算各級(jí)凝析系數(shù)及抽加氣系數(shù)計(jì)算各級(jí)凝析系數(shù)計(jì)算在級(jí)間冷卻器中有無水分凝析出來查得水在26℃和35℃時(shí)的飽和蒸氣壓：（26℃）（35℃）則可知：所以在級(jí)間冷卻器中必然有水分凝析出來，這時(shí)。計(jì)算各級(jí)凝析系數(shù) 抽加氣系數(shù)因級(jí)間無抽氣，無加氣，故初步計(jì)算各級(jí)氣缸行程容積確定活塞桿直徑為了計(jì)算雙作用氣缸缸徑，必須首先確定活塞桿直徑，但活塞桿直徑要根據(jù)最大氣體力來確定，而氣體力又須根據(jù)活塞面積來計(jì)算，它們是互相制約的。因此須先暫選活塞桿直徑，計(jì)算氣體力，然后校核活塞桿是否滿足要求。（1）計(jì)算任一級(jí)活塞總的工作面積（Z—同一級(jí)氣缸數(shù)）（2-8）（2）暫選活塞桿直徑根據(jù)雙作用活塞面積和兩側(cè)壓差估算出該壓縮機(jī)的最大氣體力約為30噸左右，由《化工機(jī)器》附錄四暫選活塞桿直徑d=45mm?；钊麠U面積（3）非貫穿活塞桿雙作用活塞面積的計(jì)算蓋側(cè)活塞工作面積軸側(cè)活塞工作面積Ⅰ級(jí)： Ⅱ級(jí)：（4）計(jì)算活塞上所受氣體力1）第一列（第Ⅰ級(jí)）外止點(diǎn)： 內(nèi)止點(diǎn)：2）第二列（第Ⅱ級(jí)）外止點(diǎn)：外止點(diǎn)：由以上計(jì)算可知，第二列的氣體力最大，為-27630N，約合3噸。由附表2可知，若選活塞直徑d=40mm是可以的，但考慮留有余地，取d=45mm。計(jì)算各級(jí)氣缸直徑（1）計(jì)算非貫穿活塞桿雙作用氣缸直徑根據(jù)（2-9）（2）確定各級(jí)氣缸直徑根據(jù)《化工機(jī)器》表3--4，將計(jì)算缸徑圓整為公稱直徑：動(dòng)力計(jì)算運(yùn)動(dòng)計(jì)算（1）作，，運(yùn)動(dòng)曲線圖[12]（2）位移：蓋側(cè)：軸側(cè)：速度：加速度：每隔10°按上述計(jì)算，，，，將結(jié)果列入附錄1表1，其中是第Ⅰ列及第Ⅱ列本列的曲柄轉(zhuǎn)角，兩者結(jié)果一樣，故用一個(gè)表。（3）由附錄1表1中值描點(diǎn)連線做出曲線圖如附錄2圖1。作圖比例尺：，，氣體力計(jì)算用列表計(jì)算法作各級(jí)氣缸指示圖及氣體力展開圖。（1）各過程壓力：膨脹過程：（3-1）進(jìn)氣過程：（3-2）壓縮過程：（3-3）排氣過程：（3-4）本機(jī)屬于中型壓縮機(jī)，取，是活塞位移，用運(yùn)動(dòng)計(jì)算中各點(diǎn)的位移值。因本機(jī)為雙作用活塞，蓋側(cè)氣體力與軸側(cè)氣體力應(yīng)分別列表計(jì)算[12]。（2）氣體力：蓋側(cè):軸側(cè)：對(duì)雙作用活塞蓋側(cè)與軸側(cè)氣體力應(yīng)分別計(jì)算，然后將同一轉(zhuǎn)角時(shí)兩側(cè)氣體力合成。氣體力符號(hào)規(guī)定：軸側(cè)氣體力是活塞桿受拉，為正；蓋側(cè)氣體力使活塞桿受壓，為負(fù)。（3）將計(jì)算結(jié)果列入表中：Ⅰ級(jí)蓋側(cè)氣體力列入附錄1表2，Ⅰ級(jí)軸側(cè)氣體力列入附錄1表3，Ⅱ級(jí)蓋側(cè)氣體力列入附錄1表4，Ⅱ級(jí)軸側(cè)氣體力列入附錄1表5，合成氣體力列入附錄1表6。（4）作各級(jí)氣缸指示圖：用活塞行程為橫坐標(biāo)，以氣體力為縱坐標(biāo)，將表中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)上描點(diǎn)連線即成，Ⅰ級(jí)氣缸指示圖如附錄2圖2，Ⅱ級(jí)氣缸指示圖如附錄2圖3。作圖比例尺：，氣體力展開圖：以曲柄轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，以氣體力為縱坐標(biāo)，將指示圖展開。軸側(cè)氣體力為正，繪在橫坐標(biāo)上，蓋側(cè)氣體力為負(fù)，繪在橫坐標(biāo)下，并將合成氣體力繪出，Ⅰ級(jí)氣缸氣體力展開圖如附錄2圖4，Ⅱ級(jí)氣缸氣體力展開圖如附錄2圖5。作圖比例尺：，往復(fù)慣性力計(jì)算（1）往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的計(jì)算連桿質(zhì)量取小頭折算質(zhì)量Ⅰ級(jí)活塞組件及十字頭組件質(zhì)量Ⅱ級(jí)活塞組件及十字頭組件質(zhì)量于是得到各級(jí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量：（2）活塞加速度值由運(yùn)動(dòng)計(jì)算已知。 （3）計(jì)算各級(jí)往復(fù)慣性力 計(jì)算結(jié)果列入附錄1表7，關(guān)于慣性力的符號(hào)規(guī)定：以使活塞桿受拉力為正，受壓力為負(fù)，這一規(guī)定恰好和慣性力與加速度方向相反的規(guī)定相一致。摩擦力的計(jì)算（1）往復(fù)摩擦力為總摩擦力的70%（3-5）Ⅰ級(jí)往復(fù)摩擦力Ⅱ級(jí)往復(fù)摩擦力關(guān)于往復(fù)摩擦力的符號(hào)規(guī)定：1）使活塞桿受拉為正，受壓為負(fù)。2）之間為向軸行程，摩擦力使活塞桿受拉，定為正。在之間為向蓋行程，摩擦力使活塞桿受壓，定為負(fù)。（2）旋轉(zhuǎn)摩擦力的計(jì)算旋轉(zhuǎn)摩擦力為總摩擦力的30%飛輪矩的計(jì)算（1）壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)中的能量最大變化量L：（3-7）（2）旋轉(zhuǎn)不均勻度的選取本壓縮機(jī)與電機(jī)使用三角帶傳動(dòng)，由《化工機(jī)器》，取。（3）飛輪矩的計(jì)算（3-8）分析本壓縮機(jī)動(dòng)力平衡性能如下圖為L(zhǎng)型壓縮機(jī)，一列水平配置，一列垂直配置，，垂直列常是低壓氣缸，水平列為高壓氣缸。設(shè)兩列的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量相等為。垂直列的往復(fù)慣性力：水平列的往復(fù)慣性力： 將兩慣性力合成得：一階慣性合力的方向角為，則：故知二階慣性合力的方向角為：故以上表明：一階往復(fù)慣性力的合力是個(gè)定值，方向始終沿曲柄方向外指，這樣就可在曲柄的反方向加平衡質(zhì)量，產(chǎn)生的離心慣性力，可使一階慣性力完全平衡。二階慣性力的合力方向總是在與垂直軸線成角的射線方向上，其大小成周期性變化，故不能用平衡質(zhì)量加以平衡。旋轉(zhuǎn)慣性力可用平衡質(zhì)量離心慣性力平衡。由于角度式壓縮機(jī)各列連桿置于同一曲柄銷上，列間距很小，所以各種慣性力矩很小，可忽略不計(jì)。由此可見，L型壓縮機(jī)的動(dòng)力平衡性很好，結(jié)構(gòu)緊湊，是我國(guó)廣泛使用的一種中型壓縮機(jī)機(jī)型。曲軸強(qiáng)度計(jì)算曲軸受力分析為使計(jì)算簡(jiǎn)便，對(duì)曲軸的受力情況先作如下簡(jiǎn)化假定：（1）對(duì)于多支承曲軸，作為在主軸承中點(diǎn)處被切開的分段簡(jiǎn)支梁考慮；（2）連桿力集中作用在曲柄銷中點(diǎn)處；（3）略去回轉(zhuǎn)慣性力；（4）略去曲軸自重。靜強(qiáng)度計(jì)算由于工作負(fù)荷引起的曲軸破壞總是疲勞破壞，因此對(duì)曲軸要求進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。但為使計(jì)算簡(jiǎn)便，通常把曲軸所受載荷，看成是應(yīng)力幅度等于最大應(yīng)力的對(duì)稱循環(huán)載荷，且略去應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，而代之選用較大的安全系數(shù)，從而使復(fù)雜的疲勞強(qiáng)度校核具有靜強(qiáng)度校核的簡(jiǎn)單形式[3]。一般要校核軸頸和曲柄的如下截面：即軸與曲柄連接處和軸頸開油孔處。近似地可取曲軸下述各旋轉(zhuǎn)位置，對(duì)曲軸進(jìn)行靜強(qiáng)度校核：1）被校核一跨的輸入扭矩最大時(shí)；2）被校核一跨中，列的綜合活塞力絕對(duì)值最大時(shí)（在角度式壓縮機(jī)情形中，是一拐上各列綜合活塞力矢量和的絕對(duì)值最大時(shí)）。軸頸和曲柄各截面的靜強(qiáng)度校核按下式進(jìn)行：（4-1）式中—曲軸材料對(duì)稱彎曲疲勞極限；—危險(xiǎn)點(diǎn)上的正應(yīng)力；—危險(xiǎn)點(diǎn)上的切應(yīng)力； —許用安全系數(shù)，推薦：被校核危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算，對(duì)于軸頸：（4-2）