壓縮機(jī)設(shè)計(jì)說明書 主要零部件設(shè)計(jì)

1、3 主要零部件設(shè)計(jì)31 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)3.1.1活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇在活塞式有油潤(rùn)滑壓縮機(jī)中，活塞環(huán)是關(guān)鍵的零件之一，活塞環(huán)是密封氣缸鏡面和活塞間的縫隙用的零件它設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響到壓縮機(jī)的排氣量、功率、密封性及可靠性，從而影響到壓縮機(jī)的使用成本?；钊h(huán)的材料及結(jié)構(gòu)尺寸的選擇對(duì)其壽命起至關(guān)重要的作用?；钊h(huán)的材料通常有灰鑄鐵、合金鑄鐵。本設(shè)計(jì)選用灰鑄鐵。常用的活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)有4種：直切口式、斜切口式、搭接口式、組合式。1)直切口式。該結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，但壓縮機(jī)氣體泄漏量大，但易于滿足工藝要求。2)斜切口式。該結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)氣體泄漏量及加工難易程度介于直切口式與搭接口式之間，使用最為廣泛。大部分進(jìn)

2、口壓縮機(jī)及國產(chǎn)壓縮機(jī)的活塞環(huán)均采用該結(jié)構(gòu)。3)搭接口式。該結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)氣體泄漏量很少，加工最復(fù)雜，一般用于壓力較大的場(chǎng)合6。4)組合式。直口環(huán)和斜切口式組合使用。本課題采用直切口式3.1.2 活塞環(huán)數(shù)的確定活塞環(huán)的環(huán)數(shù)可按以下式7計(jì)算：n (3-1)式中：n 活塞環(huán)的環(huán)數(shù)；p活塞兩邊最大壓差，MPa。則：一級(jí)活塞環(huán)：n=1.48；二級(jí)活塞環(huán)：n=3.54?？紤]到要減小活塞尺寸，活塞環(huán)不應(yīng)取太大，且據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，取n=2就能保證其壽命，同時(shí)考慮到一、二級(jí)活塞環(huán)數(shù)相等因此取兩級(jí)環(huán)數(shù)n=2。3.1.3 活塞環(huán)主要尺寸的確定外徑 徑向厚度 軸向高度 推薦熱間隙 自由開口 徑向彈力 重量D(mm) 工稱

3、尺寸80 3.2 公差 h(mm) 直口（mm） A(mm) Q(N) G(kg) ±0.125 3 0.50 0.70 10.0 4.1 0.017065 2.8 ±0.125 2.5 0.40 0.55 7.00 2.8 0.00923.2 刮油環(huán)的設(shè)計(jì)刮油環(huán)的材料通常選用 VTi合金鑄鐵。一級(jí)刮油環(huán)14：外徑取一級(jí)缸徑尺寸D為80mm，徑向厚度t取為3.2，軸向高度h取為4mm，開口熱間隙取為0.4mm，自由開口寬度A取為10mm；二級(jí)刮油環(huán)：外徑取二級(jí)缸徑尺寸D為65mm，徑向厚度t取為2.8，軸向高度h取為4mm，開口熱間隙取為0.4mm，自由開口寬度A取為10m

4、m；3.3 活塞的設(shè)計(jì)3.3.1 活塞的結(jié)構(gòu)形式活塞的基本結(jié)構(gòu)型式有：筒形、盤型、級(jí)差式、組合式等。對(duì)于微小型無十字頭的壓縮機(jī)，一般采用筒形活塞，通過活塞銷與連桿相連。3.3.2 活塞的材料由于一、二級(jí)氣缸直徑相差不多，所以一、二級(jí)活塞可以選擇同一種材料，以便取得相同的質(zhì)量，從而平衡慣性力，選擇ZL110。3-2 活塞結(jié)構(gòu)示意圖3.3.3 活塞的結(jié)構(gòu)尺寸(1) 不計(jì)密封環(huán)和刮油環(huán)高度時(shí)的活塞高度3：H'Nmax （3-2） Dk11； 4式中：Nmax最大側(cè)向力，N，Nmax=Pmax，=Pmax最大活塞力，N；D活塞直徑，m；k1 筒形活塞支撐面的許用比壓，k1=0.15 MPa 0

5、.30MPa，高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)為降低運(yùn)動(dòng)質(zhì)量取大值，低轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)為減小摩擦取笑值。本設(shè)計(jì)取k1=0.2MPa， 2202110-6一級(jí)活塞：H'0.080.2=0.0344m=34.4mm 440610-61二級(jí)活塞：H'0.0650.2=0.0847m=84.7mm(2) 活塞的總高度：HH'+nh+mh3式中：n活塞環(huán)數(shù)；m刮油環(huán)數(shù)h活塞環(huán)的軸向高度，mm；h3刮油環(huán)的軸向高度，mm。一級(jí)活塞：H34.4+23+14=44.4mm；二級(jí)活塞：H84.7+22.5+14=93.7mm?；钊偢叨菻與活塞直徑D一般為：H=（0.651.5）D一級(jí)活塞：D=80mm， H=(

6、52120)mm ，取D=95 mm二級(jí)活塞：D=65mm， H=(40.397.5)mm， 取D=95 mm(3) 活塞頂面至第一道活塞環(huán)的距離：c=(1.23)h一級(jí)活塞：取c=(1.23)×3= (3.69)，取c=5 mm二級(jí)活塞：取c=(1.23)×2.5= (37.5)，取c=5 mm(4) 活塞環(huán)之間的距離：c1= (0.81.5)h一級(jí)活塞：c1=(0.81.5)×3= (2.44.5)，取c=3.5 mm二級(jí)活塞：c1=(0.81.5)×2.5= (23.75)，取c=3.5 mm(5) 群座到底邊的高度L約為0.7H，一級(jí)活塞：L=0

7、.7H=0.7×95=66.5?。篖=66 mm二級(jí)活塞：L=0.7H=0.7×95=66.5取：L=66mm 3-3） 3-4） （ （(6) 活塞銷中心線到底邊的距離h1約為0.6L：一級(jí)活塞：h1=0.6L=0.6×66=39.6mm?。篽1=40 mm二級(jí)活塞：h1=0.6L=0.6×66=39.6mm?。篽1=40 mm3.4 活塞銷的設(shè)計(jì)3.4.1 活塞銷的材料 圖3-3 活塞示意圖活塞銷連接了活塞和連桿，在活塞運(yùn)動(dòng)過程中，承受連桿的重量和連桿作用在活塞銷的力，所以活塞銷要有足夠的強(qiáng)度和剛度。綜合考慮選擇20Cr。3.4.2 活塞銷的主要結(jié)構(gòu)

8、尺寸的確定活塞銷的尺寸，根據(jù)最大活塞力作用下活塞銷投影工作面上的許用比壓初步確定后，按彎曲和剪切作用校核其強(qiáng)度?；钊N的計(jì)算尺寸如圖所示。(1) 活塞銷直徑ddl0Pmax (3-5) k2式中：Pmax最大活塞力，N；d 活塞銷直徑，m；l0 連桿銅套長(zhǎng)度，按l0= (1.11.4)d的范圍選取；k2 活塞銷許用比壓，活塞力始終在一個(gè)方向時(shí)，k2120×105Pa 150×105Pa；活塞力的方向有變化時(shí)，k2150×105Pa 250×105Pa。因?yàn)榛钊τ凶兓?，取k2 =200105Pa，則一級(jí)活塞銷：1.2d22202，d0.00958m=9.

9、58mm，取d=20mm 520010二級(jí)活塞銷：1.2d24406，d0.0135m=13.5mm，取d=20mm 520010(2) 活塞銷座處的表面壓力按下式確定：q=pmaxMPa (3-6) 2dl'式中：q表面壓力，MPa；d如圖所示，為活塞銷外徑，mm；l'活塞銷在一側(cè)銷座中的支撐長(zhǎng)度，mm。表面壓力的許用值：活塞銷在銷座中為緊固支撐，鑄鐵活塞q(35 40)MPa。圖3-4 活塞銷計(jì)算簡(jiǎn)圖圖 3-5 活塞銷座計(jì)算尺寸一級(jí)活塞：d=20mm，取l'=13mm，則：q=2202=4.23MPa，在允許范圍內(nèi)； 22013二級(jí)活塞：d=20mm，取l'

10、=10mm，則：q=4406=11.015MPa，在允許范圍內(nèi)。 22010(3) 進(jìn)行彎曲驗(yàn)算時(shí)，把活塞銷看作兩端自由支撐的梁，與連桿接觸長(zhǎng)度l0上承受均布載荷，如圖所示，中間截面I-I的彎曲應(yīng)力最大，其值為：B=Pmaxl0dMPa (3-7) l-440.42d-d0式中： B彎曲應(yīng)力，MPa；Pmax最大活塞力，N；l 活塞銷座支撐長(zhǎng)度中點(diǎn)間的距離，mm；l0 連桿軸承的寬度，mm；d0 活塞銷中心孔徑，mm，一般取d0=(0.60.7)d。許用彎曲應(yīng)力：碳素鋼B90MPa；合金鋼B150MPa。連桿小頭的寬度l0=1.2×20=24mm；活塞銷中心孔徑選擇d0=0.65&#

11、215;20=13mm；連桿銅套與活塞銷座之間應(yīng)留出一定間隙，取間隙為=5mm；則活塞銷總長(zhǎng)：L=2+2l'+l0 （3-8）一級(jí)活塞銷：L=2×5+2×13+24=60mm二級(jí)活塞銷：L=2×5+2×10+24=54mm一級(jí)活塞銷：B=22022420=40.21MPa 60-40.4220-134二級(jí)活塞銷：B=44062420 54-4=70.39MPa 40.4220-13活塞銷的材料為20Cr，是合金鋼，一、二級(jí)活塞銷的B在允許范圍內(nèi)。(4) 截面-上的剪切應(yīng)力為：=2pmaxMPa (3-9) 22d-d0許用剪切應(yīng)力：碳素鋼50MP

12、a；合金鋼100MPa?；钊N的材料為20Cr,為合金鋼，100MPa。一級(jí)活塞銷：=22202=6.07MPa100MPa，在允許范圍內(nèi)； 2220-1324406=12.14MPa100MPa，在允許范圍內(nèi)。 2220-13二級(jí)活塞銷：=3.4 曲軸的設(shè)計(jì)3.5.1 曲軸的結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)曲軸有兩種基本型式，即曲柄軸和曲拐軸3。選擇曲拐軸，因?yàn)榇诵褪娇梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)稱平衡式、角式、立式等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)型式，使壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；此外采用曲拐軸的壓縮機(jī)，在氣缸列數(shù)設(shè)置方面幾乎不受限制，便于滿足流程要求。3.5.2 曲軸結(jié)構(gòu)尺寸的確定對(duì)曲拐軸主要尺寸初步確定如下：曲柄銷直徑：D=(4656)P104 (3

13、-10)式中：P最大活塞力，N。當(dāng)壓縮機(jī)活塞力小，列數(shù)少，行程短，往返行程中活塞力較接近，以及曲軸材料需用應(yīng)力高，軸承負(fù)荷能力強(qiáng)時(shí)，系數(shù)的取值可偏小；反之，系數(shù)取值應(yīng)偏大。則：D=52=34.52 mm為了提高曲柄銷強(qiáng)度，取D=40mm3.5.3 主軸頸直徑D1=(1.01.1)D (3-11)在確定軸頸尺寸時(shí)，應(yīng)顧及軸頸重合度S，應(yīng)盡量避免S/D等于零或接近零。則：D1=1.040=40mm3.5.4 軸頸長(zhǎng)度軸頸長(zhǎng)度要與軸承寬度相適應(yīng)。在非定位軸頸處，軸頸直圓柱部分的長(zhǎng)度要比軸承寬度適當(dāng)大一些，使軸頸與軸承沿軸線方向有相互竄動(dòng)的余地，以適應(yīng)制造偏差和曲軸膨脹的影響，取0.550.8D。并且

14、根據(jù)工廠圖紙，取左邊的軸頸長(zhǎng)度為25mm，右邊的軸頸長(zhǎng)度為30mm。3.5.5 曲柄厚度曲柄厚度按下式計(jì)算：t=(0.60.7)D (3-12)大的曲柄厚度相應(yīng)于小的曲柄寬度；小的曲柄厚度相應(yīng)于大的曲柄寬度。在軸頸重合度S較大時(shí)，例如S/D>0.3，曲柄厚度t可酌情減小10%20%。那么：t=0.740=28mm可取t=28 mm3.5.6 曲柄寬度曲柄寬度可按下式計(jì)算：h=(1.21.6)D (3-13)鍛造曲軸以取小的曲柄寬度為宜，以減少機(jī)加工切削量。鑄造曲軸應(yīng)取大的曲柄寬度。對(duì)于曲柄軸，由于受力情況與曲拐軸不同，結(jié)構(gòu)尺寸的大小也就不同，例如，在曲柄軸情況下，曲柄銷受力情況較好，一般

15、就取得較細(xì)。由于在設(shè)計(jì)中遇到曲柄軸的不多，故不多述。則：h=1.240=48mm3.5.7 曲柄銷回轉(zhuǎn)半徑由活塞行程s=65mm，則曲柄半徑r =s/2=32.5mm。3.6 連桿的設(shè)計(jì)連桿是連接曲軸與活塞的部件。包括連桿體、大頭和小頭三部分。按其大頭的結(jié)構(gòu)型式，小型壓縮機(jī)的連桿可分為剖分式(開式)連桿和整體式(閉式)連桿兩類。剖分式連桿的大頭為剖分式結(jié)構(gòu)，通過連桿螺拴將連桿體與大頭蓋連接成一體，使大頭孔與曲柄銷配合。剖分式連桿的主要特點(diǎn)是裝配方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配精度要求高。閉式連桿的大頭為整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是小型壓縮機(jī)常用的結(jié)構(gòu)型式。連桿材料一般采用35號(hào)、40號(hào)、45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼或

16、球墨鑄鐵，個(gè)別情況下使用輕質(zhì)鋁合金。連桿體在連桿力及擺動(dòng)慣性力的作用下，承受交變拉壓及橫向彎曲應(yīng)力作用，因此要求它具有足夠的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，并力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于制造加工。連桿體的截面一般有圓形，扁形及工字型等。小型壓縮機(jī)目前最常用的截面結(jié)構(gòu)為工字型。3.6.1 連桿的材料連桿要有足夠的強(qiáng)度、耐磨性，另外考慮到材料的經(jīng)濟(jì)性，選擇材料與曲軸相同，為QT600-3。3.6.2 連桿的結(jié)構(gòu)形式連桿包括桿體、大頭、小頭三部分。桿體截面有圓形、環(huán)形、矩形、工字形等。選擇工字形截面，這樣的桿體在同樣強(qiáng)度時(shí)，具有最小的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。選擇整體連桿。3.6.3 連桿結(jié)構(gòu)尺寸的確定圖3-6 連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及主要尺寸

17、3.6.3.1 連桿長(zhǎng)度l的確定連桿長(zhǎng)度l，即連桿大小頭孔中心距，由曲柄半徑R與連桿長(zhǎng)度L的比值=rl決定，的大小小直接影響到活塞環(huán)和導(dǎo)向環(huán)的性能和使用壽命。越大，活塞垂直作用在氣缸壁上的側(cè)壓力pn越大，活塞環(huán)和導(dǎo)向環(huán)與氣缸壁間的摩擦力也就越大，從而加劇了活塞環(huán)和導(dǎo)向環(huán)的磨損，使其性能和使用壽命降低。故有油壓縮機(jī)的取值多取1/4)。為提高活塞環(huán)和導(dǎo)向環(huán)的使用壽命, 值應(yīng)取得盡量小,但是連桿相應(yīng)要加長(zhǎng)。為了避免機(jī)器尺寸過大，取值又不宜過小。取1/41/4.5較為適8。 本設(shè)計(jì)取=4。因此：L=R=32.5=130mm。 3.6.3.2 連桿大頭軸瓦尺寸的確定目前大多數(shù)壓縮機(jī)考慮到制造、維修的便利

18、，選擇軸瓦的材料為15ChSnSb11-6，所選用內(nèi)徑為曲柄銷直徑D =40mm。3.6.3.3 連桿小頭襯套尺寸的確定小頭軸瓦近年廣泛采用襯套結(jié)構(gòu)，襯套的厚度S及寬度b取：S=(0.060.08)d （3-14）b=(1.01.4)d （3-15）式中：d 十字頭銷或活塞銷直徑，mm。小頭襯套材料多采用ZQSn10-1。取小頭襯套內(nèi)徑d為活塞銷直徑20 mm。那么：S=0.07×20=1.4mm，?。篠=2 mmb=1.2×20=24mm3.6.3.4 連桿的寬度B在工藝上考慮連桿大小頭寬度取相等。對(duì)于連桿寬度取B=0.9b mm，式中b為軸瓦的寬度，mm；對(duì)于大頭定位時(shí)

19、，為大頭瓦寬度；對(duì)于小頭定位時(shí)，則為小頭襯套寬度。大頭寬度B1取與大頭軸瓦寬度相同的尺寸，則?。築1=24 mm小頭寬度B2取與小頭襯套寬度相同的尺寸，則?。築2=24mm3.6.3.5 連桿大小頭的孔徑D，d大頭孔徑取軸瓦外徑為：D=46 mm小頭孔徑取小頭襯套外徑為：d=24 mm3.6.3.6 連桿桿體結(jié)構(gòu)尺寸的確定(1) 桿體中間截面的尺寸：dm=(16.5（3-16）式中：dm桿體中間截面面積的當(dāng)量直徑，mm；P 最大活塞力，N。對(duì)于活塞力P1×1042×104 N的高速、短行程小型連桿，相對(duì)桿體截面較小，為了增強(qiáng)剛性，都應(yīng)制成工字形截面的桿體。式中系數(shù)取16.5

20、21.5。當(dāng)P>2×104 N，桿體為工字形截面，式中系數(shù)取21.422.0；桿體為圓形截面，系數(shù)取23.024.5。當(dāng)量直徑dm，對(duì)圓形截面的桿體，即為桿體中間截面的直徑。對(duì)于非圓形截面的桿體，從上式求得dm后，必須再計(jì)算成面積：Fm=dm24 （3-17）以Fm為桿體的中間截面面積，再求得工字形或矩形的尺寸。工字形截面的尺寸，如圖所示：Hm=2.5Fm（3-29）Bm=(0.650.75)Hm（3-30）桿體的中間截面，即為H與H的平均值處截面。故：dm=(16.521.5)=(10.9514.27)mm取：dm=12mmFm=1224=113.1mm2Hm=16.81mm

21、2取：Hm=18mm2Bm=(0.650.75) 18=(11.713.5) mm?。築m=12 mm(2) 桿體截面變化尺寸： 圖 3-7 工字形截面尺寸桿體截面沿長(zhǎng)度通常是直線變化的，并根據(jù)受力情況愈接近大頭的截面尺寸愈大。根據(jù)連桿尺寸結(jié)構(gòu)，?。簂=28mm，H=0.818=14.4mm；l=45mm，H=1.218=21.6mm3.7 氣缸的設(shè)計(jì)3.7.1 基本結(jié)構(gòu)形式氣缸是活塞式壓縮機(jī)中組成壓縮機(jī)容積的主要部分。根據(jù)壓縮機(jī)所要達(dá)到的壓力、排氣量、壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)方案、壓縮氣體的種類，制造氣缸的材料以及制造廠的習(xí)慣等條件，氣缸的結(jié)構(gòu)可以有多種形式9。設(shè)計(jì)氣缸的要點(diǎn)是：1) 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和

22、剛度，工作表面具有良好的耐磨性；2) 要有良好的冷卻，工作表面應(yīng)有良好的潤(rùn)滑狀態(tài)；3) 盡可能減小氣缸內(nèi)的余隙容積和氣體阻力；4) 結(jié)合部分的連接和密封要可靠；5) 要有良好的制造工藝性能并且拆裝方便；6) 氣缸直徑和閥座安裝孔等尺寸應(yīng)符合“三化”要求。為了保證工作的可靠性，壓縮機(jī)列中的所有氣缸都要有較高的同心性。為此氣缸上一般都設(shè)有定位凸肩。定位凸肩導(dǎo)向面應(yīng)與氣缸工作表面同心，而且結(jié)合平面要與中心線垂直3。由于活塞和活塞環(huán)在氣缸工作表面上滑行，使氣缸工作表面受到摩損，而且當(dāng)活塞在止點(diǎn)位置時(shí)，速度等于零，靠壓縮容積一側(cè)的第一道活塞環(huán)的比壓很大，有可能咬在工作面上，所以此處的磨損最大。因此應(yīng)恰當(dāng)

23、的選擇活塞環(huán)和氣缸工作面之間硬度和配合。本次設(shè)計(jì)在氣缸工作表面加上細(xì)微的珠光體組織，硬度達(dá)HB170以上，使活塞環(huán)的硬度比氣缸工作表面的硬度高(1020) HB。當(dāng)工作表面的Ra的上限值為12.5時(shí)磨損最小，但用普通的加工方法很難達(dá)到這樣的光潔度。因此本次設(shè)計(jì)無十字頭的壓縮機(jī)表面的Ra的上限值為6.3即可。本次設(shè)計(jì)選用舌簧閥，為了簡(jiǎn)化氣缸的結(jié)構(gòu)，氣閥安裝在氣缸蓋上，氣閥的中心線與氣缸中心線平行布置氣閥在兩氣缸蓋上。這時(shí)氣閥與氣缸連通通道引起的余隙容積較小，氣流暢通。單作用氣缸的潤(rùn)滑點(diǎn)布置在靠壓縮容積側(cè)第一道活塞環(huán)掃過距離的中間位置，而且氣缸一般都有指示器接管。為了防止氣體外泄，壓緊螺栓的端部用

24、封閉螺母緊固，螺母與閥蓋的結(jié)合面上加熱片密封。吸氣閥受氣缸內(nèi)的氣體壓力作用，脫離其承座的力要比排氣閥所受的同樣的力大得多，所以吸氣閥壓罩的壓緊螺栓要比排氣閥的取得多。3.7.2 氣缸主要尺寸的確定第級(jí)：本次設(shè)計(jì)風(fēng)冷空氣壓縮機(jī)中用的單層壁氣缸并做成兩頭都帶蓋的開式結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)殚_式結(jié)構(gòu)能改善鑄造工藝。氣缸鏡面的加工精度容易得到保證，而且可以減小鑄造應(yīng)力和溫度應(yīng)力。對(duì)于氣缸，工作壓力低于5.88MPa的用鑄鐵制造。鑄鐵具有良好的鑄造性能，對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)形狀的限制較小。本次設(shè)計(jì)第級(jí)和第級(jí)的氣缸內(nèi)徑分別為85mm和70mm。對(duì)于小直徑鑄鐵氣缸的壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算：=pD+a (3-18) 2p式中：p氣缸工作壓力，MPa；D氣缸內(nèi)徑，mm；a壁厚的附加項(xiàng)，其值按5mm8mm選?。籶氣缸材料的需用拉伸應(yīng)力，MPa。普通鑄鐵=14.7MPa 17.6MPa；氣閥布置在氣缸蓋上，氣缸形狀較簡(jiǎn)單且用高強(qiáng)度鑄鐵時(shí)，p=24.5MPa39.2MPa。氣缸厚度：取a=5.3mm，p=30MPa。則：=pD0.318985+a=+5.3=5.75mm 2p230取級(jí)