空气压缩机专业课程设计.doc

过程流体机械课程设计院系： 指引教师：目录1 课程设计任务31.已知数据32.课程设计任务及规定42 热力计算51.初步拟定压力比及各级名义压力52.初步计算各级排气温度53.计算各级排气系数64.计算各级凝析系数及抽加气系数85.初步计算各级气缸行程容积86.拟定活塞杆直径97.计算各级气缸直径108.实际行程容积及各级名义压力109.计算缸内实际压力1210.计算各级实际排气温度1311.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径1312.复算排气量1513.计算功率，选用电机1514.热力计算成果数据163 动力计算181.第级缸解析法182.第级缸图解法263.第级缸解析法294.第级缸图解法384 零部件设计421 课程设计任务1.已知数据1.1构造型式 3L-10/8空气压缩机构造型式为二列二级双缸双作用L型压缩机 1.2工艺参数级名义吸气压力：P1I=0.1MPa（绝），吸气温度T1I=40 级名义排气压力：P2II=0.9MPa（绝），吸入温度T2II=50 排气量（级吸入状态）:Vd =10 m3/min 空气相对湿度:=0.81.3构造参数 活塞行程： S=2r=200mm 电机转速： n=450r/min 活塞杆直径： d=35mm 气缸直径：级，DI=300mm ；级，DII=180mm ； 相对余隙容积：1=0.095，II=0.098；电动机：JR115-6 型，75KW； 电动机与压缩机联接：三角带传动； 连杆长度：l=400mm； 运动部件质量（kg）：见表2-1表2-1 运动部件质量名称级级活塞组件25.412.5十字头组件8.28.2连杆组件13.013.02.课程设计任务及规定 a. 热力计算：涉及压力比分派，气缸直径，排气量，功率，各级排气温度，缸内实际压力等。 b.动力计算：作运动规律曲线图，计算气体力，惯性力，摩擦力，活塞力，切向力，法向力，作切向力图，求飞轮矩，分析动力平衡性能。2 热力计算1.初步拟定压力比及各级名义压力(1)按等压力比分派原则拟定各级压力比： 两级压缩总压力比 取 (2)各级名义进、排气压力如下：P2k=P1kk， P1(k+1)=P2k表2-2 各级名义进、排气压力（MPa)级次名义排气压力P1名义排气压力P20.10.30.30.92.初步计算各级排气温度按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解： 介质为空气，k=1.4。 计算成果如表2-3所示。计算成果表白排气温度T2160，在容许使用范畴内。表2-3 各级名义排气温度级次名义吸气温度计算参数名义排气温度Kk(k-1)/kK4031331.41.3214131405032331.41.3214271543.计算各级排气系数由于压缩机工作压力不高，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：分别求各级排气系数。(1)计算容积系数：其中，多变膨胀指数m计算按表1-3查得：I级多变膨胀指数mI：II级多变膨胀指数mII： 则各级容积系数为： (2)压力系数p选取： 考虑到用环状阀，气阀弹簧力中档，吸气管中压力波动不大，两级压力差也不大，可选用pI=0.97，pII=0.98。(3)温度系数T选用： 考虑到压缩比不大，气缸有较好水冷却，气缸尺寸及转速中档，从图1-6查得T在0.935-0.975范畴内，可选用TI=TII=0。96。(4)泄漏系数1计算：用相对漏损法计算1：a. 考虑气阀成批生产，质量可靠，阀弹簧力中档，选用气阀相对泄漏值VvI=VvII=0.02b. 活塞均为双作用，有油润滑，缸径中档，压力不高。选活塞环相对泄漏值Vr1=0.005，VrII=0.006c. 因有油润滑，压力不高，选用填料相对泄漏值VpI=0.005，VpII=0.001由于填料为外泄漏，需在第级内补足，因此第级相对泄漏中也涉及第级填料外泄漏量在内，泄漏系数计算列入表2-4。泄损部位相对泄漏值级级气阀vvI0.02vvII0.02活塞环vrI0.005vrII0.006填料vpI0.0005vpII0.0010.001总相对泄漏v0.02650.027泄漏系数I=1/(1+vi)0.9740.973(5)各级排气系数计算成果列入表2-5级数 v p T l =v pTl0.8580.970.960.9740.7780.8650.980.960.9730.7894.计算各级凝析系数及抽加气系数(1)计算各级凝析系数 a. 计算在级间冷却器中有无水分凝析出来 查表1-5得水在40和50时饱和蒸汽压: PbI=7.375kPa（40） PbII=12.335kPa（50） 则: 因此在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时1II=1。 b. 计算各级凝析系数(2)抽加气系数o 因级间无抽气，无加气，故 oI=oII=15.初步计算各级气缸行程容积6.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，而气体力又需依照活塞面积（气缸直径）来计算，她们是互相制约。因而需先暂选活塞杆直径，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-同一气缸数）有：（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空压机最大气体力约为1.5吨左右，由附录2，暂选活塞杆直径d=35mm。 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: Fg=0.5(Fk+fd) 轴侧活塞工作面积: Fz=0.5(Fk-fd) 级： 级：（4）计算活塞上所受气体力计算 a. 第一列（第级）： 外止点： PI外=P1IFZI-P2IFgI =110571010-4-310572010-4=-14500N 内止点： PI内=P2IFZI-P1IFgI =310571010-4-110572010-4=14100N b. 第二列（第II级）： 外止点： PII外=P1IIFZII-P2IIFgII =310523310-4-910524310-4=-14880N 内止点： PII内=P2IIFZII-P1IIFgII =910523310-4-310524310-4=13680N 由以上计算可知，第二列气体力最大，为-14880N，约合1.5吨。由附表2可知，若选用活塞杆直径d=30mm是可以，但考虑留有余地，取d=35mm。7.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，有：（2）拟定各级气缸直径依照查表1-6，将计算缸径圆整为公称直径：DI=300mm；DII=180mm8.实际行程容积及各级名义压力（1）计算各级实际行程容积Vh 非贯穿活塞杆直径双作用气缸行程容积：（2）各级名义压力及压力比 因各级实际行程容积Vhk与计算行程容积Vhk不同，各级名义压力及压力比必然变化。各级进、排气压力修正系数k及k+1分别为： a. 各级进气压力修正系数： b. 各级排气压力修正系数： c. 修正后各级名义压力及压力比:P1k=kP1kP2k=k+1P2k=P2k/P1k计算成果列入表2-6。级 次计算行程容积Vhk m30.028560.00953实际行程容积Vhk m30.0280.01修正系数 k=VhIVhk/ (VhIVhk)10.93k+1=VhIVh(k+1)/(VhIVh(k+1)0.931名义吸气压力（MPa）P1k0.10.3P1k=kP1k0.10.28名义排气压力（MPa）P2k0.30.9P2k=k+1P2k0.280.9修正后名义压力比=P2k/P1k2.83.219.计算缸内实际压力缸内实际压力：Ps=P1(1-s) Pd=P2(1+d)由图1-10，查得s，d，计算各级气缸内实际压力，成果见下表。表2-7 考虑压力损失后缸内实际压力比级次修正后名义压力(MPa）相对压力损失1-s1-d缸内实际压力损失(MPa)实际压力比P1P2sdPsPd=Ps/Pd0.10.280.050.0820.951.0820.0950.3043.20.280.90.0350.0610.9651.0610.270.9593.5410.计算各级实际排气温度按k=1.4和m=1.3两种状况计算，计算成果见下表。从中可以看出，按k=1.4计算出排气温度超过了180容许范畴，但实际测出排气温度接近多变压缩m=1.3成果，以为在容许范畴内。 表2-8 依照实际压力比求得各级实际排气温度级次吸气温度实际压力比k=1.4m=1.3()(K)(k-1)/kT2(K)T2()(m-1)/mT2(K)T2()403133.21.3944361631.308409136503233.541.4344621891.33843115811.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径 气缸直径圆整，活塞杆直径选用及各级吸排气压力修正都直接影响到气体力，需重新计算如下： （1）第列(第级) a. 活塞面积 盖侧：轴侧： b. 压力:PSI=0.95105PaPdI=3.04105Pa c. 气体力: 外止点：PI外=PSIFZI-PdIFgI=0.9510569710-4-3.0410570710-4=-14870N 内止点:PI内=PdIFZI-PSIFgI =3.0410569710-4-0.9510570710-4=14480N （2）第列(第级) a. 活塞面积 盖侧： 轴侧：FZII=FgII-fd=0.0254-9.6210-4=24410-4m2 b. 压力 PSII=2.7105Pa PdII=9.59105Pa c. 气体力 外止点：PII外=PSIIFZII-PdIIFgII=2.710524410-4-9.5910525410-4 =-17800N 内止点：PII内=PdIIFZII-PdIIFgII=9.5910524410-4-2.710525410-4 =16640N 由以上计算表白，最大气体力在第列外止点（-17800N），约为1.8吨，没有超过活塞杆容许值，可用。12.复算排气量气缸直径圆整后，压力比发生变化，引起容积系数相应变化。 如其他系数不变，则排气系数为： 经上述修正后排气量为：Vd=VhIIn=0.0280.79450=9.96m3/min 计算成果与题目规定接近，阐明所选用气缸是适当。13.计算功率，选用电机（1）计算各级批示功率 （2）整机总批示功率：Ni=NiI+NiII=24+26.5=50.2 KW（3）轴功率Nz： 因本机为中型压缩机，取机械效率m=0.92，则：（4）所需电机功率： 因本机是三角皮带传动，取传动效率e=0.97，则： 实际本机选用JR1156型三相绕线式感应电动机，功率为75KW是足够，阐明以上计算可用。14.热力计算成果数据（1）各级名义，实际压力及压力比见下表 表2-9 各级名义、实际压力及压力比级次名义压力(MPa)实际压力(MPa)P1P2PsPd0.10.282.80.0950.3043.20.280.93.210.270.9593.64（2）各级实际排气温度: T2I=409K 或 T2I=136 T2II=431K 或 T2II=158（3）气缸直径:DI=300mm DII=180mm（4）气缸行程容积:VhI=0.028m3VhII=0.01m3（5）实际排气量: Vd=9.96m3/min（6）活塞上最大气体力: Pmax=PII外=-17800N（7）电动机功率:Ne=75KW（8）活塞杆直径：d=35mm3 动力计算1.第级缸解析法1.1 运动计算（1）曲柄运动状态：r=s/2=200/2=100mm=2n/60=450/30=47.2r=0.147.2=4.72m/sr2=0.147.22=222.8m/s2（2）位移： 盖侧： 轴侧： 速度： 加速度： 每隔10s按上述计算,将成果列入表2-11，其中是第列及第列本列曲柄转角，两者成果同样，故共用一种表。曲柄转角活塞位移活塞速度活塞加速度曲柄转角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： 进气过程:Pi=Ps压缩过程： 排气过程: Pi=Pd 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。（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：轴侧气体力使活塞杆受拉，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：级盖侧气体力列入表2-12，级轴侧气体力列入表2-13，合成气体力列入表2-16。曲柄转角活塞位移膨胀过程进期过程压缩过程排气过程气体力曲柄转角活塞位移膨胀过程进期过程压缩过程排气过程气体力曲柄转角I级曲柄转角I级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： 于是得到各级往复运动质量：（2）活塞加速度 加速度值由运动计算已知。（3）计算各级往复惯性力： 计算成果列入表-2-17。关于惯性力符号规定：以使活塞杆受拉为正，受压为负，这一规定正好和惯性力与加速度方向相反规定一致。1.4 摩擦力计算(1)往复摩擦力计算 取往复摩擦力为总摩擦力70级往复摩擦力：关于往复摩擦力符号规定： a. 仍以使活塞杆受拉为正，受压为负。 b. 在00-1800 之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正。 在1800-3600 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301.5 综合活塞力计算（1）将气体力、往复惯性力及往复摩擦力合成就得到综合活塞力P 计算成果列入表2-18。 活塞力P是随着曲柄转角而变化其正负号规定同前。曲轴转角气体力往复惯性力往复摩擦力活塞力切向力1.6 切向力计算（1）切向力计算 计算成果列入表-2-18。（4）平均切向力计算a. 由列表计算切向力求平均切向力 b. 由热力计算所得轴功率计算平均切向力1.7 飞轮矩计算（1）压缩机一转中能量最大变化量L：（2）旋转不均匀度选用 本压缩机与电机是用三角皮带传动，由教材=（1/30）（1/40）取=1/30。（3）飞轮矩计算1.8 分析本压缩机动力平衡性能2.第级缸图解法2.1运动曲线由表2-11中值描点连线作出曲线图如图2-2。2.2 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，级气缸批示图如图2-3。2.3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，绘在横坐标如下，并将合成气体力绘出，级气缸气体力展开图如图2-5。（2）列综合活塞力图绘制 将每列气体力、往复惯性力及往复摩擦力相迭加，绘在同一比例尺图上，就到列综合活塞力图，横坐标为曲轴转角，纵坐标为活塞力P如图2-7。2.4切向力图依照切向力计算表作切向图，如图2-9（1）用求机仪（或其他办法）求得平均切向力与总切向力曲线所包围面积：F1=-0.26cm2 , F2=8.82cm2 , F3=-4.805cm2 ,F4=0.371cm2 ，F5=-0.024cm2 , F6=0.102cm2 ,F7=-1.272cm2 , F8=0.276cm2 , F9=-2.641cm2 （2）作幅度面积向量图 将平均切向力下方面积定为向上作向量，平均切向力上方定为向下作向量，把所有这些向量依次首尾相接平行作出（最末一种向量终点与第一种向量始点在同一水平线），得到向量图上最高点与最低点间差值，如图2-9。比例尺：。3.第级缸解析法3.1 运动计算（1）曲柄运动状态：r=s/2=200/2=100mm=2n/60=450/30=47.2r=0.147.2=4.72m/sr2=0.147.22=222.8m/s2（2）位移： 盖侧： 轴侧： 速度： 加速度： 每隔10s按上述计算,将成果列入表2-11，其中是第列及第列本列曲柄转角，两者成果同样，故共用一种表。曲柄转角活塞位移活塞速度活塞加速度曲柄转角3.2 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: 进气过程:Pi=Ps压缩过程: 排气过程: Pi=Pd 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。（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：轴侧气体力使活塞杆受拉，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：级盖侧气体力列入表2-12，级轴侧气体力列入表2-13，合成气体力列入表2-16。3.3 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： 于是得到各级往复运动质量：（2）活塞加速度 加速度值由运动计算已知。（3）计算各级往复惯性力： 计算成果列入表-2-17。关于惯性力符号规定：以使活塞杆受拉为正，受压为负，这一规定正好和惯性力与加速度方向相反规定一致。3.4 摩擦力计算往复摩擦力与旋转摩擦力分别计算如下：（1）往复摩擦力计算 取往复摩擦力为总摩擦力70级往复摩擦力:关于往复摩擦力符号规定： a. 仍以使活塞杆受拉为正，受压为负。 b. 在00-1800 之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正。 在1800-3600 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303.5 综合活塞力计算（1）将气体力、往复惯性力及往复摩擦力合成就得到综合活塞力P 计算成果列入表2-18。 活塞力P是随着曲柄转角而变化其正负号规定同前。3.6 切向力计算（1）切向力计算 计算成果列入表-2-18。（4）平均切向力计算 a. 由列表计算切向力求平均切向力 b. 由热力计算所得轴功率计算平均切向力3.7 飞轮矩计算（1）压缩机一转中能量最大变化量L：（2）旋转不均匀度选用 本压缩机与电机是用三角皮带传动，由教材=（1/30）（1/40）取=1/30。 （3）飞轮矩计算3.8 分析本压缩机动力平衡性能4.第级缸图解法4.1运动曲线由表2-11中值描点连线作出曲线图如图2-2。4.2 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，级气缸批示图如图2-4。4.3作气体力展开图 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，绘在横坐标如下，并将合成气体力绘出，级气缸气体力展开图如图2-6。（2）列综合活塞力图绘制 将每列气体力、往复惯性力及往复摩擦力相迭加，绘在同一比例尺图上，就到列综合活塞力图，横坐标为曲轴转角，纵坐标为活塞力P图2-8。4.4作切向力图依照切向力计算表作切向图，如图2-9（1）用求机仪（或其他办法）求得平均切向力与总切向力曲线所包围面积：F1=-0.26cm2 , F2=8.82cm2 , F3=-4.805cm2 ,F4=0.371cm2 ，F5=-0.024cm2 , F6=0.102cm2 ,F7=-1.272cm2 , F8=0.276cm2 , F9=-2.641cm2 （2）作幅度面积向量图 将平均切向力下方面积定为向上作向量，平均切向力上方定为向下作向量，把所有这些向量依次首尾相接平行作出（最末一种向量终点与第一种向量始点在同一水平线），得到向量图上最高点与最低点间差值，如图2-9，。4 零部件设计