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 3
1.已知数据 3
2.课程设计任务及规定 4
2 热力计算 5
1.初步拟定压力比及各级名义压力 5
2.初步计算各级排气温度 5
3.计算各级排气系数 6
4.计算各级凝析系数及抽加气系数 8
5.初步计算各级气缸行程容积 8
6.拟定活塞杆直径 9
7.计算各级气缸直径 10
8.实际行程容积及各级名义压力 10
9.计算缸内实际压力 12
10.计算各级实际排气温度 13
11.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径 13
12.复算排气量 15
13.计算功率，选用电机 15
14.热力计算成果数据 16
3 动力计算 18
1.第Ⅰ级缸解析法 18
2.第Ⅰ级缸图解法 26
3.第Ⅱ级缸解析法 29
4.第Ⅱ级缸图解法 38
4 零部件设计 42

1 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
Ⅰ级名义吸气压力：P1I=0.1MPa（绝），吸气温度T1I=40℃

Ⅱ级名义排气压力：P2II=0.9MPa（绝），吸入温度T2II=50℃

排气量（Ⅰ级吸入状态）:Vd =10 m3/min

空气相对湿度: φ=0.8

1.3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：Ⅰ级，DI=300mm ；Ⅱ级，DII =180mm ；
    相对余隙容积：α1=0.095，αII=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
Ⅰ级
Ⅱ级
活塞组件
25.4
12.5
十字头组件
8.2
8.2
连杆组件
13.0
13.0
2.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=P1kεk  ，   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P2
Ⅰ
0.1
0.3
Ⅱ
0.3
0.9

2.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T2<160℃，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

℃ 

K 

ε 

k 

ε(k-1)/k

K 

℃ 

Ⅰ

40

313

3

1.4

1.321

413

140

Ⅱ

50

323

3

1.4

1.321

427

154

3.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λp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 λpI=0.97，λpII=0.98。
(3)温度系数λT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λT在0.935-0.975范畴内，可选用λTI=λTII=0。96。
(4)泄漏系数λ1计算：

用相对漏损法计算λ1：
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=0.02
b. 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=0.006
c. 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Ⅰ级内补足，因此第Ⅰ级相对泄漏中也涉及第Ⅱ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
Ⅰ级
Ⅱ级

气阀
vvI
0.02

vvII

0.02

活塞环
vrI
0.005

 vrII

0.006

填料
vpI
0.0005

vpII
0.001
0.001

总相对泄漏

∑v 

0.0265

0.027

泄漏系数

λI=1/(1+∑vi )

0.974

0.973

(5)各级排气系数计算成果列入表2-5

级数

      λv

     λp

     λT

     λl

               λ= λv λpλTλl

Ⅰ

0.858

0.97

0.96

0.974

0.778

Ⅱ

0.865

0.98

0.96

0.973

0.789

4.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φ1II=1。
  b. 计算各级凝析系数

(2)抽加气系数μo
    因级间无抽气，无加气，故 μoI=μoII=1
5.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)
    Ⅰ级：  

    Ⅱ级：

（4）计算活塞上所受气体力计算
  a. 第一列（第Ⅰ级）：
    外止点：
           PI外=P1IFZI-P2IFgI
                 =1×105×710×10-4-3×105×720×10-4=-14500N
    内止点：  
           PI内=P2IFZI-P1IFgI
                 =3×105×710×10-4-1×105×720×10-4=14100N
  b. 第二列（第II级）：
    外止点：
           PII外=P1IIFZII-P2IIFgII
                  =3×105×233×10-4-9×105×243×10-4=-14880N
    内止点：
           PII内=P2IIFZII-P1IIFgII
                  =9×105×233×10-4-3×105×243×10-4=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=180mm

8.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βk及βk+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'=βkP1k
P2k'=βk+1P2k
ε'=P2k'/P1k'
计算成果列入表2-6。

级 次

Ⅰ

Ⅱ

计算行程容积

 Vhk               m3

0.02856

0.00953

实际行程容积

 Vhk'              m3

0.028

0.01

修正系数
     βk=VhI'Vhk/   (VhIVhk')

1

0.93
 βk+1=VhI'Vh(k+1)/
(VhIVh(k+1)')

0.93

1

名义吸气压力
（MPa）
 P1k
0.1
0.3
 P1k'=βkP1k
0.1
0.28

名义排气压力
（MPa）
 P2k
0.3
0.9
 P2k'=βk+1P2k
0.28
0.9
修正后名义压力比
 ε'= P2k'/P1k'
2.8
3.21

9.计算缸内实际压力
缸内实际压力：
                Ps=P1'(1-δs)      Pd=P2'(1+δd)
由图1-10，查得δs，δd，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-δs

1-δd 

缸内实际压力损失(MPa)

实际
压力比

P1' 

P2' 

δs

δd

Ps

Pd
ε‘=
 Ps/Pd

Ⅰ
0.1
0.28
0.05
0.082
0.95
1.082
0.095
0.304
3.2
Ⅱ
0.28
0.9
0.035
0.061
0.965
1.061
0.27
0.959
3.54

10.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ε'

k=1.4

m=1.3

(℃) 

(K)

ε'(k-1)/k
T2
(K)
T2
(℃) 

ε'(m-1)/m
T2
(K) 
T2
(℃) 

Ⅰ

40

313

3.2

1.394

436

163

1.308

409

136

Ⅱ

50

323

3.54

1.434

462

189

1.338

431

158

 11.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Ⅰ列(第Ⅰ级)
     a. 活塞面积
         盖侧：
         轴侧：    

      b. 压力:PSI=0.95×105Pa
              PdI=3.04×105Pa

      c. 气体力:
         外止点：PI外=PSIFZI-PdIFgI
                        =0.95×105×697×10-4-3.04×105×707×10-4
                     =-14870N 

         内止点: PI内=PdIFZI-PSIFgI
                        =3.04×105×697×10-4-0.95×105×707×10-4
                     =14480N 

 （2）第Ⅱ列(第Ⅱ级)
      a. 活塞面积
         盖侧：
         轴侧：FZII=FgII-fd=0.0254-9.62×10-4=244×10-4m2
      b. 压力
              PSII=2.7×105Pa
              PdII=9.59×105Pa
      c. 气体力
      外止点：PII外=PSIIFZII-PdIIFgII
                  =2.7×105×244×10-4-9.59×105×254×10-4
                  =-17800N 

      内止点：PII内=PdIIFZII-PdIIFgII
                  =9.59×105×244×10-4-2.7×105×254×10-4
                  =16640N

    由以上计算表白，最大气体力在第Ⅱ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=VhI'λI'n=0.028×0.79×450=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ηm=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ηe=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)
 P1
 P2
ε 
 Ps
 Pd
ε' 

Ⅰ

0.1

0.28

2.8

0.095

0.304

3.2

Ⅱ

0.28

0.9

3.21

0.27

0.959

3.64

（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'=0.028m3             VhII'=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=35mm

3 动力计算
1.第Ⅰ级缸解析法
1.1 运动计算
（1）曲柄运动状态：
r=s/2=200/2=100mm
ω=2πn/60=450π/30=47.2

rω=0.1×47.2=4.72m/s

rω2=0.1×47.22=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α是第Ⅰ列及第Ⅱ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：
Ⅰ级盖侧气体力列入表2-12，Ⅰ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：
    Ⅰ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Ⅱ-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％
Ⅰ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30％

1.5 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α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Ⅱ-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δ选用
    本压缩机与电机是用三角皮带传动，由教材δ=（1/30）～（1/40）取δ=1/30。
（3）飞轮矩计算

1.8 分析本压缩机动力平衡性能

2.第Ⅰ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 Ⅰ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，Ⅰ级气缸批示图如图2-3。

2.3气体力展开图
    以曲柄转角α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，Ⅰ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α，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Ⅱ级缸解析法
3.1 运动计算
（1）曲柄运动状态：
r=s/2=200/2=100mm
ω=2πn/60=450π/30=47.2

rω=0.1×47.2=4.72m/s

rω2=0.1×47.22=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α是第Ⅰ列及第Ⅱ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：
Ⅰ级盖侧气体力列入表2-12，Ⅰ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：
    Ⅱ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Ⅱ-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％
Ⅱ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30％

3.5 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α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Ⅱ-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δ选用
    本压缩机与电机是用三角皮带传动，由教材δ=（1/30）～（1/40）取δ=1/30。

（3）飞轮矩计算

3.8 分析本压缩机动力平衡性能

4.第Ⅱ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 Ⅱ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，Ⅱ级气缸批示图如图2-4。

4.3作气体力展开图
    以曲柄转角α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，Ⅱ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α，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