往复活塞式压缩机设计设计

全套设计

1 引言

空气压缩机是指压缩介质为空气的压缩机，主要作用是为生活、生产提供源源不断地、具有一定压力的压缩空气。作为一种工业装备，压缩机广泛应用于石油、化工、天然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资可观，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备[1]。

压缩机按工作原理可分为容积式和动力式两大类；按压缩级数分类，可分为单级压缩机、两级压缩机和多级压缩机；按功率大小分类，可分为微小型压缩机、中型压缩机和大型压缩机。按压缩机的结构形式可分为立式、卧式和角度式。而且角度式又可分为L型、V型、W型、扇形和星型等。不同形式的压缩机具有其鲜明的特点，根据其工作原理的不同决定了其不同的适用范围[2]。

空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。起源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20% 左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气

压力分别为低压(0.7MPa~1.0MPa )、中压(1.0MPa~10MPa )、高压(10MPa~100MPa)

和超高压( 100MPa 以上)，可根据实际需求来选择。常见使用压力一般为

0.7~1.25MPa [3]。

空气压缩机应用范围极为广泛，且由资料显示国内需求量呈上升趋势，是中小型工业用压缩机一个庞大的族群。中、小型微型工业用往复活塞式压缩机有着相同的传动部件基础上变换压缩级数和气缸直径，迅速派生出多品种变形产品的便利条件。不仅其容积流量、排气压力变化多端，通过适当调整部分零部件材质还可以压缩多种气体，大为扩展服务领域[4]。

活塞式压缩机与其他类型的压缩机相比，特点是

（1）压力范围最广。活塞式压缩机从低压到超高压都适用，目前工业上使用的最高工作压力

达350MPa ，实验室中使用的压力则更高。

（2）效率高。由于工作原理不同，活塞式压缩机比离心式压缩机的效率高很多。而回转式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原内，效率亦较低。

（3）适应性强。活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择；特则是在较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。此外，气体的重度对压缩机性能的影响也不如速度型那样显著，所以同一规格的压缩机，将其用于不同介质时，较易改造[5~7]。

根据机械部JB1407-85 《微型往复活塞式空气压缩机基本参数》规定，额定排气压力分为0.25MPa、0.4MPa、0.7MPa、I.OMPa、1.25MPa 和1.4MPa 几个档次，并规定了相应的单级、双级压缩所对应的公称容积流量（公称排气量）。但目前1.0MPa 、1.25MPa 和1.4MPa 的压缩机产品相对较少，无法满足用户对不同压力空气气源的需要。因此，本课题设计一种排气压力为1.2MPa，排气量为0.6m3/min的微型压缩机，旨在我国现有的小型压缩机产品品种的基础上，开发相关的压缩系列产品，以填补两级空气压缩机产品的空白，符合压缩机制造行业拓展新产品的开发意向。

本课题的设计任务是在常温下对空气进行压缩，进气压力为大气压，压缩后排气压力为1.2M Pa，排气量不低于0.6m3/min。为满足设计及技术要求，综合考虑，本设计采用W 型二级压缩，油润滑，冷却方式为风冷式。

设计内容包括总体结构设计、热力学计算、主要零部件结构设计、动力学计算和飞轮设计五个方面。其中总体机构设计方面主要包括结构方案选择、气缸排列形式、运动机构的结构选择、级数选择、压缩机转数、行程的确定和驱动选择；主要零部件结构设计主要包括活塞组件的设计、曲轴结构、连杆部件的设计和气缸设计；动力学计算主要是计算各级平均切向力，然后根据不同方案级数的布置，进行叠加计算总平均切向力，选择最优方案，确定飞轮距；飞轮设计主要是通过根据机器允许的旋转不均匀度、飞轮距的大小和冷却所需风量，参照工厂图纸进行尺寸结构设计[8~12]

2 总体结构方案设计

设计往复活塞式压缩机时应符合以下基本原则：（1）满足用户提出的排气量、排气压力，及有关使用条件的要求；（2）有足够长的使用寿命，足够高的使用可靠性；（3）有较高的运转经济性；（4）有良好的动力平衡性；（5）维护检修方便；（6）尽可能采用新结构、新技术、新材料；（7）制造工艺性良好；（8）机器的尺寸小、重量轻。

活塞式压缩机的结构方案由下列因素组成：（1）机器的型式；（2）级数和列数；（3）各级气缸在列中的排列和各列间曲柄错角的排列。

选择压缩机的结构方案，应根据压缩机的用途、运转条件、排气量和排气压力、制造厂生产的可能性、驱动方式以及占地面积等条件，从选择机器的型式和级数入手，制订出合适的方案。

总体设计的任务：选择结构方案、主要参数、相应的驱动方式以及大体确定附属装备的布置。

2.1 气缸排列的型式

压缩机气缸有多种排列型式，按气缸轴线布置的相互关系分为：卧式、立式、L型、V 型、W 型、星型和对称平衡型。

卧式、对称平衡型压缩机动力平衡性能较好，运转较平稳，宜用于大、中型压缩机；立式压缩机现仅用于中、小型和微型，使机器高度均处于人体高度便于操作的范围内，且中型压缩机主要用于无油润滑结构；L 型、V 型、W 型、星型等角度式压缩机则适用于中、小型和微型。

L 型、V 型、W 型、星型等角度式压缩机共同的优点是

（1）各列的一阶惯性力的合力可用装在曲轴上的平衡重达到大部分或完全平衡。因此，机器可取较高的转数。

（2）气缸彼此错开一定角度，有利于气阀的安全与布置。因而使气阀的流通面积有可能增加。中间冷却器和级间管道可以直接装在机器上，结构紧凑。

（3）角度式压缩机可以将若干列的连杆连接在同一曲拐上，曲轴的拐数可减少，机器的轴向长度可缩短，因此主轴颈能采用滚动轴承。

本设计属于微型中压压缩机常规设计，综合考虑其设计参数（压缩介质、排气量及排气压力）及市场现状，采用W 型结构。

2.2 运动机构的结构

活塞式压缩机的运动机构有：无十字头与带十字头两种。无十字头运动机构的特点是：结构简单、紧凑，机器高度较低，相应的机器重量较轻，一般不需要专门的润滑机构。但是无十字头的压缩机只能作成单作用的，所以气缸容积的利用不充分（因为活塞与气缸之间，只在活塞的一侧形成工作腔），气体的泄漏量也较大，气缸工作表面所受的侧向力也较大，因而活塞易磨