4L--208 活塞式压缩机的设计

合肥工业大学过程装备与控制工程专业过程流体机械课程设计

设计题目4L--20/8 活塞式压缩机的设计学院名称机械工程系

专业（班级）过程装备与控制工程12-3班

姓名（学号）王强2012216819

指导教师王庆生、朱仁胜、于振华

目录

1.设计题目 (2)

2.主要设计参数 (2)

3.压缩机概述 (3)

4.计算任务 (11)

5.压缩机设计计算 (11)

6.皮带传动设计计算 (15)

7.压缩机结构设计 (18)

8.计算任务 (22)

一.设计题目

4L---20/8活塞式压缩机的设计

二.主要设计参数

1．排气量：有效排气量 21.5min

3

m

2．进气压力：0.1MPa

3．排气压力： 0.8MPa

4. 轴转速： 400rpm

5. 行程： 240mm

6. 气缸数：一级压缩 1

二级压缩 1

7. 气缸直径：一级 420mm

二级 250mm

8. 轴功率：≤ 118kW

9. 电机：功率 130KW，转速 730rpm，额定电压 380V

10.排气温度： ≤ 160℃

11.冷却水量： 4吨/小时

三、压缩机概述

随着国民经济的发展，压缩机的应用也越来越广。压缩机在采矿、

冶金、石油化工生产、机械及建筑等部门得到广泛应用，由于石油化

工工业的蓬勃发展，各种烃类气体的压缩机也日趋增多，压缩机在石

油化工业中的地位就显得尤为重要。

将机械能转变为气体的能量，用来给气体增压与输送气体的机械

称为压缩机。各种型号的压缩机，按工作原理可分为两大类：速度式

和容积式。速度式压缩机靠气体在高速旋转叶轮作用下，得到巨大的

能量，随后在扩压器中急速降速，使气体的动能转变成势能（压力能）。

容积式压缩机靠在气缸内往复运动或旋转运动的活塞，使容积缩小，

从而提高气体压力［4］。

压缩机按结构类型的不同，可分类为：

图1.1压缩机分类

??????

?????????????????????????????活塞式模式往复式转子式螺杆式滑片式回转式容积式混流式离心式轴流式速度式压缩机

活塞式压缩机与其它类型的压缩机相比有许多优点[6]：

（1）适用压力范围广。这种机器依靠工作容积变化的原理工作，

因而不论其流量大小，都能达到很高的工作压力；

（2）热力效率高；

（3）对介质及排气量的适应性强，特别是可用于小排气量情况。

3.1压缩机的用途

型仪控用36m 压缩机（其外观图见下页），使用压力0.1~1.6Mpa （绝压）

排气量6m 3 /min ，可用于气动设备及工艺流程，适用于易燃易爆的场

合[3]。

图1.2 4L压缩机外观图

图1.3 型仪控用

3

6m总装配图

该种压缩机可以大幅度提高生产率，工艺流程用压缩机是为了满足分离、合成、反应、输送等过程的需要，因而应用于各有关工业中。因为活塞式压缩机已得到如此广泛的应用的需要，故保证其可靠的运转极为重要。气液分离系统是为了减少或消除压缩气体中的油、水及其它冷凝液［6］。

本机为角度式L型压缩机，其结构较紧凑，气缸配管及检修空间

也比较宽阔，基础力好，切向力也较均匀，机器转速较高，整机紧凑，便于管理。

本机分成两列，其中竖直列为第一列，水平列为第二列，两列夹角为90度，共用一个曲拐，曲拐错角为0度。

3.2压缩机的工作原理

本机为往复活塞式压缩机，依靠气缸内往复运动的活塞压缩气体容积而提高其压力。

当驱动机（电机）开启后，通过弹性联轴器带动压缩机的曲轴作旋转运动，不断旋转的曲轴使连杆不停的摆动，从而牵动十字头、活塞杆、活塞分别在十字头滑道内和气缸内作往复直线运动[5]。

压缩机工作时，在活塞从内止点到外止点运动的过程中，气缸容积处于相对真空状态，缸外一级进气缓冲罐中的气体即通过吸气阀进入一级气缸内，当活塞行至外止点时，气缸内充满了低压气体。当活塞由外止点向内止点运动时，吸气阀自动关闭，气缸内的气体被逐渐压缩而使压力不断提高，当气体压力大于排气阀外压力和气阀弹簧力时，排气阀打开，排出压缩气体，活塞运动到内止点时排气终了，准备重新吸气。至此，完成一个膨胀、吸气、压缩、排气、再吸气的工作循环[14]。

从一级气缸排出的气体，进入中间冷却器后，再经仪表控制管路组件二级气缸，进行第二次压缩至需要压力，经过二级排气缓冲罐排出压缩机。因此，周而复始，活塞不断的往复运动，吸入气缸的气体

亦不断地被吸入排出，从而不断地获得脉动压缩气体。

3.3压缩机的结构简介

（1）压缩机构

1）气缸组件：

各级气缸中都有三层壁并行成三层空腔，最里层的薄壁筒为气缸套，紧贴在内壁上，内壁与其外面一层形成空腔通冷却水，称为冷却水套；冷却水套包在整个缸体、缸头、填料涵腔和气阀空腔周围，以期全面冷却气缸里的各部件；外层是气体通道，它被分成两部分：吸入通道和排出通道，分别与吸入和排出阀相通，

缸体靠近曲轴侧，由于穿过活塞杆，为防止气体泄漏，设有填料函腔，整体为铸铁结构[6]。

这种结构的特点是气缸靠轴侧的座盖与缸体铸成一体，简化了座盖结构，减少了密封面，填料涵和气缸中心线的同心度很容易保证，气缸座盖上有止口与压缩机中相配合，以保证气缸和十字头滑道的同心度，但这种结构较复杂，铸造工艺有一定难度。

2）活塞组件：

图1.4压缩机结构简图

一级活塞为盘形中空组合活塞，整个活塞分成两部分；二级活塞为盘形中空整体活塞。均为铝合金铸造，表面用阳极氧化处理，可以防腐蚀，一级活塞有一道支撑环，四道活塞环，装配时应将活塞环的开口相互错开，可以减少泄漏。各级活塞环均为四氟乙烯，气缸由注油器实现有油润滑。

活塞杆有良好的耐磨性，活塞杆与十字头用螺栓连接，旋入或旋出螺纹即可调节气缸和活塞的间隙。

3）吸气阀和排气阀部件：

各级吸气阀均为环形阀，由阀座、阀盖、阀片、弹簧等零件组成。阀片由不锈钢组成，其它零件都经镀镉处理，因而气阀的耐磨性良好。气阀中均匀分布的弹簧将阀片压紧在阀座上，工作时，阀片在两边压

差和弹簧力的作用下打开或关闭，由于气阀阀片自动而频繁的开启，因而要求弹簧力均匀，安装时应对弹簧仔细挑选，力求弹簧高度一致。另外，在阀座、阀盖的密封面上，严禁划伤或粘上固体颗粒杂质。

4）填料部件：

本机填料部件由节流套、密封环、闭锁环等组成，节流套内的节密封环槽用于节流降压，减轻密封环的负荷。闭锁环、密封环靠外圈弹簧和气体力紧箍在活塞杆上起到密封作用，若内表面磨损，密封元件将自行补充，因而不致密封实效。

5）中间接筒部件：

中间接筒、刮油环座、油封圈等组成中间接筒部件。中间接筒分别与气缸和机身相连，其上有两个窗孔，供装卸刮油座及填料等用，并开有三个接管口，一个接填料密封润滑管路，另两路接排污管路。

（2）传动机构

L型机身内装有曲轴，与联轴器同步电机相连，曲轴轴径两端各装有一个滚动轴承，曲轴上装有两块平衡块，以平衡回转部分不平衡质量和运动部件的部分惯性力，同一曲轴柄销上装有两根连杆，同时带动水平列和竖直列的往复部件。

连杆为球墨铸铁铸造，与曲柄销连接的大部分都装有轴瓦，轴瓦与轴颈的间隙可用垫片进行调节，大小头轴瓦之间沿连杆轴向钻有油孔，连杆与活塞杆之间的空隙，十字头销及十字头体上钻有油孔，使由连杆进来的润滑油能进入十字头。

3.4压缩机曲轴组件简介

概述

曲轴组件，包括曲轴、平衡重及两者之间的连接件等。

曲轴如下图所示由三部分组成：主轴颈、曲柄和曲柄销。曲柄和曲柄销构成的弯曲部分称之为曲拐[12]。

1——主轴颈 2——曲柄 3——曲柄销

图1.5 曲轴组成示意图

曲轴结构

压缩机曲轴有三种基本型式：曲柄轴、曲拐轴（简称曲轴）和偏心轮轴。

曲轴是目前普遍采用的型式，其曲拐一般两端支承，刚性较曲柄轴好。

曲轴的支承方式有两种：全支承是每个曲拐两侧均设有主轴承；非全支承方式是每2~3个曲拐的两侧用两个主轴承。前者对曲轴的刚性，以及机身系列化时奇数列要求的满足有利；后者对缩短压缩机的长度有利。

曲轴的结构设计要点是曲轴定位、轴颈、过渡圆角、油孔、轴端

和平衡重的设计。其主要结构尺寸设计应使配用的轴承有承受负荷的能力，同时曲轴应有足够的强度和刚度，以承受交变弯曲与交变扭转的联合作用，保证轴颈偏转角处的

应力不超过许用值。

曲轴一般用40#和45#优质碳素钢。碳素钢在合理的热处理及表面处理后，已可满足压缩机曲轴的要求，只有极少场合应用40Cr 等合金。

四.计算任务

1.对实际排气量，排气温度和功率进行复算。

2.主、从动皮带轮的设计计算。

五.压缩机设计计算

1.结构型式及方案选择

根据总压力比ε=8，压缩机的级数取两级比较合适，其中

7.21=ε，96.22=ε。本设计为固定式压缩机，为获得较好的运转平稳性，结构型式采用L 型，而且Ⅰ、Ⅱ级采用双气缸。另外，压缩机采用水冷方式。

2.容积流量（排气量）的计算

1） 理论排气量1vn q 、2vn q 的计算 Ln d D n L d D n L D q vn )2(4)(4422222

1-=?-+?=π

π

π

式中 n ——压缩机转速 400 rpm

mm D 4201=,mm D 2502=,mm d d 4521==,rpm n 400= ()()

min /34.264002404542024

2432221211m n L d D qvn =??-??=??-=

π

π ()()

min /27.94002404525024

2432222222m n L d D qvn =??-??=??-=

π

π 2） 实际排气量的计算

v vn v q q η?=

式中 v η——容积效率，l T p v v λλλλη=

其中 v λ——容积系数，)1(11

--=n v εαλ，α为相对余隙系

数，低压级1.0=α，中压级11.0=α，ε为名义压力比。 p λ——压力系数，98.095.0～=p λ；

T λ——温度系数，98.092.0～=T λ；

l λ——泄露系数，98.090.0～=l λ；

1.01=α 11.02=α

2.11=n 25.12=n 7.21=ε 96.22=ε

由 )1(11

--=n v εαλ 算得

0.8711=v λ 0.8482=v λ

取 0.971=p λ .9601=T λ 97.01=l λ

图1 容积流量的计算

0.972=p λ .9702=T λ 97.02=l λ

由 l T p v v λλλλη= 算得

0.78671=v η 0.77392=v η

则

20.790.786726.431vn11

=?=?=v v q q η 7.520.773972.92vn2v2=?=?=v q q η

3）各级行程容积s V 的计算

由 n q n q V vn v v s ==η（n 为压缩机转速） 算得

0.0661400

26.431==s V 0.0232400

9.272==

s V

3.排气温度计算 m m s d T T 1-=ε

式中 m ——压缩过程指数，一般压缩过程指数取低压级

k m )99.095.0(～=，中、高压级m=k

由于排气压力不太高，所以空气可看做理想气体，等熵指数为k=1.4，由于采用水冷方式，近似认为各级压缩指数为

1.3m 1= 1.35m 2=

注意：压缩终温不能超过160℃

第一级 293K s 1=T 1.3m 1= 368.5K 2.7293 1..31-1..311

11=?==-m m s d T T ε

第二级 298K s 2=T 1.35m 2=

℃

160℃121.8394.8K

2.96

298 1..351

-1..351

222<==?==-m

m s d T T ε

4.估算轴功率（≤118KW ）

}

1)]1({[1

)1(60110-+--=-j j m m j j j j sj sj vj j ij m m V p s n N δελδ

本设计中，sj δ-1和j 01δ+均取为1。 KW

N i 78.42]12.7[1-1.31.30.6610.10.8714006013.11

-1..31=-?????=

44.00KW

1-2.961

-1.351.350232.00.27848.0400601 1..351-1..352=??????=）

（i N KW 78.8600.4478.42i =+=N

取机械效率 0.94m

=η 118KW 32KW .92/0.94N N i z <==

六．皮带传动设计计算

已知条件：P=130KW ， rpm n 7301=，rpm n 4002=

1.求计算功率

p k P A d =

本设计为软起动，连续工作，工作时间≥16h ，查表可得3.1=A k 由此可得

KW P d 1691303.1=?=

2.由计算功率d P 和小带轮转速的型号，选SPC 型窄V 带。

3.带轮直径计算

1） 初选主动轮基准直径

mm dd 4001=

由825.1400

73021===n n i ，可计算出从动轮直径2dd mm idd dd 73012

==

2） 验算带速

SPC 型窄V 带带速范围s m 255～ s m s m n dd V 25/29.151********

≤=?=π

4.确定中心距a 和带轮基准长度d L

1）确定带轮基准长度d L

)(2)(7.021021dd dd a dd dd +<<+ 取

158********.14.1210=+=+=）（）（dd dd a mm

6100L mm

47.56814)()(22d 02

122100==-+++=查表可得a dd dd dd dd a L π

2）确定实际中心距a mm

27.7911200=-+=L L a a d 由 d L a a 015.0min -= 以及 d L a a 03.0max += 可得

180mm 045.0==?d L a

5.计算小带轮包角1α ?>?=??--?=?--=120165.2257.31101

)400730(1803.57180121o

o

a

dd dd α 6.求V 带根数Z k p k k p p Z l d )(00?+=α

式中 αk ——包角系数

l k ——长度系数，根据内周长度i L 查表得到。

k ——材质系数，对于棉帘布和棉线绳结构的，取k =0.75，对于化纤线绳结构的取k =1。

0p ——单根带许用功率值。

0p ?——计入传动比影响时，单根带所能传递的功率增量。0p ?＝0.00011Tn ?，T ?是单根带所能传递转矩的修正值，可通过查表得到，1n 为主动轮转速。

查表得式中 0.96=α

k 0.99L =k

1=k 28.276KW 0=p

031.20=?p

根

取6Z 5.85

12.031)0.990.96(28.276169)(00==?+??=?+=k

p k k p p Z l d α 7.单根带的预紧

0.63kg/m q = 15.29m/s v =式中

q ——带单位长度的质量， Kg/m ，查表可得。 v ——带的线速度。

1626N

15.290.631－0.96

2.5915.29169500qv 1)－k 2.5(vZ P 500F 2

2

α

d 0=?+???=+?=）（

8.轴上的压力

.35kN 19sin81.49107222sin 210=????=?=z F F z α

七.压缩机结构设计

L型空气压缩机

本课程设计所设计的压缩机是如上图所示的L型空气压缩机。其主要零件包括气缸、活塞、吸气阀、排气阀等。

1．气缸

（1）基本结构型式

采用双作用式铸铁气缸，冷却方式为水冷，不采用缸套。

（2）气阀在气缸上的布置

要求气阀在气缸上设置的通道截面尽量大，气流阻力小以及安装检修方便。气缸顶部的两个气阀在气缸盖上作轴向布置，底部两个气阀作倾斜布置。

（3）主要尺寸