参考示例2：（完整开题报告）
1．文献综述：
1.1 前言
压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，随着技术进步和人民生活水平的提高，对不含由污的洁净压缩空气的需求量越来越大。传统的有油压缩机已经很难满足生
产的要求了。为此，研发了无油压缩机，降低生产成本，解决了传统压缩机压缩空气后
空气含有油污问题。虽然无油压缩机具有无油的优点，但是由于自润滑的活塞环的材料
受温度限制，不适合高温场合，我们需要寻找新的材料能耐高温，无油压缩机的技术水
平仍需提高，可以使压缩机适合更多的场合。
1.2 空气压缩机构成和工作原理
空气压缩机由工作腔部分(汽缸、活塞、气阀、进出管道等)、传动部分(曲轴、连杆、十字头)、机身部分（支撑件、曲轴箱、中间接管）。压缩机工作原理是依靠工作容积的变化来压缩气体，改变气体的压力使气体压力达到生产要求[1]。
1.3 有油压缩机与无油压缩机的比较
传统的有油压缩机需要增加润滑油，在使用时由于密封不严会造成泄漏，得到的空
气含有少部分的油污，在食品、药学等领域这些油污是不允许含有的，如果含有油污对
后面的设备造成很大的危害并影响后面的反应，为了得到纯净的无油空气，需要在压缩
机后面安装后处理设备[2],清除气体中的润滑油过程很复杂，需要大型除油设备，传统的压缩机的价格虽然较低，但是需要的后处理设备的价格会是压缩机价格的几倍，这样会
使所需生产成本增加[3]。
为了克服这个难题, 研发了自润滑全无油压缩机, 要实现无油润滑压缩, 一般是在活塞与气缸之间使用自润滑材料、连杆大小头采用滚动轴承和填料函采用自润滑密封
元件等方法予以保证,因此就不需要加油润滑，在压缩空气时不会增加油污，只需要简
单的后处理设备就可以得到洁净的空气[4]。虽然无油压缩机的生产工艺复杂，成本增加，但与传统的压缩机及其后处理设备相比在成本上占有很大的优势。
1.4 无油压缩机活塞环的材料和结构
1.4.1 活塞环材料
无油润滑压缩具有压缩气体不被润滑油污染、节约大量润滑油、净化流程、简化设
备、延长触媒的使用寿命、提高产品产量及质量等优点, 而广泛应用于化工、国防、冶金、石油炼制、通讯、仪表、食品、医疗、纺织等部门。随着无润滑技术的日益成熟, 无油润滑压缩机活塞环在其材料、型式、设计和应用等方面都有了很大的发展，生产环境
的改变对活塞环的材料提出了更高的要求。
作为无润滑的活塞环, 一般由自润滑材料来制造。这些材料是: 聚四氟乙烯( PTFE) 、聚酰亚胺(PI、MC) 尼龙、填充聚四氟乙烯(填充PTFE) 、填充聚酰亚胺(填
充PI) 、金属塑料( FH21) 等, 其中以填充聚四氟乙烯和填充聚酰亚胺最为常用。它们
的机械性能和摩擦特性, 因其基材、填料的不同及运转参数的变化而有很大差异, 设计时需根据特定条件选取[5]。聚四氟乙烯（PTFE）及其石墨复合材料具有优良的摩擦磨损
特性、耐腐蚀性、耐高低温性[6]。
活塞式无油润滑压缩机易损件导向环活塞环的使用寿命和使用性能,直接影响压缩机的正常运行和经济效益。在工作环境不变的条件下,导向环活塞环的使用寿命和使用
性能取决于环的材料性能、加工质量和环在压缩机上的安装质量等,其中起主导作用的是导向环活塞环的材料(成分配比、成型工艺等)及其性能。目前,国内活塞式压缩机无
油润滑材料主要采用以聚四氟乙烯(PTFE) 为主体, 填充诸如青铜粉、二硫化钼、二氧
化硅、石墨等经压制而成整体环或开口环。这种导向环活塞环使用寿命短，特别是用于
压缩氮气时使用寿命更短。而采用新型线型聚合物聚对羟基苯甲酸脂为主的复合型填充PTFE导向环活塞环,上述问题可迎刃而解,并已成功地应用于石油化工工程中,取得了满意的效果[7]。
1.4.2 活塞环结构
活塞环的结构型式多种多样,可分为整环开口型、分瓣型；有张力环的、无张力环
的；有背压环、无背压环；单环形、双环型等。其中以开口环应用最广,无背压环次之。整体开口环有直切口、斜切口、搭切口三种型式。直切口易加工而密封性能差；搭切口
密封性能最佳而加工较难；斜切口介于两者之间,较为常用。整体开口环由于开口少、
结构简单而被普遍用于中小型压缩F机[8]。分瓣环有二瓣、三瓣、四瓣等, 其磨损后在张力环作用下仍可均匀地贴合于气缸表面,密封性能良好,但开口多、总泄漏量大,只能用在缸径过大(<800mm以上) 或过小的场合[9]。
1.5 无油压缩机气阀
气阀是活塞式压缩机中的关键部件之一,其性能对压缩机的运转可靠性、经济性有
很大的影响,好的气阀既要有长的寿命, 又要有高的效率。气阀的寿命问题直接影响到
生产能否有计划的持续进行, 事故停机不但影响产量,也影响企业的生产成本。因此,提高气阀的寿命对保证压缩机的可靠运转很重要。活塞式压缩机中, 使用各种各样的气阀, 如环状阀、网状阀、条状阀等,国产压缩机的气阀大都采用环状阀结构。其主要优点是
结构简单、制造方便、通用性强等。但这种结构存在着以下问题: 阀片的运动质量较大, 阀片与导向块之间有摩擦力等因素,决定了阀片在开启、关闭中不易做到及时、迅速。
阀片各环彼此分离, 在开闭过程中很难作到步调一致, 因而降低了气体的通流能力。阀片的缓冲作用较差, 为金属薄片,使用后易变形、断裂。如果气阀设计不合理, 非常易损坏。以上问题就限制了环状阀在无油压缩机中的应用, 因此需要进行改进。
针对以上问题, 对无油压缩机的气阀结构进行了改进,采用了菌型气阀,阀片采用填充聚四氟乙烯材料。改进后的气阀与环状阀相比有以下优点:(a)采用菌型阀片,材料为聚四氟乙烯, 阀片与阀座之间有良好的气密性, 密封性能加强。(b)阀片强度增加, 不易
损坏、断裂, 使气阀的易损件减少, 给维修带来方便。(c)该结构对气流流动有所改善, 阻力系数要小于环状阀。(d)同一结构尺寸的气阀, 可改变其开孔的大小和个数来适应不同排气量的要求。改进后基本克服了环状阀在无油压缩机中易损坏的问题[10]。
1.6 全无油压缩机的轴承的选择
全无油压缩机的工作特点决定了曲轴的支承轴承和连杆大小头轴承等只能采用脂
润滑轴承, 存在连杆大小头轴承造型、设计、轴承内润滑脂的密封以及机器运转中轴承
的加脂等一系列问题。连杆大头与曲柄销之间以及支承曲轴的主轴承多采用带双防尘盖
的含脂单列向心自润滑球轴承。由于是标准件, 容易获得, 选用非常方便,从而使简化了主机设计。但是, 这种轴承不能中途加脂,只有在大修拆机时才能补充或更换新脂,这就带来了诸多不便。马全香等设计出了中途可加脂的连杆大头轴承密封新结构,即采用普通球轴承,轴承两侧分别设置两组密封垫圈,并在轴承的任一侧的密封垫圈和轴承之
间设置一个加脂用隔离垫圈, 隔离垫圈正对着的连杆体上开有通脂孔,加排脂结束后用油嘴封堵。这种新结构经济、简单,可以在运行中途加脂, 既方便了用户,又可节省大量维修费用。为了使空压机结构紧凑、装配和维护方便, 连杆小头采用结构简单、摩擦因数小的单个双列有保持架的滚针轴承。将活塞销充当轴承内圈并做成中空的,开设供脂通孔,润滑脂靠惯性力作用从通脂口不断地滴进轴承内部, 有效地延长了小头轴承补充新脂的间隔期。注入2/3空间的润滑脂, 可弥补滚针轴承存脂量少的缺点。润滑脂选用7014号高温润滑脂或二硫化钼复合钙基润滑脂较合适。在滚针轴承两端加设PTFE密封圈,以防止润滑脂甩出,解决了滚针轴承在高温下漏脂的问题[11]。
1.7 结束语
全无油压缩机进行合理而正确的设计, 才能使其具有良好的性能和寿命, 从而使其在生产实践中得到越来越广泛的应用。合理选择活塞环材料，合理选用轴承等会优化
无油压缩机性能。随着目前对高温、高压的纯净气体需求量不断增加，需要选择更加合
理的材料来适应生产的要求。无油压缩机作为新型产品，目前，产品种类不全，与电机
功率不匹配会带来较大的功率浪费，增加生产成本，因而，需要对无油压缩机进行系列
化设计和最优化设计。随着国民经济的发展及环保要求的越来越严格，无润滑活塞环在
提高使用寿命、降低成本、节能降噪、净化气体及提高运行的安全性等方面的优越性日
趋明显。从小型到大型，从低压到高压都得到应用。随着无油润滑技术的发展，研制出
高性能、低成本的无润滑新材料，开发新的结构型式的全无油压缩机将是目前面临的新
课题。
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：
2.1 要研究和解决的问题
随着技术进步和人民生活水平的提高，对不含油污的洁净压缩空气的需求量越来越大。传统的有油压缩机已经很难满足生产的需求。传统的有油压缩机需要添加润滑油，
在使用时由于密封不严会造成泄漏，污染环境。更为关键的是，由于吸气时的抽吸作用，润滑油会进入气缸，使得压缩空气中含有油污，对后续的生产产生影响。尤其在需要不
含油洁净气源的场合，后续处理比较麻烦。而采用无油润滑压缩机，在气源净化上要比
采用有油机简单得多。这正是本设计选用无油润滑方式的主旨所在。鉴于市场上对小型
压缩机的需求量很大，且往复式压缩机技术发展比较成熟，为此，本课题拟选用W型无油润滑压缩方案。由于W型压缩机的振动会影响压缩机的正常工作，根据相关平衡
设计理论和经验，拟采用夹角为60°的W型布置方案，以期通过优化平衡重配置，降低压缩机的振动。为了防止空气中的灰尘进到气缸，造成气缸的磨损，并防止噪音的污染
在进口处增加空气滤清消音器。
连杆大头与曲柄销之间以及支承曲轴的主轴承多采用带双防尘盖的含脂单列向心
自润滑球轴承。由于是标准件，选用非常方便,但是这种轴承不能中途加脂, 只有在大修拆机时才能补充或更换新脂, 这就带来了诸多不便。本设计拟借鉴马全香等研究成果，探讨采用中途可加脂的连杆大头轴承密封创新结构的可行性。通过在普通球轴承两
侧分别设置两组密封垫圈, 并在轴承的任一侧的密封垫圈和轴承之间设置一个加脂用
隔离垫圈, 隔离垫圈正对着的连杆体上开有通脂孔, 便于加脂结束后用油嘴封堵。为了使空压机结构紧凑、装配和维护方便, 连杆小头采用结构简单、摩擦因数小的单个双列
有保持架的滚针轴承。将活塞销充当轴承内圈并做成中空的,开设供脂通孔,让润滑脂靠惯性力作用从通脂口挤进轴承内部, 以有效延长小头轴承补充新脂的间隔期。注入活塞销中空空间的润滑脂, 可弥补滚针轴承存脂量少的缺点。针对连杆小头孔处温度较高的特点，润滑脂拟选用7014号高温润滑脂或二硫化钼复合钙基润滑脂，以获得较好的润
滑效果。拟在滚针轴承两端加设PTFE密封圈, 以防止润滑脂甩出,尽可能减少滚针轴承处在高温下的漏脂问题。
鉴于压缩机的一阶往复惯性力在满足一定条件时可通过平衡重合理配置予以平衡，
为了解决各列往复运动质量的正确匹配问题，本设计将合理化各往复部件的质量参数。
对活塞组件和连杆组件的质量，通过调整壁厚或结构尺寸，改用活塞销结构形式，采用
不同的材料组合等方法，确保各列往复运动质量相等。
与有油压缩机相比,在基本参数相同的情况下,无油润滑密封元件的工作条件较恶劣,运行件处于干摩擦状态,使用寿命短。从机理上讲,活塞环是靠内缘径向气体力的作
用使其与气缸镜面相接触来密封气体的，随着活塞环外缘的磨损,环的径向厚度减薄,切口尺寸相应增大,由此使气体通过切口的泄漏量也增加,当泄漏量增大到下一道环能承
担的最大压力差时,则第一道环便失去密封作用。为减小活塞环的径向作用力,本设计拟
采用在活塞的两端设置两道支撑环,支撑环的径向厚度及轴向高度根据活塞组件重量、
气缸直径及排气压力等参数确定。在设计中,将特别注重支撑环与气缸间隙δ值的选取[12],既要使支撑环在工作过程中不仅起到良好的导向作用,保护活塞环不发生偏磨,同时让
高压侧气体经过此间隙时节流降压,从而降低活塞环前的压力值,以减小活塞环的磨损，延长活塞环的使用寿命。
探求合理选用径长比、转速等结构参数。根据彭宝成等[13]的研究结论，在1 /7~ 1/6.5之间选择径长比，以有效降低活塞承受的侧压力。转速的选择对压缩机运转的可靠性和
经济性有很大影响。提高转速是提高压缩机排气量的有效途径, 但是随之也会带来诸如降低气阀寿命等诸多负面因素。根据微型有油润滑压缩机的研究经验[14],小型往复活塞式全无油压缩机的工作转速存在一个最佳值或最佳范围, 即转速在600 r/min ~ 800 r/min之间最为适宜。借助现代设计手段优化压缩机的结构。合理选用活塞环材料以适
应高温高压的场合。合理匹配电机，防止出现大马拉小车的现象，以避免造成功率的浪
费。
其它要研究和解决的问题：
确定本设计中采用的压缩机润滑方式及结构。
需由热力学反算法推断出的压缩机的基本结构参数。
探索无油润滑压缩机优化结构的新方法。
分析有油压缩机和无油压缩机零部件通用化的可行性，探讨提升有油压缩机和无油压缩机零部件的通用化程度的途径，以及系列化和配套问题。
探索提升或改善旋转惯性力和往复惯性力的平衡性能的设计方法，减小压缩机振
动。
探索提高中冷效果的方法，如何确保飞轮的合理性。
为确保一阶往复惯性力的平衡，探求各级往复运动质量的合理搭配。
（1）分析影响无油润滑压缩机尺寸的主要因素，探讨解决结构比例不协调的问题。
（2）研究影响易损件寿命的因素，探求提升易损件使用寿命的方法和途径。
（3）分析研究有油压缩机和无油压缩机零部件通用化的可行性，探讨提升有油压缩机和无油压缩机零部件的通用化程度的途径。
（4）研究惯性力的平衡问题，探求各级往复运动质量的合理搭配，改善压缩机的
受力状况。
（5）分析可能产生运转干涉和装配干涉的策源地和原因，防止运转干涉和装配干
涉。
（1）近年来，随着工业技术的发展以及客户对气源品质要求的提高，全无油润滑
空气压缩机的应用越来越广泛。但是，目前全无油润滑压缩机仍存在运行费用高, 泄漏大,制作成本高,可靠性低等缺点。为此,解决全无油润滑技术的关键是采用理想的自润
滑材料和合理的结构。针对我国现有小型无油润滑压缩机产品存在的由于活塞尺寸过长
所致结构不协调问题，有必要通过结构变异设计等必要措施探求对该问题的解决方案。
（2）与传统压缩机相比，无油压缩机的结构比例不如传统的有油压缩机协调，整
体的结构也不如有油压缩机轻巧，需优化压缩机的结构。
（3）装卸困难问题。
（4）连杆大头与曲柄销之间以及支承曲轴的主轴承多采用带双防尘盖的含脂单列
向心自润滑球轴承。由于是标准件，选用非常方便,但是这种轴承不能中途加脂, 只有在大修拆机时才能补充或更换新脂, 这就带来了诸多不便。
（5）压缩机动力平衡和减振问题。
（6）滑脂从唇部与活塞销外圆的缝隙外溢出的问题。
（1）随着科技的进步及人们生活水平的提高，传统的有油压缩机已很难达到工艺
及人们健康的要求。如增设除油设备，不但增加了成本而且气体的洁净程度也是不太理想。
（2）压缩机运转过程中会引起振动。其不仅减少了压缩机各部件的使用寿命而且
带来了噪声污染。
（3）活塞环由聚四氟乙烯制成。由于聚四氟乙烯的材料的弹性较差，活塞环与气
缸之间的预紧力不易达到设计要求，对气密性造成一定影响。
（4）我国传统有油压缩机的阀片常采用环状阀。但此种阀片应用在无油压缩机上
会出现诸多问题。如由于没有润滑油的冷却，阀片在长时间的开关过程中容易发生断裂，另外阀片与导向块间存在摩擦力，不但使阀片不能迅速的开启及关闭，而且由于摩擦作
用阀片的温度也会升高。故无油压缩机应选择一个新的阀片结构。
（5）无油压缩机曲轴箱为干式结构, 其连杆大、小孔、曲轴前后主轴承一般均采
用双端口密封的含脂球轴承。密封于轴承内的润滑脂会在长期的运转中由于温度升高而
使油脂发生蒸发和氧化分解, 脂中的稠化剂也会变质而失去稠化效果。由于脂性能的改变, 使用效果急剧下降, 如不及时添加新油将会直接损坏轴承甚至机器。
2.2 拟采用的研究手段及途径
（1）考虑到无油压缩机结构太大的主要原因是导向环材料PTFE所能承受的压力比金属的小，为优化结构，减小气缸和活塞长度，需要从减小侧压力入手。传统的活塞
式压缩机气缸中心线与曲轴回转中心线共面，本设计拟采用气缸中心线和曲轴回转中心不共面结构，即在气缸中心线和曲轴回转中心线间设置偏心距,借助现代设计工具进行推演计算和设计，以期在适当的偏心距和旋转方向下，使侧压力减小到一定范围，从而使
缩短活塞的长度，减小结构尺寸。
（2）依据参观、实践获得的实际数据，参阅大量国内外相关资料，合理选取各主
要零件的材料，进行结构设计和优化,以确保其长期安全运行,延长易损件的使用寿命。
（3）在无油压缩机设计过程中，探讨借用有油压缩机的现有零件的新方法，以提
高通用化，降低生产成本。
（4）本方案拟采用气缸夹角为60°的W型设计，以便为有效的解决压缩机的动力问题创造条件。另外，探求借鉴附加平衡重的方法来平衡惯性力，以期降低压缩机的振动。拟借助UG等计算机辅助工具，精确测算各列活塞组件和连杆组件的质量，通过改
变活塞壁厚或结构尺寸，改用空心或实心活塞销结构，采用不同的材料组合等方法，确
保各列往复运动质量相等。
（5）借助有关研究成果，选取合理的结构参数，运用CAD 或UG软件进行辅助设计、装配、模拟、仿真，利于及早发现运行或装配缺陷，提高设计效率和质量。探讨
避免运转的干涉和装配干涉的设计手段和方法。
无油压缩机采用无油润滑技术，可以有效保证压缩气体的清洁。而采用无油压
缩技术的关键是解决相对运动件间的润滑问题，最常用方法是在气缸和活塞之间增
设导向环。导向环用填充聚四氟乙烯（PTFE）制成，借助机械和化学作用，相对运
动时会在气缸表面形成一层聚四氟乙烯镀膜，由于聚四氟乙烯的分子结构特殊，使
聚四氟乙烯之间得摩擦系数很小，从而实现自润滑。
压缩机的驱动机和压缩机主机是一个有机的整体，一个完善的设计，不但要确
保压缩机主机的性能优越，亦应追求压缩机主机与驱动电机的最佳匹配[11]。采用按
电动机额定功率来确定压缩机主要结构参数的计算设计方法，即所谓的热力学反算
法，应该是一种不错的选择。反算法的主要思路是从驱动电机的额定功率入手，根
据目前压缩机行业通行的排气压力系列，合理控制驱动机功率储备系数，逐个逆推
出配套的压缩机主要结构参数，如气缸直径和排气量，以达到供需协调的根本目的。
作为现代设计手段，本设计拟借助UG或CAD等计算机辅助工具，精确测算各列活塞组件和连杆组件的质量，通过改变活塞壁厚或结构尺寸，改用空心或实心活塞销结构，采用不同的材料组合等方法，确保各列往复运动质量相等。