压缩机设计说明书 主要零部件设计
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3 主要零部件设计 3.1 活塞环的设计 3.1.1活塞环的结构设计及材料选择 在活塞式有油润滑压缩机中,活塞环是关键的零件之一,活塞环是密封气缸镜面和活塞间的缝隙用的零件它设计质量的好坏直接影响到压缩机的排气量、功率、密封性及可靠性,从而影响到压缩机的使用成本。活塞环的材料及结构尺寸的选择对其寿命起至关重要的作用。 活塞环的材料通常有灰铸铁、合金铸铁。本设计选用灰铸铁。 常用的活塞环的结构有4种:直切口式、斜切口式、搭接口式、组合式。 1)直切口式。该结构加工简单,但压缩机气体泄漏量大,但易于满足工艺要求。 2)斜切口式。该结构压缩机气体泄漏量及加工难易程度介于直切口式与搭接口式之间,使用最为广泛。大部分进口压缩机及国产压缩机的活塞环均采用该结构。 3)搭接口式。该结构压缩机气体泄漏量很少,加工最复杂,一般用于压力较大的场合[6]。 4)组合式。直口环和斜切口式组合使用。 本课题采用直切口式 3.1.2 活塞环数的确定 活塞环的环数可按以下式[7]计算: 10np (3-1)
式中:n ―活塞环的环数; p―活塞两边最大压差,MPa。 则: 一级活塞环:10(0.31890.1)1.48n; 二级活塞环:10(13.50.1)3.54n。 考虑到要减小活塞尺寸,活塞环不应取太大,且据实际应用经验,取2n就能保证其寿命,同时考虑到一、二级活塞环数相等因此取两级环数2n。 3.1.3 活塞环主要尺寸的确定 δ 由《活塞压缩机设计》表4-36可查的活塞环的形式与尺寸: 外径 径向厚度 轴向高度 推荐热间隙 自由开口 径向弹力 重量 D(mm) 工称尺寸 公差 h(mm) 直口δ(mm) A(mm) Q(N) G(kg)
80 3.2 ±0.125 3 0.50 ~0.70 10.0 4.1 0.0170 65 2.8 ±0.125 2.5 0.40 ~0.55 7.00 2.8 0.0092
3.2 刮油环的设计 刮油环的材料通常选用 VTi合金铸铁。 一级刮油环[14]:外径取一级缸径尺寸D为80mm,径向厚度t取为3.2,轴向高度h取为4mm,开口热间隙δ取为0.4mm,自由开口宽度A取为10mm; 二级刮油环:外径取二级缸径尺寸D为65mm,径向厚度t取为2.8,轴向高
图 3.1 活塞环结构示意图 度h取为4mm,开口热间隙δ取为0.4mm,自由开口宽度A取为10mm; 3.3 活塞的设计 3.3.1 活塞的结构形式 活塞的基本结构型式有:筒形、盘型、级差式、组合式等。对于微小型无十字头的压缩机,一般采用筒形活塞,通过活塞销与连杆相连。 3.3.2 活塞的材料 由于一、二级气缸直径相差不多,所以一、二级活塞可以选择同一种材料,以便取得相同的质量,从而平衡惯性力,选择ZL110。
hLh
H
DD
h
3.3.3 活塞的结构尺寸 (1) 不计密封环和刮油环高度时的活塞高度[3]:
][1maxkDNH (3-2)
式中:Nmax―最大侧向力,N,maxmaxNP,14; maxP―最大活塞力,N;
D―活塞直径,m; [k1] ―筒形活塞支撑面的许用比压,][1k0.15 MPa ~0.30MPa,高转速压
3-2 活塞结构示意图 缩机为降低运动质量取大值,低转速压缩机为减小摩擦取笑值。本设计取][1k0.2MPa,
一级活塞:6122021040.0344m34.4mm0.080.2H 二级活塞:6144061040.0847m84.7mm0.0650.2H (2) 活塞的总高度: 3HHnhmh (3-3) 式中:n―活塞环数; m―刮油环数 h―活塞环的轴向高度,mm;
3h―刮油环的轴向高度,mm。 一级活塞:34.4231444.4Hmm; 二级活塞:84.722.51493.7Hmm。 活塞总高度H与活塞直径D一般为: H(0.65~1.5)D (3-4) 一级活塞:D=80mm, H(52~120)mm ,取D95 mm 二级活塞:D=65mm, H=(40.3~97.5)mm, 取D95 mm (3) 活塞顶面至第一道活塞环的距离:c(1.2~3)h 一级活塞:取c(1.2~3)×3= (3.6~9),取c5 mm 二级活塞:取c(1.2~3)×2.5= (3~7.5),取c5 mm (4) 活塞环之间的距离:c1 (0.8~1.5)h 一级活塞:c1(0.8~1.5)×3= (2.4~4.5),取c3.5 mm 二级活塞:c1(0.8~1.5)×2.5= (2~3.75),取c3.5 mm (5) 群座到底边的高度L约为0.7H, 一级活塞:L0.7H0.7×9566.5 取:L66 mm 二级活塞:L0.7H0.7×9566.5 取:L66mm (6) 活塞销中心线到底边的距离h1约为0.6L: 一级活塞:h10.6L0.6×6639.6mm 取:h140 mm 二级活塞:h10.6L0.6×6639.6mm 取:h140 mm
3.4 活塞销的设计 3.4.1 活塞销的材料 活塞销连接了活塞和连杆,在活塞运动过程中,承受连杆的重量和连杆作用在活塞销的力,所以活塞销要有足够的强度和刚度。综合考虑选择20Cr。 3.4.2 活塞销的主要结构尺寸的确定 活塞销的尺寸,根据最大活塞力作用下活塞销投影工作面上的许用比压初步确定后,按弯曲和剪切作用校核其强度。活塞销的计算尺寸如图所示。 (1) 活塞销直径d
][2max0kPdl (3-5)
图3-3 活塞示意图 式中:Pmax―最大活塞力,N; d ―活塞销直径,m;
l0 ―连杆铜套长度,按l0 (1.1~1.4)d的范围选取; [k2] ―活塞销许用比压,活塞力始终在一个方向时,[k2]120×105Pa ~150×105Pa;活塞力的方向有变化时,[k2]150×105Pa ~250×105Pa。 因为活塞力有变化,取[k2] 200105Pa,则一级活塞销:
25
22021.220010d
,d0.00958m9.58mm,取d20mm
二级活塞销: 25
44061.220010d
,d0.0135m13.5mm,取d20mm
(2) 活塞销座处的表面压力按下式确定:
ldpq2maxMPa (3-6)
式中:q―表面压力,MPa; d―如图所示,为活塞销外径,mm; l―活塞销在一侧销座中的支撑长度,mm。
表面压力的许用值: 活塞销在销座中为紧固支撑,铸铁活塞][q(35 ~40)MPa。
图3-4 活塞销计算简图 图 3-5 活塞销座计算尺寸
dl'Ⅰ
ⅠⅡⅡL
dd
0
l0一级活塞:d20mm,取l13mm,则: 22024.2322013q
MPa,在允许范围内;
二级活塞:d20mm,取l10mm,则: 440611.01522010q
MPa,在允许范围内。
(3) 进行弯曲验算时,把活塞销看作两端自由支撑的梁,与连杆接触长度l0上承受均布载荷,如图所示,中间截面的弯曲应力最大,其值为:
4040max24.0dddllPB
MPa (3-7)
式中: B―弯曲应力,MPa; Pmax―最大活塞力,N;
l ―活塞销座支撑长度中点间的距离,mm; l0 ―连杆轴承的宽度,mm; d0 ―活塞销中心孔径,mm,一般取d0=(0.6~0.7)d。 许用弯曲应力:碳素钢][B90MPa;合金钢][B150MPa。 连杆小头的宽度l01.2×20=24mm;活塞销中心孔径选择d00.65×20=13mm;连杆铜套与活塞销座之间应留出一定间隙,取间隙为5mm; 则活塞销总长:
022llL (3-8)
一级活塞销: L2×5+2×13+2460mm
二级活塞销: L2×5+2×10+2454mm
一级活塞销:
4422022420600.422013B
=40.21MPa
二级活塞销: 44440624205470.390.422013B
MPa