課程設計--油田套管氣回收專用壓縮機設計

1、<p><b>　　引 言</b></p><p>　　壓縮機是用來提高氣體壓力和輸送氣體的機械，屬于將原動機的動力能轉變?yōu)闅怏w壓力能的工作機。它的種類多、用途廣，有“通用機械”之稱。</p><p><b>　　壓縮機設計的意義</b></p><p>　　在石化領域[8]，往復式壓縮機主要是向大容量、高壓力、

2、低噪聲、高效率、高可靠性等方向發(fā)展；不斷開發(fā)變工況條件下運行的新型氣閥，提高氣閥壽命；在產品設計上，應用熱力學、動力學理論，通過綜合模擬預測壓縮機在實際工況下的性能；強化壓縮機的機電一體化，采用計算機自動控制，實現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運行和聯(lián)機運行； 在動力領域，活塞式壓縮機目前占有主要市場。但隨著人們對使用環(huán)境及能耗、環(huán)保等方面要求的提高，螺桿和渦旋空氣壓縮機開始占有一定的市場； 在制冷空調領域，往復式制冷壓縮機作為一種傳統(tǒng)的制冷壓縮機，適用于制

3、冷量較廣范圍內的制冷系統(tǒng)。雖然目前它的應用還比較廣泛，但市場份額正逐漸減小。</p><p>　　活塞壓縮機的工作原理</p><p>　　活塞式壓縮機包括：構架包括含有放電室和冷卻室的缸蓋。冷卻室是鄰近放電室并包圍著放電室。構架還包括了一個吸入室，壓縮室和一個曲柄室。冷卻室是孤立于吸入室。氣體是從構架外面進入吸入室?？尚D旋轉軸支持整個構架。凸輪安置在曲柄室內?；钊峭ㄟ^凸輪連接到旋轉軸

4、。旋轉軸的旋轉轉換為活塞的往復。密封構件切斷冷卻室和外部的溝通，使得壓縮機氣缸蓋密封。通過引入一個互連的冷卻室和曲柄室。</p><p>　　當曲軸被電動機帶動旋轉時，通過連桿使活塞在汽缸內往復運動。在汽缸頂部外圈裝有環(huán)形吸氣閥片，頂部中央則裝有環(huán)形排氣閥片，閥片上均設有氣閥彈簧。汽缸內的活塞由上向下移動時，缸內容積增大，壓力下降，于是吸氣管中壓力為P1的空氣便頂開吸入閥進入缸內，直到行程的下死點為止，這樣便完成

5、了一個吸入過程。當活塞從下死點向上回行時，被吸入的氣體受到壓縮，壓力因而升高，吸氣閥片在缸內氣體壓力和彈簧的作用下迅速關閉，活塞繼續(xù)上行，缸內容積不斷減小，壓力升高，當缸內壓力升到P2時，氣體便頂開排氣閥進入排氣管路，活塞繼續(xù)上行，直到上死點。當活塞由上死點向下死點回行時，排氣閥在彈簧和排氣管中壓力的作用下關閉，壓縮機又開始下一個吸氣過程。如此周而復始，完成循環(huán)。</p><p><b>　　活塞壓縮機

6、的分類</b></p><p>　　往復壓縮機分類方法很多[7]：1、按在活塞的一側或兩側吸、排氣體，可分為單動和雙動往復壓縮機；2、按氣體壓縮次數(shù)可分為單極、雙極和多級壓縮機；3、按壓縮機所產生的最終壓力可分為低壓、中壓和高壓壓縮機；4、按排氣量可以分為小型、中性和大型壓縮機；5、按壓縮氣體的種類可分為：空氣壓縮機、氨壓縮機、氫壓縮機等。</p><p><b>　

7、　壓縮機的發(fā)展前景</b></p><p>　　隨著近幾年經濟的飛躍發(fā)展，行業(yè)集中度有所提高，供貨進一步向大企業(yè)集中，氣體壓縮機產業(yè)向布局逐步合理的新局面發(fā)展。通過經濟戰(zhàn)略性重組的推進，不少劣質企業(yè)退出，優(yōu)秀企業(yè)已找準定位，突出主業(yè)，不斷做大做強，達到強強聯(lián)合，承擔起國家重大技術裝備項目。在相關政策方面，為應對全球性金融危機對我國經濟的影響，早在09年年初，國家已經制定了一系列的刺激經濟方案，重點調整

8、振興包括石化、冶金等氣體壓縮機的下游產業(yè)在內的十大產業(yè)。這些措施對氣體壓縮機產業(yè)的發(fā)展起到了積極的影響，這也是2009年下半年壓縮機行業(yè)經濟逐漸利好的主要原因。在開拓國際市場方面，壓縮機行業(yè)應積極而謹慎地探索自己的國際化道路。目前，壓縮機行業(yè)國際化步伐緩慢，尤其是在2009年一整年中，壓縮機出口形勢都不容樂觀，這主要表現(xiàn)在國內壓縮機行業(yè)技術發(fā)展水平與國外同類企業(yè)存在一定差距，尤其是目前還沒有形成真正意義上的具有國際競爭力的大型國際企業(yè)集

9、團。未來三年，我國石油、化工、冶金、船舶、環(huán)保、清潔能源等行業(yè)將進一步發(fā)展，壓縮機市場需求前景依然看好。如大推力往復式壓縮機、工藝螺桿壓縮機、大排量無油壓縮機、高壓大排量壓縮機、機車配套壓縮機、低噪聲船用</p><p>　　2010年，是壓縮機行業(yè)發(fā)展的新起點，預計行業(yè)未來呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢。首先是結構調整將有重大突破。當前我國壓縮機行業(yè)存在一系列深層次的結構性矛盾，包括總體產能過剩，低水平產能比重過大；企業(yè)規(guī)

10、模小而且分散，產業(yè)集中度低；生產力布局不合理現(xiàn)象依然存在；企業(yè)節(jié)能減排的任務重；科技創(chuàng)新能力不強；資源控制力不強，保障體系建設滯后等。這些深層次的結構性矛盾，決定了2010年壓縮機行業(yè)必須下大力量，突出抓好結構調整，實現(xiàn)產業(yè)升級，認真解決影響壓縮機行業(yè)發(fā)展的重大問題。第二，行業(yè)內要大力推動共性技術研究開發(fā)，掌握核心技術、關鍵技術的自主知識產權。當前，壓縮機行業(yè)共性技術的科研經費投入不足，研究開發(fā)力量薄弱。2010年，各企業(yè)應加大在我國重

11、點培育自主知識產權的技術裝備研發(fā)力量。可以有計劃、有步驟地加強國家重點實驗室、國家工程技術研究中心、行業(yè)科研院所等共性技術研究開發(fā)平臺的建設，重點支持原創(chuàng)性技術、共性技術及戰(zhàn)略性關鍵技術的研究開發(fā)，并培養(yǎng)一支既精通基礎技術又熟悉行業(yè)技術的高科技人才隊伍，努力掌握核心技術、關鍵技術和重要產品的自主知識產權。第三，進入加快發(fā)展制造服務業(yè)階段。當前，壓縮機行業(yè)存在一些不利于</p><p>　　與國外往復式壓縮機技術水

12、平相比，我國的主要差距為基礎理論研究差，產品技術開發(fā)能力低，工藝裝備和實驗手段后，產品技術起點低，規(guī)格品種、效率、制造質量可靠性差。另外，技術含量高和特殊要求的產品還滿足不了國內需求。</p><p><b>　　壓縮機設計說明</b></p><p>　　本說明書包括活塞式壓縮機的總體設計，熱力、動力計算，主機和輔助設備的結構設計和計算，潤滑，排氣量調節(jié)以及安裝調整

13、等內容，還介紹了國內已經使用的各種活塞式壓縮機的結構特點。此外，壓縮機設計計算時所涉及的單位換算，常用數(shù)據(jù)、公式和材料，氣體特性圖表。</p><p>　　由于本人的專業(yè)知識有限，本設計的誤差和缺點在所難免，希望老師批評指正，以期在以后加以充實完善。</p><p>　　已知的參數(shù)和壓縮機主要結構參數(shù)的選取</p><p>　　套管氣的主要成分是甲烷，所以一些參數(shù)可

14、按甲烷來查由ZW-0.55/1-15型可知，本次設計的是立式、無油潤滑壓縮機。其已知參數(shù)為： </p><p><b>　　相對濕度 </b></p><p><b>　　絕熱指數(shù) </b></p><p><b>　　第一級吸氣溫度</b></p><p><b&g

15、t;　　第二級吸氣溫度</b></p><p><b>　　額定排氣量</b></p><p><b>　　額定進氣壓</b></p><p><b>　　額定排氣壓</b></p><p>　　在進行熱力計算前先要選定主要結構參數(shù)，包括轉速n和行程S。轉數(shù)和行程的

16、選取對機器的尺寸、重量、制造難易和成本有重大影響，并且還直接影響機器的效率、壽命和動力性。</p><p>　　本次設計中已知額定排氣量為1等于1，額定排氣壓為1.5MPa，根據(jù)郁永章《活塞式壓縮機》可知此壓縮機為微型中壓壓縮機。由《活塞式壓縮機設計》可查得微型和小型壓縮機的轉數(shù)n=1000～3000轉/分，在次設計中取n=1440轉/分。</p><p>　　在常壓進氣時，一般當轉數(shù)高于

17、500轉/分時， 0.32～0.45 。</p><p><b>　　熱力計算</b></p><p>　　3.1活塞式壓縮機級的確定</p><p>　　由額定排氣壓力和額定進氣壓力（均是表壓）可知其總壓力比為</p><p>　　下表是目前所使用的從常壓進氣的一些壓縮機的級數(shù)，這些壓縮機基本上具有較好的性能和較好的效

18、率，可供設計選型參考。</p><p><b>　　表3.1</b></p><p>　　已知終壓為1.5MPa,根據(jù)表2.1可初步選定該壓縮機的級數(shù)Z=2.</p><p>　　3.2. 壓力比的分配</p><p>　　理論推導表明，對于理想氣體，各級回冷完全時，按等壓力比分配總壓力比，等溫指示效率最高。對于實際氣體

19、，各級消耗相等時，等溫指示效率最高，故按各級功耗相等的原則分配壓力比。已知總壓力比，按等壓力比分配如下：</p><p>　　一般第一級的壓力比取小一些以保證第一級有較高的容積系數(shù)，所以取3.6</p><p><b>　　則</b></p><p>　　3.3.初步確定各級名義壓力</p><p>　　由第一級進氣壓力

20、和壓力比可求得第一級排氣壓力：即</p><p>　　=0.1×3.6=0.36</p><p>　　第一級排氣壓力即是第二級的吸氣壓力，具體如下表：</p><p><b>　　表3.2</b></p><p>　　3.4.各級的排氣溫度</p><p>　　取壓縮過程指數(shù)n = 1.

21、1 </p><p>　　3.5.確定各級容積效率</p><p>　?、糯_定各級容積系數(shù) 取各級相對余隙容積和膨脹指數(shù)如下。</p><p><b>　　得</b></p><p><b>　?、七x取壓力系數(shù)</b></p>

22、<p><b>　?、沁x取溫度系數(shù)</b></p><p><b>　?、冗x取泄露系數(shù)</b></p><p><b>　　A</b></p><p><b>　?、纱_定容積效率</b></p><p><b>　　于是可得：<

23、;/b></p><p>　　3.6.確定析水系數(shù)</p><p>　　第一級無水析出，故。而各級進口溫度下的飽和蒸汽壓Psa 查文獻得 </p><p>　　3.7.確定各級行程容積</p><p>　　3.8.確定各級氣缸直徑，行程和實際行程容積</p><p>　　已知轉速n=1440轉/分，取行程S

24、=100mm,得活塞的平均速度</p><p>　　取活塞桿直徑d=30mm,得第一級氣缸直徑</p><p>　　根據(jù)氣缸直徑標準，圓整為90mm</p><p><b>　　實際行程容積為：</b></p><p><b>　　活塞有效面積為：</b></p><p>　

25、　同理，可得第二級氣缸的直徑：</p><p>　　根據(jù)氣缸直徑標準，圓整為60mm。</p><p><b>　　實際行程容積為：</b></p><p><b>　　活塞有效面積為：</b></p><p>　　考慮到圓整值與計算值之間的差值，這里采用維持壓力比不變，調整相對余隙容積的方法，利用

26、下式計算容積系數(shù)：</p><p>　　而于是得新的容積系數(shù)： </p><p>　　再通過下式計算新的相對余隙：</p><p><b>　　結果得： </b></p><p><b>　　3.9.計算活塞力</b></p><p>　?、庞嬎銓嶋H吸排氣壓力，各級進、排

27、氣相對壓力損失取值，各級進、排氣壓力和實際壓力比。</p><p>　　第一級吸氣壓力 排氣壓力，查相關資料和圖表選取第一級進氣壓力損失和排氣壓力損失分別為 則實際壓力及壓力比為：</p><p>　　第二級吸氣壓力 排氣壓力查相關資料和圖表選取進氣壓力損失和排氣壓力損失分別為 則實際壓力及壓力比為：</p><p><b>　　具體如下表：&

28、lt;/b></p><p>　　表3.3 各級進排氣壓力和實際壓力比</p><p>　　⑵活塞力的計算 首先計算蓋側和軸側活塞的工作面積見表3.4；止點氣體力計算見表3.5</p><p>　　表3.4蓋側和軸側活塞工作面積</p><p>　　表3.5止點氣體力計算</p><p>　　3.10.

29、計算軸功率并選配電機</p><p><b>　　各級指示功率為</b></p><p><b>　　總的指示功率為</b></p><p>　　取機械效率，所以軸功率為</p><p>　　取電機功率余度為10％則電機功率取40KW</p><p><b>　　壓

30、縮機動力計算</b></p><p><b>　　.已知條件和數(shù)據(jù)</b></p><p>　　根據(jù)第一部分熱力計算的結果，得出所用數(shù)據(jù)如下所示：</p><p>　　活塞行程：s = 100mm</p><p>　　轉 速：n = 1440轉/分</p><p>　　壓縮機各級

31、汽缸氣體力指示圖</p><p>　　設計的壓縮機為單缸作用兩級壓縮機，各級汽缸參數(shù)及力學情況已知，則相應一些部分可以簡化，作汽缸的動力計算?，F(xiàn)用作圖法作汽缸示功圖。</p><p><b>　?、艅恿τ嬎慊緮?shù)據(jù)</b></p><p><b>　　表3.1蓋側活塞力</b></p><p>&l

32、t;b>　　相對余隙容積 </b></p><p>　　絕熱指數(shù)k=1.32</p><p>　　由 ，查表選?。?lt;/p><p>　?、?第一級確定設計示功圖中的力比例尺和長度比例尺</p><p>　　選取:力比例尺 ：100N/mm</p><p>　　長度比例尺：1 mm/mm<

33、/p><p>　?、牵诩壌_定設計示功圖中的力比例尺和長度比例尺</p><p>　　選取:力比例尺 ：100N/mm</p><p>　　長度比例尺：1mm/mm</p><p>　　.作圖法繪制綜合活塞力圖</p><p>　?。?） 將設計示功圖展開在橫坐標為2s的綜合活塞力圖上，縱坐標與設計示功圖中的力的比例尺相

34、同。</p><p>　?。?） 按勃列克斯近似作圖法在展開的設計示功圖下方作兩個半圓找出行程s與曲柄銷轉角的關系，轉角每等份取</p><p>　?。?） 列出一級往復慣性力數(shù)值表</p><p>　　曲柄半徑與連桿長度比：查資料 取</p><p>　　曲軸旋轉角速度： </p><p><b>　　曲

35、柄銷旋轉半徑：</b></p><p>　　由熱力計算數(shù)據(jù)可知最大活塞力為2.336kN,取</p><p>　　由公式 代入數(shù)據(jù) </p><p>　　往復質量在運動時產生的往復慣性力I為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p>

36、<p>　　現(xiàn)將查得與和I的值如表4.2所示</p><p><b>　　表4.2</b></p><p>　?。▎挝唬篘 -mm）</p><p>　　列出二級往復慣性力數(shù)值表</p><p>　　曲柄半徑與連桿長度比：查資料 取</p><p>　　曲軸旋轉角速度： </

37、p><p><b>　　曲柄銷旋轉半徑：</b></p><p>　　由熱力計算數(shù)據(jù)可知最大活塞力為6.413kN,取</p><p>　　由公式 代入數(shù)據(jù) </p><p>　　往復質量在運動時產生的往復慣性力I為：</p><p><b>

38、　?。?-3）</b></p><p>　　現(xiàn)將查得與和I的值如表4.3所示</p><p><b>　　表 4.3</b></p><p>　?。▎挝唬篘 mm）</p><p>　?。?）計算往復摩擦力</p><p><b>　　查資料知，</b><

39、/p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　.切向力圖</b></p><p>　?。?）第一級切向力曲線的繪制</p><p>　　確定飛輪矩之前,需作出壓縮機各列的切向力圖.先求出各個曲柄轉角處的切向力值,然后以曲柄轉角為橫坐標作出的切向力曲線稱為切向力圖.用作圖法求得

40、的綜合活塞力通常是以行程為等分的，而切向力圖是以角度為等分的,因此,在求得各點的切向力之前,需將綜合活塞力圖上的位移轉換成相應的轉角,然后在綜合活塞力圖上取得作用在曲柄銷上的連桿力 (分解成切向力T和徑向力R)。</p><p>　　式中：---代表活塞力</p><p>　　按曲柄轉角求得的綜合活塞力乘以因子,即得轉角時的切向力值,其值可按資料《活塞式壓縮機設計》表3-4取出。作切向力圖

41、 以縱坐標表示切向力,其比例尺與活塞綜合力相同,橫坐標為按圓周長的展開得到的平滑線.取240mm表示100 .</p><p>　　由于存在旋轉摩擦力的影響，可得：</p><p>　　選取比例尺：力比例尺： 長度比例： </p><p>　　將橫坐標向下移動相當于的距離和總切向力曲線以移動后的新橫坐標為計算依據(jù)。</p><p>　　按上

42、公式計算各點切向力，然后根據(jù)疊加值繪制第一級總切向力圖。第一級切向力和綜合活塞力如表4.4</p><p>　　表4.4 一級綜合活塞力和切向力值</p><p>　?、频诙壡邢蛄η€的繪制</p><p>　　按⑴中公式計算各點切向力，然后根據(jù)疊加值繪制第二級總切向力圖。第二級切向力和綜合活塞力如表4.5</p><p>　　表4.5二級

43、綜合活塞力和切向力值</p><p>　?、强偳邢蛄η€的繪制</p><p>　　將第一級和第二級的切向力疊加如表4.6</p><p><b>　　表4.6</b></p><p><b>　　.壓縮機零部件設計</b></p><p><b>　　曲軸設計&l

44、t;/b></p><p>　　5.1.1 曲軸設計基本原則</p><p>　　1.曲軸的軸頸要有適當?shù)某叽?，使配用的軸承能有勝利的負荷能力；</p><p>　　2.曲軸要有足夠的強度，以承受交變彎曲與交變扭轉的聯(lián)合作用。曲軸的各危險斷面，尤其是高度應力集中現(xiàn)象存在的軸頸和曲柄過度圓角處，要進行強度校核。</p><p>　　3.曲

45、軸要有足夠的剛度。軸頸偏轉角不應超過許用值以保證軸承可靠地工作。在采用懸掛電動結構時，電機轉子中心的撓度不應超過許用值，以保證電機正常工作。</p><p>　　5.1.2 曲軸機構尺寸的計算</p><p><b>　　1.曲柄銷的直徑</b></p><p>　　式中 P——最大活塞力（N）</p><p>　　根據(jù)

46、設計手冊選定曲柄銷的直徑為</p><p><b>　　2.主軸頸直徑</b></p><p>　　計算主軸頸選定直徑為38mm。</p><p><b>　　3.軸頸長度</b></p><p>　　軸頸長度要與軸承寬度相適應，在非定位軸處，軸頸直圓柱部分要的長度要比軸承寬度適當大些，使軸頸與軸承

47、沿軸線方向有相互常動的余地，以適應制造偏差和曲柄熱膨脹的影響。</p><p><b>　　4.曲柄厚度</b></p><p><b>　　5.曲柄寬度</b></p><p><b>　　連桿的計算步驟</b></p><p>　　① 連桿大頭軸瓦的計算</p>

48、<p>　?、?連桿小頭軸瓦的計算</p><p><b>　?、?連桿的計算</b></p><p><b>　　④ 連桿螺栓的計算</b></p><p>　　5.1.1 主要尺寸計算</p><p>　　5.1.2 連桿的計算</p><p><b&

49、gt;　　連桿加工工藝規(guī)程</b></p><p>　　6.1 連桿加工技術要求</p><p>　　連桿是重要零件，加工不正確會使大頭軸瓦、小頭襯套、曲軸主軸瓦、活塞與氣缸或十字頭與滑道等摩擦性質變壞，磨損加快，功率損失加大，壽命降低，甚至發(fā)生沖擊、咬死、燒壞和被迫停車，所以對連桿的加工提出一定的技術要求，主要要求如下：</p><p>　?、判☆^孔的

50、公差帶為H7，粗糙度為Ra1.6～0.4um,大頭孔的公差帶當采用薄壁軸瓦為H7,粗糙度為Ra1.6～0.8 um以上,當采用厚壁軸瓦時為H9,粗糙度不大于Ra1.6um。</p><p>　?、坡輻U孔的公差帶為H9,粗糙度為Ra1.6 um。</p><p>　?、沁B桿體大小頭孔圓柱度不底于7級。</p><p>　?、冗B桿體大小頭孔周軸心線在軸心線公共平面上的平

51、行度不底于6級，在連桿橫向剖面上的平行度不底于7級。</p><p>　?、蛇B桿大頭孔軸心線對其端面的垂直度為7級。</p><p>　　⑹連桿螺栓孔軸心線的縱向平行度不底于9級。</p><p>　　⑺連桿螺栓孔軸心線與支承面的垂直度應不底于7級。</p><p>　　6.2 連桿的機械加工過程</p><p>　　

52、連桿毛坯的鍛造工藝有兩種方案：連桿體與連桿蓋分開鍛造或者連成一整體鍛造，分開鍛金屬纖維方向是連續(xù)的（圖4-1a）,具有較高的強度，工作時不易變形，而整體鍛造的連桿（圖4-1b）在隨后的切斷加工后，金屬纖維是割斷的，擔可提高材料利用率。當沒有足夠壓力噸位的鍛壓設備時，或者某些結構的連桿（圖4-1c），其桿蓋中間有凹坑，無法整體鍛造，只有分開鍛造。</p><p>　　圖6-1整體鍛與分開鍛連桿的纖維方向</p

53、><p>　　表6-1為連桿機械加工的一個全過程。毛坯為模鍛，大頭孔在精加工完畢后切開，小頭孔在壓入襯套后在精加工襯套孔，這樣就容易保證它們的最終尺寸精度與相互位置精度。由于該連桿大、小頭具有落差，故增加車削小頭兩端面的工序。一般，連桿蓋與連桿體不能互換，該工藝過程適合于年產數(shù)千件的成批生產。</p><p>　　表6-1 連桿機械加工工藝過程</p><p>　　對于

54、普通碳鋼，鍛后要正火，以改善金相組織、機械性能和消除內應力，此種正火是鍛件獲得最后組織的熱處理，而對于合金鋼鍛造毛坯，則是先退火，后粗加工，然后在精加工前進行調質處理。</p><p>　　鑄造連桿桿身為減輕重量一般采取工字形截面，且鑄造后其桿身不進行機械加工，材料利用率高。</p><p>　　對于球墨鑄鐵連桿毛坯的熱處理視材料的牌號而定，有的是退火（對QT40-10），有的則是正火加回