双螺杆空气压缩机结构分析和设计含11张CAD图
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双螺杆空气压缩机设计分析,学生姓名:XXX 学院:XX 专业:XX 班级:XX 学号: XXX 指导老师:XXX,设计背景,双螺杆压缩机近几十年来得到了飞速的发展,国内外对它的研究也有了很大的突破。压缩机因其结构简单,零部件标准化,安装拆卸方便,应用范围广,在生活中被广泛的使用。 本文就在这样的一个时代背景下,对双螺杆空气压缩机进行了系统的分析。对它的一对主要的阴阳转子进行了新型型线设计,进行了简单的有限元分析。,整体结构图,主视图和工作图,工作原理,压缩机工作主要是其中的一对转子 工作过程如下:吸气压缩排气 吸气:阴阳转子啮合脱离,形成真空的齿间容积,与吸气孔相连接。在空气压力差作用下,不断吸进气体直到结束 压缩:转子继续啮合,气体未与吸出气孔连接,气体随着容积压缩而压力值变大 排气:齿间容积气体在不断前移,到容积区与排气孔相通,在压力差作用下排出气体,直至结束,阴阳转子图,转子型线分析图,有限元分析图,论文总结,此次关于空气压缩机的设计,让我了解到压缩机在最近几十年的快速发展和应用。对机械行业的发展有了更直观的认识。 在设计制图过程中,学会了更好的分析问题,纠正了自己很多的小细节错误。 在用ANSYS 分析中,虽然只是简单的分析了转子的应力,形变。但是也了解到有限元的精深,和广泛用途。在今后的学习中,会不断学习它的。,感谢,感谢各位老师的细心收听 感谢咸老师的悉心指导, 双螺杆空气压缩机设计摘 要近年来,伴随着我国经济,工业水平的不断提高和发展,噪声比较小,寿命相对较长,压缩效率非常高,性能稳定且平衡的供气设备逐渐引起了大家的关注。双螺杆压缩机凭借优异的功能,其可靠性,操作维修,适应性,以及其他特点被应用在各种工业场合。类似于化工,机械,医疗,国防工程,金属冶炼,土木建筑等多个工业部门。八十年代后,随着其技术的成熟,其运用范围也在始终的扩充。又因为双螺杆压缩机目前已经系列化,零件相对较少,其在所有压缩机中,其份额已经占了一半,市场份额也超过了23。因此,研究双螺杆压缩机的意义是具有特殊性和重要性的。双螺杆压缩机是回转式压缩机的一种,其运动原理主要是通过转子的运动引起容积的变化,进而使气体发生改变。因此研究重点是其中的一对转子的运动。本文主要是研究喷油式双螺杆空气压缩机,着重研究设计转子新型型线,对其相关影响因素逐个分析优化,达到最优。本文中阴阳转子齿数比例为4:6,采用单边不对称摆线圆弧型型线,对齿间容积,齿间面积,齿间啮合线等进行计算分析。关键词:喷油双螺杆压缩机 阴阳转子型线设计 齿间容积 AbstractIn recent years, with the continuous improvement and development of the economic and industrial level in China, the noise is relatively small, the life is relatively long, the compression efficiency is very high, and the stable and balanced gas supply equipment has gradually aroused the attention of everyone. Twin screw compressor has excellent functions, its reliability, operation and maintenance, adaptability and other characteristics are applied to various industrial occasions. It is similar to chemical industry, machinery, medical treatment, national defense engineering, metal smelting, civil engineering and so on. Since 80s, with the maturity of its technology, the scope of its application has also been expanding. And because the twin-screw compressor is now serialized, the parts are relatively small, its share in all compressors has already accounted for half, and the market share is more than 2/3. Therefore, the significance of studying twin screw compressor is of particularity and importance. Twin-screw compressor is a kind of rotary compressor. Its motion principle is mainly through the movement of the rotor, causing the volume change, and then changes the gas. Therefore, the research focuses on the movement of one pair of rotors. This paper mainly studies the fuel injection twin screw air compressor, which focuses on the design of a new type of Rotor line, and analyzes and optimizes the related factors one by one to achieve the best. In this paper, the proportion of the tooth number of the Yin and Yang rotor is 4:6, and the single side asymmetrical cycloid arc type line is used to calculate and analyze the volume of the teeth, the area between the teeth and the meshing line between the teeth.Key words: Design of double screw compressor, yin-yang rotor profile, design of inter tooth volume目 录前 言1第一章 关于课题压缩机的介绍背景21.1螺杆压缩机的分类、应用及其优缺点31.1.1螺杆压缩机的分类31.1.2螺杆压缩机的应用31.1.3螺杆压缩机的优缺点41.2研究双螺杆压缩机的目的和意义41.3压缩机的基本结构,工作原理61.3.1基本结构61.3.2工作原理:61.4国内外双螺杆压缩机的研究状况:81.5本文小结;9第二章 转子型线的设计原则102.1转子型线设计要素102.2 型线方程和啮合线方程102.2.1坐标系建立及坐标变换102.2.2齿曲线及其共轭曲线122.3 单边不对称摆线-销齿圆弧型线13第三章 螺杆压缩机的相关计算213.1.齿间面积213.2齿间容积:213.3容积流量及容积效率213.3.1理论容积流量223.3.2实际容积流量223.4轴功率及绝热效率223.4.1指示功W223.4.2轴功率233.4.3绝热效率ad243.4.4绝热指示效率hi243.5电动机功率243.5.1传动效率及电动机效率243.5.2电功率24第四章 压缩机的吸出气孔设计254.1吸气孔口254.2排气孔口26第五章 相关零部件的介绍265.1机体265.2转子265.3轴承275.4轴封27第六章 转子简单的有限元分析286.1转子的径向力和轴向力计算286.1.1转子的径向力296.1.2转子的轴向力306.2有限元分析30第七章 论文总结357.1论文感悟35参考文献36 前 言空气压缩机已经成为制造业重要的一部分,是机械制造业不可替代的一部分。它的使用范围很广阔,是具有刚性需求的产业。它在交通,纺织,土木建筑,机械制造,石油采矿,电子技术,国防安全方面都是非常重要的空气动力设备。随着技术的不断发展,它也越来越多的应用在其他如农业,医疗等各个方面。因此,具有非常重要的一点是,生产制造各种空气压缩机已经迫不容缓。可知压缩机的发展潜力和空间是很大的。根据权威的资料显示,未来十年,压缩机在我国的市场将会以10%的速度增长。作为被广泛使用的双螺杆压缩机,实质是回转式压缩机的一种,但是它的工作容积和往复式压缩机是有区别的。回转式压缩机主要是气体的紧缩过程是凭借容积变换而进行的。而容积变化又和它的压缩腔内啮合的转子有关。是通过转子的不断运动造成的。除此之外,二者间区别点还有就是,回转式压缩机运动的周期在变大或者变小,而且它的空间位置并不是一直固定的,也是时刻在变化更替的。回转式压缩机与往复式压缩机相同,是通过容积变化引起气体的压缩。是其内部转子在气缸中运动致使压缩腔的体积不断发生变化。因此它们都属于容积式压缩机。但同时,他也具备速度式压缩机的性质,所有回转压缩机同时兼备上述两种压缩机的性质和特点。回转式压缩机还有因为突出性能转速高,能够直接连接高速运行的原动机(有内燃机,电动机,发动机)。与此同时,伴随着高转速,也会使机组带来轻重和小尺寸的一些特点。而且转子在一周之内的多次排气进程,使他的气压输气平均,压力脉动数值不大,大容量的储气罐无需去使用。此外,回转式压缩机因为不具有往复运动机构,所以零部件特别是易损失件较少,也不具备气阀,所以构造简单,紧凑。因此制造时候较方便,成本也是比较低。同时,又因为具有维护周期长,操作容易简便,容易实现自动化。此外,回转式压缩机在移动式机器中,运动机构动力平衡性良好的优势很明显。故所以它的转数较高,基数小。同时,与往复式压缩机一样,其排气量和排气压力无关。是具有强制输气的特点。回转式压缩机适应性也很强,能够同时在较大的工况范围内维持着高效率。并且在排气量较小时,不会出现速度压缩机那样的喘振现象。同时回转式压缩机(如离心压缩机,螺杆式压缩机)运动部件相互之间,运动件和固定机件之间,比如阴阳转子,都没有直接的接触,同时无需在工作腔内部周壁上润滑,以此保证气体的洁净度数,做到无油的压缩气体即无油螺杆压缩机。同时,由于运动部件之间无气阀,又存在间隙,所以能压缩浑浊,粉尘,携带液体的气体。但同时,压缩机也有如下的缺点:工作容积与吸排气孔口周期性的切断,时而相通,再加上高转数,因此会造成比较强烈的空气噪声。其中离心压缩机和活塞压缩机尤为突出,所以若被用户采用,必须采取相关消音措施。还有,回转式压缩机工作间的周壁形状并不都是圆柱形,造成运动件和固定件之间,运动件之间密封问题不能够有效解决,必会产生一定的运动间隙,导致气体在间隙之间会产生泄漏,还有转子自身的刚度,因此这就先天的固定了压缩机的始终无法达到较高的压力,使用的范围必然会有局限。另外,类似的压缩机如转子式,离心式,螺杆式,这些运动机件表面都是些曲面形状,主要是为了让它的啮合运动改变容积,这样就造成这些曲面的检验和加工比较复杂,因此专用设备和刀具的使用,也让它更加昂贵。其整体结构如下: 第一章 关于课题压缩机的介绍背景1.1螺杆压缩机的分类、应用及其优缺点1.1.1螺杆压缩机的分类 螺杆压缩机有很多种种类,每种其形状大小也不近同。有如下分类方式: 如果按照工作容积有无油液体来分,可分为无油螺杆压缩机和喷油螺杆压缩机;若按照结构形状来分,又可分为固定式,开放式,移动式等; 此外,根据转子的数量来分,又可分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机。此外,还可分为内压缩和外压缩压缩机,工艺压缩机等其他的类型。 尽管分类方式不同,角度工况也不同,但是每种压缩机的原理大似是相同的。每种压缩机都适用于单一情况,并发挥更好的作用。1.1.2螺杆压缩机的应用 螺杆式压缩机就应用于多个领域,如气体的净化,气体的动力,作为起清洁作用的空压机。在气体净化这一方面,主要是用于打扫卫生,保持食物的清洁,清除物体表面的污垢等作用。在作为动力方面,对机械工具的催用,如对大型机械的使用,机械机床的驱动,高压炉的驱动,以及某些精加工所需要的动力。在净化气体方面,原理主要是利用其高压力,使多种混合气体中的气体分离开以获得所需要的气体。重点是作用在医疗方面,可作为紧急的备用设备。螺杆压缩机应用范围很广泛,涉及到多个方面。比如以下几种类别:(1)喷油螺杆空气压缩机作为动力驱动的喷油螺杆压缩机已经实现系列化,一般情况下是在大气压力作用下使气体吸入,其中单极排气压力有如下0.6Mpa、1.2Mpa等其他各种形式。其中有一些极少部分用于去驱动两级的大型风钻压缩机。这种类型的压缩机流量容积范围较少,排气压力上限为2.6Mpa.目前主要被应用于对空气品质要求很高的一些特殊场合,类似于医疗,食物,织坊等相关企业,这使得原先在此领域的无油压缩机份额不断被挤压,逐渐减少。(2)喷油螺杆制冷压缩机制冷压缩机分为本封闭和全封闭两种,主要在家庭住宅,以及商业用的楼房中相关中央空调系统被大量使用,并且其产出的量远大于开启式。除此之外,它还被用于相关的制冷装置设备中,如相关工业的制冷要求,食品保存所需要冷冻,冷藏等作用。此外,制冷压缩机有单双级两种,它们的蒸发温度是不相同的。分别是零下25度和零下40度。此外,能够确保冷暖都能供的两用螺杆机组也在近年来得到很大的发展。(3)喷油螺杆工艺压缩机工艺压缩机主要作用是用来压缩工业气体,类似于氢气,天然气等危险的容易爆炸和燃烧的气体,运行的工作压力是由其流程决定的。其中各个压力值如下:排气压力在4.5至9MPa之间,容积流量是在2到210之间,单级压力比最高为10.其他一些如喷水螺杆压缩机和干式螺杆压缩机,都有其各自的作用。分别是用于能够使气体产生聚合作用,喷入的水充当溶剂,与润滑油分离,冲散掉反应的化合物。还有一些压缩机可以由多种气,液体混合使用,也可以作为真空泵使用,总而言之,因为其气体排出压力和其他因素如温度,流量容积等无关,而被广泛应用于军工,国防,科技,医疗等各个方面。这种简便安全的性能使得压缩机在世界范围内各个方面被广泛的使用。1.1.3螺杆压缩机的优缺点螺杆压缩机因为突出的性能,而被广泛应用于各种各样的场合。它的优点很明显,主要是这几点:由于它的结构比较简单,零部件已经系列标准化,所以使用起来很方便,出现故障的话,也很好的进行维护修理。同时,机器重量也比较轻,体积大小也适中,工作时候很稳定,不会出现紧急的一刹一停的情况。还有,它不仅仅支持单一空气输入,多种其他的气体混合输入也是可以的。这一点可以说明它应用范围比较广。综上所述,它的优点很多很明显。但同时,它的缺点也是有的。由于压缩机主要是靠相互啮合的转子的运行来带动工作,而转子角复杂需要专门的设备,故此造价较高。工作过程中,总是会出现气体的泄漏,气体并没有完全使用上,因此输出的气体压力值上限有限制,只能适用于一些中低压机器等。1.2研究双螺杆压缩机的目的和意义 本文是对喷油双螺杆压缩机的设计,题目选自于科学研究。在对前人的理论知识充分认识和完全弄懂的前提下,开始了自己的设计研究。在已经拥有设计所需要的参数以及要求的前提条件下,对双螺杆压缩机的以下几个方面进行研究:包括几何性质,受力的分析计算,重点中的转子型线的研究以及阴阳转子的加工等,对以上进行计算最优,以提高双螺杆压缩机的效率和机械性能。目前,双螺杆压缩机因为其性能高而被广泛应用于各个方面,因此对于它的设计力求达到最优成果。其中,重点因素是其中的一对转子,围绕其型线的最新设计优化,使型线中的泄漏三角形、接触线长度、容积面积达到效率最高。此外,转子本身精度较高,需要专用设备精确加工出来。确保其拥有足够的精度,使它的表面粗糙度超过预估值。此外,对于压缩机其他工序也要进行设计优化。对吸出气孔的位置和形状要合理优化,借此进一步提高效率。并且,对孔口的安置以及型线的设计等因素与噪声的影响指标进行研究分析,确保噪声进一步的降低,达到最优解。在设计压缩机过程中,也能够进一步加深我们对它的认识。深入了解到压缩机国内外的发展进程,认识到我国目前与国外的差距。对压缩机内部零部件的认识选择,整个主机机构的选择,系统的选择等,深刻了解到压缩机的基本特点和性能要求。同时,对设计过程中转子影响的几个主要因素,将之与主要设计参数确定起来,通过自己的设计计算,构架起理论和实际的通道,使自己在这个过程中学到更多,做到理论和实际相结合。双螺杆压缩机是一种年轻的压缩机,在其压缩机的历史上,属于后来居上的一种。凭借自身的可靠性,简便性,易于维修,保持好动力的平衡等优异性能,迅速的占领了大批的市场需求。目前已知的市场所占份额已经达到80以上,这也进一步刺激了人们对双螺杆压缩机的研发设计。但也认识到,我国目前在这方面的短板,对于转子型线设计理念的不足,很多关键性的技术仍旧没有掌握,很多方面依旧从国外引进和借鉴。因此,通过本次的设计,加深对双螺杆压缩机的充分了解,对其性能的提高,力争使我国的压缩机技术得到进一步的优化,使人们生产生活有进一步的提高。对个人来说,本次的设计过程,充分的将理论与现实结合,对自己今后的学习和研究有了很高的提升。1.3压缩机的基本结构,工作原理1.3.1基本结构双螺杆压缩机是一种回转式压缩机,主要是由一对相互啮合的阴阳转子构成。主要部件有一对端盖,壳体,轴承,密封装置,定位装置等。双螺杆压缩机腔体内部一对相互啮合的转子(分别是阴、阳转子)平行的配置着,形状呈螺旋形。其中螺杆形状很复杂,需要特定的设备进行加工。加工方式有两种:一种是传统的粗加工,然后精加工。还有一种是采用切削工艺逐步加工。压缩机的工作过程主要是通过机体内部和转子之间形成的密封空间,其位置随着容积的变化,从吸气孔逐渐移出气孔,完成接下来一系列的吸气-压缩-排气的工作过程。压缩机中工作过程,首先是阳转子和电动机相连接,然后带动阴转子运动。压缩机壳体两侧,分别按照要求,各设置一定尺寸和大小的孔口。分别是吸、出气孔。其作用是为了吸气和排气。装配图如上:其工作流程如下:首先是气体除去杂志后进入到压缩机内部,与内部润滑油混合后,经过压缩,然后通过油气分离罐,进行两次过滤分离,使含油量显著降低到一个合理标准后,气体才能够经过冷却后头送入到系统中使用。1.3.2工作原理:螺杆压缩机工作过程主要是三个方面吸气,压缩,排气。下面只取一对相互啮合的齿研究分析过程(每对齿的工作循环相同)依次介绍,并配图加以形象具体化。首先介绍的是吸气过程,如图所示:这是阴阳转子吸气过程展示图。在此图中,阴阳转子分别按照逆、顺时针相互啮合运转。在运转过程中,转子之间的啮合逐渐脱离分开,齿之间形成了一定的容积大小,并且容积区域能够和机体上的吸气孔相通,由于内部容积处于真空状态,在压力差的作用下,外界气体不断地涌入容积区,这就是转子的吸气过程。随着转子之间的不断地分离,齿间容积也会不断的增大,气体也会持续的吸入。当容积区域达到上限时,将不会再次吸入气体,并且容积区也将会与吸气孔断开。到此,吸气过程结束,将会进入下一个工作过程。接下来的就是压缩工程,如图所示当吸气结束后,转子间将会依旧不断啮合,这就进一步积压了原先的齿间容积空间,而容积又未与气孔口接触,处于封闭的真空状态,因此气体将会因为容积的不断压缩和压缩,气体压力值也在变大。这一步也是双螺杆压缩机工作过程最重要的一步,也是它的工作原理具体展示。这一工作过程将会一直进行,直到随着转子的不断啮合,容积区与排气孔接触想通融为止。接下来就是最后一步,气体的排气过程了。其工作图如下展示:当压缩结束了,随着它的容积区与机体的排气孔相通时,由于气体经过不断地压缩,明显其压力大于外界的空气正常压力。因此,在压力差的作用下,气体将会不断地被排出,直到气体最终完全排完结束。齿间的容积在这过程中也会逐渐降低到为0,消失。 以上,就是压缩机工作过程的大致介绍,其工作原理还是很好理解的,本文重点研究的是转子型线方面,确保以上过程气体能够尽可能的不会外泄漏,使其工作过程尽量理想化进行中。1.4国内外双螺杆压缩机的研究状况:压缩机经过几十年的发展,已经发展出了各种各样的形式。技术上也有了十足的进步和创新。由于国外的研究早于国内,因此他们的基础理论研究成果还是领先的。压缩机经过发展,目前主要是如下的几种类型;从最初的Lysholm齿形,发展成后来的对称圆弧齿形。刚开始的技术简陋,只能应用于无油压缩机,到后面的动力型压缩机。从后来的SRM齿形发展到现今节能型的压缩机,经历了很大的曲折。在这期间,国外很多企业和科学家为此投入了很多心血。例如伦敦的Stosic教授,和他的研究团队对转子的型线和泄露面积方面有了突破性的进展。其他的科研团队,以及国外的公司,如日本的神钢公司,瑞典的空压机公司,德国美国等国家的公司也做出了相当大的进步和研究。压缩机的齿数从原先4+6齿,也渐渐的有4+5齿,5+6齿的发展。现今最先进的压缩机是以日本公司为代表的节能型的空压机。国内的压缩机起步晚,长期以来是依靠国外的进口。在核心方面,自主研究还是不够的。尤其是随着压缩机越来越广泛的被用于各个场合,对它的技术要求迫不及待。但是经过几十年的发展,我国也有长足的进步。经过国内诸多的科研工作者,如王文君,李文等人的研究,在压缩机关键核心部位螺杆转子方面有了很大的创新和提高,已经跻身于国际先进水平了。并且在压缩机自身先天缺陷噪声,寿命方面,我国科研人员也有很大的突破。西安交大的郉子文教授研发的新型螺杆计算软件也是被广泛使用。同时,就目前国内压缩机所占市场份额来看,外资还是少数的,大部分还是国内企业。可见,我国压缩机方面虽然起步晚,但是取得的成就还是斐然的。今后,压缩机前景依然很广阔。尤其是现今日本代表的节能型压缩机,在今后的市场,是相当具有潜力的,因此,在节能,转子型线,及其寿命等方面的研究依旧需要很大的科研资金和人力的投入。1.5本文小结;本文先通过前言部分,大概的介绍了压缩机的情况。接下来通过对它的分类和它的优缺点介绍,系统的了解了它的外部情况。然后阐述了本文的研发目的和意义,进一步了解本设计的核心。在后面,详细的介绍了它的构造和原理,为接下来论文的研究做好了铺垫。最后,通过国内外压缩机的研究情况对比,回顾了它的历程,展示了压缩机今后的发展路线。第二章 转子型线的设计原则2.1转子型线设计要素本文前面已经多次提到转子型线这个名词,那么何为转子型线呢?它的定义是:一对相互啮合的转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线。本文多次提到,压缩机设计要素是一对转子,转子的设计要素是新型的转子型线。因为压缩机工作时,气体的吸出要确保其工作容积密封性要好,不能够有气体遗留在非容积区域内,而容积区才会压缩机工作的重点:工作腔。因此,研究转子型线是科研工作者的重中之重了。转子型线要素对压缩机工作的影响主要是以下几个方面,它包括转子的接触线,封闭容积和面积,以及泄漏三角形这几个要素。接下来,将会逐个介绍几个因素:(1)封闭容积:当容积在增大开始吸气的时候,要确保吸气过程是在一瞬间,否则的话,会产生一个多余的区域封闭容积。它会影响容积区域内完整的吸气过程。而容积的大小和转子型线的设计是密切相关的。容积区域越小,压缩机功能越好。此外,齿间容积在转子的投影产生的面积也是影响因素之一。面积越大,功能越好。(2)接触线:接触线的定义:两个相互啮合的转子齿面相互接触而产生的空间曲线。设计过程中,接触线较短,对转子的工作越好。(3)泄漏三角形的定义:接触线顶点和壳体吸出气产生的空间曲边三角形。面积越小越好。2.2 型线方程和啮合线方程2.2.1坐标系建立及坐标变换(1)坐标系建立 具体描述转子的设计计算时,建立如下四个坐标系,方便更好的区分分析各个型线: 1)阳转子的动坐标系2)阴转子的动坐标系。3)阳转子的静坐标系。4)阴转子的静坐标系。阴阳转子恒定的传动比,计算如下(1) 式中,各个数值分别代表转角、转速,角速度,节圆半径,齿数等。其中i为传动比。2)坐标变换转子型线各点都可以表示在坐标系上,而且其坐标还可以相互转换:a.动静坐标系的转换 (2)b.动静坐标系、的转换(3)c.静、 的转换(4)d.动、 的转换(5)e.动、的转换(6)2.2.2齿曲线及其共轭曲线(1)齿曲线方程及其参数变换范围,方程如下:(7)上式中,起点b和e的坐标由参数t来决定,分别是和。(2)齿曲线的共轭曲线方程如下:(8)1)得阴转子上曲线簇方程(9)把代入曲线簇方程(9)得到曲线簇的包络线方程(10)包络线上任一点的切线斜率可微分上式如下:(11)与包络线共切于该点的曲线簇中的斜率为(12)斜率相同得公式:(13)阳转子也类同,类比可推导。3)求共轭曲线方程若已在阴转子上给定了一段组成曲线的2为(14)则其共轭曲线方程,可用方程(10)及补充条件联立表示,即 (15)阳转子也类同类比可推导 。综上,可得共轭曲线的啮合方程如下所示:(16)2.3 单边不对称摆线-销齿圆弧型线本次论文关于型线的计算我采用的是单边不对称摆线销齿圆弧型线。如下图所示,计算结果也如下列图表所示。采用此设计推导出如下曲线,啮合线方程及其一些参定数值的范围。G1)AB与GHAB方程阴转子AB是径向直线如下::(17)得出参数范围:根据三角形O2BP, 推导出: (18)(19)即(20) GH方程GH是在阳转子上,AB的共轭曲线,代入方程可求出:(27)方程带入推导,经过层层计算,可得到参数方程如下:(21)联立得GH方程,算出GH的是一摆线。AB和GH啮合时的啮合线方程如下: (22)(2)BC与HIBC方程曲线BC为圆弧,方程如下: (23)参数t为(24)由三角形O2BP,得a 1标准规定为5。HI方程HI是圆弧BC的共轭曲线,推导得曲线簇方程为(25)经过层层推导,可得包络条件为(26)得出,BC与HI仅在的位置啮合,而且是整条曲线同时啮合。推导方程得: (27)两条曲线只有在时啮合。啮合线方程连立方程,得到啮合线方程为(28)可得,其啮合线是与销齿圆弧一样的圆弧。(3)I点与CDI点方程I点是固定点,在坐标系方程得: (29)三角形O1IP推出:CD方程 (30) (31)推导方程: (32)(42)其中 (33)推导啮合线方程为(34)(4)D点与IJD也为固定点,坐标为 (35)曲线CD方程为: (36)IJ方程推导得IJ方程如下:(37)(38)阴转子IJ曲线上任有点距阳转子中心O1的距离可用下式表示: (39)公式代入推导得: (40)其啮合是一圆弧线5)DE与JKDE方程DE是径向直线,如下(41)JK方程曲线簇方程为(42)推导由方程得: JK的性质是一摆线。啮合线方程推导计算得其啮合线方程为(43)6)EF与KLEF方程EF是圆弧,其方程为 (44)t的变化范围为(45)KL方程推导得: (46)(47)推导后得:(48)这表明共轭曲线仍为节圆圆弧。啮合线方程代入计算得:(49)得出啮合线为一固定点.以上,即为阴阳转子啮合时候,各个曲线和啮合线的方程及其性质。这是研究转子型线的很重要的一部分,如上,计算过程及其推导过程都是比较复杂的,自己也是花了很长时间去推导,最终得出了结果和性质。下表为最终总结图:最关键的型线计算结束后,接下来就是双螺杆压缩机各个尺寸的确定,在此计算过程省略,其公式和最终结果都如下图所示:阴转子阳转子齿曲线曲线性质齿曲线曲线性质AB直线GH摆线BC圆弧HI圆弧CD摆线I点D点IJ摆线DE直线JK摆线EF圆弧KL圆弧阴阳转子计算的各个公式如下表所示: 在本文中,取阳转子圆周速度u1=10m/s,则阳转子转速n1=60u1/(3.14D1)=6010/(3.140.102)=1873.r/min.阴转子转速n2=n1/I=1873.3608/(0.6667)= 2810 r/min.最终算的结果如下图所示:第三章 螺杆压缩机的相关计算 螺杆压缩机由于转子齿内部过程比较复杂,很难精确计算出具体数值。因此,本节计算主要是为了算出在工作过程当中,压力、温度这两个数值之间的变化。然后,机器的功率也根据此计算出。同时,压缩机工作原理主要是通过空气压缩进行的,因此它的容积效率也是很有必要计算出来的大概值。由于过程复杂,因此在计算的时候,采用简单的方式模型去加以计算。3.1.齿间面积齿间面积在转子各个型线计算分析出来之后,进一步的利用解析方法加以求解。可得表达式为以下:(51)阴、阳转子齿间面积为: =669.0(mm2) (52)=552.4(mm2)(53)=1221.4(mm4)3.2齿间容积:由齿间面积和有效工作长度两个因素求解出齿间容积: (54)计算出它们齿间容积分别为(55) (56) 3.3容积流量及容积效率3.3.1理论容积流量压缩机理论容积,顾名思义,就是它工作容积在单位时间内范围值,这个数值是由压缩机的尺寸和转子转速n来决定的。假使=L/D1,可得 (57)接下来翻阅手册: =0.4696; =0.971(在阳转子扭转角为300时候);长径比l =L/D1=1.35;D1=102mm;阳转子转速n1=1873.4r/min。代入数值计算出得3.3.2实际容积流量算出理论容量后,接下来求出它的实际流量。其公式为 (58)式中V为容积效率, 已知=1.0m3/min,计算出3.4轴功率及绝热效率 3.4.1指示功W当把进入气体理想化后,应用公式如下:或 (59)(1)我们可以把吸气这一行为始终压力不变的过程公式如下p0=p1s=Pa,T0=T1s=298K,空气分子量M = 29,气体常数R=8.3(J.mol-1.k-1)。(92) 吸气过程指示功W1为 (60)(2)我们也可以把压缩过程看作是绝热的一种行为当这一行为结束后,减少的数值V2z为= =而结束后,齿间的容积大小为V2为 = =(61)又可知过程中有一定的热量散失,1nk=1.4,取n=1.1=360.08(K)(62)将这一行为的功率定为W2,也可以获得其空气绝热系数值k=1.4(63)(3)同时,我们也可以将排气这一行为等同为压力不变则W3 (64)所有的指示功率大小W为 (65)3.4.2轴功率(1)可以得出指示功率PiPi=(66)W为指示功,n为压缩机转速,n=3000r/min。轴功率(67)m为机械效率,一般m =0.90-0.98,取m =0.96。3.4.3绝热效率ad关于绝热效率的数值,在这里指的是双螺杆压缩机对于能量的利用的多少,而数值的大小又是和这两个因素有关,分别是机器的型号以及工况的情况。这两个数值差异不同的话,其绝热效率也是不同的。可查表知,Pd=0.8Mpa, 取绝热效率had=0.78。3.4.4绝热指示效率hi其公式查表如下,带入数值计算得:(68)3.5电动机功率3.5.1传动效率及电动机效率本门中电动机选择传动方式为增速齿轮传动,查表得出传动效率ht=0.97-0.99,本次计算中选择的是ht=0.98。在设计中,一般默认电动机的功率是大于轴的功率的,这是大家都认可的。此次设计中,关于电动机余度的数值情况是xd=1.05-1.15,选择xd=1.1,因此可以求出它的功率是(69)3.5.2电功率在此说明本压缩机选用的电动机是封闭式三相交流异步鼠笼式电动机,这种电机结构简单,使用寿命比较长,因此也被广泛使用。本次选择型号是Y132S2-2,计算数值如下:电动机轴直径D=65mm,它的转速n=3000r/min,已求效率hd=0.915,所以可以得出总的消耗为 (KW)(70)第四章 压缩机的吸出气孔设计 4.1吸气孔口双螺杆空气压缩机,吸气孔是工作过程的重要环节。因此,围绕它的设计计算分析就成了重中之重。它的大小位置,以及它可能的形状,都将会影响气体在腔体的整个压缩过程。气体最终由低压转变成多少高压的效率,也和它有重大的关系。因此,对它的设计提出了如下相关要求,力求对压缩机工作达到最优的效率 首先作为直接吸气的位置,对它的要求在吸气时候,要确保它的吸气封闭容积对吸气齿间容积影响尽可能的小,同时还要要求它吸取过程中气体能够最大限度的获取,在齿间容积损失尽可能的少,使它的容积效率达到理论值的上限。另外,在设计它的面积,希望能大一点。 此外,还希望能够使它的流通面积变得在理论值上很大,在压缩机吸气孔口位置选择上,将机体轴向挖空,可选择此处。而在我的这个设计当中,我选择的使混合吸气口。它的区别是在原先按照既定的位置,再次沿着径向位置挖掉大约10mm尺寸左右位置。4.2排气孔口类似于吸气孔口的设置,排气孔口也是径向挖空设置,原理类似。在这里就不多叙述了。重点讲述的是我设计的排气孔在排气的时候,尽可能使压力损失不多。在这一个个过程中,同时气体由于在高速旋转时,不时受到一定的离心力,在这里值得一提的是,这是个有利于气体很快的集中在排气孔,然后快速的排出。叙述完吸排气孔口后,接下来就整个压缩机装配中一些重要的零部件简单的叙述下。让大家更好的认识压缩机的结构,以及工作过程。以下是相关介绍: 第五章 相关零部件的介绍5.1机体在压缩机装配中,整个机构主要的部分都是壳体。它主要组成是气缸和两个端盖。它的材料一般是灰口铸铁。在压缩机整体设计当中,机壳为它的整个外部,内部是转子以及其他零部件,外部直接是和大气接触的,气体在进入排出过程中,能够顺利的流通的话,对机体的设计要求就是需要在紧凑的尺寸基础上,做一些扩展。机体的相关应用是,当安排好转子的螺旋运动时候,确定它的吸出气孔,那么它的吸排气通道在壳体内部基本上设置没有什么要求限制,都可以去安排。对它的唯一要求限制就是流速不要太高,避免不必要的损失。本设计中,与常规压缩机不同的是,吸出气孔都设置在径向机体的顶部。 5.2转子本设计中,压缩机最重要的零部件就是啮合的转子了。转子的材料一般毛胚件是锻件,选择球墨铸铁进行设计。这样选择,成本比较低,而且加工过程中也比较简单。在设计过程中,考虑到它的直径不大,我们一般选择整体式的结构设计。对于它的啮合螺旋形状之外,其他的长度部分就按照一般的轴区设计就可以了。5.3轴承在设计过程中,压缩机需要很多轴承。轴承有很多种,比如滚子轴承、滚动轴承等一些。而本文设计当中,由于计算出的轴向力和径向力都存在较大,因此选择的都是角接触轴承和圆柱滚子轴承。这样的话,它能同时承受轴向载荷和径向载荷。5.4轴封由于在设计过程中,转子轴的两侧都会加轴承。因此,在设计考虑中,避免压缩过程中腔体内部的气体通过轴对外侧有所泄漏。因此,我们需要在转子的排气端和所在的轴承之间加入一个轴封,这样有效的防止了气体的泄漏。同时,又由于在正常情况下,吸入端转子和轴承之间没有压力差值,所以无需加入轴承。只需要简单的间隙密封就可以很好的满足条件了。以上就是一些比较重要的压缩机零部件的介绍了。 第六章 转子简单的有限元分析6.1转子的径向力和轴向力计算转子的内部气体压缩时,会对转子产生作用力。我们假设这些气体载荷均匀分布,某个瞬时气体对转子力矩为Tg,它在转子旋转的微元角dj做的功为为Wg,所以可得: 主动力在dj上所做的功等于瞬时容积之中气体压力Pi与容积微小变化dV的乘积,根据拉格郎日方程则有: 接下来的计算可根据下图展开:如图所示,分别是阴阳转子的三维坐标图,在转子上因合力对任一轴的矩等于各力对同一轴的矩的代数和,所以Tg可通过计算瞬时容积在XOZ、YOZ平面投影的静矩M求出,公式如下: 根据以上,最终推导出6.1.1转子的径向力 在转子的工作过程中,容积气体与转子排气口接触时,转子受力最大。设基元容积在YOZ平面的投影对于Y轴及Z轴的静矩为MY-YOZ及MZ-YOZ,密度为1,面积为SYOZ,MZ-YOZ1、Y1、ZYOZ1、Pi可以确定作用在阳转子X1方向上径向载荷TX1的大小、方向、作用点;MZ-XOZ1、X1、ZXOZ1、Pi可以确定作用在阳转子Y1方向上径向载荷TY1的大小、方向、作用点。同理,MZ-YOZ2、Y2、ZYOZ2、Pi和MZ-XOZ2、X2、ZXOZ2、Pi分别可确定作用在阴转子上的径向载荷Tx2和Yy2。TX、TY与图所示X轴、Y轴方向相反取负值。代入公式数值可得阴阳转子径向力:=2121N =744N6.1.2转子的轴向力 在半径为r齿面的微元螺旋线段dl上,气体压力dpi可以分解为轴向分离dQa、径向分力dT,切向分力dQT。在这个原理的基础上,参考其他论文以及参考文献的公式,公式如下: 以及其他公式,最终求得阴阳转子的轴向力分别是:T1=1411N,指向吸气端T2=199N,指向排气端本次计算公式多引用,最终目的是为了求出自己的阴阳转子径向力和轴向力,以便接下来的有限元分析。6.2有限元分析阴阳转子是本次设计的重点。因此在计算完型线和力后,对转子内部进行简单的有限元分析。上文提到转子螺旋形,需要特定的加工和材料。因此本文转子材料选择40Cr,定义转子的屈服强度为300Mpa.接下来工作流程如下,先画出阴阳转子的三维图,如下: 阳转子阴转子在ANSYS进行分析之前,先对模型进行有效的约束。仔细分析转子的工作原理可知,在转子的吸气侧,是存在间隙的。转子的排气端是轴向固定的。因此,得知转子的这个性质,对转子吸气端X、Y方向和旋转的自由加以一定的约束,Z方向的位移自由度和旋转自由度是存在的;对排气端的仅有Z方向的旋转自由度,对于X、Y、Z方向的位移自由度和X、Y方向的旋转自由度进行约束。由于转子工作的原理就是气体的压缩和输送,因此可以对阴阳转子的齿面简化为均布载荷,载荷大小为设定的1.2Mpa,可得分析结果如下图; 阳转子的应力图阳转子形变图根据上图可知,阳转子的最大形变量是0.018796Mpa,位置在转子的中间。而又根据工作流程可知转子的中间处处于压缩状态,没有任何支撑,所以形变量最大。它的应力最大值为19.629Mpa,远小于材料的应力。阴转子分析也如上,形变量和应力都远小于材料,也符合要求。 至此,ANASY分析如上。第七章 论文总结 7.1论文感悟本次的毕业设计到这儿,大概已经完成了所有的工作。因此,可以乐观的说,基本上已经结束了。在心里觉得还是很开心的,自己独自一人完成了这份比较艰难的毕业设计。这个过程中,遇到了很多以往不曾知道的问题,自己在不断地查阅资料和自我修改中,一步一个脚印向前,终于坎坷的在答辩之前完成了设计。通过此次设计,我学到了很多。从一开始的无从下手,到后来的得心应手,在这之间,学到了设计的精髓,学会了如何快速的查阅自己需要的资料。学会了如何系统的分析问题,考虑问题:才学会了机械设计中,任何一小问题也是不容忽视,值得关注的。此次设计,很感谢我的指导老师,是他给了我很多关键性的指导,是他一直在鼓励我。也很感谢我的小组同学,是他们一直陪着我,晚上一起熬夜画图,一起探讨问题。真的,此次设计,对我来说,不仅仅在知识有长进,在友情上又有了更高的提高。最后,想说的是,再次感谢我的老师和同学,为此次的论文完美结束感到很开心 参考文献1田政方,小型双螺杆空气压缩机设计,2014.052王子文,压缩空气干燥和净化设备,机械工业出版社,2005.01.013Park H,Evaluating thr innerlove clearance of twin-screw by the iso-cLearance ontour diagram.20114张伟,中低温双螺杆膨胀机结构设计与动力性能研究,扬州大学,20175Jerry,Analysis of the vading concept-a new rotary-piston 2003.016陈文,喷油与无油螺杆压缩机的性能分析,机械设计与制造,2006年12期7徐天,LG20T螺杆压缩机转子研究,华中科技大学,20139王志强,螺杆泵容积效率特性分析与螺杆齿面精确成型方法研究,学位论文,重庆大学,201410Hanlon,Compressor Handbook,2001.02.0111无油螺杆压缩机主机结构设计及其设计的分析,化工管理,2017年22期45
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