空气压缩机机头设计【含CAD图纸、说明书】
毕业设计开题报告题目: 空气压缩机机头设计学生姓名:专业班级:指导教师:企业导师:二级学院:年 11 月版一、课题的背景、目的和意义:本课题来源于生产实际,要求对空气压缩机机头设计。空气压缩机机头在机械工业生产中已经随处可见,效率高、自动化生产中应用广、降低生产成本,对空气压缩机机头设计改进是非常有必要的。空气压缩机机头设计由于其专用性和独一性,在设计时主要考虑到工厂现有的设备情况、产品的生产批量及机床的寿命等因素。空气压缩机机头设计一般为批量生产,但由于结构非常很复杂,制造成本较高,在生产时主要考虑到寿命尽量要高,所以对空气压缩机机头设计提出了较高的要求。因此,特地设计相关类空气压缩机机头。二、课题的基本内容:从总体结构看,考虑空气压缩机机头设计的加工制造方法,生产中可能出现的缺陷及解决方法。我国的空气压缩机产业的发展,由于先天条件的限制,不可能在很短的时间内就突破当前所遇的瓶颈,对于国内空气压缩机产业来说,相关企业或科研机构在进行空气压缩机机头设计研发的同时,需要注重市场化发展模式,新的空气压缩机机头设计如果具备实用价值,就需要进行市场化的推广营销,创造更高的市场价值。利益是除科学技术外驱动产业进步的最主要助力,只有能看到并获得实际利益才会有继续研发的动力。市场化运作将在我国空气压缩机机器产业发展过程中占据重要一席。三、设计课题的思路和方法:(1)通过网络或图书馆查阅文献资料,相关行业调研报告(2000 以上印刷字符以上)。(2)绘制压缩机机头总装图,分析结构的合理性; (3)选择合适的材料,制订适当的加工装配工艺; (4)计算机头的体积及重量,确定部分零件加工工艺参数; (5)机头主要机构的设计校核和选用,编制零件机加工工艺规程及工艺卡; (6)绘制供生产用的机头总装配图及部份零件图,图纸总量不少于 2张 A0图;图纸要求图面整洁、布局合理、线条粗细均匀、圆弧连接光滑、尺寸标注规范符合工程制图要求。四、设计的步骤及进度安排:(1)2015 年 11月 20日12 月 20日:查阅文献资料完成开题报告。(2)2016 年 1月 30日前完成结构设计及有关计算,给出结构装配图。(3)2016 年 2月 1日2016 年 3月 20日:完成论文初稿。 (其中 2016年 3月 1日2016 年 3月 20日进行中期论文检查)(4)2016 年 3月 20日4 月 20日:修改论文和论文形式的审核。(5)2016 年 4月 20日5 月 3日:答辩准备。(6)2016 年 5月 4日5 月 10日:论文答辩。五、主要参考文献:1.叶久新主编, 塑料成型工艺及模具设计 ,机械工业出版社,2008.12.郭铁良主编, 模具制造工艺学 ,高等教育出版社,2009.93.李洪主主编, 机械加工工艺手册 ,北京出版社,1990.124.许发樾编著, 模具标准化原型结构设计 ,机械工业出版社 2009.75.中国模具设计大典委员会, 中国模具设计大典 ,江西科学技术出版社,2003.16.屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计M. 第 2版. 北京:高等教育出版社,2009. 7.夏琴香,袁 宁. 模具设计及计算机应用M. 广州:华南理工大学出版社,2008. 8.罗河胜. 塑料材料手册M. 广州:广东科技出版社,2004. 9.彭建生. 模具设计与加工速查手册M. 北京:机械工业出版社,2005.10.黄 虹. 塑料成型加工与模具M. 北京:化学工业出版社,2005. 六、设计的成果形式:通过 PPT,图纸等各种答辩资料,向大家展示成果。指导教师意见:指导教师签名: 年 月 日系意见:系主任签名: 年 月 日提示:1. 此开题报告由指导教师辅导学生填写,题目(宋体、小二号、加粗) ,封面其它信息(宋体、三号、加粗) ,正文(宋体、小四号、1.5 倍行距) ,完成后交给指导教师2. 毕业论文结束后由二级学院负责装入学生毕业设计(论文)资料袋 ,集中存档1本 科 毕 业 设 计 (论 文 )空气压缩机机头设计学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 班级学号 指导教师 2摘 要本文阐述了一小型空气压缩机机头的设计过程。简述了空气压缩机机头的基本结构、工作过程、主要特点和分类。分析了型线的设计过程,转子的几何特性和热力性能的计算方法。 要求对空气压缩机机头设计。空气压缩机机头在机械工业生产中已经随处可见,效率高、自动化生产中应用广、降低生产成本,对空气压缩机机头设计改进是非常有必要的。空气压缩机机头设计由于其专用性和独一性,在设计时主要考虑到工厂现有的设备情况、产品的生产批量及机床的寿命等因素。空气压缩机机头设计一般为批量生产,但由于结构非常很复杂,制造成本较高,在生产时主要考虑到寿命尽量要高,所以对空气压缩机机头设计提出了较高的要求。本设计要完成的任务有:(1)绘制压缩机机头总装图,分析结构的合理性; (2)选择合适的材料,制订适当的加工装配工艺; (3)计算机头的体积及重量,确定部分零件加工工艺参数; (4)机头主要机构的设计校核和选用,编制零件机加工工艺规程及工艺卡;(5)最后用 CAD 制成装配图和零件图关键词:空气压缩机机头 ,工艺,规程,校核1AbstractIn this paper, a small air compressor head design process. It outlines the basic structure of the air compressor head, working process, the main characteristics and classification. Analysis of the calculation method based design process line, the geometry of the rotor and thermal properties.Requirements for air compressor head design. Air compressor head has been everywhere in the machinery industry production, high efficiency, wide application of automated production, reduce production costs, improve the design of the air compressor head is very necessary. Air compressor head design because of its specificity and uniqueness, the main consideration in the design of the plants existing equipment, the production batch and machine tool life and other factors. Air compressor head design is generally for the mass production, but because of the structure is very complex, higher manufacturing costs, primarily in the production of life as much as possible to take into account the high, so the air compressor head design put forward higher requirements.This design to complete the tasks:(1) Draw compressor head assembly diagram, rational analysis of the structure;(2) select the appropriate materials, the development of appropriate processing and assembly process;(3) computer head size and weight to determine some parts of process parameters;Check design and selection, preparation of parts machining process planning and process card (4) head main body;(5) Finally, CAD drawings and assembly parts made of FIG.Keywords: air compressor head, processes, procedures, checking1目 录第 1 章 绪论1第 2 章 空气压缩机机头的介绍22.1 发展历程 .22.2 发展方向 .22.3 空气压缩机机头的研究意义 .3第 3 章 螺杆式空压机原理6第 4 章 空气压缩机机头基本结构84.1 基本结构 .84.2 工作过程 .84.3 空气压缩机机头特点及分类 .94.3.1 空气压缩机机头特点 94.3.2 空气压缩机机头分类 94.4 空气压缩机机头发展历程 .10第 5 章 空气压缩机机头主要结构设计125.1 转子型线设计 .125.2 型线方程和啮合线方程 .135.2.1 坐标系建立及坐标变换 135.2.2 齿曲线及其共轭曲线 155.2.3 共轭曲线的啮合线方程 165.3 单边不对称摆线-销齿圆弧型线的设计 .175.4 转子螺旋齿面及其法线方程 .265.4.1 螺旋齿面方程 265.4.2 转子几何参数间的基本关系 275.4.3 螺旋齿面的法线 275.5 接触线 .295.5.1 相对运动速度 295.5.2 啮合条件 305.6 齿间面积和面积利用系数 .315.6.1 齿间面积 315.6.2 面积利用系数 335.7 齿间容积和内容积比 .335.7.1 齿间容积 335.7.2 内容积比 34第 6 章 热力性能计算366.1 内压力比 .366.2 压力分布图 .376.3 容积流量及容积效率 .376.3.1 理论容积流量 376.3.2 容积效率 386.3.3 实际容积流量 386.4 轴功率 .39第 7 章 转子受力分析4027.1 轴向力 .407.1.1 端面轴向力 407.1.2 气体轴向力 427.2 轴承支反力 .45第 8 章 机头主要机构零件加工工艺规程设计498.1 零件的分析 .498.1.1 零件的作用 498.1.2 零件的工艺分析 498.2 端盖加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施 .508.2.1 孔和平面的加工顺序 508.2.2 孔系加工方案选择 508.3 端盖加工定位基准的选择 .518.3.1 粗基准的选择 518.3.2 精基准的选择 518.4 端盖加工主要工序安排 .528.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 .538.6 确定切削用量及基本工时(机动时间) .548.7 时间定额计算及生产安排 .61结束语63致 谢64参考文献651第 1 章 绪论目前,容积式压缩机的全球年产量为 1.5 亿余台,其中大多数被应用于空气动力和制冷系统。过去的 30 年间,转子型线的改进使空气压缩机机头内部泄漏彻底减少,同时技术日益成熟的机床可以将形状较为复杂零件的加工公差控制在工程允许的 3 m 以内,以致传统的往复式压缩机在许多应用领域逐步被空气压缩机机头所替代。人工分析计算的方法是设计者预测压缩机性能的主要手段,并且在此过程中取得了一些技术上的突破,但其适用范围和准确度与现代数控机床和装配过程相比却逊色很多。因此,先进的分析手段增大了技术创新的可能性,进而提高空气压缩机机头的性能,降低制造成本,进一步扩大空气压缩机机头的应用范围。转子型线的改进依然是提高空气压缩机机头性能最有效的手段,依靠经验确定转子齿型和转子大量采用通用型线的历史将被逐步完善的先进、合理、高效的转子加工工序所改写,从而取得良好的应用成效。另外,改善的压缩机内部流动模型有助于更好地进行孔口设计,轴承负荷及其脉动的准确判定有助于选择更为合适的轴承。最后,如果可以较为准确地估计由于压缩机内部温度及压力变化引起的转子和机壳的扭转变形,我们就可以在机器的加工过程中采取相应的措施以便将温度及压力脉动的不良影响降至最小。本文涵盖了可能引发空气压缩机机头技术创新的最新流动模型与分析方法,以及利用这些手段提高机器性能、扩展应用范围的典型案例。2第 2 章 空气压缩机机头的介绍2.1 发展历程20 世纪 30 年代,瑞典工程师 Alf Lysholm 在对燃气轮机进行研究时,希望找到一种作回转运动的压缩机,要求其转速比活塞压缩机高得多,以便可由燃气轮机直接驱动,并且不会发生喘振。为了达到上述目标,他发明了空气压缩机机头。在理论上,空气压缩机机头具有他所需要的特点,但由于必须具有非常大的排气量,才能满足燃气轮机工作的要求,空气压缩机机头并没有在此领域获得应用。尽管如此,Alf Lysholm 及其所在的瑞典 SRM 公司,对空气压缩机机头在其它领域的应用,继续进行了深入的研究。1937 年,Alf Lysholm 在 SRM 公司研制成功了两类空气压缩机机头试验样机,并取得了令人满意的测试结果。1946 年,位于苏格兰的英国 James Howden 公司,第一个从瑞典 SRM 公司获得了生产空气压缩机机头的许可证。随后,欧洲、美国和日本的多家公司也陆续从瑞典 SRM 公司获得了这种许可证,从事空气压缩机机头的生产和销售。最先发展起来的空气压缩机机头是无油空气压缩机机头。1957 年喷油螺杆空气压缩机投入了市场应用。1961 年又研制成功了喷油螺杆制冷压缩机和螺杆工艺压缩机。过随后持续的基础理论研究和产品开发试验,通过对转子型线的不断改进和专用转子加工设备的开发成功,空气压缩机机头的优越性能得到了不断的发挥。2.2 发展方向空气压缩机机头广泛应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门,在宽广的容量和式况范围内,逐步替代了其它种类的压缩机,统计数据表明,空气压缩机机头的销售量已占其它容积式压缩机销售量的 80%以上,在所有正在运行的容积式压缩机中,有 50%的是空气压缩机机头。今后空气压缩机机头的市场份额仍将不断的扩大。为了进一步改善空气压缩机机头的性能,扩大其应用范围,应在以下几个方面作深入研究。1、 在型线啮合特性、转子受力变形和受热膨胀等方面研究的基础3上,创造新的高效型线,以进一步提高空气压缩机机头的效率。2、 分析喷油对、空气压缩机机头工作过程中泄漏、换热和摩擦等方面的影响机理,使喷油参数的设计从目前的经验设计提高到机理设计和优化设计。3、 研究吸气和排气过程的流动特性,在流场分析的基础上,进一步合理配置吸排气孔口和相关连接管道。4、 分析螺压缩机的噪音产生机理,研究型线设计和孔口配置等因素对噪声指标的影响,从而更有效的降低噪声。5、 研究转子螺旋齿面的加工工艺,除研究高精度和同生产率的专用设备外,还要研究新型少切削和无切削工艺。6、 扩大空气压缩机机头的参数范围,主要应向小容积流量、高排气压力方向发展。同时,研究气量调节机构与智能控制系统,提高调节式况下压缩机运转的经济性,进一步扩大空气压缩机机头的应用范围。2.3 空气压缩机机头的研究意义压缩机可分二大类,容积式压缩机和动力式压缩机。容积式压缩机又可分往复式和回转式。本可题研究的是螺杆空气压缩机,属于双轴压缩机。空气压缩机机头-是回转容积式压缩机,在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合,从而将气体压缩并排出。用可靠性高的螺杆式压缩机取代易损件多,可靠性差的活塞式压缩机,已经成为必然趋势。日本空气压缩机机头 1976 年仅占 27%,1985 年则上升到 85%。目前西方发达国家空气压缩机机头市场占有率为 80%,并保持上升势头。空气压缩机机头具有结构简单、体积小、没有易损件、工作可靠、寿命长、维修简单等优点。空气压缩机机头有双螺杆与单螺杆两种。单空气压缩机机头的发明比双空气压缩机机头晚十几年,设计上更趋合理、先进。单空气压缩机机头克服了双空气压缩机机头不平衡、轴承易损的缺点;具有寿命长,噪音低,更加节能等优点。相对其他复杂回转机械来说,空气压缩机机头的设计制造还是比较简单的。由于空气压缩机机头的回转运动部件只有两个转子,所以它可以可靠地高速运转。高精度的转子齿型铣削与磨削加工可以较低的成本将齿间间隙控制在 30503m 之间。与早期的机器相比,内部泄漏已经大幅减少。可见,空气压缩机机头已经成为精密、高效的 机械,并且能够适用于较大的压力与排量范围。因此,容积式压缩机的大部4分市场与应用场合已被空气压缩机机头占据。空气压缩机机头的发展趋势是在满足性能要求的前提下,减小机器的尺寸。这就意味着需要在保持较高效率的同时尽可能提高转子齿顶速度。在一般的实验中,广泛采用的轴承是滚动轴承,因为与滑动轴承相比,滚动轴承允许更小的间隙。另外,为使吸气与排气孔口处的气流速度降到最低,吸排气孔口需要开设得尽可能大。上述这些设计原则在任何应用场合中都是普遍适用的。与先进的转子型线一样,为了取得空气压缩机机头设计的最大进步,能够将损失降到最低的其他组件的改进也是非常重要的。所以,对转子与机壳之间的间隙进行合理选择也是很有必要的,尤其是在高压端。当间隙较小时,需要采用较昂贵的优质轴承,当通过预紧将间隙控制在允许范围内时,可以采用比较廉价的轴承。 空气压缩机机头尤其是喷油空气压缩机机头通常在较高压力差下工作,单级压比较高,产生的轴向力与径向力较大。中小型 压缩机一般采用滚动轴承。由于转子中心距受其一定的影响,为设计出满意的产品,滚动轴承的选用及校核也应慎重。值得一提的是,近期研发出的一种摩擦很小的滚动轴承提供了一个不错的选择,详细参见 Meyers37。通常在转子的高压端设有两个轴承来分别承受轴向力与径向力。转子间的接触力大小取决于它们之间传递的扭矩,当阴阳转子直接接触时,接触力较大。当压缩机的驱动力矩由阳转子传送时,接触力相对较小。倘若将驱动力矩由阴转子传送,产生的接触力非常大,这是不允许的。喷入压缩机内的润滑油也有润滑轴承的作用,但是为了尽量减小摩擦损失,轴承的供油与回油系统是独立的。机体上的喷油孔口开设在由热力计算结果得出的气体温度与润滑油温度相等的位置,除此之外,喷油孔口应位于转子螺旋线上方,这样,润滑油可以从阴转子齿顶沿螺旋齿面切线方向进入机体,达到回收所喷入润滑油的动能的目的。为将吸排气孔口的流动损失降到最低,空气压缩机机头还应符合以下技术指标。进入压缩机的气体的流道应尽量避免弯曲,这就要求吸气孔口要开设在机壳上,另外,尽量扩大进气的流通面积从而降低吸气孔口处的气体流速。排气孔口的尺寸主要是由热力性能所要求的内压力比决定的,还应考虑降低排气流速和降低内部、排气孔口处流动损失的需要。机壳的设计加工要尽量减小其重量,还应配置加强筋以提高高压下的强度。虽然空气压缩机机头现在已经是一种发展比较成熟的产品,但由于以计算机建模与数值分析为主的工程科学的介入,我们还可以在设计过程中做出更大的改进,5提高效率、减小机器尺寸、降低制造成本等。另外,为了达到最优化的设计,轴承技术与润滑的改善也是十分重要的.6第 3 章 螺杆式空压机原理1.吸气过程:螺杆式的进气侧吸气口,必须设计得使压缩室可以充分吸气,而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组,进气只靠一调节阀的开启、关闭调节,当转子转动时,主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时,其空间最大,此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通,因在排气时齿沟之空气被全数排出,排气结束时,齿沟乃处于真空状态,当转到进气口时,外界空气即被吸入,沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时,转子之进气侧端面转离了机壳之进气口,在齿沟间的空气即被封闭。 2、封闭及输送过程:主副两转子在吸气结束时,其主副转子齿峰会与机壳闭封,此时空气在齿沟内闭封不再外流,即封闭过程。两转子继续转动,其齿峰与齿沟在吸气端吻合,吻合面逐渐向排气端移动。 3、压缩及喷油过程:在输送过程中,啮合面逐渐向排气端移动,亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小,齿沟内之气体逐渐被压缩,压力提高,此即压缩过程。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。 4、排气过程:当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时, (此时压缩气体之压力最高)被压缩之气体开始排出,直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面,此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零,即完成(排气过程) ,在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长,其吸气过程又在进行。如今,螺杆机械作为压缩机兼膨胀机被用于不同的场合,其工作介质可以是气体、干蒸汽或在机器内部发生相变的多相混合物等,按照润滑、冷却方式的不同,可以分为喷油式螺杆机械、压缩或膨胀过程中喷入其他流体的螺杆机械,以及干式螺杆机械。机体的几何形状取决于转子齿数、转子齿型还有不同组成齿曲线构成的齿段的相对比例。实践告诉我们,没有对所有应用场合都十分理想的结构和配置,为了获得最佳的机型,详细的热力学分析与设计参数的变化对机器性能影响的估算7都是十分必要的。因此,在最优化分析处理过程中制定严格技术标准是研发一台优良机器的先决条件。同时,这些准则有助于进一步提高现有的 螺杆机械设计水平并扩展其应用范围,在市场竞争中争取到更多的优势。8第 4 章 空气压缩机机头基本结构4.1 基本结构空气压缩机机头的基本结构如图 4-1 所示。在压缩机的机体中平行的放置着有一堆相互啮合的螺旋形转子。通常把节圆外具有凸齿的转子,称为阳转子;把节圆外具有凹齿的,称为阴转子。一般阳转子与原动机连接,因此,阳转子又称主动转子,阴转子又称从动转子。在压缩机机体的两端,分别开设一个供吸气用的称为吸气孔口,另一个供排气用的称为排气孔口。图 4-1 空气压缩机机头基本结构4.2 工作过程空气压缩机机头的工作循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转子旋转,每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。图 4-2 表示了三个过程。吸气过程 吸气过程结束压缩过程开始 压缩过程中 排气过程图 4-2 空气压缩机机头工作过程图94.3 空气压缩机机头特点及分类4.3.1 空气压缩机机头特点就气体压力提高的原理而言,空气压缩机机头与活塞压缩机相似,都属于容积式压缩机。就主要部件的运动形式而言,又与透平压缩机相似。所以,空气压缩机机头同时兼有上述两类压缩机的特点。空气压缩机机头的优点:(1)可靠性高。空气压缩机机头零部件少,没有易损件,因而它的运转可靠。(2) 操作维护方便。操作人员不必经过长时间的专业培训,可实现无人值守运转。(3)动力平衡性好。空气压缩机机头没有不平衡惯性力,机器可平稳的工作,可实现无基础运转,特别适合用作移动式压缩机,体积小、重量轻、占地面积少。(4)适应性强。空气压缩机机头具有强制输气的特点,排气量几乎不受排气压力的影响,在宽广的范围内能保护较高的效率。(5)多相混输。空气压缩机机头的转子齿面间实际上留有间隙,因而能耐液体冲击,可压送含液气体、含粉尘气体、易聚合气体等。空气压缩机机头的主要缺点:(1)造价高。空气压缩机机头的转子齿面是空间曲面,需利用特制的刀具,在价格昂贵的专用设备上进行加工。另外,对空气压缩机机头气缸的加工精度也有较高的要求。所以,空气压缩机机头的造价较高。(2)不能用于高压场合。由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制,空气压缩机机头只能适用于中、低压范围,排气压力一般不能超多 4.5Mpa。(3)不能制成微型。空气压缩机机头依靠间隙密封气体,目前一般只有容积流量大于 0.2m3/min 时,空气压缩机机头才具有优越的性能。 14.3.2 空气压缩机机头分类空气压缩机机头有多种分类方法:按运行方式的不同,分为无油压缩机和喷油压缩机两类;按被压缩气体种类和用途的不同,分为空气压缩机、制冷压缩机和工艺压缩机三种;按结构形式的不同,分为移动式和固定式、开启式和封闭式等。常见的压缩机分类如下104.4 空气压缩机机头发展历程20 世纪 30 年代,瑞典工程师 Alf Lysholm 在对燃气轮机进行研究时,希望找到一种作回转运动的压缩机,要求其转速比活塞压缩机高的多,以便可由燃气轮机直接驱动,并且不会发生喘振。为了达到上述目标,他发明了空气压缩机机头。在理论上,空气压缩机机头具有他所需要的那些特点,但由于必须具有非常大的容积流量,才能满足燃气轮机工作的要求,所以空气压缩机机头并没有在此领域获得应用。尽管如此,Alf Lysholm 及其所在的瑞典 SRM 公司,对空气压缩机机头在其他领域的应用,继续进行了深入的研究。1937 年,Alf Lysholm 在 SRM 公司研制成功了两类空气压缩机机头试验样机,并取得了令人满意的测试结果。1946 年,位于苏格兰的英国 James Howden 公司,第一次从瑞典 SRM 公司获得了生产空气压缩机机头的许可证。随后,欧洲、美国和日本的多家公司也陆续从瑞典 SRM 公司获得了这种许可证,从事空气压缩机机头的生产和销售。最先发展起来的空气压缩机机头是无油空气压缩机机头,1957 年喷油螺杆空气压缩机投入了应用,1961 年又研制成功了喷油螺杆制冷压缩机和螺杆工艺压缩机。经过持续的基础理论研究和产品开发试验,通过对转子型线的不断改进和专用转子加工设备的开发成功,空气压缩机机头的优越性能得到了不断地发挥。近 15 年来螺杆在我国空压机、冷冻机、工业泵、塑料机械中应用越来越广泛。制造设备开始引进英国 Holroyd 公司的 2AC、5AC 螺旋转子铣床及其配套设备(总数十余台),90 年代以来国产螺杆铣床及其配套设备开始供应用户。但我国螺杆空气11压缩机、冷冻压缩机、泵、塑料机械不但在设计技术上与国际先进水平有差距,在制造技术上更加落后,严重制约了我国这四大类机械产品在国际和国内市场上的竞争力。为此应该对我国螺杆制造技术的现状和水平有一个清醒的认识,尽快追踪国际先进制造技术的发展趋势,使我国螺杆制造技术和产品质量早日达到国际发达国家水平。 112第 5 章 空气压缩机机头主要结构设计5.1 转子型线设计螺杆转子设计中,最重要的是设计型线,因为转子型线基本决定了空气压缩机机头的性能好坏。可将空气压缩机机头中的型线分为对称型线和不对称型线,以及单边型线和双边型线。齿顶中心线两边的型线完成相同时,称为对称型线。反之,齿顶中心线两边的型线不同时,称为不对称型线。只在转子节圆的内部或外部一边具有型线,称为单边型线。节圆的内、外均具有型线,称为双边型线。空气压缩机机头的转子型线大致经历了三代变迁:(1)对称圆弧型线第一代转子型线是对称圆弧型线,应用于初期的空气压缩机机头产品。由于对称型线易于设计、制造和测量,这类型线直到现在还被很多干式空气压缩机机头制造商广泛采用。(2)不对称型线第二代转子型线是以点、直线和摆线等组成齿曲线为代表的不对称型线。60年代后,随着喷油技术的发展,发展了以 SRM-A 型线为代表的第二代转子型线。对称型线与不对称型线的主要区别,在于采用不对称型线时,泄露三角形的面积大为减小。一半不对称型线的泄露三角形面积仅是对称型线的十分之一左右。因此,采用不对称型线,可以使喷油空气压缩机机头的性能得到明显改善。(3)新的不对称型线80 年代后,随着计算机在空气压缩机机头领域的应用,出现了各具特色的多种第三代转子型线。性能优越的只要有 GHH 型线,日立型线和 SRM-D 型线。第二、第三代的型线都是不对称型线,两者之间的主要区别在于:第三代转子型线的组成齿曲线中不再有点、直线和摆线,均采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线。这种改变可使转子齿面由“线”密封改进为“带”密封,能明显提高密封效果,还有利于形成润滑油膜和减少齿面磨损。135.2 型线方程和啮合线方程5.2.1 坐标系建立及坐标变换(1)坐标系建立为了用数学方程描述螺杆转子型线中各段组成齿曲线,建立如图 5-1 所示的四个坐标系:固结在阳转子的动坐标系 O1x1y1。 1固结在阴转子的动坐标系 O2x2y2。 2阳转子的静坐标系 O1X1Y1。 3阴转子的静坐标系 O2X2Y2。 4 X12Y1xy2图 5-1 坐标系关系图由于空气压缩机机头的阴、阳转子之间是定传动比啮合,固有(2-1)而 式中 、 阴、阳转子转角;14、 阴、阳转子转速;、 阴、阳转子角速度;阴、阳转子节圆半径;阴、阳转子齿数;i传动比;A阴、阳转子中心距。(2)坐标变换空气压缩机机头转子型线上的每一点,都可表示在上述四个坐标中,这些坐标系之间的变换关系式如下:动坐标系 O1x1y1与静坐标系 O1X1Y1的变换 1(2-2)或动坐标系 O2x2y2与静坐标系 O2X2Y2的变换 2(2-3)或静坐标系 O1X1Y1与静坐标系 O2X2Y2的变换 3(2-4)动坐标系 O1x1y1与动坐标系 O2x2y2的变换 415(2-5)动坐标系 O2x2y2与动坐标系 O1x1y1的变换 5(2-6)5.2.2 齿曲线及其共轭曲线(1)齿曲线方程及其参数变化范围空气压缩机机头的转子型线通常由多段组成齿曲线相连接而成。若假设在阴转子上给定了某段组成齿曲线 1 为(2-7)求其共轭曲线时,应将曲线 1 的方程(2-7)带入动坐标变换式(2-5) ,得到曲线簇方程为(2-8)经过推演,可得到其包络条件为(2-9)同样,若假定阳转子上某段齿曲线 2 为(2-10)求其共轭曲线时,应将曲线 2 的方程(2-10)代入动坐标变换式(2-6) ,得到曲线簇方程为(2-11)其包络条件为16(2-12)(2)求共轭曲线方程若已在阴转子上给定了某段组成齿曲线 1 为(2-13)则其共轭曲线方程,可用方程(2-8)及补充条件联立表示,即(2-14)同样,若已在阳转子上给定了某段组成齿曲线 2 为(2-15)则若共轭曲线方程,可用方程(2-11)及补充条件联立表示,即(2-16)5.2.3 共轭曲线的啮合线方程如前所述,啮合线是阴、阳转子共轭曲线的啮合点轨迹,故应该表示在静坐标系中。将共轭曲线中的任一条曲线方程,通过坐标变换式(2-3) ,变换到静坐标系O2X2Y2,得这仍为一曲线簇,它的包络条件,即 之间的关系 ,就是前面求共轭曲线时的补充条件。所以,共轭曲线的啮合线方程一般可表示为17(2-17)5.3 单边不对称摆线-销齿圆弧型线的设计单边不对称摆线-销齿圆弧型线是一种对原始不对称型线进行到棱修正后的型线,其组成齿曲线和相应的啮合线列于表 5-1 中。表 5-1 单边不对称摆线 -销齿圆弧型线的组成齿曲线和啮合线下面是单边不对称型线-销齿圆弧型线的齿曲线,啮合线方程及相应的参数变化范围的推导过程。 123RtteABCDEFGHIJKLxy2y1O2O1图 5-2 单边不对称摆线-销齿圆弧型线及其坐标阴转子齿曲线 阴转子曲线性质 阳转子齿曲线 阳转子曲线性质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18(1)AB 与 GHAB 方程 阴转子上的 AB 为一径向直线,可写出其方程为 1(2-18)参数 的变化范围为 (2-19)由直角三角形 O2Bp,得 (2-20)(2-21)即 (2-22)式中 R齿高半径,区中心距 A 的 25%。GH 方程 阳转子上的 GH 为阴转子上径向直线 AB 的共轭曲线,将 AB 的方程 2(2-18)带入坐标变换式(2-5 ) ,得曲线簇方程为(2-23)故有将上述诸式代入包络条件时(2-9) ,得位置参数与曲线参数的关系为(2-24)联立式(2-23)和式(2-24) ,即得到 GH 方程,其参数变化范围仍由式(2-19)确定。分析式(2-23)的特征,发现 GH 是摆线。啮合线方程 AB 与 GH 啮合时的啮合线方程,通过把 AB 的方程(2-18)带 3入坐标变换式(2-3) ,并与包络条件式(2-24)联立,得19(2-25)其参数变化范围仍由式(2-19)确定。(2)BC 与 HIBC 方程 阴转子上的曲线 BC 为一个圆心在节点 p、半径为 R 的圆弧。其方 1程为(2-26)参数 t 的变化范围为 (2-27)由直角三角形 O2Bp,得式中 为保护角,设 。HI 方程 眼转子上的曲线 HI 阴转子上销齿圆弧 BC 的共轭曲线,将 BC 的方 2程(2-26)带入坐标变换式(2-5) ,得曲线簇方程为(2-28)故有 20将上述诸式带入包络条件式(2-9) ,的包络条件为即 (2-29)BC 与 HI 仅在 的位置啮合,而且是整条曲线同时啮合。把式(2-29)代入式(2-28) ,得到简化后的 HI 方程为(2-30)其参数变化范围仍由式(2-27)确定。分析方程(2-30) ,发现其仍为一半径为 R 的圆弧,而且圆心也在节点 p。啮合线方程 把 BC 方程 (2-26) ,带入坐标变换式(2-3) ,并与包络条件 3(2-29)联立,得到啮合线方程为 (2-31)其参数变化范围仍由式(2-27)确定。是(2-31)表明,销齿圆弧的啮合线是与销齿圆弧一样的圆弧。(3)I 点与 CDI 点方程 阳转子上的 I 点为一固定点,在 O1x1y1坐标系中的坐标为 1(2-32)由三角形 O1Ip 可知CD 方程 阴转子上的 CD 曲线是与阳转子上 I 点共轭的曲线,将 I 点的方程 2(2-32)代入坐标变换式(2-6) ,(2-3321)上述方程中只有一个参数 ,而且可以看出是一个摆线方程,且自然满足包络条件,其参数变化范围为(2-34)阴转子 CD 曲线上任一点距阴转子中心 O2的距离可用下式表示:(2-35)将式(2-33)代入(2-35) ,整理后得即 (2-36)故 (2-37)(2-38)其中 (2-39)式中 e 为径向直线修正长度,e=1%A。啮合线方程 将 I 点方程(2-32)代入坐标变换式(2-2) ,并且包络条件自 3然满足,得到啮合线方程为(2-40)22其参数变化范围仍由式(2-34)确定。从方程(2-40)可以看出,I 点与其共轭曲线 CD 啮合时,其啮合线就是以阳转子中心 O1 为圆心、以 I 点到 O1 距离 b1 为半径的圆弧,即 I 点在静坐标系中运动轨迹。(4)D 点与 IJD 点方程 阴转子上的 D 点为一固定点,在 坐标系中的坐标为 1(2-41)其中 由曲线 CD 方程(2-33) ,得(2-42)式中 由式( 2-38)确定。IJ 方程 阳转子上的 IJ 是与阴转子上 D 点相啮合的共轭曲线。将 D 点的方 2程(2-41)带入坐标变换式(2-5) ,即得 IJ 方程为(2-43)类似于方程(2-33) ,上述方程中也只有一个参数 ,也是一个摆线方程,其自然满足包络条件,参数变化范围为(2-44)阳转子 IJ 曲线上任一点距阳转子中心 O1 的距离可以用下式表示:(2-45)23将式(2-43)代入式(2-45)中,得即 (2-46)故 (2-47)(2-48)其中 的求法如下:阳转子上摆线 IJ 的终点 J 与阴转子径向直线 DE 的始点 D 的啮合位置如图53 所示。根据啮合定律,啮合线的公法线必通过节点 p,即 pD(pJ)是 DE 及 JK的公法线,于是在直角三角形 O2Dp 中,得(2-49)又由三角形 O1O2J,得 (2-50)24O1O2图 5-3 求解参数变化范围示意图啮合线方程 将 D 点方程(2-41)代入坐标变换式(2-3) ,并且包络条件 3自然满足,得到啮合线方程为(2-51)其参数变化范围仍由式(2-44)确定。从方程(2-51)可以看出,D 点与其共轭曲线 IJ 啮合时,其啮合线就是 D 点在静坐标系中的轨迹,即以 O2为圆心,以 D 点到 O2的距离为半径圆弧。(5)DE 与 JKDE 方程 阴转子上的 DE 为一径向直线,其方程为 1(2-52)参数 变化范围为 (2-53)JK 方程 阳转子上的 JK 曲线为阴转子上径向直线 DE 的共轭曲线,将 DE 2的方程(2-52)代入坐标变换式(2-5) ,得曲线簇方程为(2-54)25故有 将上述诸式代入包络条件式(2-9) ,得到曲线参数 与转角参数 的关系为(2-55)联立式(2-55)和式(2-54) ,即得到 JK 的方程。其参数变化范围仍由式(2-53)确定。另外,式(2-54)表明 JK 是一条摆线。啮合线方程 把 DE 的方程(2-52)代入坐标变换式(2-3) ,并与包络条件 3式(2-54)联立,即得到其啮合线方程为(2-56)其参数变化范围仍由式(2-53)确定。(6)EF 与 KLEF 方程 阴转子上的 EF 曲线为一圆心在 O2、半径为 的圆弧,其方程为 1(2-57)参数 t 的变化范围为 (2-58)KL 方程 阳转子上 KL 为阴转子上 EF 的共轭曲线,将 EF 方程(2-57)代 2入坐标变换式(2-5) ,得(2-59)
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