雙螺桿空氣壓縮機結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計【答辯ppt】【全套含11張CAD圖紙+文檔全套】

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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 錄 前 言 1 第一章 關(guān)于課題壓縮機的介紹背景 2 1.1螺桿壓縮機的分類、應(yīng)用及其優(yōu)缺點 3 1.1.1螺桿壓縮機的分類 3 1.1.2螺桿壓縮機的應(yīng)用 3 1.1.3螺桿壓縮機的優(yōu)缺點 4 1.2研究雙螺桿壓縮機的目的和意義 4 1.3壓縮機的基本結(jié)構(gòu)，工作原理 6 1.3.1基本結(jié)構(gòu) 6 1.3.2工作原理： 6 1.4國內(nèi)外雙螺桿壓縮機的研究狀況： 8 1.5本文小結(jié); 9 第二章 轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計原則 10 2.1轉(zhuǎn)子型線設(shè)計要素 10 2.2 型線方程和嚙合線方程 10 2.2.1坐標系建立及坐標變換 10 2.2.2齒曲線及其共軛曲線 12 2.3 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線 13 第三章 螺桿壓縮機的相關(guān)計算 21 3.1.齒間面積 21 3.2齒間容積： 21 3.3容積流量及容積效率 21 3.3.1理論容積流量 22 3.3.2實際容積流量 22 3.4軸功率及絕熱效率 22 3.4.1指示功W 22 3.4.2軸功率 23 3.4.3絕熱效率ηad 24 3.4.4絕熱指示效率hi 24 3.5電動機功率 24 3.5.1傳動效率及電動機效率 24 3.5.2電功率 24 第四章 壓縮機的吸出氣孔設(shè)計 25 4.1吸氣孔口 25 4.2排氣孔口 26 第五章 相關(guān)零部件的介紹 26 5.1機體 26 5.2轉(zhuǎn)子 26 5.3軸承 27 5.4軸封 27 第六章 轉(zhuǎn)子簡單的有限元分析 28 6.1轉(zhuǎn)子的徑向力和軸向力計算 28 6.1.1轉(zhuǎn)子的徑向力 29 6.1.2轉(zhuǎn)子的軸向力 30 6.2有限元分析 30 第七章 論文總結(jié) 35 7.1論文感悟 35 參考文獻 36 延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 前 言 空氣壓縮機已經(jīng)成為制造業(yè)重要的一部分，是機械制造業(yè)不可替代的一部分。它的使用范圍很廣闊，是具有剛性需求的產(chǎn)業(yè)。它在交通，紡織，土木建筑，機械制造，石油采礦，電子技術(shù)，國防安全方面都是非常重要的空氣動力設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，它也越來越多的應(yīng)用在其他如農(nóng)業(yè)，醫(yī)療等各個方面。因此，具有非常重要的一點是，生產(chǎn)制造各種空氣壓縮機已經(jīng)迫不容緩?？芍獕嚎s機的發(fā)展?jié)摿涂臻g是很大的。根據(jù)權(quán)威的資料顯示，未來十年，壓縮機在我國的市場將會以10%的速度增長。 作為被廣泛使用的雙螺桿壓縮機，實質(zhì)是回轉(zhuǎn)式壓縮機的一種，但是它的工作容積和往復(fù)式壓縮機是有區(qū)別的。回轉(zhuǎn)式壓縮機主要是氣體的緊縮過程是憑借容積變換而進行的。而容積變化又和它的壓縮腔內(nèi)嚙合的轉(zhuǎn)子有關(guān)。是通過轉(zhuǎn)子的不斷運動造成的。除此之外，二者間區(qū)別點還有就是，回轉(zhuǎn)式壓縮機運動的周期在變大或者變小，而且它的空間位置并不是一直固定的，也是時刻在變化更替的。 回轉(zhuǎn)式壓縮機與往復(fù)式壓縮機相同，是通過容積變化引起氣體的壓縮。是其內(nèi)部轉(zhuǎn)子在氣缸中運動致使壓縮腔的體積不斷發(fā)生變化。因此它們都屬于容積式壓縮機。但同時，他也具備速度式壓縮機的性質(zhì)，所有回轉(zhuǎn)壓縮機同時兼?zhèn)渖鲜鰞煞N壓縮機的性質(zhì)和特點。 回轉(zhuǎn)式壓縮機還有因為突出性能—轉(zhuǎn)速高，能夠直接連接高速運行的原動機（有內(nèi)燃機，電動機，發(fā)動機）。與此同時，伴隨著高轉(zhuǎn)速，也會使機組帶來輕重和小尺寸的一些特點。而且轉(zhuǎn)子在一周之內(nèi)的多次排氣進程，使他的氣壓輸氣平均，壓力脈動數(shù)值不大，大容量的儲氣罐無需去使用。 此外，回轉(zhuǎn)式壓縮機因為不具有往復(fù)運動機構(gòu)，所以零部件特別是易損失件較少，也不具備氣閥，所以構(gòu)造簡單，緊湊。因此制造時候較方便，成本也是比較低。同時，又因為具有維護周期長，操作容易簡便，容易實現(xiàn)自動化。此外，回轉(zhuǎn)式壓縮機在移動式機器中，運動機構(gòu)動力平衡性良好的優(yōu)勢很明顯。故所以它的轉(zhuǎn)數(shù)較高，基數(shù)小。同時，與往復(fù)式壓縮機一樣，其排氣量和排氣壓力無關(guān)。是具有強制輸氣的特點。 回轉(zhuǎn)式壓縮機適應(yīng)性也很強，能夠同時在較大的工況范圍內(nèi)維持著高效率。并且在排氣量較小時，不會出現(xiàn)速度壓縮機那樣的喘振現(xiàn)象。同時回轉(zhuǎn)式壓縮機（如離心壓縮機，螺桿式壓縮機）運動部件相互之間，運動件和固定機件之間，比如陰陽轉(zhuǎn)子，都沒有直接的接觸，同時無需在工作腔內(nèi)部周壁上潤滑，以此保證氣體的潔凈度數(shù)，做到無油的壓縮氣體即無油螺桿壓縮機。同時，由于運動部件之間無氣閥，又存在間隙，所以能壓縮渾濁，粉塵，攜帶液體的氣體。 但同時，壓縮機也有如下的缺點：工作容積與吸排氣孔口周期性的切斷，時而相通，再加上高轉(zhuǎn)數(shù)，因此會造成比較強烈的空氣噪聲。其中離心壓縮機和活塞壓縮機尤為突出，所以若被用戶采用，必須采取相關(guān)消音措施。 還有，回轉(zhuǎn)式壓縮機工作間的周壁形狀并不都是圓柱形，造成運動件和固定件之間，運動件之間密封問題不能夠有效解決，必會產(chǎn)生一定的運動間隙，導(dǎo)致氣體在間隙之間會產(chǎn)生泄漏，還有轉(zhuǎn)子自身的剛度，因此這就先天的固定了壓縮機的始終無法達到較高的壓力，使用的范圍必然會有局限。 另外，類似的壓縮機如轉(zhuǎn)子式，離心式，螺桿式，這些運動機件表面都是些曲面形狀，主要是為了讓它的嚙合運動改變?nèi)莘e，這樣就造成這些曲面的檢驗和加工比較復(fù)雜，因此專用設(shè)備和刀具的使用，也讓它更加昂貴。其整體結(jié)構(gòu)如下： 第一章 關(guān)于課題壓縮機的介紹背景 1.1螺桿壓縮機的分類、應(yīng)用及其優(yōu)缺點 1.1.1螺桿壓縮機的分類 螺桿壓縮機有很多種種類，每種其形狀大小也不近同。有如下分類方式： 如果按照工作容積有無油液體來分，可分為無油螺桿壓縮機和噴油螺桿壓縮機； 若按照結(jié)構(gòu)形狀來分，又可分為固定式，開放式，移動式等； 此外，根據(jù)轉(zhuǎn)子的數(shù)量來分，又可分為單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機。此外，還可分為內(nèi)壓縮和外壓縮壓縮機，工藝壓縮機等其他的類型。 盡管分類方式不同，角度工況也不同，但是每種壓縮機的原理大似是相同的。每種壓縮機都適用于單一情況，并發(fā)揮更好的作用。 1.1.2螺桿壓縮機的應(yīng)用 螺桿式壓縮機就應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如氣體的凈化，氣體的動力，作為起清潔作用的空壓機。在氣體凈化這一方面，主要是用于打掃衛(wèi)生，保持食物的清潔，清除物體表面的污垢等作用。在作為動力方面，對機械工具的催用，如對大型機械的使用，機械機床的驅(qū)動，高壓爐的驅(qū)動，以及某些精加工所需要的動力。在凈化氣體方面，原理主要是利用其高壓力，使多種混合氣體中的氣體分離開以獲得所需要的氣體。重點是作用在醫(yī)療方面，可作為緊急的備用設(shè)備。 螺桿壓縮機應(yīng)用范圍很廣泛，涉及到多個方面。比如以下幾種類別： （1）噴油螺桿空氣壓縮機 作為動力驅(qū)動的噴油螺桿壓縮機已經(jīng)實現(xiàn)系列化，一般情況下是在大氣壓力作用下使氣體吸入，其中單極排氣壓力有如下0.6Mpa、1.2Mpa等其他各種形式。其中有一些極少部分用于去驅(qū)動兩級的大型風鉆壓縮機。這種類型的壓縮機流量容積范圍較少，排氣壓力上限為2.6Mpa.目前主要被應(yīng)用于對空氣品質(zhì)要求很高的一些特殊場合，類似于醫(yī)療，食物，織坊等相關(guān)企業(yè)，這使得原先在此領(lǐng)域的無油壓縮機份額不斷被擠壓，逐漸減少。 （2）噴油螺桿制冷壓縮機 制冷壓縮機分為本封閉和全封閉兩種，主要在家庭住宅，以及商業(yè)用的樓房中相關(guān)中央空調(diào)系統(tǒng)被大量使用，并且其產(chǎn)出的量遠大于開啟式。除此之外，它還被用于相關(guān)的制冷裝置設(shè)備中，如相關(guān)工業(yè)的制冷要求，食品保存所需要 冷凍，冷藏等作用。此外，制冷壓縮機有單雙級兩種，它們的蒸發(fā)溫度是不相同的。分別是零下25度和零下40度。此外，能夠確保冷暖都能供的兩用螺桿機組也在近年來得到很大的發(fā)展。 （3）噴油螺桿工藝壓縮機 工藝壓縮機主要作用是用來壓縮工業(yè)氣體，類似于氫氣，天然氣等危險的容易爆炸和燃燒的氣體，運行的工作壓力是由其流程決定的。其中各個壓力值如下：排氣壓力在4.5至9MPa之間,容積流量是在2到210之間，單級壓力比最高為10. 其他一些如噴水螺桿壓縮機和干式螺桿壓縮機，都有其各自的作用。分別是用于能夠使氣體產(chǎn)生聚合作用，噴入的水充當溶劑，與潤滑油分離，沖散掉反應(yīng)的化合物。還有一些壓縮機可以由多種氣，液體混合使用，也可以作為真空泵使用，總而言之，因為其氣體排出壓力和其他因素如溫度，流量容積等無關(guān)，而被廣泛應(yīng)用于軍工，國防，科技，醫(yī)療等各個方面。這種簡便安全的性能使得壓縮機在世界范圍內(nèi)各個方面被廣泛的使用。 1.1.3螺桿壓縮機的優(yōu)缺點 螺桿壓縮機因為突出的性能，而被廣泛應(yīng)用于各種各樣的場合。它的優(yōu)點很明顯，主要是這幾點：由于它的結(jié)構(gòu)比較簡單，零部件已經(jīng)系列標準化，所以使用起來很方便，出現(xiàn)故障的話，也很好的進行維護修理。同時，機器重量也比較輕，體積大小也適中，工作時候很穩(wěn)定，不會出現(xiàn)緊急的一剎一停的情況。還有，它不僅僅支持單一空氣輸入，多種其他的氣體混合輸入也是可以的。這一點可以說明它應(yīng)用范圍比較廣。綜上所述，它的優(yōu)點很多很明顯。但同時，它的缺點也是有的。由于壓縮機主要是靠相互嚙合的轉(zhuǎn)子的運行來帶動工作，而轉(zhuǎn)子角復(fù)雜需要專門的設(shè)備，故此造價較高。工作過程中，總是會出現(xiàn)氣體的泄漏，氣體并沒有完全使用上，因此輸出的氣體壓力值上限有限制，只能適用于一些中低壓機器等。 1.2研究雙螺桿壓縮機的目的和意義 本文是對噴油雙螺桿壓縮機的設(shè)計，題目選自于科學(xué)研究。在對前人的理論知識充分認識和完全弄懂的前提下，開始了自己的設(shè)計研究。在已經(jīng)擁有設(shè)計所需要的參數(shù)以及要求的前提條件下，對雙螺桿壓縮機的以下幾個方面進行研究：包括幾何性質(zhì)，受力的分析計算，重點中的轉(zhuǎn)子型線的研究以及陰陽轉(zhuǎn)子的加工等，對以上進行計算最優(yōu)，以提高雙螺桿壓縮機的效率和機械性能。目前，雙螺桿壓縮機因為其性能高而被廣泛應(yīng)用于各個方面，因此對于它的設(shè)計力求達到最優(yōu)成果。其中，重點因素是其中的一對轉(zhuǎn)子，圍繞其型線的最新設(shè)計優(yōu)化，使型線中的泄漏三角形、接觸線長度、容積面積達到效率最高。此外，轉(zhuǎn)子本身精度較高，需要專用設(shè)備精確加工出來。確保其擁有足夠的精度，使它的表面粗糙度超過預(yù)估值。 此外，對于壓縮機其他工序也要進行設(shè)計優(yōu)化。對吸出氣孔的位置和形狀要合理優(yōu)化，借此進一步提高效率。并且，對孔口的安置以及型線的設(shè)計等因素與噪聲的影響指標進行研究分析，確保噪聲進一步的降低，達到最優(yōu)解。 在設(shè)計壓縮機過程中，也能夠進一步加深我們對它的認識。深入了解到壓縮機國內(nèi)外的發(fā)展進程，認識到我國目前與國外的差距。對壓縮機內(nèi)部零部件的認識選擇，整個主機機構(gòu)的選擇，系統(tǒng)的選擇等，深刻了解到壓縮機的基本特點和性能要求。同時，對設(shè)計過程中轉(zhuǎn)子影響的幾個主要因素，將之與主要設(shè)計參數(shù)確定起來，通過自己的設(shè)計計算，構(gòu)架起理論和實際的通道，使自己在這個過程中學(xué)到更多，做到理論和實際相結(jié)合。 雙螺桿壓縮機是一種年輕的壓縮機，在其壓縮機的歷史上，屬于后來居上的一種。憑借自身的可靠性，簡便性，易于維修，保持好動力的平衡等優(yōu)異性能，迅速的占領(lǐng)了大批的市場需求。目前已知的市場所占份額已經(jīng)達到80％以上，這也進一步刺激了人們對雙螺桿壓縮機的研發(fā)設(shè)計。但也認識到，我國目前在這方面的短板，對于轉(zhuǎn)子型線設(shè)計理念的不足，很多關(guān)鍵性的技術(shù)仍舊沒有掌握，很多方面依舊從國外引進和借鑒。因此，通過本次的設(shè)計，加深對雙螺桿壓縮機的充分了解，對其性能的提高，力爭使我國的壓縮機技術(shù)得到進一步的優(yōu)化，使人們生產(chǎn)生活有進一步的提高。對個人來說，本次的設(shè)計過程，充分的將理論與現(xiàn)實結(jié)合，對自己今后的學(xué)習和研究有了很高的提升。 1.3壓縮機的基本結(jié)構(gòu)，工作原理 1.3.1基本結(jié)構(gòu) 雙螺桿壓縮機是一種回轉(zhuǎn)式壓縮機，主要是由一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子構(gòu)成。主要部件有一對端蓋，殼體，軸承，密封裝置，定位裝置等。 雙螺桿壓縮機腔體內(nèi)部一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子（分別是陰、陽轉(zhuǎn)子）平行的配置著，形狀呈螺旋形。其中螺桿形狀很復(fù)雜，需要特定的設(shè)備進行加工。加工方式有兩種：一種是傳統(tǒng)的粗加工，然后精加工。還有一種是采用切削工藝逐步加工。壓縮機的工作過程主要是通過機體內(nèi)部和轉(zhuǎn)子之間形成的密封空間，其位置隨著容積的變化，從吸氣孔逐漸移出氣孔，完成接下來一系列的吸氣-壓縮-排氣的工作過程。 壓縮機中工作過程，首先是陽轉(zhuǎn)子和電動機相連接，然后帶動陰轉(zhuǎn)子運動。壓縮機殼體兩側(cè)，分別按照要求，各設(shè)置一定尺寸和大小的孔口。分別是吸、出氣孔。其作用是為了吸氣和排氣。裝配圖如上: 其工作流程如下：首先是氣體除去雜志后進入到壓縮機內(nèi)部，與內(nèi)部潤滑油混合后，經(jīng)過壓縮，然后通過油氣分離罐，進行兩次過濾分離，使含油量顯著降低到一個合理標準后，氣體才能夠經(jīng)過冷卻后頭送入到系統(tǒng)中使用。 1.3.2工作原理： 螺桿壓縮機工作過程主要是三個方面—吸氣，壓縮，排氣。下面只取一對相互嚙合的齒研究分析過程（每對齒的工作循環(huán)相同）依次介紹，并配圖加以形象具體化。 首先介紹的是吸氣過程，如圖所示： 這是陰陽轉(zhuǎn)子吸氣過程展示圖。在此圖中，陰陽轉(zhuǎn)子分別按照逆、順時針相互嚙合運轉(zhuǎn)。在運轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子之間的嚙合逐漸脫離分開，齒之間形成了一定的容積大小，并且容積區(qū)域能夠和機體上的吸氣孔相通，由于內(nèi)部容積處于真空狀態(tài)，在壓力差的作用下，外界氣體不斷地涌入容積區(qū)，這就是轉(zhuǎn)子的吸氣過程。隨著轉(zhuǎn)子之間的不斷地分離，齒間容積也會不斷的增大，氣體也會持續(xù)的吸入。當容積區(qū)域達到上限時，將不會再次吸入氣體，并且容積區(qū)也將會與吸氣孔斷開。到此，吸氣過程結(jié)束，將會進入下一個工作過程。 接下來的就是壓縮工程，如圖所示 當吸氣結(jié)束后，轉(zhuǎn)子間將會依舊不斷嚙合，這就進一步積壓了原先的齒間容積空間，而容積又未與氣孔口接觸，處于封閉的真空狀態(tài)，因此氣體將會因為容積的不斷壓縮和壓縮，氣體壓力值也在變大。這一步也是雙螺桿壓縮機工作過程最重要的一步，也是它的工作原理具體展示。這一工作過程將會一直進行，直到隨著轉(zhuǎn)子的不斷嚙合，容積區(qū)與排氣孔接觸想通融為止。 接下來就是最后一步，氣體的排氣過程了。其工作圖如下展示： 當壓縮結(jié)束了，隨著它的容積區(qū)與機體的排氣孔相通時，由于氣體經(jīng)過不斷地壓縮，明顯其壓力大于外界的空氣正常壓力。因此，在壓力差的作用下，氣體將會不斷地被排出，直到氣體最終完全排完結(jié)束。齒間的容積在這過程中也會逐漸降低到為0，消失。 以上，就是壓縮機工作過程的大致介紹，其工作原理還是很好理解的，本文重點研究的是轉(zhuǎn)子型線方面，確保以上過程氣體能夠盡可能的不會外泄漏，使其工作過程盡量理想化進行中。 1.4國內(nèi)外雙螺桿壓縮機的研究狀況： 壓縮機經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出了各種各樣的形式。技術(shù)上也有了十足的進步和創(chuàng)新。由于國外的研究早于國內(nèi)，因此他們的基礎(chǔ)理論研究成果還是領(lǐng)先的。壓縮機經(jīng)過發(fā)展，目前主要是如下的幾種類型；從最初的Lysholm齒形，發(fā)展成后來的對稱圓弧齒形。剛開始的技術(shù)簡陋，只能應(yīng)用于無油壓縮機，到后面的動力型壓縮機。從后來的SRM齒形發(fā)展到現(xiàn)今節(jié)能型的壓縮機，經(jīng)歷了很大的曲折。在這期間，國外很多企業(yè)和科學(xué)家為此投入了很多心血。例如倫敦的Stosic教授，和他的研究團隊對轉(zhuǎn)子的型線和泄露面積方面有了突破性的進展。其他的科研團隊，以及國外的公司，如日本的神鋼公司，瑞典的空壓機公司，德國美國等國家的公司也做出了相當大的進步和研究。壓縮機的齒數(shù)從原先4+6齒，也漸漸的有4+5齒，5+6齒的發(fā)展?，F(xiàn)今最先進的壓縮機是以日本公司為代表的節(jié)能型的空壓機。 國內(nèi)的壓縮機起步晚，長期以來是依靠國外的進口。在核心方面，自主研究還是不夠的。尤其是隨著壓縮機越來越廣泛的被用于各個場合，對它的技術(shù)要求迫不及待。但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國也有長足的進步。經(jīng)過國內(nèi)諸多的科研工作者，如王文君，李文等人的研究，在壓縮機關(guān)鍵核心部位螺桿轉(zhuǎn)子方面有了很大的創(chuàng)新和提高，已經(jīng)躋身于國際先進水平了。并且在壓縮機自身先天缺陷噪聲，壽命方面，我國科研人員也有很大的突破。西安交大的郉子文教授研發(fā)的新型螺桿計算軟件也是被廣泛使用。同時，就目前國內(nèi)壓縮機所占市場份額來看，外資還是少數(shù)的，大部分還是國內(nèi)企業(yè)?？梢?，我國壓縮機方面雖然起步晚，但是取得的成就還是斐然的。 今后，壓縮機前景依然很廣闊。尤其是現(xiàn)今日本代表的節(jié)能型壓縮機，在今后的市場，是相當具有潛力的，因此，在節(jié)能，轉(zhuǎn)子型線，及其壽命等方面的研究依舊需要很大的科研資金和人力的投入。 1.5本文小結(jié); 本文先通過前言部分，大概的介紹了壓縮機的情況。接下來通過對它的分類和它的優(yōu)缺點介紹，系統(tǒng)的了解了它的外部情況。然后闡述了本文的研發(fā)目的和意義，進一步了解本設(shè)計的核心。在后面，詳細的介紹了它的構(gòu)造和原理，為接下來論文的研究做好了鋪墊。最后，通過國內(nèi)外壓縮機的研究情況對比，回顧了它的歷程，展示了壓縮機今后的發(fā)展路線。 第二章 轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計原則 2.1轉(zhuǎn)子型線設(shè)計要素 本文前面已經(jīng)多次提到轉(zhuǎn)子型線這個名詞，那么何為轉(zhuǎn)子型線呢？它的定義是：一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線。本文多次提到，壓縮機設(shè)計要素是一對轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的設(shè)計要素是新型的轉(zhuǎn)子型線。因為壓縮機工作時，氣體的吸出要確保其工作容積密封性要好，不能夠有氣體遺留在非容積區(qū)域內(nèi)，而容積區(qū)才會壓縮機工作的重點：工作腔。因此，研究轉(zhuǎn)子型線是科研工作者的重中之重了。轉(zhuǎn)子型線要素對壓縮機工作的影響主要是以下幾個方面，它包括轉(zhuǎn)子的接觸線，封閉容積和面積，以及泄漏三角形這幾個要素。接下來，將會逐個介紹幾個因素： （1）封閉容積：當容積在增大開始吸氣的時候，要確保吸氣過程是在一瞬間，否則的話，會產(chǎn)生一個多余的區(qū)域—封閉容積。它會影響容積區(qū)域內(nèi)完整的吸氣過程。而容積的大小和轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計是密切相關(guān)的。容積區(qū)域越小，壓縮機功能越好。此外，齒間容積在轉(zhuǎn)子的投影產(chǎn)生的面積也是影響因素之一。面積越大，功能越好。 （2）接觸線：接觸線的定義：兩個相互嚙合的轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而產(chǎn)生的空間曲線。設(shè)計過程中，接觸線較短，對轉(zhuǎn)子的工作越好。 （3）泄漏三角形的定義：接觸線頂點和殼體吸出氣產(chǎn)生的空間曲邊三角形。面積越小越好。 2.2 型線方程和嚙合線方程 2.2.1坐標系建立及坐標變換 （1）坐標系建立 具體描述轉(zhuǎn)子的設(shè)計計算時，建立如下四個坐標系，方便更好的區(qū)分分析各個型線： 1）陽轉(zhuǎn)子的動坐標系 2）陰轉(zhuǎn)子的動坐標系。 3）陽轉(zhuǎn)子的靜坐標系。 4）陰轉(zhuǎn)子的靜坐標系。 陰陽轉(zhuǎn)子恒定的傳動比，計算如下 （1） 式中，各個數(shù)值分別代表轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速，角速度，節(jié)圓半徑，齒數(shù)等。其中i為傳動比。 2）坐標變換 轉(zhuǎn)子型線各點都可以表示在坐標系上，而且其坐標還可以相互轉(zhuǎn)換： a.動靜坐標系的轉(zhuǎn)換 （2） b.動靜坐標系、的轉(zhuǎn)換 （3） c.靜、 的轉(zhuǎn)換 （4） d.動、 的轉(zhuǎn)換 （5） e.動、的轉(zhuǎn)換 （6） 2.2.2齒曲線及其共軛曲線 （1）齒曲線方程及其參數(shù)變換范圍，方程如下： （7） 上式中，起點b和e的坐標由參數(shù)t來決定，分別是和。 （2）齒曲線的共軛曲線方程如下： （8） 1）得陰轉(zhuǎn)子上曲線簇方程 （9） 把代入曲線簇方程（9）得到曲線簇的包絡(luò)線方程 （10） 包絡(luò)線上任一點的切線斜率可微分上式如下： （11） 與包絡(luò)線共切于該點的曲線簇中的斜率為 （12） 斜率相同得公式： （13） 陽轉(zhuǎn)子也類同，類比可推導(dǎo)。 3）求共軛曲線方程 若已在陰轉(zhuǎn)子上給定了一段組成曲線的2為 （14） 則其共軛曲線方程，可用方程（10）及補充條件聯(lián)立表示，即 （15） 陽轉(zhuǎn)子也類同類比可推導(dǎo) 。 綜上，可得共軛曲線的嚙合方程如下所示： （16） 2.3 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線 本次論文關(guān)于型線的計算我采用的是單邊不對稱擺線—銷齒圓弧型線。如下圖所示，計算結(jié)果也如下列圖表所示。采用此設(shè)計推導(dǎo)出如下曲線，嚙合線方程及其一些參定數(shù)值的范圍。 G 1）AB與GH AB方程 陰轉(zhuǎn)子AB是徑向直線如下：: （17） 得出參數(shù)范圍： 根據(jù)三角形O2BP, 推導(dǎo)出： （18） （19） 即 （20） GH方程 GH是在陽轉(zhuǎn)子上，AB的共軛曲線 ，代入方程可求出： （27） 方程帶入推導(dǎo)，經(jīng)過層層計算，可得到參數(shù)方程如下： （21） 聯(lián)立得GH方程，算出GH的是一擺線。 AB和GH嚙合時的嚙合線方程如下： （22） （2）BC與HI BC方程 曲線BC為圓弧，方程如下： （23） 參數(shù)t為 （24） 由三角形O2BP，得 a 1標準規(guī)定為5°。 HI方程 HI是圓弧BC的共軛曲線，推導(dǎo)得曲線簇方程為 （25） 經(jīng)過層層推導(dǎo)，可得包絡(luò)條件為 （26） 得出，BC與HI僅在的位置嚙合，而且是整條曲線同時嚙合。推導(dǎo)方程得: （27） 兩條曲線只有在時嚙合。 嚙合線方程 連立方程，得到嚙合線方程為 （28） 可得，其嚙合線是與銷齒圓弧一樣的圓弧。 （3）I點與CD I點方程 I點是固定點，在坐標系方程得： （29） 三角形O1IP推出： CD方程 （30） （31） 推導(dǎo)方程： （32） （42） 其中 （33） 推導(dǎo)嚙合線方程為 （34） （4）D點與IJ D也為固定點，坐標為 （35） 曲線CD方程為： （36） IJ方程 推導(dǎo)得IJ方程如下： （37） （38） 陰轉(zhuǎn)子IJ曲線上任有點距陽轉(zhuǎn)子中心O1的距離可用下式表示： （39） 公式代入推導(dǎo)得: （40） 其嚙合是一圓弧線 5）DE與JK DE方程 DE是徑向直線，如下 （41） JK方程 曲線簇方程為 （42） 推導(dǎo)由方程得： JK的性質(zhì)是一擺線。 嚙合線方程 推導(dǎo)計算得其嚙合線方程為 （43） 6）EF與KL EF方程 EF是圓弧，其方程為 （44） t的變化范圍為 （45） KL方程 推導(dǎo)得： （46） （47） 推導(dǎo)后得： （48） 這表明共軛曲線仍為節(jié)圓圓弧。 嚙合線方程 代入計算得： （49） 得出嚙合線為一固定點. 以上，即為陰陽轉(zhuǎn)子嚙合時候，各個曲線和嚙合線的方程及其性質(zhì)。這是研究轉(zhuǎn)子型線的很重要的一部分，如上，計算過程及其推導(dǎo)過程都是比較復(fù)雜的，自己也是花了很長時間去推導(dǎo)，最終得出了結(jié)果和性質(zhì)。下表為最終總結(jié)圖： 最關(guān)鍵的型線計算結(jié)束后，接下來就是雙螺桿壓縮機各個尺寸的確定，在此計算過程省略，其公式和最終結(jié)果都如下圖所示： 陰轉(zhuǎn)子 陽轉(zhuǎn)子 齒曲線 曲線性質(zhì) 齒曲線 曲線性質(zhì) AB 直線 GH 擺線 BC 圓弧 HI 圓弧 CD 擺線 I 點 D 點 IJ 擺線 DE 直線 JK 擺線 EF 圓弧 KL 圓弧 陰陽轉(zhuǎn)子計算的各個公式如下表所示： 在本文中，取陽轉(zhuǎn)子圓周速度u1=10m/s，則 陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=60u1/(3.14D1)=6010/(3.140.102)=1873.r/min. 陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=n1/I=1873.3608/(0.6667)= 2810 r/min. 最終算的結(jié)果如下圖所示： 第三章 螺桿壓縮機的相關(guān)計算 螺桿壓縮機由于轉(zhuǎn)子齒內(nèi)部過程比較復(fù)雜，很難精確計算出具體數(shù)值。因此，本節(jié)計算主要是為了算出在工作過程當中，壓力、溫度這兩個數(shù)值之間的變化。然后，機器的功率也根據(jù)此計算出。同時，壓縮機工作原理主要是通過空氣壓縮進行的，因此它的容積效率也是很有必要計算出來的大概值。由于過程復(fù)雜，因此在計算的時候，采用簡單的方式模型去加以計算。 3.1.齒間面積 齒間面積在轉(zhuǎn)子各個型線計算分析出來之后，進一步的利用解析方法加以求解?？傻帽磉_式為以下： （51） 陰、陽轉(zhuǎn)子齒間面積為： =669.0（mm2） （52） =552.4（mm2） （53） =1221.4(mm4) 3.2齒間容積： 由齒間面積和有效工作長度兩個因素求解出齒間容積： （54） 計算出它們齒間容積分別為 （55） （56） 3.3容積流量及容積效率 3.3.1理論容積流量 壓縮機理論容積，顧名思義，就是它工作容積在單位時間內(nèi)范圍值，這個數(shù)值是由壓縮機的尺寸和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n來決定的。假使λ=L/D1，可得 （57） 接下來翻閱手冊： =0.4696； =0.971（在陽轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角為300°時候）；長徑比l =L/D1=1.35；D1=102mm；陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=1873.4r/min。代入數(shù)值計算出得 3.3.2實際容積流量 算出理論容量后，接下來求出它的實際流量。其公式為 （58） 式中ηV為容積效率, 已知=1.0m3/min，計算出 3.4軸功率及絕熱效率 3.4.1指示功W 當把進入氣體理想化后，應(yīng)用公式如下： 或 （59） (1)我們可以把吸氣這一行為始終壓力不變的過程 公式如下p0=p1s=Pa，T0=T1s=298K，空氣分子量M = 29，氣體常數(shù)R=8.3（J.mol-1.k-1）。 （92） 吸氣過程指示功W1為 （60） （2）我們也可以把壓縮過程看作是絕熱的一種行為 當這一行為結(jié)束后，減少的數(shù)值V2z為 = = 而結(jié)束后，齒間的容積大小為V2為 = = （61） 又可知過程中有一定的熱量散失，1≤n≤k=1.4，取n=1.1 =360.08（K） （62） 將這一行為的功率定為W2，也可以獲得其空氣絕熱系數(shù)值k=1.4 （63） （3）同時，我們也可以將排氣這一行為等同為壓力不變 則W3 (64) 所有的指示功率大小W為 （65） 3.4.2軸功率 （1）可以得出指示功率Pi Pi= (66) W為指示功，n為壓縮機轉(zhuǎn)速,n=3000r/min。 軸功率 （67） ηm為機械效率，一般ηm =0.90-0.98，取ηm =0.96。 3.4.3絕熱效率ηad 關(guān)于絕熱效率的數(shù)值，在這里指的是雙螺桿壓縮機對于能量的利用的多少，而數(shù)值的大小又是和這兩個因素有關(guān)，分別是機器的型號以及工況的情況。這兩個數(shù)值差異不同的話，其絕熱效率也是不同的。可查表知，Pd=0.8Mpa, 取絕熱效率had=0.78。 3.4.4絕熱指示效率hi 其公式查表如下，帶入數(shù)值計算得： （68） 3.5電動機功率 3.5.1傳動效率及電動機效率 本門中電動機選擇傳動方式為增速齒輪傳動，查表得出傳動效率ht=0.97-0.99，本次計算中選擇的是ht=0.98。 在設(shè)計中，一般默認電動機的功率是大于軸的功率的，這是大家都認可的。此次設(shè)計中，關(guān)于電動機余度的數(shù)值情況是xd=1.05-1.15，選擇xd=1.1，因此可以求出它的功率是 （69） 3.5.2電功率 在此說明本壓縮機選用的電動機是封閉式三相交流異步鼠籠式電動機，這種電機結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命比較長，因此也被廣泛使用。本次選擇型號是Y132S2-2，計算數(shù)值如下：電動機軸直徑D=65mm，它的轉(zhuǎn)速n=3000r/min，已求效率hd=0.915，所以可以得出總的消耗為 (KW) （70） 第四章 壓縮機的吸出氣孔設(shè)計 4.1吸氣孔口 雙螺桿空氣壓縮機，吸氣孔是工作過程的重要環(huán)節(jié)。因此，圍繞它的設(shè)計計算分析就成了重中之重。它的大小位置，以及它可能的形狀，都將會影響氣體在腔體的整個壓縮過程。氣體最終由低壓轉(zhuǎn)變成多少高壓的效率，也和它有重大的關(guān)系。因此，對它的設(shè)計提出了如下相關(guān)要求，力求對壓縮機工作達到最優(yōu)的效率 首先作為直接吸氣的位置，對它的要求在吸氣時候，要確保它的吸氣封閉容積對吸氣齒間容積影響盡可能的小，同時還要要求它吸取過程中氣體能夠最大限度的獲取，在齒間容積損失盡可能的少，使它的容積效率達到理論值的上限。另外，在設(shè)計它的面積，希望能大一點。 此外，還希望能夠使它的流通面積變得在理論值上很大，在壓縮機吸氣孔口位置選擇上，將機體軸向挖空，可選擇此處。而在我的這個設(shè)計當中，我選擇的使混合吸氣口。它的區(qū)別是在原先按照既定的位置，再次沿著徑向位置挖掉大約10mm尺寸左右位置。 4.2排氣孔口 類似于吸氣孔口的設(shè)置，排氣孔口也是徑向挖空設(shè)置，原理類似。在這里就不多敘述了。重點講述的是我設(shè)計的排氣孔在排氣的時候，盡可能使壓力損失不多。在這一個個過程中，同時氣體由于在高速旋轉(zhuǎn)時，不時受到一定的離心力，在這里值得一提的是，這是個有利于氣體很快的集中在排氣孔，然后快速的排出。 敘述完吸排氣孔口后，接下來就整個壓縮機裝配中一些重要的零部件簡單的敘述下。讓大家更好的認識壓縮機的結(jié)構(gòu)，以及工作過程。以下是相關(guān)介紹： 第五章 相關(guān)零部件的介紹 5.1機體 在壓縮機裝配中，整個機構(gòu)主要的部分都是殼體。它主要組成是氣缸和兩個端蓋。它的材料一般是灰口鑄鐵。 在壓縮機整體設(shè)計當中，機殼為它的整個外部，內(nèi)部是轉(zhuǎn)子以及其他零部件，外部直接是和大氣接觸的，氣體在進入排出過程中，能夠順利的流通的話，對機體的設(shè)計要求就是需要在緊湊的尺寸基礎(chǔ)上，做一些擴展。機體的相關(guān)應(yīng)用是，當安排好轉(zhuǎn)子的螺旋運動時候，確定它的吸出氣孔，那么它的吸排氣通道在殼體內(nèi)部基本上設(shè)置沒有什么要求限制，都可以去安排。對它的唯一要求限制就是流速不要太高，避免不必要的損失。本設(shè)計中，與常規(guī)壓縮機不同的是，吸出氣孔都設(shè)置在徑向機體的頂部。 5.2轉(zhuǎn)子 本設(shè)計中，壓縮機最重要的零部件就是嚙合的轉(zhuǎn)子了。轉(zhuǎn)子的材料一般毛胚件是鍛件，選擇球墨鑄鐵進行設(shè)計。這樣選擇，成本比較低，而且加工過程中也比較簡單。在設(shè)計過程中，考慮到它的直徑不大，我們一般選擇整體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于它的嚙合螺旋形狀之外，其他的長度部分就按照一般的軸區(qū)設(shè)計就可以了。 5.3軸承 在設(shè)計過程中，壓縮機需要很多軸承。軸承有很多種，比如滾子軸承、滾動軸承等一些。而本文設(shè)計當中，由于計算出的軸向力和徑向力都存在較大，因此選擇的都是角接觸軸承和圓柱滾子軸承。這樣的話，它能同時承受軸向載荷和徑向載荷。 5.4軸封 由于在設(shè)計過程中，轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)都會加軸承。因此，在設(shè)計考慮中，避免壓縮過程中腔體內(nèi)部的氣體通過軸對外側(cè)有所泄漏。因此，我們需要在轉(zhuǎn)子的排氣端和所在的軸承之間加入一個軸封，這樣有效的防止了氣體的泄漏。同時，又由于在正常情況下，吸入端轉(zhuǎn)子和軸承之間沒有壓力差值，所以無需加入軸承。只需要簡單的間隙密封就可以很好的滿足條件了。 以上就是一些比較重要的壓縮機零部件的介紹了。 第六章 轉(zhuǎn)子簡單的有限元分析 6.1轉(zhuǎn)子的徑向力和軸向力計算 轉(zhuǎn)子的內(nèi)部氣體壓縮時，會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力。我們假設(shè)這些氣體載荷均勻分布，某個瞬時氣體對轉(zhuǎn)子力矩為Tg，它在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的微元角dj做的功為為Wg，所以可得： 主動力在dj上所做的功等于瞬時容積之中氣體壓力Pi與容積微小變化dV的乘積，根據(jù)拉格郎日方程則有： 接下來的計算可根據(jù)下圖展開： 如圖所示，分別是陰陽轉(zhuǎn)子的三維坐標圖，在轉(zhuǎn)子上因合力對任一軸的矩等于各力對同一軸的矩的代數(shù)和，所以Tg可通過計算瞬時容積在XOZ、YOZ平面投影的靜矩M求出，公式如下： 根據(jù)以上，最終推導(dǎo)出 6.1.1轉(zhuǎn)子的徑向力 在轉(zhuǎn)子的工作過程中，容積氣體與轉(zhuǎn)子排氣口接觸時，轉(zhuǎn)子受力最大。 設(shè)基元容積在YOZ平面的投影對于Y軸及Z軸的靜矩為MY-YOZ及MZ-YOZ，密度為1，面積為SYOZ， MZ-YOZ1、Y1、ZYOZ1、Pi可以確定作用在陽轉(zhuǎn)子X1方向上徑向載荷TX1的大小、方向、作用點；MZ-XOZ1、X1、ZXOZ1、Pi可以確定作用在陽轉(zhuǎn)子Y1方向上徑向載荷TY1的大小、方向、作用點。同理，MZ-YOZ2、Y2、ZYOZ2、Pi和MZ-XOZ2、X2、ZXOZ2、Pi分別可確定作用在陰轉(zhuǎn)子上的徑向載荷Tx2和Yy2。TX、TY與圖所示X軸、Y軸方向相反取負值。 代入公式數(shù)值可得陰陽轉(zhuǎn)子徑向力： =2121N =744N 6.1.2轉(zhuǎn)子的軸向力 在半徑為r齒面的微元螺旋線段dl上，氣體壓力dpi可以分解為軸向分離dQa、徑向分力dT，切向分力dQT。 在這個原理的基礎(chǔ)上，參考其他論文以及參考文獻的公式，公式如下： 以及其他公式，最終求得陰陽轉(zhuǎn)子的軸向力分別是： T1=1411N，指向吸氣端 T2=199N，指向排氣端 本次計算公式多引用，最終目的是為了求出自己的陰陽轉(zhuǎn)子徑向力和軸向力，以便接下來的有限元分析。 6.2有限元分析 陰陽轉(zhuǎn)子是本次設(shè)計的重點。因此在計算完型線和力后，對轉(zhuǎn)子內(nèi)部進行簡單的有限元分析。 上文提到轉(zhuǎn)子螺旋形，需要特定的加工和材料。因此本文轉(zhuǎn)子材料選擇40Cr,定義轉(zhuǎn)子的屈服強度為300Mpa.接下來工作流程如下，先畫出陰陽轉(zhuǎn)子的三維圖，如下： 陽轉(zhuǎn)子 陰轉(zhuǎn)子 在ANSYS進行分析之前，先對模型進行有效的約束。仔細分析轉(zhuǎn)子的工作原理可知，在轉(zhuǎn)子的吸氣側(cè)，是存在間隙的。轉(zhuǎn)子的排氣端是軸向固定的。因此，得知轉(zhuǎn)子的這個性質(zhì)，對轉(zhuǎn)子吸氣端X、Y方向和旋轉(zhuǎn)的自由加以一定的約束，Z方向的位移自由度和旋轉(zhuǎn)自由度是存在的；對排氣端的僅有Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度，對于X、Y、Z方向的位移自由度和X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度進行約束。 由于轉(zhuǎn)子工作的原理就是氣體的壓縮和輸送，因此可以對陰陽轉(zhuǎn)子的齒面簡化為均布載荷，載荷大小為設(shè)定的1.2Mpa,可得分析結(jié)果如下圖; 陽轉(zhuǎn)子的應(yīng)力圖 陽轉(zhuǎn)子形變圖 根據(jù)上圖可知，陽轉(zhuǎn)子的最大形變量是0.018796Mpa,位置在轉(zhuǎn)子的中間。而又根據(jù)工作流程可知轉(zhuǎn)子的中間處處于壓縮狀態(tài)，沒有任何支撐，所以形變量最大。它的應(yīng)力最大值為19.629Mpa,遠小于材料的應(yīng)力。陰轉(zhuǎn)子分析也如上，形變量和應(yīng)力都遠小于材料，也符合要求。 至此，ANASY分析如上。 第七章 論文總結(jié) 7.1論文感悟 本次的畢業(yè)設(shè)計到這兒，大概已經(jīng)完成了所有的工作。因此，可以樂觀的說，基本上已經(jīng)結(jié)束了。在心里覺得還是很開心的，自己獨自一人完成了這份比較艱難的畢業(yè)設(shè)計。這個過程中，遇到了很多以往不曾知道的問題，自己在不斷地查閱資料和自我修改中，一步一個腳印向前，終于坎坷的在答辯之前完成了設(shè)計。 通過此次設(shè)計，我學(xué)到了很多。從一開始的無從下手，到后來的得心應(yīng)手，在這之間，學(xué)到了設(shè)計的精髓，學(xué)會了如何快速的查閱自己需要的資料。學(xué)會了如何系統(tǒng)的分析問題，考慮問題：才學(xué)會了機械設(shè)計中，任何一小問題也是不容忽視，值得關(guān)注的。此次設(shè)計，很感謝我的指導(dǎo)老師，是他給了我很多關(guān)鍵性的指導(dǎo)，是他一直在鼓勵我。也很感謝我的小組同學(xué)，是他們一直陪著我，晚上一起熬夜畫圖，一起探討問題。真的，此次設(shè)計，對我來說，不僅僅在知識有長進，在友情上又有了更高的提高。最后，想說的是，再次感謝我的老師和同學(xué)，為此次的論文完美結(jié)束感到很開心 參考文獻 ［1］田政方，小型雙螺桿空氣壓縮機設(shè)計，2014.05 ［2］王子文，壓縮空氣干燥和凈化設(shè)備，機械工業(yè)出版社，2005.01.01 ［3］Park H,Evaluating thr innerlove clearance of twin-screw by the iso-c Learance ontour diagram.2011 ［4］張偉，中低溫雙螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力性能研究，揚州大學(xué)，2017 ［5］Jerry,Analysis of the vading concept-a new rotary-piston 2003.01 ［6］陳文，噴油與無油螺桿壓縮機的性能分析，機械設(shè)計與制造，2006年12期 ［7］徐天，LG20T螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子研究，華中科技大學(xué)，2013 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