【文章內(nèi)容簡介】 ——連桿機(jī)構(gòu)以及來實(shí)現(xiàn)壓縮工作循環(huán)的氣缸、活塞以及密封等組件。下面將分別對(duì)各組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 活塞組件設(shè)計(jì)活塞組件與氣缸構(gòu)成了壓縮容積?；钊M件必須有良好的密封性，此外還要求（1）有足夠的強(qiáng)度和剛度。（2）活塞與活塞桿(或活塞銷)的連接和定位要可靠。（3）重量輕。兩列以上的壓縮機(jī)中．應(yīng)根據(jù)慣性力平衡的要求配置各列活塞的重量。（4）制造工藝性好。對(duì)本設(shè)計(jì)來說，活塞組件的設(shè)計(jì)包括活塞環(huán)的設(shè)計(jì)、刮油環(huán)的設(shè)計(jì)、活塞的設(shè)計(jì)和活塞銷的設(shè)計(jì)。它們?cè)跉飧字凶魍鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，與氣缸一起構(gòu)成了行程容積。 活塞環(huán)設(shè)計(jì)活塞環(huán)是密封氣缸鏡面和活塞間的縫隙用的零件。另外，它還起布油和導(dǎo)熱的作用。對(duì)活塞壞的基本要求是密封可靠和耐磨損。它是易損件，在設(shè)計(jì)中盡量用標(biāo)誰件和通用件，以利生產(chǎn)管理。在活塞式壓縮機(jī)中，活塞環(huán)是關(guān)鍵的零件之一，它設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響到壓縮機(jī)的排氣量、功率、密封性及可靠性，從而影響到壓縮機(jī)的使用成本?；钊h(huán)的材料及結(jié)構(gòu)尺寸的選擇對(duì)其壽命起至關(guān)重要的作用。 活塞環(huán)的材料如果沒有特殊要求，活塞環(huán)一般用鑄鐵或合金鑄鐵制造。不同活塞環(huán)直徑宜選用的灰鑄鐵牌號(hào)見表41。對(duì)于小直徑活塞環(huán)或高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)用的活塞環(huán)，可選用合金鑄鐵制造。表41 灰鑄鐵活塞直徑與鑄鐵牌號(hào)關(guān)系活塞環(huán)直徑，mm灰鑄鐵牌號(hào)HT300或HT250HT200或HT250HT200本設(shè)計(jì)采用的活塞環(huán)材料為灰鑄鐵，牌號(hào)為HT 活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)有4種：直切口式、斜切口式、搭接口式、組合式。 （1）直切口式。該結(jié)構(gòu)加工簡單，但壓縮機(jī)氣體泄漏量大，因此一般很少采用。 （2）斜切口式。該結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)氣體泄漏量及加工難易程度介于直切口式與搭接口式之間，使用最為廣泛。大部分進(jìn)口壓縮機(jī)及國產(chǎn)壓縮機(jī)的活塞環(huán)均采用該結(jié)構(gòu)。 （3）搭接口式。該結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)氣體泄漏量很少，加工最復(fù)雜，一般用于壓力較大的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)采用直切口式。 活塞環(huán)環(huán)數(shù)的確定活塞環(huán)的數(shù)目按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算： （41）式中：—活塞環(huán)兩邊的最大壓差，105Pa。活塞環(huán)的數(shù)目按上述公式進(jìn)行計(jì)算后，根據(jù)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的行程進(jìn)行圓整。，取=2。，取=3。 主要尺寸的確定 （1）徑向厚度t徑向厚度t一般取t=（1/22~1/36）D。D為活塞環(huán)外徑（mm），且大直徑活塞環(huán)的t取小值，小直徑活塞環(huán)的t取大值，最后應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值。mm，取=4mm。mm，取=3mm。（2）軸向厚度h軸向厚度h一般取h=（~）t。較小值用于大直徑活塞環(huán)，較大值用于小直徑活塞環(huán)和壓差較大的活塞環(huán)，最后應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值。 mm，取=3mm。 mm，取=3mm。（3）開口熱間隙開口熱間隙按下式計(jì)算 （42）式中：—活塞環(huán)外徑，mm； —活塞工作時(shí)的溫度，通常取排氣溫度，℃； —在檢驗(yàn)尺寸時(shí)活塞環(huán)本身的溫度，通常取室溫20℃； —活塞環(huán)材料的線膨脹系數(shù)（1/℃），鑄鐵/℃。mm，取=。mm，取=。（4）自由開口寬度A查文獻(xiàn)資料[1]得：A1= A2=根據(jù)已知的條件=95mm，=70mm，選用文獻(xiàn)[1]中的標(biāo)準(zhǔn)活塞環(huán)。 活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)簡圖 刮油環(huán)設(shè)計(jì)在單作用的氣缸中，為了防止曲軸內(nèi)的潤滑油竄入氣缸，要采用刮油環(huán)。刮油環(huán)的工作面有鋒利的邊緣，以便把氣缸上的潤滑油刮下，刮下的油順著活塞上的導(dǎo)油孔導(dǎo)出。為把潤滑油引出，在環(huán)中間加工出圓弧形槽。在設(shè)計(jì)中，刮油環(huán)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，以利于生產(chǎn)管理。根據(jù)一、二級(jí)活塞直徑查文獻(xiàn)[1]、。 一級(jí)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)簡圖 二級(jí)油環(huán)的結(jié)構(gòu)簡圖 .3 活塞的設(shè)計(jì)對(duì)于小型、微型無十字頭的壓縮機(jī)，活塞銷與連桿直接相連。當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí)，側(cè)向力將活塞壓向氣缸表面，這樣側(cè)向力主要由活塞群部承受。此時(shí)為防止活塞的外表面造成氣缸的損傷，通常銷座附近的群部略向下凹?；钊綁嚎s機(jī)中采用的活塞基本結(jié)構(gòu)型式有：簡形、盤形、級(jí)差式、組合式、柱塞等。（1）筒形活塞：用于小型無十字頭壓縮機(jī)，通過活塞銷與連桿連結(jié)。（2）盤形活塞：用于低壓中壓氣缸中。為了減輕重量，一般鑄成空心的。兩個(gè)端面用加強(qiáng)筋互相連結(jié)，以增加剛性。（3）級(jí)差式活塞：用在串聯(lián)兩個(gè)以上壓縮級(jí)的級(jí)差式氣缸中。（4）隔距環(huán)組合型活塞：高壓級(jí)中，活塞環(huán)徑向厚度與它的直徑的比值，比一般情況取得大些，以提高活塞環(huán)彈力和它對(duì)氣缸表面的比壓。（5）柱塞：活塞直徑很小時(shí)，采用活塞環(huán)密封在制造上有困難。因此采用不帶活塞環(huán)的柱塞結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用筒型活塞。 活塞材質(zhì)的選取根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表420，選擇本設(shè)計(jì)一級(jí)氣缸的材質(zhì)為HT200，二級(jí)氣缸的材質(zhì)為HT200。 活塞結(jié)構(gòu)尺寸的確定 不計(jì)密封環(huán)和刮油環(huán)高度時(shí)的活塞高度 （43）式中：—最大側(cè)向力；為連桿徑長比，為最大活塞力；D—活塞直徑，m；[k1] —筒形活塞支撐面的許用比壓， MPa ~。，=1/不計(jì)密封環(huán)和刮油環(huán)高度時(shí)的一級(jí)活塞高度m=不計(jì)密封環(huán)和刮油環(huán)高度時(shí)的二級(jí)活塞高度m=活塞的總高度 （44）式中：n，m—活塞環(huán)數(shù)；h，h3—活塞環(huán)的軸向高度，mm。一般取=（12）h。根據(jù)刮油環(huán)的設(shè)計(jì)知：=一級(jí)活塞高度：mm二級(jí)活塞高度：mm活塞總高度一般與活塞直徑D的關(guān)系為 （45）一級(jí)活塞高度范圍： mm二級(jí)活塞高度范圍： mm綜上所述：取一級(jí)活塞高度=72mm，取二級(jí)活塞高度=72mm?；钊斆嬷恋谝坏阑钊h(huán)的距離為 （46）一級(jí)活塞頂面至第一道活塞環(huán)的距離 mm二級(jí)活塞頂面至第一道活塞環(huán)的距離 mm取=6mm，=6mm?；钊h(huán)之間的距離為 （47）一級(jí)活塞活塞環(huán)之間的距離mm二級(jí)活塞活塞環(huán)之間的距離mm取。裙座到底邊的距離約為 （48）一級(jí)活塞裙座到底邊的距離mm二級(jí)活塞裙座到底邊的距離mm活塞銷中心線到底邊距離約為 （49）一級(jí)活塞活塞銷中心線到底邊距離mm，取為32 mm。二級(jí)活塞活塞銷中心線到底邊距離mm，取為32 mm。活塞銷孔徑均為20 mm。 活塞示意圖 活塞銷的設(shè)計(jì) 活塞銷的材料 活塞銷連接了活塞和連桿，在活塞運(yùn)動(dòng)過程中，承受連桿的重量和連桿作用在活塞銷的力，所以活塞銷要有足夠的強(qiáng)度和剛度。綜合考慮選擇20Cr。 活塞銷的主要結(jié)構(gòu)尺寸活塞銷的尺寸，根據(jù)最大活塞力作用下活塞銷投影工作面上的許用比壓初步確定后，按彎曲和剪切作用校核其強(qiáng)度?；钊N的計(jì)算尺寸如圖6所示。 （410）式中：pmax—最大活塞力，N；d —活塞銷直徑，m； l0 —連桿銅套長度，按l0 (~)d的范圍選?。? [k2] —活塞銷許用比壓，活塞力始終在一個(gè)方向時(shí)，[k2]120105Pa ~150105Pa；活塞力的方向有變化時(shí)，[k2]150105Pa ~250105Pa。因?yàn)榛钊τ凶兓?，取[k2] 200105Pa。則一級(jí)活塞銷，取d20mm二級(jí)活塞銷：，取d20mm活塞銷座處的表面壓力按下式確定 （411）式中：d—如圖6所示，為活塞銷外徑，mm； —活塞銷在一側(cè)銷座中的支撐長度，mm。表面壓力的許用值活塞銷在銷座中為緊固支撐，鑄鐵活塞35 Mpa~40MPa。鑄鋁活塞20 MPa~25MPa。一級(jí)活塞：d10mm，取20mm，則 MPa，在允許范圍內(nèi)。二級(jí)活塞：d16mm，取10mm，則 MPa，在允許范圍內(nèi)。 活塞銷計(jì)算示意圖 活塞銷座計(jì)算尺寸進(jìn)行彎曲驗(yàn)算時(shí)，把活塞銷看作兩端自由支撐的梁，與連桿接觸長度l0上承受均布載荷，中間截面的彎曲應(yīng)力最大，其值為 （412）式中：Pmax—最大活塞力，N； l —活塞銷座支撐長度中點(diǎn)間的距離，mm； l0 —連桿軸承的寬度，mm； d0 —活塞銷中心孔徑，mm，一般取d0=(~)d。許用彎曲應(yīng)力：碳素鋼90 MPa；合金鋼150 MPa。一級(jí)活塞連桿小頭的寬度l024mm；活塞銷中心孔徑選擇d08mm；連桿銅套與活塞銷座之間應(yīng)留出一定間隙，取間隙為8mm，=3mm。則活塞銷總長為 （413）一級(jí)活塞銷：=80mm二級(jí)活塞銷：mm一級(jí)活塞銷MPa二級(jí)活塞銷MPa活塞銷的材料為20Cr，是合金鋼，一、二級(jí)活塞銷的在允許范圍內(nèi)。截面ⅡⅡ上的剪切應(yīng)力為 （414）許用剪切應(yīng)力：碳素鋼50 MPa；合金鋼100 MPa?；钊N的材料為20Cr,為合金鋼，100 MPa。一級(jí)活塞銷：MPa 100 MPa，在允許范圍內(nèi)；二級(jí)活塞銷：MPa 100 MPa，在允許范圍內(nèi)。 氣缸的設(shè)計(jì) 基本結(jié)構(gòu)型式及選材氣缸是活塞式壓縮機(jī)中組成壓縮容積的主要部分。根據(jù)壓縮機(jī)所要達(dá)到的壓力、排氣量、壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)方案、壓縮氣體的種類、制造氣缸的材料以及制造廠的習(xí)慣等條件，氣缸的的結(jié)構(gòu)可以有各種各樣的形式。設(shè)計(jì)氣缸的要點(diǎn)是（1）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。工作表面具有良好的耐磨性。（2）要有良好的冷卻；在有油潤滑的氣缸中，工作表面應(yīng)有良好的潤滑狀態(tài)。（3）盡可能減小氣缸內(nèi)的余隙容積和氣體阻力。（4）結(jié)合部分的連接和密封要可靠。（5）要有良好的制造工藝性和裝拆方便。（6）氣缸直徑和閥座安裝孔等尺寸應(yīng)符合“三化”要求。為了保證工作的可靠性，壓縮機(jī)列中的所有氣缸都要有較高的同心性。為此氣缸上一般都設(shè)有定位凸肩。定位凸肩導(dǎo)向面應(yīng)與氣缸工作表面同心，而且結(jié)合平面要與中心線垂直。由于活塞和活塞環(huán)在氣缸工作表面上滑行，使氣缸工作表面受到摩損，而且當(dāng)活塞在止點(diǎn)位置時(shí)，速度等于零，靠壓縮容積一側(cè)的第一道活塞環(huán)的比壓很大，有可能咬在工作面上，所以此處的磨損最大。因此應(yīng)恰當(dāng)?shù)倪x擇活塞環(huán)和氣缸工作面之間硬度和配合。本次設(shè)計(jì)在氣缸工作表面加上細(xì)微的珠光體組織，硬度達(dá)HB170以上，使活塞環(huán)的硬度比氣缸工作表面的硬度高（10~20） HB。，但用普通的加工方法很難達(dá)到這樣的光潔度。氣閥在氣缸上的布置方式對(duì)氣缸的結(jié)構(gòu)有很大影響。本次設(shè)計(jì)氣閥關(guān)鍵是通道截面要大、余隙容積要小、安裝和修理要方便。因此本次設(shè)計(jì)選用舌簧閥，為了簡化氣缸的結(jié)構(gòu)，氣閥安裝在氣缸蓋上，氣閥的中心線與氣缸中心線平行布置氣閥在兩氣缸蓋上。這時(shí)氣閥與氣缸連通通道引起的余隙容積較小，氣流暢通。單作用氣缸的潤滑點(diǎn)布置在靠壓縮容積側(cè)第一道活塞環(huán)掃過距離的中間位置，而且氣缸一般都有指示器接管。為了防止氣體外泄，壓緊螺栓的端部用封閉螺母緊固，螺母與閥蓋的結(jié)合面上加熱片密封。吸氣閥受氣缸內(nèi)的氣體壓力作用，脫離其承座的力要比排氣閥所受的同樣的力大得多，所以吸氣閥壓罩的壓緊螺栓要比排氣閥的取得多。氣缸因工作壓力不同而選用不同強(qiáng)度的材料，工作壓力低于6MPa的氣缸用鑄鐵制造。工作壓力低于20MPa的氣缸用鑄鐵或稀土球墨鑄鐵制造。工作壓力更高的氣缸則用碳鋼或合金鋼制造。鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能，對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)形狀的限制較小，所以鑄鐵氣缸的形式較多，有單層壁氣缸和多層壁氣缸。大、中型壓縮機(jī)的鑄鐵氣缸多為多層壁，而本設(shè)計(jì)為微型壓縮機(jī)氣缸，所以選用單層壁鑄鐵氣缸，鑄鐵型號(hào)為HT200。為了保證工作的可靠性，壓縮機(jī)列中的所有氣缸要有較高的同心性。為此，氣缸上一般都設(shè)有定位凸肩，定位凸肩導(dǎo)向面應(yīng)與氣缸工作表面同心，而其接合平面要與中心線垂直。氣缸中孔的內(nèi)圓表面，為氣缸的工作表面，供活塞在其中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并保持滑動(dòng)部分的氣密性，以形成所需的壓縮容積。為了保證活塞對(duì)氣缸工作表面的可靠密封，須將活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)掃過的氣缸工作表面精密加工。工作表面的長度應(yīng)滿足這樣的要求：活塞在內(nèi)、外止點(diǎn)位置時(shí)，相應(yīng)的最外一道活塞環(huán)能越出工作表面（1～2）mm，以避免形成凸邊或積垢。為了便于加工工作表面和安裝活塞方便，應(yīng)使工作表面兩端之外的表面取較大直徑。而且與工作表面成錐面過渡，錐面的斜度一般取1∶3或等于15176。的斜角。為了減少氣缸工作表面的磨損，應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇活塞環(huán)和氣缸工作表面之間的硬度和配合，這就要求氣缸工作表面具有細(xì)微的珠光體組織，硬度達(dá)HB170以上。一般使活塞環(huán)的硬度比氣缸工作表面的硬度高（10～20）布式硬度單位。如果壓縮氣體較臟或者壓縮氣體使氣缸表面的潤滑惡化，則氣缸表面就有較大的磨損。這時(shí)，需采用優(yōu)質(zhì)材料制成的氣缸套作氣缸工作表面。此外，還由于下列理由采用氣缸套：（1）鑄鋼和鍛鋼氣缸，為了防止咬合；（2）氣缸有缺陷，經(jīng)修補(bǔ)回用；（3）便于實(shí)現(xiàn)氣缸尺寸系列化等。為了簡化氣缸和氣缸套的加工，除定位凸肩以外，其余部分圓表面不加工成階梯形，而把靠近定位凸肩的一半氣缸長度按過盈配合加工；離定位凸肩較遠(yuǎn)的另一半長度按間隙配合加工。氣缸套外圓的極限公差，通常根據(jù)已加工氣缸的實(shí)測(cè)值來確定。氣閥在氣缸上的布置方式，對(duì)氣缸的結(jié)構(gòu)有很大影響，是設(shè)計(jì)氣缸所要考慮的主要問題之一。布置氣閥的主要要求是：通道截面要大；余隙容積要小；安裝和修理要方便。選擇氣閥數(shù)量時(shí)，力求統(tǒng)一化，即兩級(jí)或更多級(jí)都采用相同的氣閥，而各級(jí)所需的通流截面