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1、兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要往复活塞式压缩机是容积式压缩机的一种，是利用活塞在气缸中对流体进行挤压，使流体压力提高并排出的压缩机械。随着医药、纺织、食品、化工等工业部门对产品质量要求的进一步提高以及人们环保意识的增强，对洁净无油污的压缩空气的需求越来越大，全无油润滑压缩机已成为压缩机行业研究的热点之一，往复式风冷全无油压缩机与往复式水冷型全无油压缩机相比，具有结构简单、便于移动和操作、不需要水源、适应性更强等特点，因而越来越得到广泛的关注、研究和应用。热力、动力计算是压缩机设计计算中基本的，又是最重要的一项工作，根据用户提供的成分、气量、压力等参数要求，经过计算得到压缩机的相关参数，如级
2、数、列数、气缸尺寸、轴功率等。经过动力计算得到活塞式压缩机的受力情况。准确地分析机组受力情况，对于消除机组的振动非常重要。活塞式压缩机热力计算、动力计算的结果将为各部件图形以及基础设计提供原始数据，其计算结果的精确程度体现了压缩机的设计水平，也是压缩机研究方面的一个课题。关键词：活塞式压缩机， 热力计算， 动力计算，气缸，曲轴1 绪论1.1 无油润滑压缩机在生产上使用的意义及发展趋势 一般压缩机所供给的含油气体，常常给生产工艺带来一系列不良后果。譬如，合成氨厂中的氮氢混合气体进入合成塔如果夹带有油，便会使触媒中毒，降低使用寿命；空气分离部门的氧气压缩机为防爆而不能用油润滑；石油气压缩机中的碳氢
3、化合物会使润滑油稀释，达不到润滑效果；是气动仪表用的空气压缩机如果带油，会很容易堵塞细小的仪表管路，严重影响灵敏度；降温工程用的压缩机，润滑油会被凝固；食品工业和制药工业的产品不允许被油污染等等。无油润滑压缩机可以满足这类工艺和产品的特殊需要。此外，无油润滑压缩机还可有以下特点： （1）由于气体不带油,减少和消除了油污染沉积在热交换器管壁上的可能，使换热效率提高气体的阻力损失也可以减少。 （2）可以取消注油器、油分离器等设备，并因此降低了系统阻力。在合成氨工艺流程中，合成塔入口压力可相对的提高，有利于增加合成氨的产量。 （3）可以节约大量的润滑油，一台高压循环机每年可以省油3600公斤。 （4
4、）由于使用了自润滑材料的填料函密封元件基本上省去了对原金属填料函繁重的刮研工作量。尤其是高压填用的巴氏合金锥形填料函，当被具有自润滑性能的填充聚四氟乙烯的平面填料函取代后，检修工作量只有原来的六分之一，而且劳动强度也大大降低。 （5）理想的无油润滑压缩机，由于密封摩擦件摩擦系数低，而是用寿命长。活塞环、填料函在中、低压差的条件下，使用寿命可达10000小时，约为原金属填料函的1.52倍，并减少了非生产的检修时间和开车用电。 （ 6)提高了气缸或汽缸套、活塞杆的使用寿命。一般情况下，使用后的气缸或汽缸套的镜面光洁度都很高，而且磨损较小。 虽然无油润滑压缩机采用工程塑料或金属塑料做密封元件，成本比
5、金属要高些，但其经济效果却远远的高于用金属密封件的有油润滑压缩机。 由此可见，无油润滑压缩机的应用有十分重要的意义。对老机组进行无油润滑改造和生产优质的新型的无油润滑压缩机已是科研、生产部门刻不容缓的重要任务。国外无油润滑压缩机开始于三十年代。1935年瑞士苏尔寿公司发表了迷宫式密封无油润滑压缩机的专利。五十年代处，世界市场上出现了第一批无油润滑压缩机。1957年，西德林德公司已可年产200台无油润滑压缩机，总功率达50000马力。六十年代末，日本生产的活塞式压缩机，其中无油润滑的占50%；1967年瑞士苏尔寿公司可制造排气量达10000 标准米3/时、排气压力公斤/厘米2的迷宫式压缩机；法国
6、杜亚德公司生产公斤/厘米2氮氢气对称平衡型无油压缩机。密封结构也在不断改革、创新。林德公司的T型活塞环结构在排压低于180公斤/厘米2的情况下，使用寿命8000小时以上。美国杜邦公司设计的套筒密封结构用于70350公斤/厘米2时，具有较大的磨损补偿潜力。1969年，日本三国重工业公司提出可以使用20000小时的整体密封环无油润滑压缩机。 目前国外无油润滑压缩机最大功率达4050千瓦以上，最高排气压力500公斤/厘米2，最高活塞线速度5米/秒。填充聚四氟乙烯活塞环使用寿命在线速度4米/秒、密封压差为100公斤/厘米2时，约为7000小时；在密封压差为200300公斤/厘米2，则为20003000
7、小时。国内无油润滑压缩机的研制工作首先出现于化肥工业的高压循环机和压缩机。各大、中型化肥厂使用的5T-3-285/320氮氢气循环压缩机，普遍进行了无油润滑改造。该机排气压力为320公斤/厘米2；活塞线速度为1.87米/秒；汽缸温度低于50摄氏度。1967年，大连化工厂在工艺流程压力260公斤/厘米2的条件下，取消该机注油器，使用寿命达半年。目前不少单位在320公斤/厘米2压力下，使用寿命已稳定在八个月到一年。虽然该机线速度和汽缸温度都较低，但对填料函无油润滑的高压差密封使用摸索了可贵的经验。与此同时，在大、中、小型化肥厂高压压缩机的高压缸上，开展了不注油的改造工作。这样，活塞环就处于高密封压
8、差、少油润滑的运动状态。1965年首先在一台1250马力的氮气压缩机五级汽缸上试用，该机排气压力200公斤/厘米2、活塞线速度2.7米/秒、汽缸温度120摄氏度，填充聚四氟乙烯活塞环使用寿命达10000小时，排出气体含油量可降低40%。2N45-130/362红旗牌氮氢气压缩机六级活塞环密封压差打314公斤/厘米2，活塞线速度4米/秒。苛刻的操作条件给不注油运转带来了困难，衡州化工厂等单位采用金属塑料或金属纤维减摩材料活塞环，寿命为30004000小时，最高达8000小时。小化肥厂用L3.3-17/320氮氢气压缩机七级活塞环应用聚酰亚胺 ，在上海吴淞化工厂等单位的使用寿命3000小时。 在大
9、型高压压缩机中的低压级因汽缸直径大、活塞重，使用支撑环比压超出允许范围，磨损增加，给无油润滑应用带来了困难。 目前国内能实行全部气缸无油润滑的压缩机，排气压力一般在150公斤/厘米2以下，线速度低于3.5米/秒，排气温度不高于160摄氏度。如果高于此操作条件，就必须采取进一步措施以提高使用寿命，否则不能维持最短检修周期。国内从1965年开始生产中、低无油润滑压缩机定型产品，如沈阳气体压缩机厂生产的2Z-6/8空气压缩机；杭州制氧机厂的2DY-100/41石油气压缩机和无锡压缩机厂生产的进口压力70公斤/厘米2、出口压力90公斤/厘米2的D6.5-4.6/70-90氢气循环压缩机等等。国内无油润
10、滑压缩机的工作主要是针对气缸的部分、但在这里不能不提到，包括传动部件在内的整机无油润滑压缩机的研制工作也已开展，并取得了一定的成效。沈阳气体压缩机厂生产的1Z-0.4/1.5和1Z-0.04/4全无油空气压缩机，无十字头、主轴承和连杆大头瓦采用滚动轴承，小头瓦滚针轴承，在低速轻载条件下，可用作医疗工具和喷气织布。1976年上海医院设备厂等单位试制成761型微型高压无油润滑氧气压缩机，输气量为5米3/小时、大气吸入，排气压力为120公斤/厘米2、线速度为0.84米/秒。该机由于结构简单，转移轻便， 因此适用于偏僻山区及战时医疗急需加压罐氧充瓶用。该机十字头用铝合金制成，滑动表面开槽，槽内装有填充
11、聚四氟乙烯滑块，与十字头滑道自润滑配合。连杆大头采用双列向心球面轴承，小头为改性聚甲醛压制的无油润滑轴承。 当然，传动部件无油，也仅指无稀油，滚动轴承中的润滑脂还是存在的。2 活塞压缩机概述压缩机是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。随着生产技术的不断发展，压缩机的种类和结构型式也日益增多。目前不但广泛地应用在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化工、制冷与气体分离工程以及国防工业中。而且医疗、纺织、食品、农业交通等部门，对压缩机的需要也在不断地增加。2.1 压缩机分类2.1.1容积式压缩机容积式压缩机是通过运动件的位移，使一定容积的气体顺序地吸入和排出封闭空间以提高静压力的压
12、缩机。（压缩可以是内压缩或不是内压缩。如果是内压缩，压力比可以是固定的或变化的。（1）轴驱动的往复压缩机 是由轴的旋转运动使运动件在压缩腔内作往复直线运动，来实现气体的吸入和压缩的容积式压缩机。（2）回转压缩机 是一种容积式压缩机，其运动件是在汽缸中运动的一个或几个转子。位移容积是通过滑片，一个或几个啮合零、部件或转子本身的运动来实现的。2.1.2动力是压缩机随着气体连续地由入口流向出口，将其动能转化为势能来提高气体压力的一种压缩机。（1）透平压缩机 具有回转叶片、轮盘或叶轮的动力式压缩机（有效排气压力低于2pa的透平压缩机通常称为“透平鼓风机”）。a. 轴流透平压缩机 基本上是轴向流动的装有
13、叶片的旋转轮盘以及扩压器中转化动能的透平压缩机。b. 径流透平压缩机即离心压缩机 基本上是径向流动的叶轮和扩压器中转化动能的透平压缩机。还有混流透平压缩机（其气体沿着介于轴向和径向之间的方向流动）和联合透平压缩机。（2）喷射式压缩机 它没有运动元件，是通过转化辅助流体的动能来实现压缩的动力式压缩机。2.2 活塞式压缩机工作原理活塞式压缩机是利用活塞在汽缸内往复运动来压缩气体（空气、氧气、天然气、二氧火碳、氢气等），以提高气体压力并输送具有一定压力气体的机器。活塞式空气压缩机主要有传动机构和气缸组成。传动机构主要是指各运动部件，向活塞传递动力。气缸组件形成压缩容腔，实现对空气的压缩。为保证压缩机
14、正常工作，活塞式压缩机上还配有一些附属装置。推动活塞运动的机构成为运动机构。电动机带动曲轴回转，曲轴推动连杆，变回转运动为往复运动。连杆的运动又推动着十字头、活塞做往复运动。当活塞从上面最高处的极限位置（亦称为活塞的上死点）向下运动时，由气缸和气缸盖以及活塞上端面所构成的空间容积（称为气缸容积）则将逐渐增加，这是外界的气体将从进气管道冲开气阀中的阀片，进入气缸，活塞越往下部移动，则从管道进入气缸中的气体体积就越大，一直持续到活塞抵达气缸下部的极限位置（亦称为活塞的下死点）。在这个过程中，外界的气体不断被吸入气缸。当活塞有下死点开始返回运动时，进气阀自动关闭，不再吸气。由于活塞向上运动，不断的压
15、缩气缸内的气体，使气缸内气体的压力不断增加。当活塞达到一定位置，被不断压缩的气体的压力增加到一定值时，压缩气体冲开排气阀，经过排气管道输送到使用部门。一直到活塞抵达上死点时为止。在这期间，气缸内气体压力不在升高。当活塞从上死点位置再次往下运动时，则排气阀自动关闭，停止排气，而吸气阀又再次自动启开。外部气体又从吸气管道经过吸气阀被吸入压缩机气缸，就这样，在压缩机工作过程中，外界气体不断吸进压缩机汽缸，又不断的被压缩，被排除、被输送出去。当压缩机的主轴旋转一周时，曲柄连杆机构带动活塞在气缸内上下往复运动一次，完成一个吸气、压缩、排气过程，这个工作过程也称为活塞式压缩机的循环。当机构运动时，与其支撑
16、面要产生摩擦，因而要消耗功。为了减少摩擦力和零部件的磨损，每个机械摩擦面上都必须敷设耐磨材料并保证充分的润滑。为保证气缸内进入干净的空气，在压缩机吸气口出安装有空气过滤器。为使压缩机能连续运转，必须消除压缩时所产生的热量，为此，设置了冷却装置。为了将脉动的压缩空气变为较稳定的压缩空气，设置了储气罐。为保证压缩机的正常运转，还设有级间冷却器、缓冲器、液气分离器、安全阀以及向运动机构和气缸的摩擦部位供润滑油的油泵和注油器等附属设备。活塞式压缩机多用电动机驱动。中小型固定式空气压缩机，用异步电动机，大型用同步电动机，小型移动压缩机采用柴油机驱动，有些大型压缩机用燃气发动机或气轮机驱动。2.3 活塞式压缩机的主要用途随着科学技术的发展
