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延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
學(xué)校代碼： 10184
學(xué) 號(hào)： 2144021681
延 邊 大 學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目：雙螺桿空氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：葛德晨
學(xué) 院：工學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)：2014級(jí)
指導(dǎo)教師：咸成吉 教授
二 〇 一 八 年 五 月
摘 要
近年來(lái)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)，工業(yè)水平的不斷提高和發(fā)展，噪聲比較小，壽命相對(duì)較長(zhǎng)，壓縮效率非常高，性能穩(wěn)定且平衡的供氣設(shè)備逐漸引起了大家的關(guān)注。雙螺桿壓縮機(jī)憑借優(yōu)異的功能，其可靠性，操作維修，適應(yīng)性，以及其他特點(diǎn)被應(yīng)用在各種工業(yè)場(chǎng)合。類(lèi)似于化工，機(jī)械，醫(yī)療，國(guó)防工程，金屬冶煉，土木建筑等多個(gè)工業(yè)部門(mén)。八十年代后，隨著其技術(shù)的成熟，其運(yùn)用范圍也在始終的擴(kuò)充。又因?yàn)殡p螺桿壓縮機(jī)目前已經(jīng)系列化，零件相對(duì)較少，其在所有壓縮機(jī)中，其份額已經(jīng)占了一半，市場(chǎng)份額也超過(guò)了23。因此，研究雙螺桿壓縮機(jī)的意義是具有特殊性和重要性的。雙螺桿壓縮機(jī)是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的一種，其運(yùn)動(dòng)原理主要是通過(guò)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)引起容積的變化，進(jìn)而使氣體發(fā)生改變。因此研究重點(diǎn)是其中的一對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。本文主要是研究噴油式雙螺桿空氣壓縮機(jī)，著重研究設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子新型型線，對(duì)其相關(guān)影響因素逐個(gè)分析優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)。本文中陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)比例為4：6，采用單邊不對(duì)稱(chēng)擺線圓弧型型線，對(duì)齒間容積，齒間面積，齒間嚙合線等進(jìn)行計(jì)算分析。
關(guān)鍵詞：噴油雙螺桿壓縮機(jī) 陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì) 齒間容積
Abstract
In 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 錄
前 言 1
第一章 關(guān)于課題壓縮機(jī)的介紹背景 2
1.1螺桿壓縮機(jī)的分類(lèi)、應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn) 3
1.1.1螺桿壓縮機(jī)的分類(lèi) 3
1.1.2螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用 3
1.1.3螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 4
1.2研究雙螺桿壓縮機(jī)的目的和意義 4
1.3壓縮機(jī)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(guó)內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)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(jì)原則 10
2.1轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)要素 10
2.2 型線方程和嚙合線方程 10
2.2.1坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)變換 10
2.2.2齒曲線及其共軛曲線 12
2.3 單邊不對(duì)稱(chēng)擺線-銷(xiāo)齒圓弧型線 13
第三章 螺桿壓縮機(jī)的相關(guān)計(jì)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(shí)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(dòng)機(jī)功率 24
3.5.1傳動(dòng)效率及電動(dòng)機(jī)效率 24
3.5.2電功率 24
第四章 壓縮機(jī)的吸出氣孔設(shè)計(jì) 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(jī)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(jiǎn)單的有限元分析 28
6.1轉(zhuǎn)子的徑向力和軸向力計(jì)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(xiàn) 36
延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
前 言
空氣壓縮機(jī)已經(jīng)成為制造業(yè)重要的一部分，是機(jī)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(jī)械制造，石油采礦，電子技術(shù)，國(guó)防安全方面都是非常重要的空氣動(dòng)力設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，它也越來(lái)越多的應(yīng)用在其他如農(nóng)業(yè)，醫(yī)療等各個(gè)方面。因此，具有非常重要的一點(diǎn)是，生產(chǎn)制造各種空氣壓縮機(jī)已經(jīng)迫不容緩。可知壓縮機(jī)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(lái)十年，壓縮機(jī)在我國(guó)的市場(chǎng)將會(huì)以10%的速度增長(zhǎng)。
作為被廣泛使用的雙螺桿壓縮機(jī)，實(shí)質(zhì)是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的一種，但是它的工作容積和往復(fù)式壓縮機(jī)是有區(qū)別的?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)主要是氣體的緊縮過(guò)程是憑借容積變換而進(jìn)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(guò)轉(zhuǎn)子的不斷運(yùn)動(dòng)造成的。除此之外，二者間區(qū)別點(diǎn)還有就是，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)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(shí)刻在變化更替的。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)相同，是通過(guò)容積變化引起氣體的壓縮。是其內(nèi)部轉(zhuǎn)子在氣缸中運(yùn)動(dòng)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(jī)。但同時(shí)，他也具備速度式壓縮機(jī)的性質(zhì)，所有回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)同時(shí)兼?zhèn)渖鲜鰞煞N壓縮機(jī)的性質(zhì)和特點(diǎn)。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)還有因?yàn)橥怀鲂阅堋D(zhuǎn)速高，能夠直接連接高速運(yùn)行的原動(dòng)機(jī)（有內(nèi)燃機(jī)，電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)）。與此同時(shí)，伴隨著高轉(zhuǎn)速，也會(huì)使機(jī)組帶來(lái)輕重和小尺寸的一些特點(diǎn)。而且轉(zhuǎn)子在一周之內(nèi)的多次排氣進(jìn)程，使他的氣壓輸氣平均，壓力脈動(dòng)數(shù)值不大，大容量的儲(chǔ)氣罐無(wú)需去使用。
此外，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)因?yàn)椴痪哂型鶑?fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單，緊湊。因此制造時(shí)候較方便，成本也是比較低。同時(shí)，又因?yàn)榫哂芯S護(hù)周期長(zhǎng)，操作容易簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。此外，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)在移動(dòng)式機(jī)器中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力平衡性良好的優(yōu)勢(shì)很明顯。故所以它的轉(zhuǎn)數(shù)較高，基數(shù)小。同時(shí)，與往復(fù)式壓縮機(jī)一樣，其排氣量和排氣壓力無(wú)關(guān)。是具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)適應(yīng)性也很強(qiáng)，能夠同時(shí)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(shí)，不會(huì)出現(xiàn)速度壓縮機(jī)那樣的喘振現(xiàn)象。同時(shí)回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)（如離心壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)）運(yùn)動(dòng)部件相互之間，運(yùn)動(dòng)件和固定機(jī)件之間，比如陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子，都沒(méi)有直接的接觸，同時(shí)無(wú)需在工作腔內(nèi)部周壁上潤(rùn)滑，以此保證氣體的潔凈度數(shù)，做到無(wú)油的壓縮氣體即無(wú)油螺桿壓縮機(jī)。同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件之間無(wú)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(shí)，壓縮機(jī)也有如下的缺點(diǎn)：工作容積與吸排氣孔口周期性的切斷，時(shí)而相通，再加上高轉(zhuǎn)數(shù)，因此會(huì)造成比較強(qiáng)烈的空氣噪聲。其中離心壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)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(jī)工作間的周壁形狀并不都是圓柱形，造成運(yùn)動(dòng)件和固定件之間，運(yùn)動(dòng)件之間密封問(wèn)題不能夠有效解決，必會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)間隙，導(dǎo)致氣體在間隙之間會(huì)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(jī)的始終無(wú)法達(dá)到較高的壓力，使用的范圍必然會(huì)有局限。
另外，類(lèi)似的壓縮機(jī)如轉(zhuǎn)子式，離心式，螺桿式，這些運(yùn)動(dòng)機(jī)件表面都是些曲面形狀，主要是為了讓它的嚙合運(yùn)動(dòng)改變?nèi)莘e，這樣就造成這些曲面的檢驗(yàn)和加工比較復(fù)雜，因此專(zhuān)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(jī)的介紹背景
1.1螺桿壓縮機(jī)的分類(lèi)、應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)
1.1.1螺桿壓縮機(jī)的分類(lèi)
螺桿壓縮機(jī)有很多種種類(lèi)，每種其形狀大小也不近同。有如下分類(lèi)方式： 如果按照工作容積有無(wú)油液體來(lái)分，可分為無(wú)油螺桿壓縮機(jī)和噴油螺桿壓縮機(jī)；
若按照結(jié)構(gòu)形狀來(lái)分，又可分為固定式，開(kāi)放式，移動(dòng)式等；
此外，根據(jù)轉(zhuǎn)子的數(shù)量來(lái)分，又可分為單螺桿壓縮機(jī)和雙螺桿壓縮機(jī)。此外，還可分為內(nèi)壓縮和外壓縮壓縮機(jī)，工藝壓縮機(jī)等其他的類(lèi)型。
盡管分類(lèi)方式不同，角度工況也不同，但是每種壓縮機(jī)的原理大似是相同的。每種壓縮機(jī)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(jī)的應(yīng)用
螺桿式壓縮機(jī)就應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如氣體的凈化，氣體的動(dòng)力，作為起清潔作用的空壓機(jī)。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(dòng)力方面，對(duì)機(jī)械工具的催用，如對(duì)大型機(jī)械的使用，機(jī)械機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，高壓爐的驅(qū)動(dòng)，以及某些精加工所需要的動(dòng)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(kāi)以獲得所需要的氣體。重點(diǎn)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(jī)應(yīng)用范圍很廣泛，涉及到多個(gè)方面。比如以下幾種類(lèi)別：
（1）噴油螺桿空氣壓縮機(jī)
作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的噴油螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)實(shí)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(dòng)兩級(jí)的大型風(fēng)鉆壓縮機(jī)。這種類(lèi)型的壓縮機(jī)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(duì)空氣品質(zhì)要求很高的一些特殊場(chǎng)合，類(lèi)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(wú)油壓縮機(jī)份額不斷被擠壓，逐漸減少。
（2）噴油螺桿制冷壓縮機(jī)
制冷壓縮機(jī)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(yuǎn)大于開(kāi)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(jī)有單雙級(jí)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(jī)組也在近年來(lái)得到很大的發(fā)展。
（3）噴油螺桿工藝壓縮機(jī)
工藝壓縮機(jī)主要作用是用來(lái)壓縮工業(yè)氣體，類(lèi)似于氫氣，天然氣等危險(xiǎn)的容易爆炸和燃燒的氣體，運(yùn)行的工作壓力是由其流程決定的。其中各個(gè)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(jí)壓力比最高為10.
其他一些如噴水螺桿壓縮機(jī)和干式螺桿壓縮機(jī)，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(dāng)溶劑，與潤(rùn)滑油分離，沖散掉反應(yīng)的化合物。還有一些壓縮機(jī)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?yàn)槠錃怏w排出壓力和其他因素如溫度，流量容積等無(wú)關(guān)，而被廣泛應(yīng)用于軍工，國(guó)防，科技，醫(yī)療等各個(gè)方面。這種簡(jiǎn)便安全的性能使得壓縮機(jī)在世界范圍內(nèi)各個(gè)方面被廣泛的使用。
1.1.3螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
螺桿壓縮機(jī)因?yàn)橥怀龅男阅?，而被廣泛應(yīng)用于各種各樣的場(chǎng)合。它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，主要是這幾點(diǎn)：由于它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，零部件已經(jīng)系列標(biāo)準(zhǔn)化，所以使用起來(lái)很方便，出現(xiàn)故障的話，也很好的進(jìn)行維護(hù)修理。同時(shí)，機(jī)器重量也比較輕，體積大小也適中，工作時(shí)候很穩(wěn)定，不會(huì)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(diǎn)可以說(shuō)明它應(yīng)用范圍比較廣。綜上所述，它的優(yōu)點(diǎn)很多很明顯。但同時(shí)，它的缺點(diǎn)也是有的。由于壓縮機(jī)主要是靠相互嚙合的轉(zhuǎn)子的運(yùn)行來(lái)帶動(dòng)工作，而轉(zhuǎn)子角復(fù)雜需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，故此造價(jià)較高。工作過(guò)程中，總是會(huì)出現(xiàn)氣體的泄漏，氣體并沒(méi)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(jī)器等。
1.2研究雙螺桿壓縮機(jī)的目的和意義
本文是對(duì)噴油雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，題目選自于科學(xué)研究。在對(duì)前人的理論知識(shí)充分認(rèn)識(shí)和完全弄懂的前提下，開(kāi)始了自己的設(shè)計(jì)研究。在已經(jīng)擁有設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)以及要求的前提條件下，對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：包括幾何性質(zhì)，受力的分析計(jì)算，重點(diǎn)中的轉(zhuǎn)子型線的研究以及陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的加工等，對(duì)以上進(jìn)行計(jì)算最優(yōu)，以提高雙螺桿壓縮機(jī)的效率和機(jī)械性能。目前，雙螺桿壓縮機(jī)因?yàn)槠湫阅芨叨粡V泛應(yīng)用于各個(gè)方面，因此對(duì)于它的設(shè)計(jì)力求達(dá)到最優(yōu)成果。其中，重點(diǎn)因素是其中的一對(duì)轉(zhuǎn)子，圍繞其型線的最新設(shè)計(jì)優(yōu)化，使型線中的泄漏三角形、接觸線長(zhǎng)度、容積面積達(dá)到效率最高。此外，轉(zhuǎn)子本身精度較高，需要專(zhuān)用設(shè)備精確加工出來(lái)。確保其擁有足夠的精度，使它的表面粗糙度超過(guò)預(yù)估值。
此外，對(duì)于壓縮機(jī)其他工序也要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)吸出氣孔的位置和形狀要合理優(yōu)化，借此進(jìn)一步提高效率。并且，對(duì)孔口的安置以及型線的設(shè)計(jì)等因素與噪聲的影響指標(biāo)進(jìn)行研究分析，確保噪聲進(jìn)一步的降低，達(dá)到最優(yōu)解。
在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)過(guò)程中，也能夠進(jìn)一步加深我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)。深入了解到壓縮機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)程，認(rèn)識(shí)到我國(guó)目前與國(guó)外的差距。對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部零部件的認(rèn)識(shí)選擇，整個(gè)主機(jī)機(jī)構(gòu)的選擇，系統(tǒng)的選擇等，深刻了解到壓縮機(jī)的基本特點(diǎn)和性能要求。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中轉(zhuǎn)子影響的幾個(gè)主要因素，將之與主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定起來(lái)，通過(guò)自己的設(shè)計(jì)計(jì)算，構(gòu)架起理論和實(shí)際的通道，使自己在這個(gè)過(guò)程中學(xué)到更多，做到理論和實(shí)際相結(jié)合。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種年輕的壓縮機(jī)，在其壓縮機(jī)的歷史上，屬于后來(lái)居上的一種。憑借自身的可靠性，簡(jiǎn)便性，易于維修，保持好動(dòng)力的平衡等優(yōu)異性能，迅速的占領(lǐng)了大批的市場(chǎng)需求。目前已知的市場(chǎng)所占份額已經(jīng)達(dá)到80％以上，這也進(jìn)一步刺激了人們對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)。但也認(rèn)識(shí)到，我國(guó)目前在這方面的短板，對(duì)于轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)理念的不足，很多關(guān)鍵性的技術(shù)仍舊沒(méi)有掌握，很多方面依舊從國(guó)外引進(jìn)和借鑒。因此，通過(guò)本次的設(shè)計(jì)，加深對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的充分了解，對(duì)其性能的提高，力爭(zhēng)使我國(guó)的壓縮機(jī)技術(shù)得到進(jìn)一步的優(yōu)化，使人們生產(chǎn)生活有進(jìn)一步的提高。對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)，本次的設(shè)計(jì)過(guò)程，充分的將理論與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，對(duì)自己今后的學(xué)習(xí)和研究有了很高的提升。
1.3壓縮機(jī)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(jī)是一種回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，主要是由一對(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子構(gòu)成。主要部件有一對(duì)端蓋，殼體，軸承，密封裝置，定位裝置等。
雙螺桿壓縮機(jī)腔體內(nèi)部一對(duì)相互嚙合的轉(zhuǎn)子（分別是陰、陽(yáng)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(jìn)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(jī)的工作過(guò)程主要是通過(guò)機(jī)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(lái)一系列的吸氣-壓縮-排氣的工作過(guò)程。
壓縮機(jī)中工作過(guò)程，首先是陽(yáng)轉(zhuǎn)子和電動(dòng)機(jī)相連接，然后帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。壓縮機(jī)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(jìn)入到壓縮機(jī)內(nèi)部，與內(nèi)部潤(rùn)滑油混合后，經(jīng)過(guò)壓縮，然后通過(guò)油氣分離罐，進(jìn)行兩次過(guò)濾分離，使含油量顯著降低到一個(gè)合理標(biāo)準(zhǔn)后，氣體才能夠經(jīng)過(guò)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(jī)工作過(guò)程主要是三個(gè)方面—吸氣，壓縮，排氣。下面只取一對(duì)相互嚙合的齒研究分析過(guò)程（每對(duì)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(guò)程，如圖所示：
這是陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子吸氣過(guò)程展示圖。在此圖中，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子分別按照逆、順時(shí)針相互嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子之間的嚙合逐漸脫離分開(kāi)，齒之間形成了一定的容積大小，并且容積區(qū)域能夠和機(jī)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(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子之間的不斷地分離，齒間容積也會(huì)不斷的增大，氣體也會(huì)持續(xù)的吸入。當(dāng)容積區(qū)域達(dá)到上限時(shí)，將不會(huì)再次吸入氣體，并且容積區(qū)也將會(huì)與吸氣孔斷開(kāi)。到此，吸氣過(guò)程結(jié)束，將會(huì)進(jìn)入下一個(gè)工作過(guò)程。
接下來(lái)的就是壓縮工程，如圖所示
當(dāng)吸氣結(jié)束后，轉(zhuǎn)子間將會(huì)依舊不斷嚙合，這就進(jìn)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(huì)因?yàn)槿莘e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(jī)工作過(guò)程最重要的一步，也是它的工作原理具體展示。這一工作過(guò)程將會(huì)一直進(jìn)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(lái)就是最后一步，氣體的排氣過(guò)程了。其工作圖如下展示：
當(dāng)壓縮結(jié)束了，隨著它的容積區(qū)與機(jī)體的排氣孔相通時(shí)，由于氣體經(jīng)過(guò)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(huì)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(guò)程中也會(huì)逐漸降低到為0，消失。
以上，就是壓縮機(jī)工作過(guò)程的大致介紹，其工作原理還是很好理解的，本文重點(diǎn)研究的是轉(zhuǎn)子型線方面，確保以上過(guò)程氣體能夠盡可能的不會(huì)外泄漏，使其工作過(guò)程盡量理想化進(jìn)行中。
1.4國(guó)內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)的研究狀況：
壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)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(jìn)步和創(chuàng)新。由于國(guó)外的研究早于國(guó)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(jī)經(jīng)過(guò)發(fā)展，目前主要是如下的幾種類(lèi)型；從最初的Lysholm齒形，發(fā)展成后來(lái)的對(duì)稱(chēng)圓弧齒形。剛開(kāi)始的技術(shù)簡(jiǎn)陋，只能應(yīng)用于無(wú)油壓縮機(jī)，到后面的動(dòng)力型壓縮機(jī)。從后來(lái)的SRM齒形發(fā)展到現(xiàn)今節(jié)能型的壓縮機(jī)，經(jīng)歷了很大的曲折。在這期間，國(guó)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(tuán)隊(duì)對(duì)轉(zhuǎn)子的型線和泄露面積方面有了突破性的進(jìn)展。其他的科研團(tuán)隊(duì)，以及國(guó)外的公司，如日本的神鋼公司，瑞典的空壓機(jī)公司，德國(guó)美國(guó)等國(guó)家的公司也做出了相當(dāng)大的進(jìn)步和研究。壓縮機(jī)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。現(xiàn)今最先進(jìn)的壓縮機(jī)是以日本公司為代表的節(jié)能型的空壓機(jī)。
國(guó)內(nèi)的壓縮機(jī)起步晚，長(zhǎng)期以來(lái)是依靠國(guó)外的進(jìn)口。在核心方面，自主研究還是不夠的。尤其是隨著壓縮機(jī)越來(lái)越廣泛的被用于各個(gè)場(chǎng)合，對(duì)它的技術(shù)要求迫不及待。但是經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)也有長(zhǎng)足的進(jìn)步。經(jīng)過(guò)國(guó)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(jī)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(guó)際先進(jìn)水平了。并且在壓縮機(jī)自身先天缺陷噪聲，壽命方面，我國(guó)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(jì)算軟件也是被廣泛使用。同時(shí)，就目前國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)所占市場(chǎng)份額來(lái)看，外資還是少數(shù)的，大部分還是國(guó)內(nèi)企業(yè)?？梢?jiàn)，我國(guó)壓縮機(jī)方面雖然起步晚，但是取得的成就還是斐然的。
今后，壓縮機(jī)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(jī)，在今后的市場(chǎng)，是相當(dāng)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(guò)前言部分，大概的介紹了壓縮機(jī)的情況。接下來(lái)通過(guò)對(duì)它的分類(lèi)和它的優(yōu)缺點(diǎn)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(jìn)一步了解本設(shè)計(jì)的核心。在后面，詳細(xì)的介紹了它的構(gòu)造和原理，為接下來(lái)論文的研究做好了鋪墊。最后，通過(guò)國(guó)內(nèi)外壓縮機(jī)的研究情況對(duì)比，回顧了它的歷程，展示了壓縮機(jī)今后的發(fā)展路線。
第二章 轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)原則
2.1轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)要素
本文前面已經(jīng)多次提到轉(zhuǎn)子型線這個(gè)名詞，那么何為轉(zhuǎn)子型線呢？它的定義是：一對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)要素是一對(duì)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)要素是新型的轉(zhuǎn)子型線。因?yàn)閴嚎s機(jī)工作時(shí)，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(huì)壓縮機(jī)工作的重點(diǎn)：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(duì)壓縮機(jī)工作的影響主要是以下幾個(gè)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(gè)要素。接下來(lái)，將會(huì)逐個(gè)介紹幾個(gè)因素：
（1）封閉容積：當(dāng)容積在增大開(kāi)始吸氣的時(shí)候，要確保吸氣過(guò)程是在一瞬間，否則的話，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)多余的區(qū)域—封閉容積。它會(huì)影響容積區(qū)域內(nèi)完整的吸氣過(guò)程。而容積的大小和轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)是密切相關(guān)的。容積區(qū)域越小，壓縮機(jī)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(gè)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(jì)過(guò)程中，接觸線較短，對(duì)轉(zhuǎn)子的工作越好。
（3）泄漏三角形的定義：接觸線頂點(diǎn)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(biāo)系建立及坐標(biāo)變換
（1）坐標(biāo)系建立
具體描述轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，建立如下四個(gè)坐標(biāo)系，方便更好的區(qū)分分析各個(gè)型線：
1）陽(yáng)轉(zhuǎn)子的動(dòng)坐標(biāo)系
2）陰轉(zhuǎn)子的動(dòng)坐標(biāo)系。
3）陽(yáng)轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。
4）陰轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。
陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子恒定的傳動(dòng)比，計(jì)算如下
（1）
式中，各個(gè)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(dòng)比。
2）坐標(biāo)變換
轉(zhuǎn)子型線各點(diǎn)都可以表示在坐標(biāo)系上，而且其坐標(biāo)還可以相互轉(zhuǎn)換：
a.動(dòng)靜坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換
（2）
b.動(dòng)靜坐標(biāo)系、的轉(zhuǎn)換
（3）
c.靜、 的轉(zhuǎn)換
（4）
d.動(dòng)、 的轉(zhuǎn)換
（5）
e.動(dòng)、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(diǎn)b和e的坐標(biāo)由參數(shù)t來(lái)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(diǎn)的切線斜率可微分上式如下：
（11）
與包絡(luò)線共切于該點(diǎn)的曲線簇中的斜率為
（12）
斜率相同得公式： （13）
陽(yáng)轉(zhuǎn)子也類(lèi)同，類(lèi)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(bǔ)充條件聯(lián)立表示，即
（15）
陽(yáng)轉(zhuǎn)子也類(lèi)同類(lèi)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(duì)稱(chēng)擺線-銷(xiāo)齒圓弧型線
本次論文關(guān)于型線的計(jì)算我采用的是單邊不對(duì)稱(chēng)擺線—銷(xiāo)齒圓弧型線。如下圖所示，計(jì)算結(jié)果也如下列圖表所示。采用此設(shè)計(jì)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(yáng)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(guò)層層計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(shí)嚙合。推導(dǎo)方程得:
（27）
兩條曲線只有在時(shí)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(xiāo)齒圓弧一樣的圓弧。
（3）I點(diǎn)與CD
I點(diǎn)方程
I點(diǎn)是固定點(diǎn)，在坐標(biāo)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(diǎn)與IJ
D也為固定點(diǎn)，坐標(biāo)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(diǎn)距陽(yáng)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(jì)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(jì)算得： （49）
得出嚙合線為一固定點(diǎn).
以上，即為陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)候，各個(gè)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(jì)算過(guò)程及其推導(dǎo)過(guò)程都是比較復(fù)雜的，自己也是花了很長(zhǎng)時(shí)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(jì)算結(jié)束后，接下來(lái)就是雙螺桿壓縮機(jī)各個(gè)尺寸的確定，在此計(jì)算過(guò)程省略，其公式和最終結(jié)果都如下圖所示：
陰轉(zhuǎn)子
陽(yáng)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(diǎn)
D
點(diǎn)
IJ
擺線
DE
直線
JK
擺線
EF
圓弧
KL
圓弧
陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子計(jì)算的各個(gè)公式如下表所示：
在本文中，取陽(yáng)轉(zhuǎn)子圓周速度u1=10m/s，則
陽(yáng)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(jī)的相關(guān)計(jì)算
螺桿壓縮機(jī)由于轉(zhuǎn)子齒內(nèi)部過(guò)程比較復(fù)雜，很難精確計(jì)算出具體數(shù)值。因此，本節(jié)計(jì)算主要是為了算出在工作過(guò)程當(dāng)中，壓力、溫度這兩個(gè)數(shù)值之間的變化。然后，機(jī)器的功率也根據(jù)此計(jì)算出。同時(shí)，壓縮機(jī)工作原理主要是通過(guò)空氣壓縮進(jìn)行的，因此它的容積效率也是很有必要計(jì)算出來(lái)的大概值。由于過(guò)程復(fù)雜，因此在計(jì)算的時(shí)候，采用簡(jiǎn)單的方式模型去加以計(jì)算。
3.1.齒間面積
齒間面積在轉(zhuǎn)子各個(gè)型線計(jì)算分析出來(lái)之后，進(jìn)一步的利用解析方法加以求解?？傻帽磉_(dá)式為以下：
（51）
陰、陽(yáng)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(zhǎng)度兩個(gè)因素求解出齒間容積：
（54）
計(jì)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(jī)理論容積，顧名思義，就是它工作容積在單位時(shí)間內(nèi)范圍值，這個(gè)數(shù)值是由壓縮機(jī)的尺寸和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n來(lái)決定的。假使λ=L/D1，可得
（57）
接下來(lái)翻閱手冊(cè)： =0.4696； =0.971（在陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角為300°時(shí)候）；長(zhǎng)徑比l =L/D1=1.35；D1=102mm；陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=1873.4r/min。代入數(shù)值計(jì)算出得
3.3.2實(shí)際容積流量
算出理論容量后，接下來(lái)求出它的實(shí)際流量。其公式為
（58）
式中ηV為容積效率, 已知=1.0m3/min，計(jì)算出
3.4軸功率及絕熱效率
3.4.1指示功W
當(dāng)把進(jìn)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(guò)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(guò)程指示功W1為
（60）
（2）我們也可以把壓縮過(guò)程看作是絕熱的一種行為
當(dāng)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(guò)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(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速,n=3000r/min。
軸功率
（67）
ηm為機(jī)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(jī)對(duì)于能量的利用的多少，而數(shù)值的大小又是和這兩個(gè)因素有關(guān)，分別是機(jī)器的型號(hào)以及工況的情況。這兩個(gè)數(shù)值差異不同的話，其絕熱效率也是不同的?？刹楸碇?，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(jì)算得：
（68）
3.5電動(dòng)機(jī)功率
3.5.1傳動(dòng)效率及電動(dòng)機(jī)效率
本門(mén)中電動(dòng)機(jī)選擇傳動(dòng)方式為增速齒輪傳動(dòng)，查表得出傳動(dòng)效率ht=0.97-0.99，本次計(jì)算中選擇的是ht=0.98。
在設(shè)計(jì)中，一般默認(rèn)電動(dòng)機(jī)的功率是大于軸的功率的，這是大家都認(rèn)可的。此次設(shè)計(jì)中，關(guān)于電動(dòng)機(jī)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(shuō)明本壓縮機(jī)選用的電動(dòng)機(jī)是封閉式三相交流異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命比較長(zhǎng)，因此也被廣泛使用。本次選擇型號(hào)是Y132S2-2，計(jì)算數(shù)值如下：電動(dòng)機(jī)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(jī)的吸出氣孔設(shè)計(jì)
4.1吸氣孔口
雙螺桿空氣壓縮機(jī)，吸氣孔是工作過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。因此，圍繞它的設(shè)計(jì)計(jì)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(huì)影響氣體在腔體的整個(gè)壓縮過(guò)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(duì)它的設(shè)計(jì)提出了如下相關(guān)要求，力求對(duì)壓縮機(jī)工作達(dá)到最優(yōu)的效率
首先作為直接吸氣的位置，對(duì)它的要求在吸氣時(shí)候，要確保它的吸氣封閉容積對(duì)吸氣齒間容積影響盡可能的小，同時(shí)還要要求它吸取過(guò)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(dá)到理論值的上限。另外，在設(shè)計(jì)它的面積，希望能大一點(diǎn)。
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(jī)吸氣孔口位置選擇上，將機(jī)體軸向挖空，可選擇此處。而在我的這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)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(lèi)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(lèi)似。在這里就不多敘述了。重點(diǎn)講述的是我設(shè)計(jì)的排氣孔在排氣的時(shí)候，盡可能使壓力損失不多。在這一個(gè)個(gè)過(guò)程中，同時(shí)氣體由于在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不時(shí)受到一定的離心力，在這里值得一提的是，這是個(gè)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(lái)就整個(gè)壓縮機(jī)裝配中一些重要的零部件簡(jiǎn)單的敘述下。讓大家更好的認(rèn)識(shí)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，以及工作過(guò)程。以下是相關(guān)介紹：
第五章 相關(guān)零部件的介紹
5.1機(jī)體
在壓縮機(jī)裝配中，整個(gè)機(jī)構(gòu)主要的部分都是殼體。它主要組成是氣缸和兩個(gè)端蓋。它的材料一般是灰口鑄鐵。
在壓縮機(jī)整體設(shè)計(jì)當(dāng)中，機(jī)殼為它的整個(gè)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(jìn)入排出過(guò)程中，能夠順利的流通的話，對(duì)機(jī)體的設(shè)計(jì)要求就是需要在緊湊的尺寸基礎(chǔ)上，做一些擴(kuò)展。機(jī)體的相關(guān)應(yīng)用是，當(dāng)安排好轉(zhuǎn)子的螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)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(méi)有什么要求限制，都可以去安排。對(duì)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(jì)中，與常規(guī)壓縮機(jī)不同的是，吸出氣孔都設(shè)置在徑向機(jī)體的頂部。
5.2轉(zhuǎn)子
本設(shè)計(jì)中，壓縮機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣選擇，成本比較低，而且加工過(guò)程中也比較簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)。對(duì)于它的嚙合螺旋形狀之外，其他的長(zhǎng)度部分就按照一般的軸區(qū)設(shè)計(jì)就可以了。
5.3軸承
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，壓縮機(jī)需要很多軸承。軸承有很多種，比如滾子軸承、滾動(dòng)軸承等一些。而本文設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于計(jì)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(shí)承受軸向載荷和徑向載荷。
5.4軸封
由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)都會(huì)加軸承。因此，在設(shè)計(jì)考慮中，避免壓縮過(guò)程中腔體內(nèi)部的氣體通過(guò)軸對(duì)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(gè)軸封，這樣有效的防止了氣體的泄漏。同時(shí)，又由于在正常情況下，吸入端轉(zhuǎn)子和軸承之間沒(méi)有壓力差值，所以無(wú)需加入軸承。只需要簡(jiǎn)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(jī)零部件的介紹了。
第六章 轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)單的有限元分析
6.1轉(zhuǎn)子的徑向力和軸向力計(jì)算
轉(zhuǎn)子的內(nèi)部氣體壓縮時(shí)，會(huì)對(duì)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(gè)瞬時(shí)氣體對(duì)轉(zhuǎn)子力矩為T(mén)g，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(dòng)力在dj上所做的功等于瞬時(shí)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(lái)的計(jì)算可根據(jù)下圖展開(kāi)：
如圖所示，分別是陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的三維坐標(biāo)圖，在轉(zhuǎn)子上因合力對(duì)任一軸的矩等于各力對(duì)同一軸的矩的代數(shù)和，所以Tg可通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)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(guò)程中，容積氣體與轉(zhuǎn)子排氣口接觸時(shí)，轉(zhuǎn)子受力最大。
設(shè)基元容積在YOZ平面的投影對(duì)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(yáng)轉(zhuǎn)子X(jué)1方向上徑向載荷TX1的大小、方向、作用點(diǎn)；MZ-XOZ1、X1、ZXOZ1、Pi可以確定作用在陽(yáng)轉(zhuǎn)子Y1方向上徑向載荷TY1的大小、方向、作用點(diǎn)。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(fù)值。
代入公式數(shù)值可得陰陽(yáng)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(gè)原理的基礎(chǔ)上，參考其他論文以及參考文獻(xiàn)的公式，公式如下：
以及其他公式，最終求得陰陽(yáng)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(jì)算公式多引用，最終目的是為了求出自己的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子徑向力和軸向力，以便接下來(lái)的有限元分析。
6.2有限元分析
陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因此在計(jì)算完型線和力后，對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部進(jìn)行簡(jiǎn)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(qiáng)度為300Mpa.接下來(lái)工作流程如下，先畫(huà)出陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的三維圖，如下：
陽(yáng)轉(zhuǎn)子
陰轉(zhuǎn)子
在ANSYS進(jìn)行分析之前，先對(duì)模型進(jìn)行有效的約束。仔細(xì)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(gè)性質(zhì)，對(duì)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(duì)排氣端的僅有Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度，對(duì)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(jìn)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(duì)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒面簡(jiǎn)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(yáng)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力圖
陽(yáng)轉(zhuǎn)子形變圖
根據(jù)上圖可知，陽(yáng)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(méi)有任何支撐，所以形變量最大。它的應(yīng)力最大值為19.629Mpa,遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jì)到這兒，大概已經(jīng)完成了所有的工作。因此，可以樂(lè)觀的說(shuō)，基本上已經(jīng)結(jié)束了。在心里覺(jué)得還是很開(kāi)心的，自己獨(dú)自一人完成了這份比較艱難的畢業(yè)設(shè)計(jì)。這個(gè)過(guò)程中，遇到了很多以往不曾知道的問(wèn)題，自己在不斷地查閱資料和自我修改中，一步一個(gè)腳印向前，終于坎坷的在答辯之前完成了設(shè)計(jì)。
通過(guò)此次設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多。從一開(kāi)始的無(wú)從下手，到后來(lái)的得心應(yīng)手，在這之間，學(xué)到了設(shè)計(jì)的精髓，學(xué)會(huì)了如何快速的查閱自己需要的資料。學(xué)會(huì)了如何系統(tǒng)的分析問(wèn)題，考慮問(wèn)題：才學(xué)會(huì)了機(jī)械設(shè)計(jì)中，任何一小問(wèn)題也是不容忽視，值得關(guān)注的。此次設(shè)計(jì)，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(lì)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(huà)圖，一起探討問(wèn)題。真的，此次設(shè)計(jì)，對(duì)我來(lái)說(shuō)，不僅僅在知識(shí)有長(zhǎng)進(jìn)，在友情上又有了更高的提高。最后，想說(shuō)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(kāi)心
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