双缸立式活塞压缩机的设计文献综述
2020-04-11 14:09:30
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1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述： | |
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文 献 综 述 1 前言 本设计题目来源是自选科研。本课题主要是设计通用活塞空气压缩机。在深刻理解前人研究的理论基础上，在给定设计参数和设计要求的条件下，研究活塞压缩机的结构参数、几何特性、工作过程、受力分析及汽缸连杆活塞等机构的加工，以进一步提高活塞压缩机的机械性能。设计新型冷却方式及系统以及缓冲器等使压缩机压力系数，容积系数，析水系数、温度系数优化，从而提高其理论容积流量以及压缩机工作效率并且降低气流脉动等给压缩机带来的危害。合理选择活塞行程以及缸径比，并且合理设计出平衡性好的方案，对优化活塞受力情况，延长活塞压缩机寿命有着十分重要的意义。同时，研究设计新型进出气阀，能够更好的防止颤振和滞后现象的产生，从而更有效地降低噪声以及保护气阀。通过设计活塞压缩机，可以了解活塞压缩机的发展历程、研究现状和发展方向；深入理解双缸立式活塞压缩机的基本结构、特点、主要零部件设计选型、主机结构设计和机组系统设计；重点研究的是活塞压缩机的机构参数、几何特性、工作过程、受力分析、气阀设计和其他主要设计参数的确定。通过设计，能了解设计的一般要求和规则，能将理论知识与生产实际联系起来。 活塞压缩机是一种应用广泛，发展前景良好的压缩机，因为有气阀的控制，所以排气压力稳定。其可达到的压力范围非常宽，单级压缩的终压一般都为0.3-0.5MPa以上；机器的效率高；排气范围广；且占地面积较小操作维修方便、结构紧凑等优点，在石油、化工、机械、采矿、制冷、制药、冶金、建筑、土木、食品和国防等工业部门得到广泛应用。统计数据表明，活塞压缩机的销售量十分庞大，在所有正在运行的容积式压缩机中，有一大部分是活塞压缩机，今后活塞压缩机的市场份额仍将不断扩大。可以看出双缸立式活塞压缩机的设计研究在工业生产中具有十分重要的意义[1]。通过本设计，可以充分了解活塞压缩机的有关知识，以及如何进一步改善其性能和扩大其应用范围，使活塞压缩机能得到更好的发展，为生产和生活服务。可以将所学理论知识与生产实际联系起来，并积累了宝贵的经验，为以后的工作打下了一个坚实的基础。 2 活塞压缩机的工作原理及其分类 2.1活塞压缩机的工作原理[2] 活塞式压缩机包括：构架包括含有放电室和冷却室的缸盖。冷却室是邻近放电室并包围着放电室。构架还包括了一个吸入室，压缩室和一个曲柄室。冷却室是孤立于吸入室。气体是从构架外面进入吸入室。可旋转旋转轴支持整个构架。凸轮安置在曲柄室内。活塞是通过凸轮连接到旋转轴。旋转轴的旋转转换为活塞的往复。密封构件切断冷却室和外部的沟通，使得压缩机气缸盖密封。通过引入一个互连的冷却室和曲柄室。 当曲轴被电动机带动旋转时，通过连杆使活塞在汽缸内往复运动。在汽缸顶部外圈装有环形吸气阀片，顶部中央则装有环形排气阀片，阀片上均设有气阀弹簧。汽缸内的活塞由上向下移动时，缸内容积增大，压力下降，于是吸气管中压力为P1的空气便顶开吸入阀进入缸内，直到行程的下死点为止，这样便完成了一个吸入过程。当活塞从下死点向上回行时，被吸入的气体受到压缩，压力因而升高，吸气阀片在缸内气体压力和弹簧的作用下迅速关闭，活塞继续上行，缸内容积不断减小，压力升高，当缸内压力升到P2时，气体便顶开排气阀进入排气管路，活塞继续上行，直到上死点。当活塞由上死点向下死点回行时，排气阀在弹簧和排气管中压力的作用下关闭，压缩机又开始下一个吸气过程。如此周而复始，完成循环[3]。 2.2活塞压缩机的分类 活塞压缩机的分类 3 国内外活塞压缩机的现状与发展 3.1国内外压缩机发展前景 随着近几年经济的飞跃发展，我国活塞压缩机行业集中度有所提高，供货进一步向大企业集中，气体压缩机产业向布局逐步合理的新局面发展。通过经济战略性重组的推进，不少劣质企业退出，优秀企业已找准定位，突出主业，不断做大做强，达到强强联合，承担起国家重大技术装备项目。在相关政策方面，为应对全球性金融危机对我国经济的影响，早在09年年初，国家已经制定了一系列的刺激经济方案，重点调整振兴包括石化、冶金等气体压缩机的下游产业在内的十大产业。这些措施对气体压缩机产业的发展起到了积极的影响，这也是2009年下半年压缩机行业经济逐渐利好的主要原因。在开拓国际市场方面，压缩机行业应积极而谨慎地探索自己的国际化道路。目前，压缩机行业国际化步伐缓慢，尤其是在2009年一整年中，压缩机出口形势都不容乐观，这主要表现在国内压缩机行业技术发展水平与国外同类企业存在一定差距，尤其是目前还没有形成真正意义上的具有国际竞争力的大型国际企业集团。未来三年，我国石油、化工、冶金、船舶、环保、清洁能源等行业将进一步发展，压缩机市场需求前景依然看好。如大推力往复式压缩机、工艺螺杆压缩机、大排量无油压缩机、高压大排量压缩机、机车配套压缩机、低噪声船用压缩机等。 2010年，是压缩机行业发展的新起点，行业呈现出新的发展态势。首先是结构调整将有重大突破。当前我国压缩机行业存在一系列深层次的结构性矛盾，包括总体产能过剩，低水平产能比重过大；企业规模小而且分散，产业集中度低；生产力布局不合理现象依然存在；企业节能减排的任务重；科技创新能力不强；资源控制力不强，保障体系建设滞后等。这些深层次的结构性矛盾，决定了2010年压缩机行业必须下大力量，突出抓好结构调整，实现产业升级，认真解决影响压缩机行业发展的重大问题。第二，行业内要大力推动共性技术研究开发，掌握核心技术、关键技术的自主知识产权。当前，压缩机行业共性技术的科研经费投入不足，研究开发力量薄弱。2010年，各企业应加大在我国重点培育自主知识产权的技术装备研发力量。可以有计划、有步骤地加强国家重点实验室、国家工程技术研究中心、行业科研院所等共性技术研究开发平台的建设，重点支持原创性技术、共性技术及战略性关键技术的研究开发，并培养一支既精通基础技术又熟悉行业技术的高科技人才队伍，努力掌握核心技术、关键技术和重要产品的自主知识产权。第三，进入加快发展制造服务业阶段。当前，压缩机行业存在一些不利于产业发展的缺陷，如缺少高端技术，企业规模偏小等。面临这些问题和激烈的市场竞争，压缩机企业极需提高自身的核心竞争力，转变增长方式。在制造过程中重视服务，从市场调研、售后，直到产品报废回收，努力为客户提供以知识密集、附加值高为特征的服务项目，则是压缩机企业实现可持续发展的一个关键内容。现代服务业大部分是以人力资本和知识资本作为其主要投入，这对压缩机企业在解决发展、升级问题的同时，提升竞争力也具有重要支撑作用[4]。虽然近几年来，螺杆空压机市场的占有份额提高得非常快，产品质量以及品种也已经达到一个新的高度，这种发展有几个非常重要的因素和前提：首先，在过去，因为螺杆压缩机工作过程模拟特别是型线的设计相对复杂，造成设计水平较低，而如今通过计算机和数值模拟技术等可以设计出更好的机型;然后是制造方面，近年来我国从国外引进了十多台螺杆加工中心，并且从铣削发展到现在的磨削，螺杆转子的制造质量有了很大提高，螺杆压缩机的性能与可靠性有了保证。当然，直接从国外购买机头组装螺杆机也是近几年行业发展的亮点之一。但是活塞式压缩机，活塞式也是最传统的一种结构型式，有着几百年的历史，在未来的发展中也会有一定的市场份额。对于一些特殊要求，如高压等，螺杆压缩机可能还暂时替代不了它。当然对于微小型机组，活塞机的性能仍有一定优势，依然会占有一定的市场份额。因此对其进行深入研究，改良其性能依旧十分重要[5]。 目前国内压缩机行业与国外先进企业还存在一定差距，如大型工艺用往复活塞压缩机自动控制水准不能满足重大装置配套需要，活塞力1000-1200kN的超大型压缩机尚在研制中，进口量较多，中小型压缩机制造企业规模普遍较小且重复分散，这些企业的产品结构升级，技术创新方面严重缺乏市场竞争力，许多压缩机产品性能的稳定性和可靠性不够高，产品外观质量也相对较差。另外，技术含量高和特殊要求的产品还满足不了国内需求。 3.2目前国内外活塞压缩机发展方向 目前，我国工艺用往复活塞压缩机,在提高压缩机效率、降低能耗、提高易损件寿命、提高运转可靠性、延长维修周期、提高产品质量等方面又有新的进展，并针对压缩机各部件进行了系统的研究[6]。 国内外往复活塞压缩机发展方向主要有三个方面：一方面是往复活塞式压缩机及其运动转换机构的发展，其中采用卡尔丹机构的双滑块式压缩机和采用正弦机构的十字滑块式机构以及采用转动导杆机构的旋转气缸式压缩机这三种机构形式研究颇多，并且对几种采用不同运动转换机构的新型压缩机的工作原理、机构特点、动力特性和应用范围作了详细的分析。这类发展其主要趋势是省除连杆, 平衡往复惯性力, 改善动力特性, 使压缩机工作转速得以提高, 从而达到减小体积, 改善性能的目的。上述三种新型往复活塞式压缩机均适用于微小型范围, 从发展前景来看, 以十字滑块式压缩机最佳[7]。另外一方面是往复活塞式压缩机冷却系统的设计及进展，其中以水冷冷却器设计居多[8]。其中比较好的有板翅式冷却器，花瓣型翅片管(PT 管) 冷却器以及波纹管冷却器[9]。随着新技术、新产品的不断涌现, 压缩机应用的日趋广泛, 压缩机冷却系统的研究越来越深入, 促使冷却系统不断改进, 以保证压缩机更加长期、高效、经济地运行[10]。当然气阀作为压缩机的重要组成部分，其发展趋势有往复压缩机在气阀弹簧的优化设计，以及为适应各种工作要求而设计出的不同类型的气阀[11]，如2002 年9 月, 浙江某厂推荐使用该厂的专利产品防污气阀[12]。基本上设计气阀方向都已具有寿命长、运行可靠、节能的优点为目标[13]。 4 活塞压缩机的设计[14] 4.1 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则： （1） 满足用户提出的排气量、排气压力及其有关的使用条件的要求。 （2） 有足够长的使用寿命、足够高的使用可靠性。 （3） 有较高的运转经济性。 （4） 有良好的动力平衡性。 （5） 维护检修方便。 （6） 尽可能采用新结构、新材料、新技术。 （7） 制造工艺良好。 （8） 机器的尺寸小、重量轻。 在选择压缩机级数时,要使机器消耗的功最小，排气温度在条件许可范围内。并且要根据工艺介质的流量来初算出满足要求的活塞速度[15]。进行受力分析，所制造的压缩机质量要较轻，并考虑造价。 4.2活塞压缩机结构方案的选择[16] 活塞式压缩机的结构方案有下列因素组成：1.机器的型式；2.级数和列数；3.各级气缸在列中的排列和各列间曲柄错角的排列[17]。 选择压缩机的结构方案时，应根据压缩机的用途，运转条件，排气量和排气压力制造生产的可行性，驱动方式以及占地面积等条件，进行结构设计，数值分析，活塞杆,缸盖等受力部件进行受力分析防止活塞杆断裂，缸盖破裂等[18]。并选择合适机器型式和级数入手，制定出合适的方案[19]。 设计要求压缩机结构为立式压缩机，其主要优点有：主机直立，占地面积小；活塞重量不支撑在气缸上，没有因此而产生气缸和填料部位的摩擦和磨损；气缸润滑油沿圆周分布很均匀，因而润滑条件好，省润滑油；活塞与气缸运行时同心度易保持一致；因而适合做成无油及迷宫压缩机；机身、零部件不承受自重导致的弯曲应力，因而壁厚可减薄，机体简单轻便；未平衡往复惯性力垂直作用于基础上，相比于水平作用于基础上，易被基础承受。缺点是：大型时高度大，需设置操作平台，操作和维护不方便；管路布置也比较麻烦，多级时级间设备占地面积大；多级时曲轴较长，即使将缸径设置在曲轴两端、缸径较小的中高压级布置在中间，也难以大幅度缩短曲轴长度，其本身往复惯性力平衡特性决定了这种压缩机较其他形式压缩机振动更大。基于上诉特点，立式压缩机主要用于中小型和微型压缩机。其结构参数上如活塞行程与一级缸径比一般选择在0.3到0.6之间；由于此类压缩机多为中小型，其行程绝对值较小，因此其活塞平均速度也应该较小；压缩机设计时，根据确定的结构方案、容积流量及第一级的容积效率，在参考类似的机型选取合适活塞平均速度及缸径比，可求的转速[20]。 活塞式压缩机的运动机构有无十字头和带十字头两种，无十字头的优点是：结构简单、紧凑，机械高度较低，相应的机械重量较轻，一般不需要专门的润滑机构。但是无十字头的压缩机只能作成单作用的，所以气体容积的利用不充分，因为活塞与气缸之间，只在活塞的一侧形成工作腔，气体的泄漏量也比较大，气缸的工作表面所受的侧向力也较大，因而活塞易磨损。另外气缸的润滑油量也难于控制。而带十字头的若出现结构设计不合理、铸造组织疏松、材料脆性严重等缺陷将极易导致了压缩机十字头的疲劳断裂失效。并且无十字头适用于小功率范围内使用,因而在此次设计可以选用无十字头的运动机构[21]。 5 总结[22] 近代压缩机经历百年之科技进步，其基础标准、安全要求、噪声限值、产品标准、检测方法、压缩机零部件设计、压缩机用油及材料都有可供参考的模版[23]。从1896年德国GHH公司生产出大型矿用空气压缩机，到1936年瑞士Sulzer公司生产出首台迷宫式无润滑空气压缩机，并使用了其开发的往复式高压过热蒸汽机的不带活塞的无润滑迷宫式活塞。直至前苏联于本世纪四五十年代，中亚细亚化工机械制造工厂生产2P-20/8型空气压缩机压缩机技术也日渐成熟。现如今，压缩机已经应用与许许多多的行业，并且针对不同的环境，不同的要求还能生产出各种类型的压缩机。但是压缩机技术并非十分完善，在压缩机密封技术，无油润滑技术以及低噪音，安全，使用寿命方面都还有可供研究之处[24]。尤其在气阀等小部件由于在实际工作中常受到冲击、摩擦、腐蚀,使得其比较容易损坏,其使用性能、耐用寿命等方面将直接影响到活塞压缩机的可靠性[25]。
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