Поршневой двухступенчатый воздушный компрессор с цилиндрами простого действия и промежуточным охладителем

 

 

 

 

 

2.3 Определение основных  размеров поршневого пальца

 

 Пальцы являются звеном механизма  движения компрессора (кривошипно-шатунного  механизма), передающим усилия от  шатуна к поршню или к крейцкопфу  и наоборот – от поршня или крейцкопфа к шатуну. Они шарнирно соединяют шатун с поршнем или крейцкопфом.

Поршневой палец должен быть прочным, легким и износостойким, так как во время работы подвергается трению и большим механическим нагрузкам, переменным по величине и направлению. Пальцы изготовляют из высококачественной стали в виде пустотелых трубок. Для повышения надежности наружную поверхность пальца цементируют или закаливают, а затем шлифуют и полируют. Материалом для поршневых пальцев служат углеродистые стали марок 15, 20 или 45, а в особенно напряженных двигателях применяют хромистые - 20Х, 40Х, 12ХНЗА и другие легированные стали.

Пальцы, изготовленные из малоуглеродистых сталей, содержащих до 0,2% углерода, цементируют, т. е. науглероживают поверхностный их слой, и подвергают закаливанию. Пальцы из среднеуглеродистых сталей закаливают, нагревая их поверхностный слой токами высокой частоты. Толщина закаленного слоя составляет 1…1,5 мм, а твердость HRC 55…62.

После такой термической обработки материал пальца с внутренней стороны стенок сохраняет свои вязкие свойства и хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, а наружный закаленный слой их приобретает повышенную износостойкость. Пальцы тщательно шлифуют и полируют, с тем, чтобы на рабочей поверхности не оставалось каких-либо рисок или следов обработки, вызывающих концентрацию опасных для прочности местных напряжений.

Чтобы в процессе работы поршневые пальцы не выходили из отверстий бобышек и не могли повредить зеркало цилиндра, их фиксируют в строго заданном положении относительно шатуна или поршня.

В бобышках поршня палец укреплен стопорными кольцами, удерживающими его от осевого смещения. Такой палец называют плавающим, так как он при работе двигателя может повертываться в верхней головке шатуна и бобышках поршня. Плавающие поршневые пальцы равномернее изнашиваются и поэтому долговечнее.

У работающего двигателя поршень из алюминиевого сплава расширяется больше, чем стальной палец, поэтому возможен его стук в бобышках поршня. Для устранения этого явления поршень перед сборкой с шатуном нагревают до 70-80° С, а затем в поршень и шатун вставляют палец. Когда поршень остынет, палец в бобышках окажется закрепленным неподвижно, а верхняя головка шатуна будет иметь угловое смещение относительно неподвижного пальца.

Для облегчения поршневые пальцы выполняют полыми с цилиндрической внутренней полостью (рис. 2.2 а,б,в) или внутренней полостью, приближенной к форме равного сопротивления изгибу(рис 2.2 г,д).

 

Рисунок 2.2 – Виды поршневых пальцев

 

Возможны три способа установки пальца:

1. плавающие пальцы, которые во время работы могут свободно проворачиваться как в бобышках, так и в верхней головке шатуна;
2. пальцы, закрепленные в бобышках;
3. пальцы, закрепленные в головке шатуна.

Определим основные размеры пальца [2,с.315].

 

Для І ступени:

Диаметр поршневого пальца:

dп=(0,25...0,3) Dп         (2.9)

dп =0,25*420=105 (мм )

Внутренний диаметр пальца:

dвн п=(0,65...0,75) dп        (2.10)

dвн п =0,68*105=74 (мм )

Длина пальца:

Lп=(0,78...0,88) Dп         (2.11)

Lп =0,83*420=355 (мм)

Для ІІ ступени:

Диаметр поршневого пальца:

dп=(0,25...0,3) Dп=0,25*240=60 (мм)      

Внутренний диаметр пальца:

dвн=(0,65...0,75) dп=0,67*60=40 (мм)      

Длина пальца:

Lп=(0,78...0,88) Dп=0,83*240=200 (мм)     

 Рисунок 2.3- Поршневой палец в разрезе

Таблица 2.3 - Основные размеры поршневого пальца

Параметр	1 ступень	2 ступень
Lп, мм	350	200
dп, мм	105	60
dвн.п, мм	70	40

 

 

 

2.4 Определение основных  размеров шатуна и шатунных  болтов

Шатун – элемент кривошипно-шатунного механизма(рисунок 2.4). Он связывает тронковый поршень с коленчатым валом и служит для передачи усилий от коленчатого вала к тронковому поршню.

 

Рисунок 2.4 - Шатун в разрезе

Для І ступени:

Расстояние между осями шатуна

Lш=R/λR          (2.12)

где

R – радиус кривошипа, который равен половине хода поршня

R=[] Принимаем λR=

Lш=160/2*5=600 (мм)

Диаметр головки шатуна

dг =(1,5...1,7) dп         (2.13)

dг =1,7*105=180 (мм)

Длина поршневой головки для закреплённого пальца

lш=(0,28...0,32) Dп         (2.14)

lш=0,28*420=120(мм)

Плавающий палец имеет относительное осевое перемещение в головке шатуна и в бобышке поршня и требует установки в поршень ограничительных элементов (пружин).

Закреплённый палец устанавливается по посадке с натягом в головку шатуна или в бобышки поршня.

Толщина стенки головки

hг=0,3*dп          (2.15)

hг =0,3*105=30 мм

Толщина заприссованной втулки

Sп<0,09* dп          (2.16)

Sп =0,09*105=6,5 (мм)

Принимаем Sп=5 мм

Ширина стержня шатуна

hш min=(0,5...0,6) dг         (2.17)

hш min =0,5*180=90 (мм)

hш max=(1,2...1,4) hш min        (2.18)

hш max =1,4*90=126(мм)

Размер полых двутавровых сечений

bш=(0,55-0,8) lш         (2.19)

bш=0,58*120=70(мм)

Диаметр шатунной шейки

dш.ш≤0,68 Dп          (2.20)

dш.ш=0,38*420=160 (мм)

Длина кривошипной головки

Lк.г.=(0,45...0,95)dш.ш        (2.21)

Lк.г.=0,72*180=130 (мм)

Диаметр коренной шейки

dк.ш= dш.ш           (2.22)

Для снижения веса

dш.ш <dк.ш  на 10...15%

dк.ш=200(мм)

Высота обоймы шатуна

h1=(0,55...0,65) dш.ш        (2.23)

h1=0,555*180=100(мм)

Высота крышки головки

h2=(0,5...0,65) dш.ш         (2.4.12)

h2=0,6*180=108(мм)

Диаметр шатунного болта

dш.б=(0,18...0,25) dш.ш        (2.24)

dш.б =0,18*180=30(мм)

Расстояние между шатунными болтами

Сб=(1,2...1,3) dш.ш         (2.25)

Сб=1,28*180=230 (мм)

 

2.5 Определение размеров  маховика

Масса маховика обеспечивающая вращение вала компрессора с допустимой степенью неравномерности определяется диаграммой тангенциальных сил. Эта диаграмма строиться в координатах Pt() – в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Диаграмма делится через 15°, длину принимаем 360°. При построении диаграммы учитывается сила трения вращательного движения Тв.

Тв= (920...1200)*(1- ήмех)*Nинд/πn0R ήмех , где   (2.26)

n0 – частота вращения компрессора

R – радиус кривошипа

Тв =1200*(1-0,86)* 75,61 /3,14*730*80*0,86=0,081 (Н)

Для расчётного режима работы компрессора величина Тв=const, так как сила Тв относится ко всему компрессору, то учёт её влияния производится смещением оси абсцисс на величину вектора силы Тв.

Расчёт координат диаграммы Pt производится по следующей формуле:

Pt=Pп*sin()/cos ,   (2.27)

где Pt – касательная составляющая поршневой силы

 Значение угола β и получаем с помощью геометрических построений следуя схеме (рисунок 2.4) в программе «Компас–3D» (рисунок 2.5).

Нахождение Pп произведём из развёрнутой индикаторной диаграммы P((рис.2.6).

Угол φ изменяется  шагом в 15º, при =15° выражение (2.27) примет вид:

Pt=0,1* sin(15°+1,9833°)/cos1,9833°

Все последующие полученные расчёты оформим в виде таблицы (таблица 2.4) и диаграммы Pt( (рисунок 2.7)

Рисунок 2.4 – Угол поворота коленчатого вала

Рисунок 2.5 – Нахождение значения угла β

 

 

Рисунок 2.6. –Диаграмма Pп( - в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

 

 

Таблица 2.5 – Таблица Pt( - в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Pt,Мпа	Pп, МПа	φ, град	β, град
0,0000	0,3100	0	0,0000
0,0292	0,1000	15	1,9833
0,0558	0,1000	30	3,8167
0,0774	0,1000	45	5,4167
0,0924	0,1000	60	6,6333
0,1000	0,1000	75	7,4000
0,0999	0,1000	90	7,6666
0,0932	0,1000	105	7,4000
0,0808	0,1000	120	6,6333
0,0640	0,1000	135	5,4167
0,0442	0,1000	150	3,8167
0,0225	0,1000	165	1,9833
0,0000	0,1000	180	0,0000
-0,0229	0,1014	195	-1,9833
-0,0468	0,1058	210	-3,8167
-0,0729	0,1139	225	-5,4167
-0,1027	0,1271	240	-6,6333
-0,1419	0,1522	255	-7,4000
-0,2563	0,2563	270	-7,6666
-0,3098	0,3100	285	-7,4000
-0,2865	0,3100	300	-6,6333
-0,2400	0,3100	315	-5,4167
-0,1729	0,3100	330	-3,8167
-0,0906	0,3100	345	-1,9833
0,0000	0,3100	360	0,0000

 

 

 

 

Рисунок 2.7. –Диаграмма Pt( - в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Определяем масштабы площадей диаграммы:

             mпл= mдл* mсил  [кг*м/см чертежа]                            (2.28)

где mдл – масштаб длины;

      mсил – масштаб сил

                            mдл=2πR/l                                                         (2.29)

mдл =2*3.14*80/18=27,9 [м/см чертежа]   

где R - радиус кривошипа;

       l - длина диаграммы в масштабе чертежа;

mсил= Ptср/l                                                              (2.30)

mсил=0,03935 /1,968=0,077 [кг/см чертежа]

mпл=27,9*0,077 =2,161[кг*м/см чертежа]     (2.31)

 

Степень неравномерности угловой скорости δ выбирается в зависимости от привода компрессора. Для привода от асинхронного двигателя через эластичную муфту:

                          δ=1/80                                                      (2.32)

δ=3600* mпл*fmax/(n02*G*D2 ср.)                               (2.33)

где G – вес обода маховика; D ср – диаметр ступицы. Тогда

G=3600*2,16*62/(7302*0.0125*12502) =88,32 кг    

      Принимаем G=90 кг, Dср=1250 мм.

Элементы обода маховика выбирают конструктивно исходя из получения необходимой массы (рисунок 2.8).

 

Рисунок 2.8- Элементы обода маховика

h=160мм; rвн=420мм; rн=560мм; b=160мм; Dср=1250мм.

Рисунок 2.6 – Основные элементы маховика

 

2.6 Выбор клапанов по пропускной  способности. Подбор пружин клапанов

Клапаны поршневых компрессоров – это узлы, сообщающие или разобщающие полость цилиндра с полостями всасывания или нагнетания. В современных компрессорах наиболее широко применяются самодействующие клапаны, т.е. клапаны, закон движения запорного органа которых определяется изменяющейся разностью давлений. В нашей работе применим и выберем самодействующие пластинчатые кольцевые клапаны. Конструктивно клапан состоит из седла, пружины, пластины, ограничителя подъема (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Принципиальное устройство самодействующего клапана

1 – седло; 2 – пластина; 3 – ограничитель  подъема; 4 – пружина

 

Для выбора клапанов необходимо определить гидравличесике потери в них, а также рассчитать упругость пружины в зависимости от рабочего давления в цилиндрах.

Допустимую относительную потерю мощности в клапанах DNкл / Nинд выбираем по рекомендациям. [2, табл.6.1]

По выбранному допустимому значению находим соответствующие значения критерия скорости F. [2, рис.6.15]

Определим скорость звука в клапане при заданных условиях: [2, с.146]

aзв =                                                (2.34)

где R - газовая постоянная воздуха; R=287.2 Дж/(кгК);

aзв,вс1 = 344,4м/с

aзв,н1 = ,06м/с

Рассчитываем допустимую условную скорость газа в клапане:

vф,вс1 = F aзв                                           (2.35)

vф,вс1 = 0.22*344,4 = 75.76 м/с

vф,н1 = 0.22*417,06 = 91,76 м/с

Определим необходимое значение эквивалентной площади клапана: [2, с.152]

Ф = v                                                 (2.36)

Фвс1 = = 5,8 см2

Фн1 = = 4,9 см2

В первой и второй ступени выбираем одинаковое число клапанов: Zвс.кл = 1;  Zн.кл = 1.    Аналогичным образом проводим расчет параметров  клапанов II ступени. Полученные данные сводим в таблицу 2.5.

 

Таблица 2.5 - К расчету эквивалентной площади клапана.

Параметр	1 ступень		2 ступень
	Всасывание	Нагнетание	Всасывание	Нагнетание
F	0.22	0.22	0.20	0.20
aзв, м/с	344,41	417,06	350,19	416,09
vф, м/с	75.76	91,76	70,03	83,21
Ф, см2	5,8	4,9	2,06	1,74

 

После определения необходимых значений эквивалентной площади клапанов подбираем стандартизованные клапаны.  Проверка компоновки клапанов на крышке цилиндров показывает, что выбранные клапаны могут быть расположены в крышке цилиндра при выполнении в цилиндре карманов — каналов, лобовая площадь которых не превышает 40 % площади посадочных гнезд клапанов, что допустимо.

 

 2.7 Смазка компрессора

Для нормальной работы поршневого компрессора его узлы трения должны смазываться маслом. Все масла, используемые в поршневых компрессорах можно разделить на 2 группы: масла для смазки пар трения в механизмах движения и масла для смазки цилиндров и сальников. Масла в компрессорах выполняют следующие функции:

• снижают износ трущихся деталей благодаря образованию масляной пленки на трущихся поверхностях;
• уменьшают работу трения;
• охлаждают поверхности трения, отводя часть теплоты трения;
• предохраняют металлические изделия от коррозии.