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目錄
摘要 …………………………………………………………………………………………… 1
關鍵詞 ……………………………………………………………………………………………1
第一部分 前言 ………………………………………………………………………………… 1
第二部分 設計要點 …………………………………………………………………………… 1
第三部分 熱力計算 …………………………………………………………………………… 1§1設計的原始數(shù)據(jù) …………………………………………………………………………… 2
§2熱力計算 …………………………………………………………………………………… 2
3.2.1結構型式及方案選擇 ………………………………………………………………… 2
3.2.2 名義壓力比 …………………………………………………………………………… 2
3.2.3 名義排氣溫度 ………………………………………………………………………… 2
3.2.4 計算與排氣量有關的各種系數(shù) ……………………………………………………… 2
3.2.5 計算氣缸行程容積 …………………………………………………………………… 3
3.2.6 求取氣缸直徑 ………………………………………………………………………… 3
3.2.7 圓整缸徑后復算氣缸容積 …………………………………………………………… 3
3.2.8 復算排氣量 …………………………………………………………………………… 3
3.2.9 考慮壓力損失后實際排氣壓力及壓縮終了溫度 …………………………………… 3
3.2.10 計算最大活塞力 …………………………………………………………………… 4
3.2.11 計算指示功率………………………………………………………………………… 4
3.2.12 所需軸功率 ………………………………………………………………………… 4
3.2.13 電動機功率 ………………………………………………………………………… 4
3.2.14 等溫效率 …………………………………………………………………………… 4
3.2.15 容積比能 …………………………………………………………………………… 5
第四部分 簧片閥設計 ………………………………………………………………………… 5
§1 氣閥的主要構成 ………………………………………………………………………… 6
§2 設計的已知參數(shù) ………………………………………………………………………… 6
§3 結構設計 ………………………………………………………………………………… 6
§4 簧片閥主要結構參數(shù)的確定 …………………………………………………………… 7
4.4.1 確定閥片特征參數(shù) ………………………………………………………………… 7
4.4.2 校核進氣閥閥隙馬赫數(shù) ……………………………………………………… 10
4.4.3 閥片厚度的確定 ………………………………………………………………… 10
第五部分 結束語 ……………………………………………………………………………… 11
第六部分 參考文獻 …………………………………………………………………………… 12
摘要：活塞式壓縮機廣泛應用于機械、冶制、制冷、國防、化工等工業(yè)部門.用途廣泛，品種繁多，因而保證其運轉可靠性、提高經(jīng)濟性就至關重要.本文主要介紹應用現(xiàn)代化設計理論和方法來優(yōu)化簧片閥，借助AutoCAD實現(xiàn)簧片閥的設計無紙化以及簧片閥的計算過程. 通過優(yōu)化設計，基本達到氣閥阻力損失小，即控制在壓縮機指示功率的（6～12）%范圍內(nèi)；使用壽命長；噪聲低；運動質(zhì)量輕；結構簡單、成本低、制造方便、易于維護等優(yōu)點；更為重要的是余隙容積小.因為是微型空壓機，而其一般為單級壓縮，余隙容積大小特別重要，直接影響壓縮機的容積效率.此設計就使余隙容積嚴格控制在氣缸工作容積的（2.5～4）%左右.
關鍵詞：空壓機、簧片閥、優(yōu)化、氣缸
一、前言
氣閥是活塞式壓縮機中的關鍵部件，又是易損件之一，它的好壞影響壓縮機排氣量和功率消耗以及運行可靠性.一個好的氣閥既要有高的壽命，又要有高的效率.
氣閥的效率問題，主要指機器在正常運轉時，產(chǎn)生的流動阻力損失.在設計較好的氣閥中，流動阻力損失約為壓縮機指示功率的（4～8）%，而設計不好的氣閥，其流動阻力損失可以高達指示功率的（15～20）%.減少流動阻力損失的主要方法是增加氣閥的有效流通面積，以降低氣體流經(jīng)氣閥是的流速，因為流動阻力損失是和速度的平方成正比的.但是，增加有效通流面積，將受到機器結構和氣閥壽命的限制.例如：升程不能太高，否則壽命顯著下降.此外，在計算的有效通流面積較大情況下，有時因閥片開、啟不合理，使實際的通流面積小于計算值，造成附加的流動阻力損失.這一附加的阻力損失，有時甚至會達到驚人的程度.
應用現(xiàn)代化設計理論和方法來改進和提高機械零件與系統(tǒng)的設計質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期、增強產(chǎn)品的競爭能力已被各國證明是非常有效的途徑.本設計基于現(xiàn)代設計方法中最活躍的分支之一—機械優(yōu)化設計，使得機械零件及系統(tǒng)設計更為合理和實用.
二、總體設計思路
1.首先按氣缸尺寸及氣缸總的結構，選用或設計簧片閥的結構型式，完成氣閥的平面布置，確實吸、排氣閥的閥孔數(shù)目、閥孔直徑、閥片的幾何形狀等.
2.確定簧片閥的主要參數(shù).如升程、閥座通道面積、間隙通道面積、閥片幾何尺寸、閥片厚度及閥片剛性系數(shù)等.其中有些參數(shù)對簧片閥的經(jīng)濟性及壽命影響較大，必須在簧片閥設計時先確定下來.此些稱為簧片閥的主要結構參數(shù).它們是：閥隙馬赫數(shù)M、升程h、閥片剛性系數(shù)及閥片厚度等.
三、簧片閥設計計算
（一）設計的原始數(shù)據(jù)
排氣量
進氣壓力 （絕對壓力）
進氣溫度
排氣壓力 （絕對壓力）
（二）熱力計算
1. 結構型式及方案選擇
因為是動力用微、小型空氣壓縮機，故可采用單級壓縮，采用以排氣量為的氣缸為準雙缸單作用風冷V型可為.圖1-1為方案示意圖.采用異步電動機直接驅(qū)動（皮帶輪連接），電動機轉速取.
圖1-1 控制容積選取示例
2. 名義壓力比
3.名義排氣溫度
考慮到微小型壓縮機的熱交換條件及單作用高壓力比條件下的泄漏情況，取壓縮過程指數(shù) ，計算排氣溫度
4.計算由排氣量有關的各種系數(shù)
（1）進氣系數(shù)
計算容積系數(shù)，
取，按表選取得，計算得
取壓力系數(shù)
由圖取
計算得
（2）泄漏系數(shù)
泄露位置
進氣閥
排氣閥
活塞環(huán)
相對泄露量
0.015
0.015
0.04
0.07
0.935
5.計算氣缸行程容積
6.求取氣缸直徑
取活塞行程S=55 mm
計算得活塞平均速度
由式 知氣缸直徑
將缸圓整為
7.圓整缸徑后復算氣缸容積
8.復算排氣量
9.考慮壓力損失后實際排氣壓力及壓縮終了溫度
由圖查得、，故實際進氣壓力
實際壓力比
壓縮終了溫度
10.計算最大活塞力
向軸行程
向蓋行程
其中為曲軸箱內(nèi)的背壓力，按計
11.計算指示功率
按式
這里
取
12.所需軸功率
取機械效率
13.電動機功率
取電動機儲備功率為軸功率的10%
14.等溫效率
由式知等溫功率為
應為復算后排氣量
等溫指示效率
等溫軸效率
15.容積比能
四、簧片閥設計
壓縮機簧片閥基于數(shù)學建模的首要條件是：進、排氣壓力為常量，并等于進、排氣名義壓力、，即不考慮進、排氣腔氣流壓力對于閥片運動規(guī)律的影響.
氣閥是活塞式壓縮機中的關鍵部件，又是易損壞的部件之一。它的好壞影響壓縮機排氣量和功率消耗以及運行可靠性。一個好的氣閥有高的壽命，又要有高的效率?；善y是其中之一.
簧片閥一般適用于直徑小于100mm（最大氣缸直徑可到130mm）的微型空氣壓縮機.
（一）氣閥的主要構成
氣閥的結構如圖(2-1)所示，主要由閥座、閥片、彈簧和升程器四個零件組成.
圖2-1 氣閥主要組成部分
1——閥座 2——閥片 3——彈簧 4——升程限制器
閥座：它具有能被閥片覆蓋的氣流通道，是與閥片一起閉鎖進氣（或排氣）通道，并承受氣缸內(nèi)外壓力差的零件.
閥片：它是交替、地開啟與閥座通道的零件，通常制成片狀，故稱為閥片.
彈簧：是氣閥關閉時推動閥片落向閥座的零件，并在閥片開啟時，減少閥片撞擊升程器.對于簧片閥，閥片本身具有彈性，并起一定的彈簧作用，故有時合二為一.
升程限制器：是限制閥片的升起高度，并往往作為承受彈簧的零件.
（二）設計的已知數(shù)據(jù)
一級氣缸直徑，二級氣缸直徑，行程S=55mm，
， 機器轉速，
進氣壓力，排氣壓力（表壓）
進氣溫度
（三）結構設計
結構設計2V0.6/7型中壓微型空壓機氣缸為風冷結構，氣缸蓋采用皇冠形結構.相應進氣閥采用環(huán)形簧片閥，排氣閥采用圓弧工字形簧片閥。一級進氣環(huán)形閥片的幾何形狀如圖2-2所示.因為一級氣缸直徑D1=90mm,閥片外徑為=88mm，閥片內(nèi)徑為=70mm，閥片寬度B=9mm,圖中陰影部線為閥片安裝后定位側翼，側翼邊離開中心線R與a=7.5mm,閥片小舌部落到氣缸相應的凹槽中，起升程限制器作用.
圖2-2 一級進氣閥片幾何形狀
圖2-3a為閥板上進氣閥孔的平面布置情況。以OY為對稱軸，兩邊個布置9個進氣閥孔，閥孔直徑1=6.5mm，閥孔中心分布在79mm的圓周上，相鄰兩閥孔中心線尺寸夾角為15°，即1=15°，2=30°，3=45°，4=60°（相對與OX軸）.
（四）簧片閥主要結構參數(shù)的確定
圖2-3 一級進氣閥片
a)閥片上進氣孔平面布置 b)閥片工作狀態(tài)
1-閥板 2-閥片 3-氣缸
1. 確定閥片特征行程
由圖2-3a可知，在OX軸上閥孔至OY軸的距離，最外端距離l=50mm,按幾何關系其余個閥孔在OX軸方向上投影均可計算出.即
（1-1）
閥片工作時，個閥孔中心在OX軸方向上至側翼邊投影距離為（見圖2-3b）:
則 （1-2）
在OX軸上，閥片對應孔中心的升程高度定義為特征升程，OX軸外端撞到限制器的升程高度定義為閥片的最大升程用表示.閥片開啟后彎形曲線近似用直線ob′代替.其余個閥孔中心的升程、…均可近似用指直角三角形的線段比例關系計算出.第個閥孔中心的升程高度表示為：
（1-3）
閥片最大升程 （1-4）
閥片平均升程用下式計算
（1-5）
則閥隙通道面積為：
（1-6）
式中 Z—表示閥孔數(shù)目.
任意選取的數(shù)值，在圖中查出相應的流量系數(shù)為，直接計算出的值.再按式（1-6）計算出閥隙通道面積及有效流通面積（），如表1-1第二數(shù)據(jù)作出的曲線如圖2-4所示.
由圖可以看出，當時，圖中線段近似為直線，當
圖2-4
，增長緩慢，變成曲線段.故選取，則
用式（1-4）可計算出閥片最大升程：
圓整成，則
用式（1-5）計算出閥片平均升程
表1-1與計算表格
0.30
0.40
0.50
0.60
0.65
0.70
0.75
0.98
1.30
1.63
1.95
2.11
2.28
2.44
流量系數(shù)
0.72
0.65
0.60
0.56
0.54
0.52
0.50
有效流通面積
190.0
228.7
263.9
295.6
306.9
320.2
330.0
對應閥隙有效流通面積同式（1-6）計算
按式進行校核：
即 （1-7）
也就是說，若閥孔為70mm，簧片閥可能設計的最大平均升程為2.5mm.
因為，這里，故
，符合式（1-7）的要求.
閥片當量撞擊速度為：
當量撞擊速度符合式的要求，說明閥片特征升程，與最大升程正確.
2.校核進氣閥閥隙平均馬赫數(shù)為：
活塞平均速度
活塞面積
則閥隙平均速度
空氣的氣體常數(shù),絕熱指數(shù)，一級氣缸進氣溫度，則當?shù)匾羲贋?
一般進氣閥的閥隙平均馬赫數(shù)為：
M的指數(shù)在推薦范圍內(nèi)（）.
3.閥片厚度的確定
1） 計算閥孔迎風面積之和的等效面積
閥片氣體推力計算，式中為各閥孔迎風面積之和的等效面積.等效原則是按個閥孔氣體力對閥片固定端取鉅，與集中力對固定端取鉅相等（見圖2-3），即
（1-8）
工程設計時，各閥孔迎風面積均近似按閥孔出口通道面積計算.這里，各閥孔直徑為，各閥孔迎風面積均相等，用代替，則式（1-8）變成 （1-9）
式（1-9）與比較，等效面積等于
2） 計算新設計閥片的剛性系數(shù)
按工程設計要求，選取閥片推力系數(shù)，按式計算閥片最大氣體推力：
按式，，的簡切范圍，選取，按式和計算閥片單位寬度上剛性系數(shù)：
由圖2-2可知，閥片在固定端實際寬度為閥片寬度B的兩倍，則新設計閥片總剛性系數(shù)為：
按新設計閥片的幾何形狀和相同材質(zhì)，任選取閥片厚度作為模型閥片，再用數(shù)學方法模擬測量閥片剛性系數(shù)的實驗裝置，模擬測出模型閥片剛性系數(shù).因為新設計閥片與模型閥片材質(zhì)相同、幾何形狀相同，具有，，，則按式可以簡化計算出設計閥片厚度為：
到此，進氣閥片主要結構參數(shù)的設計計算完畢.
五、結束語
經(jīng)過一個月的努力,我終于將機械設計課程設計做完了.在這次作業(yè)過程中,我遇到了許多困難,一遍又一遍的計算,一次又一次的設計方案修改這都暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足.剛開始在簧片閥設計時,由于以前高等數(shù)學學的不扎實，對著那么多的機械設計優(yōu)化書里的數(shù)學知識，是看的一頭霧水，沮喪極了.后來，總算有些思緒，開始嘗試著用數(shù)學軟件LINDO去求解.但是，往往漏掉條件，使的偏差很大，令我非?？鄲?后來在丁老師的指導下,我找到了問題所在之處,將之解決了.
在此期間,我還得到了許多同學和老師的幫助.在此我要向他們表示最誠摯的謝意.丁素珍老師在我課程設計的過程給予全程指導，在此特向丁素珍老師表示感謝.
??? 盡管這次作業(yè)的時間是漫長的,過程是曲折的,但我的收獲還是很大的.不僅僅掌握了簧片閥的設計步驟與方法;也不僅僅對制圖有了更進一步的掌握;LINDO和Auto CAD ,Word這些僅僅是工具軟件,熟練掌握也是必需的.對我來說,收獲最大的是方法和能力.那些分析和解決問題的方法與能力.在整個過程中,我發(fā)現(xiàn)像我們這些學生最最缺少的是經(jīng)驗,沒有感性的認識,空有理論知識,有些東西很可能與實際脫節(jié).總體來說,我覺得做這種類型的設計對我們的幫助還是很大的,它需要我們將學過的相關知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來,從中暴露出自身的不足,以待改進.有時候,一個人的力量是有限的,合眾人智慧,我相信我們的作品會更完美!
參考文獻：
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