4 結構設計
結構型式：v型、w型和s型壓縮機結構和結構示意圖見圖2.1~圖2.7。其主要特點是連桿和活塞直接連線，無十字頭和活塞桿，結構緊湊。
根據設計要求，選擇適當的結構型式型別，給出結構示意圖。
給定引數或參考有關文獻資料，或依據實習參觀或市場調研收集的資料確定結構引數。
根據熱力學和動力學設計有關內容，主要結構引數為：
行程：s=
轉速：n=
連桿徑長比：=r/l=
連桿中心距：l=
主要結構內容為活塞、連桿、曲軸、氣缸、活塞銷、活塞環等的結構設計。限於時間，可選擇部分零件進行結構設計。
4.1活塞環設計
4.1.1 活塞環的結構形式及材料選擇
活塞環的切口形式有直切口、斜切口和搭介面三種，為了工藝簡便，採用直切口。活塞環的材料通常採用灰鑄鐵、合金鑄鐵。對於小直徑活塞環或高轉數壓縮機活塞環，可選用合金鑄鐵製造。
因此，參考工廠經驗，活塞環的材料可選擇vti合金鑄鐵。
4.1.2 活塞環數的確定
活塞環的環數可按以下式計算：
4.1)
式中：z—活塞環的環數；
—活塞兩邊最大壓差，mpa。
一級活塞環：，取z=2；
二級活塞環：，取z=2。
4.1.3 主要尺寸的確定
(1) 徑向厚度
（4.2）
式中：t－活塞環徑向厚度，mm；
d－氣缸直徑，mm。
大直徑活塞環的t取用小值，小直徑時用大值。金屬活塞環可適當取小值，如圖4.8。
一級活塞環： mm，取t=3.0mm；
二級活塞環： mm，取t=2.5mm。
(2) 軸向高度
4.3)
式中：h—活塞環的軸向高度，mm。
式中較小值用於大直徑活塞環；較大值用於小直徑活塞環和壓差較大的級中的活塞環。軸向高度對密封性的影響不大，為減小摩擦面，不宜取得太大。但軸向高度增加，活塞環的彈力也增加，易於克服其端麵和活塞環槽面的摩擦，故密封壓差較大時，增加高度是有益的。
一級活塞環：h=0.9t=0.9×3.0=2.7mm，取h=3.0 mm
二級活塞環：h=0.8t=0.8×2.5=2.0 mm，取h=2.5 mm
(3) 開口熱間隙
4.4)
式中：δ—活塞環的開口熱間隙，mm；
d—活塞環外徑，mm；
t2—活塞環工作時的溫度，通常取排氣溫度，℃；
t1—在校驗尺寸δ時活塞環本身的溫度，通常取室溫20 ℃；
a—活塞環材料的線膨脹係數，1/℃。
20~200℃下，鑄鐵a=(8.5~11.6)×10-6/℃，取a=8.6×10-6/℃。
一級活塞環： mm，取=0.30 mm；
二級活塞環： mm，取=0.25 mm。
(4) 自由開口寬度
4.5)
式中：a—自由開口寬度，mm；
pk—活塞環的比壓，mpa，即在環本身的彈力作用下，使環貼緊氣缸壁時，對缸壁
的單位面積的壓力，設計時比壓可在下列範圍選取：
d＞150，pk =(0.038~0.100) m pa；
150≥d＞50，pk =(0.10~0.14) m pa；
刮油環，pk =(0.03~0.05) m pa；
塑料活塞環的彈力環，pk =(0.01~0.03) m pa；
e—彈性模數，mpa。合金鑄鐵e=(0.9~1.4)×105 mpa
那麼，一級可取pk =0.10 mpa，二級可取pk =0.12 mpa：
一級活塞環： mm，取a=11 mm
二級活塞環： mm，取a=8 mm
4.2 刮油環設計
刮油環的材料通常選擇vti合金鑄鐵。刮油環的軸向厚度比活塞環略大些，其上銑有徑向回油孔，相關設計可參見有關書籍，此處略。
4.3 活塞設計
4.3.1 活塞的結構形式及材料選擇
活塞式壓縮機中採用的活塞基本結構型式有：筒形、盤形、級差式、組合式、柱塞等。對於微小型無十字頭的壓縮機，氣缸直徑在150mm以下時，多數採用筒形活塞，如圖4.
9所示。活塞通過活塞銷與連桿直接相連（無十字頭和活塞桿），整機結構緊湊。
當一、二級氣缸直徑相差不大時（25 mm以內），選擇兩級活塞材料同為zl100或zl110，也可選擇鑄鐵。
當兩級氣缸直徑相差較大時，為盡量滿足兩級往復質量相等的條件，兩級活塞可採用不同的材料，並通過結構尺寸的必要變化來實現。
圖4.10為70mm活塞尺寸。
4.3.2 活塞的主要結構尺寸的確定
(1) 不計密封環和刮油環高度時的活塞高度h′
4.6)
式中：nmax—最大側向力，n，nmax=λpmax，λ=；
pmax—最大活塞力，n；
d—活塞直徑，mm；
[k1]—筒形活塞支撐表面的許用比壓，mpa，[k1]≤(0.15~0.30) mpa，
高轉數壓縮機為降低運動質量計取較大值；低轉數壓縮機為減小摩擦取較小值。
因此，可取[k1]=0.28 mpa，則
一級活塞： mm，
二級活塞： mm，
(2) 活塞的總高度h
4.7)
式中：n，m—活塞環數和刮油環數；
h，h3—活塞環軸向高度和刮油環軸向高度。
一級活塞：h≥20.96+2×3.0+1×3.0=29.96 mm；
二級活塞：h≥69.75+2×2.5+1×2.5=77.25 mm。
活塞總高度h與活塞直徑d一般關係為：
h=(0.65~1.50)d4.8)
活塞直徑取缸徑即可，那麼：
一級活塞：d =100 mm，h=0.70d=0.70×100=70 mm，取h=70 mm；
二級活塞：d =75 mm，h=0.90d=0.90×75=67.5 mm，取h=70 mm。
(3) 活塞頂面至第一道活塞環的距離c
c=(1.2~3.0)h4.9)
一級活塞：取c=2.0h=2.0×3.0=6.0 mm； 取c=6 mm；
二級活塞：取c=3.0h=3.0×2.5=6.0 mm，取c=6 mm。
(4）活塞環之間的距離c1
c1=(0.8~1.5)h4.10)
一級活塞：c1=1.0h=1.0×3.0=3.0mm，取c1=3 mm；
二級活塞：c1=1.2h=1.2×2.5=3.0mm，取c1=3 mm。
(5) 群座到底邊的高度l
l=0.7h4.11)
一級活塞：l=0.7×70=49.0 mm，取l=47 mm；
二級活塞：l=0.7×70=49.0 mm，取l=50 mm。
(6) 活塞銷中心線到底邊的距離h1
h1=0.6l4.12)
一級活塞：h1=0.6×49=29.4，取h1=30 mm；
二級活塞：h1=0.6×49=29.4，取h1=30 mm。
(7) 活塞銷座處的表面壓力q按下式確定
mpa4.13)
式中：q—表面壓力，mpa；
pmax—最大活塞力，n；
d—如圖4.11所示，為活塞銷外徑，mm；
l′—活塞銷在一側銷座中的支撐長度，mm，如圖4.11。
表面壓力的許用值：活塞銷在銷座中為緊固支撐，鑄鋁活塞[q]≤135~140 mpa。
一級活塞：d=20 mm(見活塞銷設計)，取l′=27 mm，則： mpa，在允許範圍之內，符合要求；
二級活塞：d=20 mm(見活塞銷設計)，取l′=16 mm，則：
mpa，在允許範圍之內，符合要求。
4.4 活塞銷設計
4.4.1 活塞銷的結構形式及選材
活塞銷連線了活塞和連桿，在活塞運動過程中，承受連桿的重量和連桿作用在活塞銷的力，所以活塞銷要有足夠的強度和剛度。綜合考慮選擇20cr。
4.4.2 活塞銷主要結構尺寸的確定
活塞銷的尺寸，根據最大活塞力作用下活塞銷投影工作面上的許用比壓初步確定後，按彎曲和剪下作用校核其強度。活塞銷的計算尺寸如圖4.12所示。
(1) 活塞銷的直徑d
4.14)
式中：d—活塞銷直徑，mm；
l0—連桿小軸襯套寬度，mm；
[k2]—活塞銷許用比壓，活塞力始終在乙個方向時，[k2]≤(120~150)×105 pa；活塞力的方向有變化時，[k2]≤(150~250)×105 pa。
因為活塞力有變化，可取[k2]=200×105 pa，則：
一級活塞銷：，d≥3.9117 mm，取d=20 mm；
二級活塞銷：，d≥9.765 mm，取d=20 mm。
(2) 計算彎曲應力
進行彎曲驗算時，把活塞銷看作兩端自由支撐的梁，與連桿接觸長度l0上承受均布載荷，如圖4.12所示，中間截面ⅰ—ⅰ的彎曲應力最大，其值為：
(4.15)
式中：—彎曲應力，mpa；
pmax—最大活塞力，n；
l—活塞銷座支撐長度中點間的距離，mm；
l0—連桿小軸襯套寬度，mm；
d0—活塞銷中心孔徑，mm。
一般取d0=(0.6~0.7)d=0.7×20=14 mm，取d0=14 mm。與二級活塞相比較而言，一級
活塞直徑較大，質量也大，為了平衡往復慣性力應減小運動系統質量，故只在一級
活塞銷打孔。所選材料20cr屬於合金鋼，許用彎曲應力：合金鋼≤150 mpa。
一級活塞銷：
mpa，在允許範圍之內，符合要求；
二級活塞銷：
mpa，在允許範圍之內，符合要求。
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