滑片式空气压缩机设计 - 毕设

毕业设计说明书

题目：滑片、转子、定子等主要部件设计、动力学分析及实体建模姓名：谢 兰

学号：

指导教师：

专 业 年 级： 所在学院和系：机械工程学院

完 成 日 期： 1 6 年5 月2 0日

答 辩 日 期： 1 6 年6 月1日

摘要

现代社会在不断发展与前进，人们对于生活质量的要求在进一步提高，工业制造的水平、质量和精度被不断的要求提升，这一前进发展对于空气压缩机也有较大的改进要求，因而传统的往复式活塞压缩机及螺杆式压缩机已不能适应当前社会的发展需求，逐渐地被滑片式空气压缩机代替。滑片式空气压缩机具有众多优势，作为气动源已被广泛的应用到空调制冷、新能源客车等许多领域之中。我国对滑片机的研究及设计工作有不少，但还是非常滞后的，滑片机的研究设计离不开对转子、滑片、定子等主要部件的材料参数、运动理论及力学性能的分析选择，因此对于滑片式空气压缩机的研究设计来说，对滑片、定子和转子为设计的重中之重。然而借助计算机辅助设计软件有助于我们的研究设计，因此结合辅助设计软件是研究设计中后期的主要任务。

关键词：滑片，压缩机，转子

Abstract

Modern society in the continuous development and progress, people for the requirements of the quality of life in further improving, the level of manufacturing industry, quality and accuracy is constantly required to enhance, the progressive development for air compressor also greatly improved, thus the traditional reciprocating live piston compressor and screw type compressor already can not adapt to the current social development needs, gradually by sliding vane air compressors instead. Sliding vane air compressor has many advantages, as pneumatic source has been widely applied to the air-conditioning refrigeration, new energy bus and so on many fields. Our machine with the research and design of the sliding a lot, but still very backward, slip Research and design of a machine is inseparable from the rotor, vane, stator, and other major components of the material parameters, movement theory and mechanical properties analysis and selection, so for sliding vane air compressor of the study design is, on the vane, stator and rotor the top priority for the design. However, by means of computer aided design software is helpful to the design of our study, thus combining aided design software is the main task of the research design in the late.

Key words:Sliding vane, Compressor, Rotor

目录

1.1压缩机的应用及分类 .................................................................................................................... １

1.1.1压缩机的应用 .................................................................................................................... １

1.1.2压缩机的分类 .................................................................................................................... １

1.2滑片式空气压缩机的特点及优势 ................................................................................................ １

1.3国内外发展概况 ............................................................................................................................ ２

1.4研究背景及意义 ............................................................................................................................ ２

1.4.1背景 .................................................................................................................................... ２

1.4.2意义 .................................................................................................................................... ２

第2章 滑片式空气压缩机结构及原理 ..................................................................................................... 5

2.1滑片式空气压缩机的结构 .............................................................................................................. 5

2.2滑片式空气压缩机的原理 .............................................................................................................. 6

2.3主要部件功能 .................................................................................................................................. 6

第3章 滑片机主要部件的参数选择与结构设计计算.............................................................................. 7

3.1滑片机类型选择 .............................................................................................................................. 7

3.2滑片相关参数 .................................................................................................................................. 7

3.2.1滑片数、滑片相对厚度及相对偏心距 ............................................................................... 7

3.2.2滑片材料 .............................................................................................................................. 8

3.2.3滑片倾角 .............................................................................................................................. 8

3.2.4滑片端部圆弧半径 .............................................................................................................. 9

3.2.5结构尺寸关系 ...................................................................................................................... 9

3.3滑片机容积大小及流量的计算 .................................................................................................... 10

3.3.1理论流量 ............................................................................................................................ 10

3.3.2转子转速 ............................................................................................................................ 11

3.3.3压缩机的实际工作容积 .................................................................................................... 11

3.4基元容积、滑片伸出长度及压力角的分析设计 ......................................................................... 12

3.4.1基元几何关系及基元容积 ................................................................................................ 12

3.4.2滑片伸出长度随滑片位置角的变化................................................................................. 13

3.4.3滑片的压力角 .................................................................................................................... 14

3.4.4气缸厚度计算 .................................................................................................................... 15

3.5零部件实体建模 ............................................................................................................................ 15

第4章 主要部件的强度安全性校核 ....................................................................................................... 21

4.1滑片的剪切和弯曲强度 ................................................................................................................ 21

4.1.1滑片受力分析 .................................................................................................................... 21

4.1.2弯曲强度 ............................................................................................................................ 22

4.1.3滑片的剪切应力 ................................................................................................................ 24

4.2转子的弯曲应力 ............................................................................................................................ 24

第5章 动力学分析 ................................................................................................... 错误！未定义书签。

5.1软件 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。

5.1.1软件选择 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 第1章 绪论 ............................................................................................................................................... １

5.1.2软件简介............................................................................................. 错误！未定义书签。

5.2动力学分析过程............................................................................................. 错误！未定义书签。

5.3分析结果 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。

5.3.1滑片 .................................................................................................... 错误！未定义书签。

5.3.2转子 .................................................................................................... 错误！未定义书签。

5.3.3其它力及力矩情况 ............................................................................. 错误！未定义书签。

第6章 结论与展望 ................................................................................................................................... 27

6.1结论 ................................................................................................................................................ 27

6.2展望 ................................................................................................................................................ 27

致谢 ............................................................................................................................................................... 29

参考文献 ....................................................................................................................................................... 31 附录 ............................................................................................................................... 错误！未定义书签。

第1章 绪论

1.1压缩机的应用及分类

1.1.1压缩机的应用

空气具有环保、可循环利用、无害等特性，空气压缩机将空气压缩到一定的体积后具有一定的压力，因此可以作为一种气动能源，其使用安全，传输方便，它不产生火花，不怕超负荷，适用于易燃易爆、湿度大，粉尘多，高温等具有安全问题的特殊环境，具有使用其它动力机械所不具的许多优点。社会的进步，人们生活质量的提升，压缩机也在不断的发展中，主要是用于作为一种气动能源，常用的有制冷，机械制造，化工，发动机等，除此之外还可以用于除尘、干燥。我国的压缩机行业正在不断的进步，性能及产量也在上升，作为新人的我们有义务和责任提升压缩机水平。

1.1.2压缩机的分类

1：按工作原理可分为：往复式压缩机，离心式压缩机，容积式压缩机。容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内分子的密度增加，以提高压缩机空气的压力。

2：按工作压力大小可分为：低压压缩机、中压压缩机、高压压缩机、超高压压缩机。

3：按压缩级数可分为：单级压缩机、两级压缩机、多级压缩机。

滑片式压缩机属于容积式空气压缩机，我们可以根据所需要求设计成不同排气压力及多级压缩，对于滑片式空气压缩机我们又可以根据其不同的应用场合及性能要求使用不同的润滑方式，因此还可以根据润滑方式进行分类成喷油式滑片压缩机、滴油式滑片空气压缩机及干式滑片空气压缩机，而由于滑片机的工作方式的不同又可分为单工作腔、双工作腔及贯穿滑片压缩机三类。

1.2滑片式空气压缩机的特点及优势

与其他压缩机相比，滑片式空气压缩机总的来说具有以下特点：

1、结构简单，零部件少，加工及维修方便；

2、其运转平稳，振动小，从滑片机的结构中我们可以看出其无偏心旋转的拎部件，故此动力平衡性较好，尤其在高速运动下相比较其他压缩机更是具有振动及噪声低的优势；

3、容积效率高，由于没有吸气阀，余隙容积小，且不直接影响吸气基元，所以使吸气损失减少，效率高；

4、重量轻，体积小，结构紧凑，适于狭窄空间安装，故此比较适合汽车空调的使用；

5、在滑片式压缩机中，具有多个基元同时工作，输气量比较大，脉动性小，流量均匀；

6、在工作过程中，滑片顶部与定子内壁相互摩擦损耗，在离心力的作用下，滑片具有独特的自动补偿功能，从而延长使用寿命。

从以上的优势中可以很明确的看出，选择滑片式空气压缩机是理智的，是符合现代市场要求的，机械工程学院

传统的螺杆式及柱塞式的已不能很好的适应当下人们对其的期望要求了。

1.3国内外发展概况

国内滑片式空压机的技术源自于意大利马泰和英国康普艾，基本上都采用机头集成系统，生产成本根据配置不同有很大差别，在技术上与螺杆式空压机各有千秋。但因其技术发展和产品成型早于螺杆式空压机，在国外市场仍占有相当份额，。而目前国内市场上，滑片式空压机的市场份额太小，上升空间很大，尤其在螺杆式空压机竞争激烈，价格呈透明化趋势的现状下，滑片机的发展前景应该被业界看好。目前滑片机的用户都是被刚刚开发出来的，对于滑片机的认知和功能上还有许多问题和疑虑，由于滑片机的技术问题也同样在不同程度上制约着国内市场。然而国内滑片机技术基本都是通过吸收国外技术及经验，并通过一定的技术交流以提高自身水平，这必定使得国内滑片机的发展与国外是无法相提并论的。但是由于滑片式空气压缩机具有其它压缩机不可比拟的优势，滑片机的市场也会变得越来越火爆，慢慢的被外界所接受和认同，将成为30kW以下空压机的主流。近几年国内外倡导的绿色制造、智能制造、服务型制造将成为制造业的方向，因此这对于滑片式空压机来说是一个崛起的大好时机，世界各国都非常重视滑片式空气压缩机的开发和研究。

1.4研究背景及意义

1.4.1背景

随着现代科技的进步，对于工业制造各方面要求越来越高，以及对机械产品的易用性、安全性要求不断地在提高，因此，机械制造及工业各领域对压缩机的性能要求也在不断的提高，虽然螺杆式空气压缩机是目前主要使用的空气压缩机产品，但是它已经不能适用于人们对高要求、高精度的工业制造领域，因此传统的压缩机正在慢慢的退至幕后，而新兴的滑片式空气压缩机不断的在吸引人们的眼球，现在科技的飞速发展，对于高精密化的生产也在不断的前进，这也推进了滑片式压缩机的进步，相辅相成不断前行。滑片式空压机以体积小、重量轻、噪音低、操作简单可靠性高等优势，因此非常适合用作于那些对空间、重量以及振动有较高要求的小型空气压缩机。因而被广泛的应用到新能源客车、工业生产、电车、空调军工、机械制造、制冷、汽车制动等领域。按其之间的不同润滑方式可分为喷油、滴油、无油三类。在化学工业和食品工业中，无油机器可用来输送或加压各种气体，还可作为固体颗粒物料输送的气源，滑片机械还可作为真空泵使用。为了让滑片式空压机更适应于高精密加工、高性能要求的机械加工及生活产品中，所以对于滑片式空压机的进一步研究和探讨具有重要意义。

1.4.2意义

空气压缩机是工业现代化的基础产品，常说的电气与自动化里就有全气动的含义，而空气压缩机就是提供气源动力，是气动系统的核心设备机电引气源装置中的主体，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置，随着家用电器的飞速前进，滑片式空气压缩机更具优势的运用于微小型家用电器制冷方面，而滑片式空气压缩机的许多性能是 机械工程学院

传统空气压缩机所不能达的。与螺杆式空气压缩机相比较而言，滑片式空气压缩机具有能量损失少、能耗低、使用寿命长、维修方便、耗电量小、转速低、备件少、负荷小等一系列优点。目前人们对滑片式空气压缩机的机体、外壳等已经研究的有相当的透彻了，但是对于其重要的组成部分滑片、转子、定子、润滑密封等仍需更进一步的研究探索，以达到人们对产品质量更高层次的要求，从而满足更广大客服，拓展滑片机使用范围。滑片式空气压缩机有着高标准的选材、领先的集成化设计，通过这种设计使滑片式空气压缩机被誉为五星级的空气压缩机。加之其制造容易，结构简单，操作维修及保养方便，而现代科技对于空气压缩机的要求及性能已不可同日而语，传统的压缩机已经不能适应高效率、性能稳定、低噪音等一系列要求，故而未来的压缩机市场必定属于具有巨大潜力优势的滑片式空气压缩机。

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第2章 滑片式空气压缩机结构及原理

2.1滑片式空气压缩机的结构

1588年拉麦尔利（Ramelli）首次提出多基元装置的概念，并制成了世界上第一台拉迈尔泵。从机构学来看，用作旋转运动的活塞代替往复式的活塞来实现气体的压缩无疑是极为合理的，然而仅有转子和缸体两个构件是不可能形成容积周期变化的工作腔，必须增添辅助构件，如果增添若干个可以在转子或缸体上开的槽内自由滑动的叶片（简称滑片），就形成了匀速型旋转压缩机，简称旋转压缩机。滑片式空气压缩机是容积式压缩机，同活塞式空压机相比，它没有吸、排气阀和曲轴连杆机构，因此滑片式压缩机的制造容易，结构简单，可以直接与电机相连，同时由于滑片式空压机属于回转式容积压缩机，所以振动小、工作比较平稳、没有复杂的程序，根据滑片的运动机理，滑片式空气压缩机大致可分为单工作腔压缩机、双工作腔压缩机和贯穿滑片压缩机三类。此次设计中我们拟设计成单工作腔压缩机，因此主要介绍单工作腔滑片机，以下简称为滑片机。

滑片机主要由机体、滑片、定子、转子、端盖等主要部件组成。转子在定子内偏心配置，具有一定的偏心距e，转子与两边端盖的支撑轴孔同心，与定子在几何上保持相切，然而在实际生产及结构中是以一定大小的圆弧进行重合并留有一定的间隙，转子与两边端盖的轴承同心间隙装配，可在孔中自由转动；壳体与大小端盖、定子外缘保持同心；轴承通过过盈配合紧固在大小端盖的轴承孔中；壳体、两边端盖、定子通过螺钉连接固定成一体；滑片置于滑片槽中，可自由滑动，这是滑

片机的大致结构关系。

图2-1 滑片机端面图

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2.2滑片式空气压缩机的原理

滑片压缩机主要由转子、滑片和定子等三部分组成，也是工作的主要部件。转子外表面与气缸内表呈圆形，转子偏心的安装在气缸内，使二者相切，在气缸内壁与转子外表面间形成一个月牙形空间。转子上开有若干滑片槽，每个槽中装有自由滑动的滑片，转子旋转时，滑片受离心力的作用从槽中甩出，其端部紧贴在气缸内表面上，把月牙形的空间分割成若干扇形小室，称之为基元。随着转子的连续转动，基元容积从小到大周而复始在变化。

转子外表面﹑气缸内壁和相邻两滑片组成工作容积﹐转子旋转一周时工作容积由最小逐渐变至最大﹐再由最大逐渐变至最小。工作容积开始增大时﹐与吸气孔口相通﹐开始吸入气体﹔工作容积逐渐变小时﹐吸入气体被压缩。工作容积内气体达到一定压力时便与排气孔口相通﹐开始排气，工作容积主要靠离心力使滑片压向气缸内壁形成密封。如果滑片数为z，则转子每转一周便有z个基元分别进行吸气——压缩——排气——膨胀过程。滑片在转子槽内有径向和斜向两种配置方式，后一种方式能改善滑片在转子槽内的运动状况，减少机械摩擦损失。转子转速一般为300～3000r/min，在工作容积中注入润滑油可以改善密封作用﹐减少滑片的磨损，20世纪70年代开始﹐滑片压缩机已在移动式动力用压缩空气装置上获得应用﹐并在化学工业中用于各种流程气体的输送和加压。

2.3主要部件功能

滑片式压缩机的主要部件有滑片、定子、转子、吸排气口、端盖、轴承及其它小部件，在滑片机中分别实现以下功能：

1、滑片：滑片机核心部件之一，滑片的加工精度及材质等决定了滑片机的性能，使用寿命，及工作效率。滑片安装在转子的滑片槽中，可以自由运动，在转子做圆周运动的离心力下甩出滑片槽，进而与定子内壁紧密接触，滑片将月牙空间平均分割成若干个基元，在转子的偏心下一起运作，形成的基元容积在不断的变化，进而压缩空气。

2、定子：定子即气缸，气缸是滑片机的总体外形，也是压缩机的工作空间，定子的大小和压缩机的工作效率及输出功率有关，在设计气缸时应考虑一定的气压力，在工作过程中，气缸受变载荷的作用。

3、转子：转子是除滑片之外的主要运作部件，偏心安装在定子内，在运动过程中也受变载荷的作用，对抗疲劳轻度要求较高，在转子中开有滑片槽，用以安装定位滑片，电机带动转子做圆周运动，进而带动滑片运作，转子的加工精度和滑片的使用寿命息息相关。

4、吸排气口:起吸气及排气功能。

5、端盖：端盖用于密封内部容积，还对转子及轴承起定位作用。

6、轴及轴承：轴承主要起支撑、承载气压力及固定旋转轴的功用；而轴则以传动动力，带动转子旋转为主。

7、小部件：辅助功用。

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第3章 滑片机主要部件的参数选择与结构设计计算

3.1滑片机类型选择

根据第二章压缩机的分类中我们知道滑片机属于容积式压缩机的一种，滑片式压缩机根据其润滑方式的不同而分为无油（干式）、滴油与喷油式滑片机三种。 表3-1 滑片压缩机的级压力比及容积流量范围

机型 喷油 滴油 干式

单级达到压力比

容积流量（m/min）

3

空气压缩机的压力比即是进气口与排气口压力之比，进气口与大气直接相通，可看作大气压力，而实际的大气压力与海拔高度有关，不完完整整为水平面大气压力，故此，此次设计中以进气口压力Ps=0.1⨯106Pa，课题要求为30kW滑片式压缩机的设计，压缩机功率不大，可选择为单工作腔单级喷油式压缩，喷油式单级压力比大，容积流量比较小，其它两种方式压力比比较小，散热也不及喷油式。初步设定出口压力Pd=0.8⨯106Pa，可知压力比为8。

3.2滑片相关参数

3.2.1滑片数、滑片相对厚度及相对偏心距

由设计手册中气缸横截面积的利用系数

sin(+ψ0)

πc=z*ε*+ψ0）+（2-ε）*π]+z*ψ0-z*σ[-1+ε]

zsinzψ0：为滑片位置角Φ=

π

π

z

时的气缸型线压力角；

e

，e即转子偏心距；R

z：滑片个数z：滑片个数；

w

σ：滑片相对厚度；σ=，w为滑片厚度；

R

ε：相对偏心距；ε=

可知横截面积的利用只与滑片数z、滑片相对厚度σ及相对偏心距ε有关，由于

∂c

>0可知面∂ε

积利用系数c是ε的单调增函数，即相对偏心距ε的增加，使面积利用系数c增加，总是有益于气

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缸面积的有效利用。但是ε过大会直接恶化滑片压缩机的受力状况，从而降低压缩机的性能和使用寿命，实际机器采用的相对偏心距通常为ε=0.09~0.18，上限适用于容积流量大、重量和尺寸要求小的机器，反之用下限，在此次设计中，我们根据所压缩机为小型压缩机，选用ε=0.14。

由于

∂c

片强度、结构及加工工艺要求，比较适宜的取值为σ=0.02~0.16， 本次设计中我们选用σ=0.04。

然而滑片数对面积利用系数的影响比较复杂，我们可以根据相对滑片厚度进行选择最优滑片数，见下表3-2，根据所选滑片相对厚度为0.04，又是单工作腔，可知应选用的最优滑片数z=7。 表3-2 不同滑片相对厚度对应的最优滑片数

相对厚度σ 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 单工作腔 双工作腔

11 17

9 12

7 10

6 8

5 7

5 7

5 6

4 6

4 6

4 5

4 5

通过以上分析可知，对应大容量的机器，因半径大二相对厚度较小，适宜采用较多的滑片；对于小容量的机器则宜采用较少的滑片，滑片数的确定不仅仅只考虑气缸利用率，还应考虑滑片的摩擦损失、滑片材质及内压比影响。

3.2.2滑片材料

滑片材料的选择主要取决于其润滑方式，常用滑片材料如下表3-3中。 表3-3 常用滑片材料

根据表及自身设计要求，选用滑片厚度w=6mm。

干式

石墨或有机材料

滴油 喷油 机型

滑片材料 酚醛树脂夹布层压板 合金铸铁或铝合金 合金钢

滑片数 滑片厚度（mm） 滑片端部允许圆周速度（m/s）

性能

4~8 ≤15~20

4~10

2~8 20~30

优良

≤12~15

0.8~3

≤12~13

良好 一般

4~6

4~10 ≤8~9

3.2.3滑片倾角

在同样的几何尺寸下，滑片伸出长度随倾角的增大而增长，当倾角为零，即滑片径向放置时，滑片伸出长度最小，因此滑片倾角为零时，其运动平稳性最好，这是由于此时伸出的长度小，所受

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的弯矩及力越小。但是为了使滑片与滑片槽之间的约束力和摩擦力越小，应有一定的滑片倾角较好，滑片运动方向与其端部正接触力之间的夹角即为滑片倾角，由于滑片后倾时，其端部受力较大，综合考虑比较适宜的滑片倾角θ应为前倾0o~10o，倾斜开设滑片槽也可以增加槽深，保证滑片运动的平稳性。本次设计选用前倾角θ=5o。

3.2.4滑片端部圆弧半径

滑片端部与气缸内壁接触时应满足接触点沿着端部圆弧连续移动不发生突跳，滑片磨损小且均匀，对于单工作腔滑片机滑片的端部最佳半径应为：

ropt=

R

1+

w

3.2.5结构尺寸关系

滑片的高度h应保证滑片的伸出滑片槽的部分达到最大时，滑片槽中仍有适当的滑片高度。如果留在滑片槽中这部分滑片的高度过小，则会使滑片在滑片槽中失去向导，致使发生卡住或侧面异

（0.5~1.0）mm的裕量。 常磨损的现象，滑片槽深应保证滑片全部缩进槽中时，尚有

表3-4 滑片机主要结构尺寸及其相对关系

结构尺寸 气缸直径D（mm） 偏心距e（mm） 相对偏心距ε 滑片相对厚度σ 滑片径向高度h（mm） 滑片槽深h（mm） 转子有效长度l0（mm） 相邻滑片夹角β（rad） 转子直径d0（mm）

'

尺寸关系

D=2*R

e=（0.09~0.18）*R

eε==（0.09~0.18）

Rbσ==（0.02~0.16）

R

h=(3~4)*e

h'=h+(0.5~1) l0=（0.73~3）*D

β=

2*π

z

d0=2*r=D-2*e

根据表3-4中各部件之间的尺寸关系，以及所选择的参数，可以分别求得：

气缸半径R

气缸直径D 偏心距e

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σ

D=2*R=2⨯150=300mm

e=ε*R=

0.14⨯150=21mm

R=

w

=

6

=150mm 0.04

滑片径向高度h

h=(3~4)*e=(63~84)mm

取h=75mm>2*e=42mm，满足要求

滑片槽深h' 相邻滑片间夹角β

h'=h+(0.5~1)=(75.5~76)mm可取h=76mm

'

β=

2*π2⨯π

==51.429o z7

转子直径d0

d0=2*r=D-2*e=300-2⨯21=258mm

转子半径r 滑片端部最佳半径ropt

滑片材料 滑片结构 气缸材料 转子选材

ropt

D258==129mm 22R150===18.75mm

1+1+

w6r=

酚醛树脂夹布层压板

子母滑片

QT350-22

45Mn2（结构钢）

3.3滑片机容积大小及流量的计算

3.3.1理论流量

滑片机的滑片数等一系列基本参数已初步选定，对于其设计还有转子的转速，气缸的内壁大小（滑片理论长度）是一些关键性的尺寸，对滑片机的工作强度具有重要意义。滑片机的标签功率即为其轴功率，由Psh=

Ptd

η机

P*QmP

Ptd=s**[(d)

60m-1Ps

m-1m

-1]⨯10-3 （3-4）

Psh：轴功率；Ptd：指示功率；Q：理论容积流量；

m：多变压指数，对于空气介质喷油结构m=1.05~1.1，选取m=1.1；

对于滑片式压缩机，没有机械传动装置，可与电机直接相连，机械效率较大，暂取机械效率η机为0.9，将机械效率及输出功率30kW代入（3-3）式及（3-4）式：

Ptd=η机*Psh=0.9⨯30=27kW

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Q=

Ptd

PsPm**[(d)60m-1Ps

m-1m

⨯103-1]

273

⨯101.1-16

0.1⨯101.10.8

⨯⨯[()1.1-1]601.1-10.1=7.08m3/min=

理论容积流量7.08

3.3.2转子转速

根据v=2*π*r

'

*n，r'=D-r=300-129=171mm；

‘

得滑片端部圆周速度v≤(15~20)m/s，r为滑片伸出最长时，其端部距转子中心的距离，可得：

n≤

v15

=

2*π*r'2⨯π⨯0.171=13.96r/s =837r/min

由此条件，查阅机械设计手册结合电动机型号，可选择Y160M2-8电动机，其转速

n=720r/min=12r/s，即知转子转速n转子=n=720r/min。

根据此转速可得滑片机排量：

qv=

Q7.08==0.009833m3/r=9.83L/r n720。

3.3.3压缩机的实际工作容积

由Vb=π*（R2-r2）*b可得气缸内壁长度，亦即滑片长度b：

b=

Vb

π*(R2-r2)

9.83⨯106

=

π⨯(1502-1292)=534.05mm

滑片的相对长度λ=

b

，增加λ对降低压缩机泄露量及摩擦功有利，因在其它参数不变时，增R

加λ可使气缸横截面积减小，滑片压缩机的泄露主要发生在滑片端面间隙，端面尺寸的减小即意味着端面间隙长度减小，使泄漏量降低，截面尺寸的减小也降低了滑片端部的滑动速度，减小了压缩

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机的摩擦功率损失，但是过大的λ使得压缩机的结构显得不合理，而且还会使弯曲变形增大，致使使用寿命降低，性能不好。λ的比较适宜的取值为λ=1.5~6.0，对于低级压缩宜采用较大的λ值。综合上述可选择滑片长度（气缸长度）b=550mm，此时λ=

b550==3.67，设计合理。 R150

在不考虑滑片厚度影响的情况下，滑片斜置时的最大基元容积与滑片径向放置时相等，并且压缩机的工作容积也相等。基元容积最大时斜置滑片的伸出长度略大于径向滑片的伸出长度，但是对于前置倾角θ只有5o的情况下，这对基元容积的的影响是非常微弱的，可以略去不计，因此可以用径向放置滑片时的定理公式计算此时压缩机的工作容积。

zZZππ

其中ψ0为滑片位置角Φ==时的气缸型线压力角：

z7

ππ

ψ0=arcsin(ε*sin())=arcsin(0.14⨯sin())=0.0607rad

z7

π

L0为Φ=时的滑片伸出长度：

7

由VS=z*b*[e*R*sin(

π

+ψ0)+R2*(

π

+ψ0)-R2*

π

-w*L0] （3-5）

150⨯sin(+0.0607)R*sin(+ψ0)

L0=-r=-129=39.62mm

sin())

z7

将ψ0和L0代入（3-5）式可计算得压缩机实际工作容积大小为：

ππ

VS=z*b*[e*R*sin(+ψ0)+R2*(+ψ0)-R2*-w*L0]

zZZ

=7⨯550⨯[21⨯150⨯+0.0607)+1502⨯(+0.0607)-1502⨯-6⨯39.62]

777

=10.25⨯106mm3

πππ

πππ

3.4基元容积、滑片伸出长度及压力角的分析设计

3.4.1基元几何关系及基元容积

滑片压缩机的基元是由相邻好两滑片及其之间的气缸内表面和转子外表面和气缸两侧端盖所围成的空间，以基元的位置，基元前、后滑片位置角之差、反应该基元所占范围的大小，称为该基元的基元角度。

单工作腔滑片压缩机基元容积为：

Ve=

11

*b*R2*ε*(2-ε)*β+*b*R2*{ε2*cos(2*Φ-β)*sinβ22

（3-6）

+ε*sinΦ*-ε2*sin2Φ+arcsin(ε*sinΦ)

-εsin(Φ-β)*-ε2*sin2(Φ-β)-arcsin[ε*sin(Φ-β)]}

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根据（3-6）式，将各参数数值代入，可得到基元容积Ve与滑片转角Φ的函数关系，利用MATLAB对函数进行分析，如下图：

图3-1 基元容积随转角变化关系

从Φ-Ve分析结果图可以看出滑片转角Φ为任何值时所对应的基元容积大小关系，在Φ=

最大值，此时Vemax=3.0427⨯106mm3。 π7时取得

3.4.2滑片伸出长度随滑片位置角的变化

滑片的伸出长度即为当滑片随转子一同做圆周运动时，滑片在离心力的作用下，甩出滑片槽，顶端与气缸内壁紧密接触，处于气缸与滑片槽口的部分为伸出部分，伸出的长短与滑片的位置角有关，是一个相关联的函数。

滑片位于任何位置角时的伸出长度为：L=ρ2-r2*sin2θ-r*cosθ（3-7）

其中ρ为单工作腔滑片压缩机的气缸型线的极坐标表达式：

ρ=R*[ε*cosΦ+(1-ε*sinΦ)]

将（3-8）代入（3-7）中可得滑片关于位置角的函数关系：

2L=

R*[ε*cosΦ+(1-ε*sinΦ)]）-r2*sin2θ-r*cosθ22122212 （3-9）

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利用MATLAB分析函数得图像：

图3-2 滑片伸出长度与转角关系

3.4.3滑片的压力角

滑片的压力角α是指滑片与气缸内表面接触点处的气缸型线和滑片中心线的夹角。气缸型线与矢径的夹角称为型线的压力角，单工作腔压缩机的型线压力角为ψ=arcsin(ε*sinΦ)，滑片压力角α=ψ+arcsin(r*sinθ

ρ)

代入得α=arcsin(ε*sinΦ)+arcsin(r*sinθ

R*[ε*cosΦ+(1-ε

*sinΦ)]2212) 对函数进行分析得函数图像：

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图3-3 滑片压力角变化

3.4.4气缸厚度计算

由储气罐厚壁计算公式：

d'=

4.9*D*(b-0.3)*ρ空气 [σ]*ϕ式中许用应力为钢材料的许用应力[σ]=220MPa，ϕ为焊接接头系数为0.9代入上（3-11）式中可得气缸最小厚度：

d'=4.9*D*(b-0.3)*ρ空气

[σ]*ϕ

4.9⨯0.3⨯（0.55-0.3）⨯1.293= 220⨯0.9

=2.4⨯10-3m=2.4mm

对于压缩机气缸，应给予一定的摩擦裕量及加工时的误差，相对应的还应考虑材质的属性，故应取气缸（定子）厚度d

=

5mm。

3.5零部件实体建模

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根据设计所得的数据，参照机械设计手册选取相应的辅助零部件，在UG中绘制三维零部件，予便于观察，再而通过各部件装配，可以非常直观的看出设计存在的问题，从而能立马纠正问题，这即是利用UG实体建模意义所在。

1、定子：在滑片式空气压缩机中起保护内部零部件和作为空气压缩的空间，定子质量的好坏直

接影响着压缩机的性能。

2、转子：转子是除滑片之外第二重要核心的零部件，转子偏心安装在了定子内部，但是转子却不做偏心运动，在压缩机工作过程中没有偏心力矩，故而这是滑片机的一大优势。

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3、滑片：滑片相对其他零部件来说是最为重要的核心部件，它的性能直接影响着压缩机工作的性能，对于空气压缩，滑片承受了巨大的力及力矩，摩擦剧烈，具有的散热及润滑要求。

4、端盖：端盖的设计是为了便于转子的安装，在端盖之中开有进气及排气口，还有油路通道，在安装过程中，端盖与定子之间需要涂抹平面胶，以防止空气泄露。

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5

、大轴承盖：大轴承盖主要为固定轴承，防止轴承左右滑动，除此之外还保护着内部零件的清

洁，在大轴承盖的外侧为转子与动力轴之间的连接。

6、小轴承盖：而小轴承盖则是封闭另一侧的轴承及内部部件，与端盖通过螺柱紧密连接。

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7

、总装配：一个设计产品的成果通过三维实体建模的装配就能体现出设计之中的不足，譬如实

际中能否通过工具上螺钉和螺母，所设计的运动部件能否正常运作，是否出现卡住现象，最重要的还是装配的可行性是最为直观的。

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8、爆炸图：可清晰的看出滑片机的结构及各部件的外形。

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第4章 主要部件的强度安全性校核

4.1滑片的剪切和弯曲强度

4.1.1滑片受力分析

作用在滑片上的力，在滑片压缩机中，滑片承受其所接触的气体或润滑油的压力、滑片槽及气缸内壁的约束力和摩擦力，以及自身运动所产生的惯性力，根据运动及可能受的力作图分析如下：

F p

R t

R

F b

图4-1 滑片主要受力分析

滑片式压缩机在运作过程中主要受到上图力，其中G为滑片的质心，各力分别表示：

Fd：基元内气体作用在滑片顶部的压力，其方向为指向滑片质心处；

Fn：定子内壁对滑片的约束力，力的方向为垂直于气缸型线的切线方向；

Ft：为滑片机工作时滑片顶部与定子内壁之间的摩擦力，方向正好指向气缸型线的切线方向； Fb：滑片槽内气体或润滑油对滑片端部的压力，压力方向指向质心处；

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R:滑片机运作时，滑片所受转子对其的支持力，力的方向垂直于滑片侧面；

Rt：滑片在滑片槽中来回往复的摩擦力，力沿侧面指向运动相反的方向；

FP：两侧基元之间的空气压力差，力为由高压力侧基元垂直于滑片侧面指向另外一侧基元。

以上这些为滑片的主要受力，除此之外，滑片还具有相对运动惯性力、科氏惯性力等，在此设计中为简化设计，而又不会严重影响设计结果的条件之下，我们忽略这些小的受力。 4.1.2弯曲强度

作用在滑片上的惯性力及摩擦力与滑片背部所受的作用力Fb及垂直于滑片的气体差压力相比是非常小的，为简化分析，只考虑滑片的背部作用力及气体力。滑片与气缸之间的接触力为：

Fn=

式中Pb为滑片槽内润滑油或气体压力。 FbP*w*b=b （4-1） cosαcosα

只有垂直作用于滑片相对运动方向的力才引起滑片的弯曲，分析时，应将滑片简化成长度为L的悬臂梁，近似认为基元排气开始时的瞬间，组成该基元的最后一滑片所受的弯曲应力σw达到最大值，这时该滑片的位置角为Φd-β，可计算的滑片伸出长度L，作用在滑片上的气体力为：

Fp≈L*b*(Pd-Ph) （4-2）

截面A-A为滑片的危险截面，作用在该截面的弯矩为：

Mw=Fp*L-Fn*L*sinα2 （4-3） L=[(Pd-Ph)*-Pb*w*tanα]*L*b2

可得滑片的最大弯曲应力：

σwmax=Mw=WsL*b*[(Pd-Ph)*L-Pb*w*tanα] （4-4） Ws

b*w2

式中，Ws=，为滑片的抗弯矩截面模量，与滑片的形状有关。 6

由第三章基元容积分析得Vemax=3.0427⨯106mm3，此时可以看作吸气刚好完成的瞬间，则，由式PΦ=Ps*(Vemaxm)，m=1.1408 Ve(Φ)

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计算得：

Ve(Φ)-Pd-m6=Vemax*()=3.0427⨯10⨯81.1408=4.9162⨯105mm3 Ps11

将Ve(Φ)=4.9162⨯10mm代入基元容积公式，利用MATLAB反求的的此时滑片位置角：53

Φe=154.36o。则受力矩最大的滑片位置角：

o360o

o360Φ=Φe-=154.36-=102.93o 77'

伸出长度：

2L=R*[ε*cosΦ+(1-ε*sinΦ)]）-r2*sin2θ-r*cosθ''221'2

=⨯[0.14⨯cos102.93+(1-0.14⨯sin120.93)-1292⨯sin2

=15.96mm

片压力角： o221o22π22π]-129⨯cos滑77

α=0.2160o得tanα=0.01068

Φ'处基元容积的压力值：

Ph=Ps*(

打入式（4-4）中得： Vemaxm)=0.1⨯106⨯81.1408=2.148⨯105Pa Ve(Φ)

σwmaxL'L*b*[(Pd-Ph)*-Pb*w*tanα]Mw==b*w2Ws

6

-3-6615.96⨯1015.96⨯550⨯10⨯[(0.8-0.2148)⨯10⨯2

-0.8⨯106⨯6⨯10-3⨯0.01068]= (6⨯10-3)2⨯550⨯10-3

6

=12.29⨯106Pa=12.29MPa'

所使用的滑片材料为酚醛树脂夹布层压板，其密度小，磨损小摩擦系数小，吸声减振性能优良。对其性能要求表如下：

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表4-1 对酚醛树脂夹布层压板的性能要求

密度（Kg/m） 3静抗弯强度

（N/m） 2冲击韧度（N/m） 硬度HBS 吸水率（%）

1350 >250⨯106 >25⨯103 >40 >0.3

可知σwmax=12.29MPa

作用于滑片上的最大剪切应力：

Pb*w*b*sinαFpmax-Fn*sinατ==w*bw*b

0.8⨯106⨯6⨯550⨯10-6-3-3615.96⨯10⨯550⨯10⨯(0.8-0.2148)⨯10-⨯sin0.2160=6⨯550⨯10-6

=1.5537⨯106Pa=1.5537MPa L*b*(Pd-Ph)-

查找设计手册，可得τ

4.2转子的弯曲应力

在滑片压缩机中，转子上两滑片槽所夹部分的根部为危险截面，其以弯曲变形为主，进行校核分析计算时，将转子上两槽间部分简化成悬臂梁，近似认为基元排气的瞬时所受的弯曲应力达到最大。滑片槽根部分部园的半径为：

r'=r2+hc-2*r*hc*cosθ

式中hc为滑片槽的径向长度，hc=22h。 cosθ

22r'=r2+hc-2*r*hc*cosθ

752752)-2⨯129⨯()⨯cosθ cosθcosθ

=100.987mm

π'根部截面宽度le=2*r*sin，可求得： z

ππle=2*r'*sin=2⨯129⨯sin=85.358mm z7得=2+(

对于滑片槽来说，所受力中以气体力为主，分析时仅考虑气体力Fp，则作用于滑片槽的力：

F1=

2*h-L*Fpmax 2*(h-L)机械工程学院

于是F1对截面形成的力矩为：

M1=F1*(le+hc)*cosζ

根据作图分析可知式中ζ=

相应的弯曲应力为： π+φ2-κ，κ=arcsin(r*sinθ)。 'r

σw=（le+hc）*cosζM16*F1*=Wwb*le

6*2*h-Lπ+βr*sinθ*Fpmax*(le+hc)*-)]2*(h-l)2r'

b*le=

2π129⨯sin2⨯75-15.96π+β)]6⨯⨯5137.18⨯(85.358+75.29)⨯10-3⨯cos[-2⨯(75-15.96)2100.987=550⨯85.358⨯10-6

=105⨯103N/m2=0.105MPa

查找设计手册可知σw

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第6章 结论与展望

6.1结论

虽然此次为设计性的，但是在设计之中又分不开自身对于各参数及性能方面的选择，故在设计时也对不同参数选择的做了许多模拟及仿真，以MATLAB做各参数的最优化选择最为明显，其次是利用UG进行三维建模及装配，通过装配可以看出我们的设计是否合理，以及外观等是否合适。我们可以分别得出以下结论：

1、通过对基元容积的模拟及仿真，结合气腔压力变化关系，可以很好的判定进出口气的位置，对于不用滑片机的设计规格及要求具有一致合理性；

2、通过三维建模及装配，可以非常可观地看出压缩机的造型，对于相同规格的压缩机可以具有千万种的形式，但是我们应使设计出来的产品具有美观实用性，对于压缩机的摆放位置等也可以进行考虑，故而三维仿真是实现产品最优化的一种方式之一；

3、动力学的分析对于设计是至关重要的，一个优良的动力学分析是保证产品质量可靠性的方法之一，在设计中应可能的对各部件进行动力学分析，在Adams中进行动力学分析时也可以得出部分运动学分析的结果，这也是产品设计最优化的方式之一。

6.2展望

我国工业正在快步前进中，工业水平是衡量一个国家终合实力的方式，我们作为新一代人，应该肩负起国家重任，为工业水平提升一个新的台阶做出努力。滑片机作为现代工业重要的机器之一，对于其最优化的设计是一个漫长的路程，最优化的设计不仅仅是理论上的参数选择，更重要的是其实用性、使用寿命及性能等的最优化，未来是未知的，但我们应感知自己的工业之路。

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致谢

为期十四周的毕业设计已接近尾声了，在完成课题的过程中也收获不少东西。本次设计的顺利完成，不仅仅是个人设计任务的完成，更重要的是检验出自己独自思考及查找文献资料的能力，然而无论是一个设计还是一个课题的研究都离不开他人不厌其烦的指导，在本次设计中，主要要感谢王晓娟老师，她是本次的指导老师，每次都是有疑必答，给自己在设计中指清许多道路，此外还应感谢院校提供的资源，在设计中没有文献资料的参考是难于顺利完成一份设计的。在此次设计中也发现了自身的不足，尤其是查找信息的能力有待提升，在以后的个人生涯中定当改进。

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参考文献

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[3].赵学科.宋立权.李智成.皱凯 基于Pro/E Mechanism的旋叶式压缩机运动仿真.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044.

[4].肖容美.静止叶片式空气压缩机的研究. 五邑大学硕士学位论文.2011.

[5].液压传动/王积伟等主编.-2版.-北京:机械工业出版社,2006.12(2014.9重印).

[6].机械设计课程设计手册/吴宗泽等主编.--4版.--北京:高等教育出版社.2012.5(2013.12重印).

[7].压缩机的现状、发展及新型技术展望. 严天宏，梁嘉麟，李青. (中国计量学院机电工程学院机械电子研究所，浙江杭州310018 ).

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[9].我国压缩机市场和技术发展趋势. 任金禄. 合肥通用机械研究院. 第12卷,第二期. 2 0 1 2.

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