重庆科技学院本科毕业设计 3 热力学计算
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4 活塞组件设计
活塞组件与气缸构成了压缩容积。活塞组件必须有良好的密封性，此外还要求
（1）有足够的强度和刚度。
（2）活塞与活塞杆(或活塞销)的连接和定位要可靠。
（3）重量轻。两列以上的压缩机中．应根据惯性力平衡的要求配置各列活塞的重量。
（4）制造工艺性好。
对本设计来说，活塞组件的设计包括活塞环的设计、刮油环的设计、活塞的设计和活塞销的设计。它们在气缸中作往复运动，与气缸一起构成了行程容积。
4.1 活塞环设计
活塞环是密封气缸镜面和活塞间的缝隙用的零件。另外，它还起布油和导热的作用。对活塞坏的基本要求是密封可靠和耐磨损。它是易损件，在设计中尽量用标谁件和通用件，以利生产管理。
在活塞式压缩机中，活塞环是关键的零件之一，它设计质量的好坏直接影响到压缩机的排气量、功率、密封性及可靠性，从而影响到压缩机的使用成本。活塞环的材料及结构尺寸的选择对其寿命起至关重要的作用。
4.1.1 活塞环的材料
如果没有特殊要求，活塞环一般用铸铁或合金铸铁制造。不同活塞环直径宜选用的灰铸铁牌号见表4-1。对于小直径活塞环或高转速压缩机用的活塞环，可选用合金铸铁制造。
表4-1 灰铸铁活塞直径与铸铁牌号关系
活塞环直径，mm 灰铸铁牌号
D?200
200?D?300 D?300
HT300或HT250 HT200或HT250 HT200
本设计采用的活塞环材料为灰铸铁，牌号为HT250。
4.1.2 活塞环的结构设计
常用的活塞环的结构有开口式和45度斜口式两种，搭口的密封性在使用时
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和直口、斜口无显著差别，但工艺复杂，而且环端在安装时容易折断，已很少使用。用塑料做活塞环时，由于强度较低，斜口的夹角处易破裂，故多采用直口。
本设计采用直切口式。
4.1.3 活塞环环数的确定
活塞环的数目按下列经验公式估算：
Z??p （ 4-1）式中：?p—活塞环两边的最大压差，105Pa。
活塞环的数目按上述公式进行计算后，根据压缩机的转速的行程进行圆整。高转速压缩机，环数可比计算值少些；对于易泄漏的气体，则可多些。采用塑料活塞环时，由于优良的密封性能，环数可比金属活塞环少。
Z1???1?(O.387?0.094)?10?1.712，取Z1=2。
Z2???2?(O.88?0.323)?10?2.360，取Z2=3。
4.1.4 主要尺寸的确定
（1）径向厚度t
径向厚度t一般取t=（1/22~1/36）D。D为活塞环外径（mm），且大直径活塞环的t取小值，小直径活塞环的t取大值，最后应取标准值。
t1?(122?136)D?(122?136)?70?(1.9~3.2)mm，取t1=3mm。 t2?(122?136)D?(122?136)?55?(1.5~2.5)mm，取t2=2mm。 （2）轴向厚度h 轴向厚度h一般取h=（0.4~1.4）t。较小值用于大直径活塞环，较大值用于小直径活塞环和压差较大的活塞环，最后应取标准值。
h1?(0.4~1.4)t?(0.4~1.4)?3?(1.2~4.2) mm，取h1=3mm。 h2?(0.4~1.4)t?(0.4~1.4)?2?(0.8~2.8) mm，取h2=2mm。 （3）开口热间隙?
开口热间隙?按下式计算
??a?D(t2?t1) （4-2） 式中：D—活塞环外径，mm；
t2—活塞工作时的温度，通常取排气温度，℃；
t1—在检验尺寸?时活塞环本身的温度，通常取室温20℃； a—活塞环材料的线膨胀系数（1/℃），铸铁a?1.1?10?5/℃。
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?1???D1(t2?t1)?1.1?10?5?3.14?70?(118?20)?0.24mm，取?1=0.4mm。 ?2???D2(t2?t1)?1.1?10?5?3.14?55?(107?20)?0.21mm，取?2=0.3mm。
（4）自由开口宽度A
查文献资料《容积式压缩机技术手册》得：A1=9.8mm A2=7.7mm 根据已知的条件D1=70mm，D2=55mm，选用文献[1]中的标准活塞环。
图4-1 活塞环的结构简图
4.2 刮油环设计
在单作用的气缸中，为了防止曲轴内的润滑油窜入气缸，要采用刮油环。刮油环的工作面有锋利的边缘，以便把气缸上的润滑油刮下，刮下的油顺着活塞上的导油孔导出。
刮油环的材料通常选用 VTi合金铸铁。 一级刮油环：外径取一级缸径尺寸D为70mm，径向厚度t取为3.2，轴向高度h取为4mm，开口热间隙δ取为0.4mm，自由开口宽度A取为10mm； 二级刮油环：外径取二级缸径尺寸D为55mm，径向厚度t取为2.8，轴向高度h取为4mm，开口热间隙δ取为0.4mm，自由开口宽度A取为10mm
4.3 活塞的设计
活塞与气缸内壁及气缸盖构成容积可变的工作腔，并由曲柄通过连杆（活塞杆）带动、在气缸内作往复运动，由此实现气缸内气体的压缩。
对于小型、微型无十字头的压缩机，活塞销与连杆直接相连。当压缩机工作时，侧向力将活塞压向气缸表面，这样侧向力主要由活塞群部承受。此时为防止活塞的外表面造成气缸的损伤，通常销座附近的群部略向下凹。
活塞式压缩机中采用的活塞基本结构型式有：简形、盘形、级差式、组合式、
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柱塞等。
（1）筒形活塞：用于小型无十字头压缩机，通过活塞销与连杆连结。 （2）盘形活塞：用于低压中压气缸中。为了减轻重量，一般铸成空心的。两个端面用加强筋互相连结，以增加刚性。
（3）级差式活塞：用在串联两个以上压缩级的级差式气缸中。
（4）隔距环组合型活塞：高压级中，活塞环径向厚度?与它的直径D的比值，比一般情况取得大些，以提高活塞环弹力和它对气缸表面的比压。
（5）柱塞：活塞直径很小时，采用活塞环密封在制造上有困难。因此采用不带活塞环的柱塞结构。
本设计采用筒型活塞。
4.3.1 活塞材质的选取
活塞常用的材料见表3-2。如果压缩的气体具有腐蚀性，可采用不锈钢3Cr或鳞青铜等。
表4-2 活塞常用材料
根据表3-24-20，选择本设计一级气缸的材质为HT200，二级气缸的材质为HT200。
4.3.2 活塞结构尺寸的确定
不计密封环和刮油环高度时的活塞高度
NH'?max （4-3）
D?k1?式中：Nmax—最大侧向力Nmax??Pmax；?为连杆径长比，Pmax为最大活塞力；
D—活塞直径，m；
[k1] —筒形活塞支撑面的许用比压，[k1]?0.15 MPa ~0.30MPa。
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