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目錄
摘要 …………………………………………………………………………………………… 1
關(guān)鍵詞 ……………………………………………………………………………………………1
第一部分 前言 ………………………………………………………………………………… 1
第二部分 設(shè)計(jì)要點(diǎn) …………………………………………………………………………… 1
第三部分 熱力計(jì)算 …………………………………………………………………………… 1§1設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) …………………………………………………………………………… 2
§2熱力計(jì)算 …………………………………………………………………………………… 2
3.2.1結(jié)構(gòu)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(jì)算與排氣量有關(guān)的各種系數(shù) ……………………………………………………… 2
3.2.5 計(jì)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(fù)算氣缸容積 …………………………………………………………… 3
3.2.8 復(fù)算排氣量 …………………………………………………………………………… 3
3.2.9 考慮壓力損失后實(shí)際排氣壓力及壓縮終了溫度 …………………………………… 3
3.2.10 計(jì)算最大活塞力 …………………………………………………………………… 4
3.2.11 計(jì)算指示功率………………………………………………………………………… 4
3.2.12 所需軸功率 ………………………………………………………………………… 4
3.2.13 電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì) ………………………………………………………………………… 5
§1 氣閥的主要構(gòu)成 ………………………………………………………………………… 6
§2 設(shè)計(jì)的已知參數(shù) ………………………………………………………………………… 6
§3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………………… 6
§4 簧片閥主要結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)束語(yǔ) ……………………………………………………………………………… 11
第六部分 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………… 12
摘要：活塞式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶制、制冷、國(guó)防、化工等工業(yè)部門(mén).用途廣泛，品種繁多，因而保證其運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、提高經(jīng)濟(jì)性就至關(guān)重要.本文主要介紹應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理論和方法來(lái)優(yōu)化簧片閥，借助AutoCAD實(shí)現(xiàn)簧片閥的設(shè)計(jì)無(wú)紙化以及簧片閥的計(jì)算過(guò)程. 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基本達(dá)到氣閥阻力損失小，即控制在壓縮機(jī)指示功率的（6～12）%范圍內(nèi)；使用壽命長(zhǎng)；噪聲低；運(yùn)動(dòng)質(zhì)量輕；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、制造方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；更為重要的是余隙容積小.因?yàn)槭俏⑿涂諌簷C(jī)，而其一般為單級(jí)壓縮，余隙容積大小特別重要，直接影響壓縮機(jī)的容積效率.此設(shè)計(jì)就使余隙容積嚴(yán)格控制在氣缸工作容積的（2.5～4）%左右.
關(guān)鍵詞：空壓機(jī)、簧片閥、優(yōu)化、氣缸
一、前言
氣閥是活塞式壓縮機(jī)中的關(guān)鍵部件，又是易損件之一，它的好壞影響壓縮機(jī)排氣量和功率消耗以及運(yùn)行可靠性.一個(gè)好的氣閥既要有高的壽命，又要有高的效率.
氣閥的效率問(wèn)題，主要指機(jī)器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力損失.在設(shè)計(jì)較好的氣閥中，流動(dòng)阻力損失約為壓縮機(jī)指示功率的（4～8）%，而設(shè)計(jì)不好的氣閥，其流動(dòng)阻力損失可以高達(dá)指示功率的（15～20）%.減少流動(dòng)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?yàn)榱鲃?dòng)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(jī)器結(jié)構(gòu)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(jì)算的有效通流面積較大情況下，有時(shí)因閥片開(kāi)、啟不合理，使實(shí)際的通流面積小于計(jì)算值，造成附加的流動(dòng)阻力損失.這一附加的阻力損失，有時(shí)甚至?xí)_(dá)到驚人的程度.
應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理論和方法來(lái)改進(jìn)和提高機(jī)械零件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期、增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力已被各國(guó)證明是非常有效的途徑.本設(shè)計(jì)基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中最活躍的分支之一—機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)械零件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為合理和實(shí)用.
二、總體設(shè)計(jì)思路
1.首先按氣缸尺寸及氣缸總的結(jié)構(gòu)，選用或設(shè)計(jì)簧片閥的結(jié)構(gòu)型式，完成氣閥的平面布置，確實(shí)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(duì)簧片閥的經(jīng)濟(jì)性及壽命影響較大，必須在簧片閥設(shè)計(jì)時(shí)先確定下來(lái).此些稱為簧片閥的主要結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)計(jì)算
（一）設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)
排氣量
進(jìn)氣壓力 （絕對(duì)壓力）
進(jìn)氣溫度
排氣壓力 （絕對(duì)壓力）
（二）熱力計(jì)算
1. 結(jié)構(gòu)型式及方案選擇
因?yàn)槭莿?dòng)力用微、小型空氣壓縮機(jī)，故可采用單級(jí)壓縮，采用以排氣量為的氣缸為準(zhǔn)雙缸單作用風(fēng)冷V型可為.圖1-1為方案示意圖.采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)（皮帶輪連接），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)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(guò)程指數(shù) ，計(jì)算排氣溫度
4.計(jì)算由排氣量有關(guān)的各種系數(shù)
（1）進(jìn)氣系數(shù)
計(jì)算容積系數(shù)，
取，按表選取得，計(jì)算得
取壓力系數(shù)
由圖取
計(jì)算得
（2）泄漏系數(shù)
泄露位置
進(jìn)氣閥
排氣閥
活塞環(huán)
相對(duì)泄露量
0.015
0.015
0.04
0.07
0.935
5.計(jì)算氣缸行程容積
6.求取氣缸直徑
取活塞行程S=55 mm
計(jì)算得活塞平均速度
由式 知?dú)飧字睆?
將缸圓整為
7.圓整缸徑后復(fù)算氣缸容積
8.復(fù)算排氣量
9.考慮壓力損失后實(shí)際排氣壓力及壓縮終了溫度
由圖查得、，故實(shí)際進(jìn)氣壓力
實(shí)際壓力比
壓縮終了溫度
10.計(jì)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(jì)
11.計(jì)算指示功率
按式
這里
取
12.所需軸功率
取機(jī)械效率
13.電動(dòng)機(jī)功率
取電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率為軸功率的10%
14.等溫效率
由式知等溫功率為
應(yīng)為復(fù)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(shè)計(jì)
壓縮機(jī)簧片閥基于數(shù)學(xué)建模的首要條件是：進(jìn)、排氣壓力為常量，并等于進(jìn)、排氣名義壓力、，即不考慮進(jìn)、排氣腔氣流壓力對(duì)于閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響.
氣閥是活塞式壓縮機(jī)中的關(guān)鍵部件，又是易損壞的部件之一。它的好壞影響壓縮機(jī)排氣量和功率消耗以及運(yùn)行可靠性。一個(gè)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(jī).
（一）氣閥的主要構(gòu)成
氣閥的結(jié)構(gòu)如圖(2-1)所示，主要由閥座、閥片、彈簧和升程器四個(gè)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(jìn)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(kāi)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(guān)閉時(shí)推動(dòng)閥片落向閥座的零件，并在閥片開(kāi)啟時(shí)，減少閥片撞擊升程器.對(duì)于簧片閥，閥片本身具有彈性，并起一定的彈簧作用，故有時(shí)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(shè)計(jì)的已知數(shù)據(jù)
一級(jí)氣缸直徑，二級(jí)氣缸直徑，行程S=55mm，
， 機(jī)器轉(zhuǎn)速，
進(jìn)氣壓力，排氣壓力（表壓）
進(jìn)氣溫度
（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2V0.6/7型中壓微型空壓機(jī)氣缸為風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，氣缸蓋采用皇冠形結(jié)構(gòu).相應(yīng)進(jìn)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(jí)進(jìn)氣環(huán)形閥片的幾何形狀如圖2-2所示.因?yàn)橐患?jí)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(cè)翼，側(cè)翼邊離開(kāi)中心線R與a=7.5mm,閥片小舌部落到氣缸相應(yīng)的凹槽中，起升程限制器作用.
圖2-2 一級(jí)進(jìn)氣閥片幾何形狀
圖2-3a為閥板上進(jìn)氣閥孔的平面布置情況。以O(shè)Y為對(duì)稱軸，兩邊個(gè)布置9個(gè)進(jìn)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(duì)與OX軸）.
（四）簧片閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
圖2-3 一級(jí)進(jìn)氣閥片
a)閥片上進(jìn)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(guān)系其余個(gè)閥孔在OX軸方向上投影均可計(jì)算出.即
（1-1）
閥片工作時(shí)，個(gè)閥孔中心在OX軸方向上至側(cè)翼邊投影距離為（見(jiàn)圖2-3b）:
則 （1-2）
在OX軸上，閥片對(duì)應(yīng)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(kāi)啟后彎形曲線近似用直線ob′代替.其余個(gè)閥孔中心的升程、…均可近似用指直角三角形的線段比例關(guān)系計(jì)算出.第個(gè)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(jì)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(yīng)的流量系數(shù)為，直接計(jì)算出的值.再按式（1-6）計(jì)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(dāng)時(shí)，圖中線段近似為直線，當(dāng)
圖2-4
，增長(zhǎng)緩慢，變成曲線段.故選取，則
用式（1-4）可計(jì)算出閥片最大升程：
圓整成，則
用式（1-5）計(jì)算出閥片平均升程
表1-1與計(jì)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(duì)應(yīng)閥隙有效流通面積同式（1-6）計(jì)算
按式進(jìn)行校核：
即 （1-7）
也就是說(shuō)，若閥孔為70mm，簧片閥可能設(shè)計(jì)的最大平均升程為2.5mm.
因?yàn)?，這里，故
，符合式（1-7）的要求.
閥片當(dāng)量撞擊速度為：
當(dāng)量撞擊速度符合式的要求，說(shuō)明閥片特征升程，與最大升程正確.
2.校核進(jìn)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(jí)氣缸進(jìn)氣溫度，則當(dāng)?shù)匾羲贋?
一般進(jìn)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(jì)算閥孔迎風(fēng)面積之和的等效面積
閥片氣體推力計(jì)算，式中為各閥孔迎風(fēng)面積之和的等效面積.等效原則是按個(gè)閥孔氣體力對(duì)閥片固定端取鉅，與集中力對(duì)固定端取鉅相等（見(jiàn)圖2-3），即
（1-8）
工程設(shè)計(jì)時(shí)，各閥孔迎風(fēng)面積均近似按閥孔出口通道面積計(jì)算.這里，各閥孔直徑為，各閥孔迎風(fēng)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(jì)算新設(shè)計(jì)閥片的剛性系數(shù)
按工程設(shè)計(jì)要求，選取閥片推力系數(shù)，按式計(jì)算閥片最大氣體推力：
按式，，的簡(jiǎn)切范圍，選取，按式和計(jì)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(shí)際寬度為閥片寬度B的兩倍，則新設(shè)計(jì)閥片總剛性系數(shù)為：
按新設(shè)計(jì)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(xué)方法模擬測(cè)量閥片剛性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，模擬測(cè)出模型閥片剛性系數(shù).因?yàn)樾略O(shè)計(jì)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(jiǎn)化計(jì)算出設(shè)計(jì)閥片厚度為：
到此，進(jìn)氣閥片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算完畢.
五、結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)一個(gè)月的努力,我終于將機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)做完了.在這次作業(yè)過(guò)程中,我遇到了許多困難,一遍又一遍的計(jì)算,一次又一次的設(shè)計(jì)方案修改這都暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足.剛開(kāi)始在簧片閥設(shè)計(jì)時(shí),由于以前高等數(shù)學(xué)學(xué)的不扎實(shí)，對(duì)著那么多的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化書(shū)里的數(shù)學(xué)知識(shí)，是看的一頭霧水，沮喪極了.后來(lái)，總算有些思緒，開(kāi)始嘗試著用數(shù)學(xué)軟件LINDO去求解.但是，往往漏掉條件，使的偏差很大，令我非常苦惱.后來(lái)在丁老師的指導(dǎo)下,我找到了問(wèn)題所在之處,將之解決了.
在此期間,我還得到了許多同學(xué)和老師的幫助.在此我要向他們表示最誠(chéng)摯的謝意.丁素珍老師在我課程設(shè)計(jì)的過(guò)程給予全程指導(dǎo)，在此特向丁素珍老師表示感謝.
??? 盡管這次作業(yè)的時(shí)間是漫長(zhǎng)的,過(guò)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(shè)計(jì)步驟與方法;也不僅僅對(duì)制圖有了更進(jìn)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(duì)我來(lái)說(shuō),收獲最大的是方法和能力.那些分析和解決問(wèn)題的方法與能力.在整個(gè)過(guò)程中,我發(fā)現(xiàn)像我們這些學(xué)生最最缺少的是經(jīng)驗(yàn),沒(méi)有感性的認(rèn)識(shí),空有理論知識(shí),有些東西很可能與實(shí)際脫節(jié).總體來(lái)說(shuō),我覺(jué)得做這種類型的設(shè)計(jì)對(duì)我們的幫助還是很大的,它需要我們將學(xué)過(guò)的相關(guān)知識(shí)都系統(tǒng)地聯(lián)系起來(lái),從中暴露出自身的不足,以待改進(jìn).有時(shí)候,一個(gè)人的力量是有限的,合眾人智慧,我相信我們的作品會(huì)更完美!
參考文獻(xiàn)：
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[2] 蘇：M.N.弗廉克爾著,《活塞式空壓機(jī)》，化學(xué)工業(yè)出版社，1960
[3] 成大先主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版，化學(xué)工業(yè)出版社，2002
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[5] 陳立德主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》， 高等教育出版社，2000年8月第一版
[6] 陳立德主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》，高等教育出版社，2000年8月第一版
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[10] 吳丹青、叢敬同著，《壓縮機(jī)簧片閥的數(shù)學(xué)模擬與設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社，1993年2月北京第一版