风动发动机设计资料

1、风动发动机设计资料滑片式发动机经验公式一、 动机的特性曲线（不带调速器的发动机） 气动发动机具有柔性特点，特性曲线各值随气压改变而改变。当气压固定时，发动机的转速、扭矩、功率均依外加负荷而改变。当外加阻扭矩等于零时即为空转，此时转速达最高值，以nmax表示，此时发动机发出的功率为零。当外加阻扭矩等于或超过发动机的最大扭矩Mmax时，发动机停车，此时发动机发出的功率也为零。当外加阻扭矩等于发动机的最大扭矩的一半，即1/2Mmax，发动机的转速为最大转速的一半，即1/2nmax，此时发动机发出的功率最大，以Nmax表示 max=Mmax×nmax÷(4×71620)

2、HP（马力）其中：扭矩的单位以Kgcm计转速以r.p.m计（转/分）一般来说，最大功率就是我们此要求的发动机的额定功率。M-n为一近似直线，在计算时可按直线来考虑，其方程式为：M/Mmax +n/nmax =1 因此, 任意转速时的扭矩为： M=(1-n/nmax)Mmax任意扭矩时的转速为： n=(1-M/Mmax)nmax发动机的耗气则随着转速的增高而增大，到空转时耗气量为最大二、检验公式当发动机设计正确，所选参数恰当，并具有足够面积的进、排气道，加工质量良好，不带调速器的滑片式发动机可按以下公式进行计算，此得数据为平均水平。（对于类似12-30型气扳机所用进排气道特窄的发动机见五所述）

3、计算参数有： r发动机转子半径cm R发动机气缸内半径cm l发动机长度cm e发动机气缸偏心尺寸，e=R-r， cm1. 确定发动机最大转速nmaxnmax=18500 ×K1×K2÷r2/3 r.p.m (转/分) 其中：K1对单向式发动机 K1=1 对双向发动机 K1=0.945K2决定于气压，按下表：压力表6543K212. 确定发动机最大扭矩MmaxMmax=1.4 P ×l ×R×e×K3 KGcmP表示压力 KG/cm其中：K3对单向发动机 K3=1 对双发动机 K3=0.973. 任意转速时的扭矩 MM=（1

4、-n/nmax）Mmax KGcm4. 任意转速时的功率 NN=M×n÷71620×=(1-n/nmax)Mmaxn/71620其中：机械的传递效益传递形式列举直接传递一级齿轮减速二级齿轮减速一级行星齿轮减速二级行星齿轮减速10.950.980.850.90.80.90.706-06TM2，TM1005-22 05-32 25-3205-08 ZQ6TM35. 最大功率时的转速nNmax及扭矩MNmax nNmax=nmax/2 MNmax=Mmax/26. 最大功率Nmax Nmax=nNmax×Mnmax×/71620 = nmax

5、5;Mmax×/(71620×4) HP7. 发动机耗气量Q（在压缩空气压力为5KG/cm2表压力时） 最大功率时的耗气量QNmax为： QNmax= Nmax ×K4 ÷ M3/min其中K4 最大耗气量Qmax(即空转耗气量) Qmax=(1.21.4)QNmax三、 对现有产品的验算1. TM10气动马达 （双向，一级齿轮减速）参数：P=5, K1=0.945, K2=1, K3=0.97 , r=5.5,R=6.35, l=15.2, e=0.85, =0.98 Nmax=18500÷5.52/3×0.945×1=1

6、7500÷3.12=5600 r,p,mMmax=1.4×5×6.35×15.2×0.85×0.97=556 KGcmNmax=5600×556÷(4×71620)×0.98=10.73 HP【检验标准：Nmax10 HP 实际平均水平：Nmax=11HP】四、调速器的作用调速器的作用为：1.降低发动机的空转转速，以减弱运动零件的磨损速度，对于气动砂轮机，则更有防止转速过高而使砂轮碎裂伤人事故的作用，设计优良的调速器，可使空转转速下降35-45%。2.减少空运转空气的消耗量，一般无调速器的风动发

7、动机，其空转耗气量往往比负荷（额定马力时）耗气量大20-40%。设计好的调速器，可将空转耗气量下降到比负荷耗气量小40-50%，同时不影响负荷能力调速器的原理如图所示，调速器体（1）随发动机转子一起转动，调速器（2）由于离心力的作用面向外甩开，使推杆（3）上升，推动调速阀堵赛向上运动，达到节流作用，从而限制发动机转速继续上升。由于推杆上的弹簧具有一定的予紧力，在额定转数以内，调速器陀并不甩开，只有转速超过了额定转数，调速器才发生作用，具有调速器的发动机其特性如下图形式，在计算发动机能力时仍旧可以按无调速器时的方法计算，仅需在额定功率以后的曲线需要加以变形。 说明：图中实线为有调速器时的性能曲线

8、； 图中虚线为无调速器时的性能曲线。五、调节风动发动机性能的其他方法：为了限制空转转速，除了使用调速器外，有时可以将排气孔面积缩小，在一定范围内可以限制最高转速的作用，同时对负荷性能没有多大影响为了调节发动机能力，还可在进气口增设一个调节阀，根据工作需要，拧动调节阀柄，控制流量，以调节发动机能力对于风扳机类型的产品，为了简化结构，取消了减速机构。为了达到高扭矩，低转速，常将发动机设计特别偏大，并大大减小进气孔道面积，这种型式发动机的转速，往往只有标准设计的风动发动机的一半，其他项目仍可参照前述方法进行。滑片式发动机理论计算发动机功率，按下式计算： N=A×Z×n÷

9、(60×7500) HP 式中：A转子旋转一周，一个滑片所作的功 KGcm Z发动机的滑片数 n转子转速 r.p.m （图一）主要的是决定A（见图一） A=A1+A2-A3-A4-A5-A6 式中：A1滑片在BD所完成的功 A2滑片在DC籍空气膨胀所作的功 A3滑片在AB所作的功（负功） A4滑片在EC所作排气功（负功） A5滑片在CA所作的功（负功） A6滑片与气缸的摩擦损耗功（负功）按照旋转方向，以A点作为角度计量的起点，所以线尺寸都可以以”cm”为计算单位。在压缩空气压力P1的作用力下，滑片所作的功可由下述假设求得。当转子转过角时，转子与气缸之间的滑片面积为 S=l×

10、h式中：l转子长度 h滑片从转子凸出的部分（见图二） 压缩空气作用于滑片上的力为 P1=p1×S= p1×l×h KG 式中： p1进气压力KG/cm2(指绝对压力，应这样由于管路损失，p1是比管路压力小，一般取0.7个管路压力) 这时力矩为： M1=P1（r+h/2）= p1×l×h(r+h/2) KGcm 式中： r转子半径 上式中，h值决定于滑片的旋转角度，其他参数在发动机中是常数。这样看来，扭矩值决定于滑片旋转角度及滑片突出高度h。使用下列符号： R气缸内半径 e偏心距 由图二可知：O1=R, OA=r+h, OO1=e 则： R2=（

11、r+h）2+e2-2(r+h)ecos 由于=180°-，因此cos=cos(180°-)=-cos 以代替（r+h）,则由上式可变成： 2+2cos+(e2-R2)=0解二次方程得： =-ecos±e2cos2-e2R2 =-ecos±R2 - e2sin2 因是正值，所以上式只标用加号，即： =R 1-(e/Rsin)2-ecos 或 e=R 1-(e/Rsin)2-ecos-r (1) 因h值代入M1的公式，整理得： M1=p1leecos2+r-Rcos1-(e/Rsin)2 KGcm因R不小于e的六倍，e/R很小，故上式中(e/Rsin)2可以

12、省略，得：M1=p1le（ecos2+r-Rcos） KGcm 当转子转过极小角度d后，则作功dA=M1d1,则滑片在BD段所作之功为：A1=M1d 积分后得： A1=p1le（-0）（R-e/2）-R(sin-sin0) +e/4(sin2-sin20 ) KGcm (2) 当滑片从B点转至D点，转子转过角度，即二滑片相临夹角，因此：=0+，则A1=p1le(R-e/2)-2Rsin(/2)cos(0+/2)+e/2sincos(20+) KGcm 角度0通常取60°80° 当滑片a2 关闭进气孔后，在滑片a1和a2之间的空气依靠其本身的膨胀继续作功，按pv=const定

13、律计算。采用下列符号： G封闭于滑片a1和a2间空气的重量 kg V1当滑片a1的转角等于=0+时，滑片a1和a2间的空间体积 V2当滑片a1的转角等于1时，a1和a2间的空间体积 v1压缩空气在压力等于p1时的比容3/kg p2压缩空气膨胀结实时的绝对压力 F1在停气时，a1和a2间的空间之截面面积2 F2在膨胀结束时，a1和a2间的空间截面面积2则 A2=GLT， 但 G=V1/v1则 A2 =V1/v1·2.303p1v1lg(1/2)=2.303V1p1lg(1/2) KGcm 在等温过程中 2=1V1/V2 V=l·F 3则 2=1lF1/lF2=1F1/F2则

14、A2=2.3031lF1lg( F1/F2) KGcm 面积F1随角度而改变，取极限小面积dF，则dF为两个扇形面积之差，见图三。 dF=OA2/2·d- OD2/2·d 但 OA=r+h, OD=r则 F=1/2（r+h）2 d-r2/2以（1）的h代入上式，并积分，得： F=e(R-e/2)-2Rsin(/2)cos(-/2)+e/2sincos(2-) cm 2 在膨胀开始时，=0+ 则F1=e(R-e/2)-2Rsin(/2)cos(0+/2)+e/2sincos(20+) cm 2 在膨胀完结时，=1 为了得到A2最大值，1=180°+/2 则 F2=e

15、(R-e/2)-2Rsin(/2) +e/2sin cm 2 A3可以利用（2）式介 ，取0=0，=0即可得A3=p1le0 (R-e/2)-Rsin0 +e/4sin 20 KGcmA4利用（2）式介，取0=1-，=1，排气气压为p2 得：A4=p2le(R-e/2)+2Rsin（/2）+e/2sin KGcmA5利用（2）式介，取0=1，=2则 A5=p1le（2-1 ）(R-e/2)+Rsin0 -e/4sin 20 KGcm摩擦功A6取全部功率的10%，即A6=0.1A转子直径（mm）转速（r·p·m）255065700050003500由于滑片厚度，使发动机有效功

16、率下降， 功率应乘上修正系数k1，k1=1-bZ/(2k) 式中b为滑片厚度功率= k1·AZn/(60·7500) HP 其中：效率，取0.80.9 发动机转数按右表决定耗气量按下式计算， Q=p1（273+t0）÷p1（273+t1）·lF1Zn10-6 M3/minQ=264p1÷（273+t1）·lF1Zn10-6 M3/min 上式中将 p0=1.033ata及t0=0°代入式中漏气系数，在1.21.6之间，平均取1.35滑片式发动机参数的选择一、 进气角度0及进气孔孔数自A至K（若无第二系列进气孔K1），滑片克服

17、压缩空气压力作负功，从这一观点出发，0愈小愈好，然而0太小时，进气面积受到限制，所以必须按以下方法计算进气面积。进气面积 FK=Q·104/(60p1·w) 3式中： Q空气消耗量，为已知。 M3/min P1进气压力，绝对压力。 KG/3 w速度，常给予4060 m/sec 为有效利用进气面积，一般取A=1.5d,则孔数： K=l÷（1.5·d） 又 FK=d2K/4 故 FK=d2l/(4·1.5d)= dl/6 即 d=6FK/(·l)=6h/ 另 h= FK/l 所以 h= e(1-cos0) 则 cos0=1-FK/(e&#

18、183;l) 实际上，0一般在60°90°范围内 为了提高发动机效率，常开有第二系列进气孔，可以不计算，因为转子与气缸间的高度很小，在决定气孔面积上，显得并不重要。二、排气孔的位置 理论上1=180°+/2，减小1则不能充分利用压缩空气的能量增大1则在滑片间空气要产生压缩。实际上1角度不能用180°+/2，而是小一些，以使预先排气，提前排气的角度常取5°15°，其大小与排气孔的形状，截面有关，也与发动机转速有关，一般排气孔截面愈小，发动机转速愈高，其提前排气的角度愈大。在计算第一列排气孔时，可取180°+/2,提前的角度可忽

19、略不计。 在决定其他辅助排气孔时，其相临两排气孔间的角度应小于，否则滑片间空气受到压缩。 最后列的排气孔与进气孔间的角度应大于，使其中间经常有一 滑片，避免压缩空气漏耗。三、转子半径与偏心距之比 比值 a=r/e 很明显，滑片突出的高度h愈大，作用在其上的压缩空气所产生的扭矩和功率也愈大。 h=e(1-cos)=r(1-cos)/a 从上式中可知，滑片突出高度h与a成反比，因此为了得到最大功率，a值应尽可能小，理论上a不小于2，因在r=2e时，滑片D点要从转子槽中掉出。 A的可能最小值，可按以下假设知，滑片在D点的突出高度在A点时，将全部缩入转子槽中，为了使滑片有足够的定向及抗变能力，在D点时

20、，在槽中的滑片部分BD应相等于DC，并等于2e。另外，滑片不可能达到转子中心，应留一定的距离，至少应等于e，这样 r=e+BD+DC=5e 则 a=r/e=5为了可靠起见，一般a=6左右四、 滑片数选择滑片数应考虑到：1. 滑片数多，空气膨胀度增加；2. 滑片数多，漏耗下降；3. 在同样的发动机中，滑片少的转速高。 所以，当发动机要求在最大转速时，滑片应尽量减少（不少于4），这种形式的发动机首先用于马力不大的轻型手工机械，此种发动机的主要指标是单位功率重量。 如发动机要求高的经济指标而不是要求转速和小尺寸时，滑片可合理增加，如用于大功率的固定史发动机，最主要的指标是保证效率。 一般发动机的滑片

21、数按以下规律发动机功率（马力HP）滑片数0. 5以下0.53.03.06.044668 注：实际上很少按以上规律选用，一般发动机滑片数均在46。五、 滑片材料和尺寸滑片用nTK缪合纤维板制造，因：1 比重小，仅1.4；2 耐磨性好；3 与钢的摩擦系数小，干摩擦系数为0.17，在润滑时为0.07，计算是可取1。由三可知，滑片总高最小应等于4e,一般取4e5e。滑片的厚度愈小，发动机效率愈高，决定滑片厚度的是：1 强度问题；2 转子槽的加工工艺性。 一般按下面的规律决定厚度转子直径（mm）滑片厚度（mm）40以下4060601001001503456六、 转子的长度和直径如已知发动机的转速，可从前

22、面的资料中求出转子直径，这样在功率已知的情况下可以按计算公式决定其长度。如转速未知，为了决定其长度或直径，必须预先给定这些量之间的比值。转子长度与其直径的比值，范围很大，从0.8到2。应注意，（1）增大转子直径，其转速下降；（2）空气漏耗量与转子直径有关。常用进气速度、耗气量、气路面积对照表 在风动发动机中，一般气路流速取w=4060m/sec在进气道面积为f，流量为Q，当p=6.033KG/cm3表压力及t=20°C时，按下列公式计算： G=fwr r为比重=7.047 Q=60G/r0=60÷1.293×rwf=60×7.047÷1.293

23、×wf即 f=106Q/(327·w)=3060·Q/w3035404550556065700.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.210.220.430.640.851.261.571.581.7921021121231331431531641741841952052152251352452562662762862963073173278.817.626.435.14452.761.570.579.18896.61

24、051141231321411501581671761851942022112202292382462552642732817.715.423.130.738.546.253.861.569.27784.692.31001081151231311391461541621691771851932002082162232312392466.813.620.427.334.140.847.754.561.4687581.788.695.41021091161231301361431501571641711771841911982052112186.112.118.124.230.336.342.34

25、8.354.360.566.572.578.684.690.796.61031091151211271331391451511571641691761821871945.511.216.822.42833.639.244.850.55661.667.27378.584.189.695.21011071121181231291351401461521571631681741805.210.315.520.625.83136.241.346.651.756.76267.172.377.582.787.89398.31031091141191241291341401451501551611654.7

26、9.514.218.923.628.433.137.842.547.25256.761.566.270.875.680.38589.894.599.31041091131181231281321371421471514.48.813.217.62226.430.835.239.64448.352.757.261.56670.374.879.281.38892.396.71011061101141191231281321136141壳体排气孔面积 排气孔面积的计算，按照排气压力不高于1.3KG/cm绝对压力来考虑，并可能开大一些，能按排气压力为1.1KG/cm绝对压力较为合适计算公式： G=f1

27、0-42gk/(k-1)p2r2(p0/p2)2/k-(p0/p2)k+1/k Q=60G/r0式中： G流量 kg/sec Q流量 M3/min 流量系数，根据排气形式而定，一般取0.825 f排气孔面积 mm2 g重力加速度 g=9.81 p2排气压力 KG/cm2 r2在p2时的比重 kg/M3 (t=20°C) p0大气压力， p0=1.033 KG/cm2 绝对压力 k绝热系数 k=1.41 r0p0=1.033 KG/cm2 t=0°C时的空气比重 r0=1.293 kg/M3 计算结果： p2=1.1 KG/cm3时 f=178Q p2=1.2 KG/cm3时

28、 f=112Q p2=1.3 KG/cm3时 f=86.6Qp2:KG/cm2 f:2Q:M3/min1.11.21.3p2:KG/cm2 f:2Q:M3/min1.11.21.30.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.017.835.653.371.28910712514216017819621423124926728530332033835611.222.433.644.85667.278.489.6100.81121231351461571681791902022132248.717.42634.743.35260.769.37886.695.51041131221301391481561651742.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.23.33.43.53.63.73.83.94.03743924104274454634805085165345525705876056236406586776947122352462582692802