第7章 结构设计基本概念2学时

第七章结构设计的基本概念吴伟烽2013.4第七章结构设计基本概念结构设计的目标：掌握活塞式压缩机的结构、各个零部件的特点（运动特点、受力特点）；掌握活塞式压缩机零部件的初步设计方法。结构设计：压缩机的主机系统压缩机的辅助系统第七章基本概念压缩机结构设计用于压缩气体借以提高气体压力的机械，活塞式压缩机是其中应用非常广泛的一种。结构：为实现某个功能而由各个要素按一定的关系组成而又相互作用形成的一个整体，既有整体性又有层次性。结构是功能的载体，功能决定结构。结构设计：根据技术任务的要求，对结构的工作原理、运动方式、力和能量的传递方式进行设计，包含构型、选材及尺寸三要素，最后将这三个方面形成数据，如图纸和文件等。第七章基本概念构型即是构造零件的形状以及零件间的联结关系。构型要遵循5个方面的原则：1）满足系统功能的要求；2）满足运动的要求；3）提高零部件强度、刚度及寿命；4）降低振动和噪声；5）结构的工艺性良好，即工艺简单、加工成型容易、能源消耗少。第七章基本概念选材即确定各个零部件所使用的材料，选材时要注意以下几个方面：1）选材最主要的依据是根据零件对材料性能的要求，包含力学性能、物理性能和化学性能等。不同零件要求的使用性能是不同的，有的要求高强度，有的要求高弹性，有的要求耐腐蚀等。即使是同一零件，不同部位的性能要求也不一样，如齿面要求高硬度，而心部要求有一定的强度、塑性和韧性。第七章基本概念2）所选的材料应具有良好的工艺性，零件对所选材料的工艺性能要求，与其制造工艺路线相关。3）材料应具有良好的经济性。材料的经济性不只是选用材料的价格，更重要的是使生产零件的总成本降低，包含材料价格、零件自重、零件的加工费、试验研究费等。第七章基本概念4）材料的可靠性要高。材料的可靠性是指材料制成的零件在给定的寿命用期内完成给定的工作而不破坏的几率。产品的可靠性首先由设计本身决定，设计所赋予的可靠性称为潜在可靠性，潜在可靠性低，则在以后的制造和使用过程中无论如何努力，可靠性也不会高。5）材料的资源、能源与环保考虑。要求在材料生产——使用——废弃的全过程中，对资源、能源、对环境的影响尽量小。第七章基本概念尺寸宏观上是指主要结构尺寸以及主要尺寸之间的比例关系微观意义包含形位公差、表面粗糙度、材料的表面硬度、加工腐蚀余量等。尺寸与构型是紧密联系在一起的，其选取原则与构型一样。本课程即按构型、选材和尺寸三方面讲述往复式压缩机主要零部件的结构。7-2往复式压缩机结构的一般特点首先，往复式压缩机通过曲柄连杆机构将电动机的旋转运动，转化为活塞的往复运动，其零部件繁多。其次，活塞式压缩机的品种、规格特别繁多，就以我国生产的活塞式压缩机为例，到现在为止，就有500多种不同规格。再次，往复压缩机零部件的受力复杂。结构方案方面的共同的特点都包含以下4大部件气缸部件：包括气缸、活塞、活塞杆、气阀、填函等，它们组成压缩机气体的可变工作容积。传动机构与机身部件：组成能量的传递机构，把驱动机的旋转运动，通过安装在机身内的曲柄连杆机构，转化为活塞在气缸内往复运动。机身还为安装气缸和其它零部件提供支座。这部分包括曲轴、连杆、十字头、机身等。结构方案方面的共同的特点辅机部件：它是保证压缩机运行和提高经济性、可靠性所必需的一些辅助设备和系统，包括冷却器、液气分离器、缓冲器、滤清器、消声器、排气阀调节机构、润滑系统以及管系等等。驱动机及其控制系统它是用来驱动并控制压缩机运行的动力设备，包括驱动机(交直流电动机、内燃机、蒸汽机、涡轮机等)、启动器、联轴节或皮带轮、相应的控制系统等。本课程的主要内容，就是介绍上述部件的工作原理、结构型式及其特点、设计的基本方法和技术要求等。7-3往复式压缩机结构设计概况与展望我国往复式压缩机的发展历程我国往复压缩机工业在解放前基本上是空白。新中国成立初期，测绘仿制一些国外简单低压空压机，50年代，除测绘仿制外，还按国外提供的一些图纸，原封不动地生产一批空压机，这些图纸是国外30年代产品，性能和经济指标都比较差。60年代初，根据经验类比设计压缩机。90年代至今，逐步步入现代化设计的阶段。压缩机结构设计的分类经验类比设计：参考已有的同类样机或技术资料，凭借设计者的主观经验和意向，进行结构方案的选择，设计中缺乏新技术、新方法、新材料的应用。但比较保险可靠。随着时间的推移，设计队伍不断壮大，设计经验积累丰富，这类设计还是能解决实际问题的，而且设计水平不断提高，在我国压缩机的结构方案设计中，一直沿用至今。经验类比设计的4个步骤确定结构的初步方案。凭借分析机理或类比已有的同类型结构，确定结构形式、主要尺寸和材质。构件力学分析。用材料力学或弹性力学中的有关方法和计算公式，加上压缩机行业的经验修正，对初步的构件进行力学计算求得构件中的载荷响应参数如应力、位移和稳定件等。经验类比设计的4个步骤检验可行性。将求得的响应参数与设计规范中规定的许用值进行比较，以检验初定的结构设计是否可行，如结构能满足强度、刚度等判据条件，即说明结构可行。调整设计。末通过可行性检验的构件，就要进行调整设计。主要修改构件的形状和截面尺寸或另选材质。调整设计后的新设计方案，又必须重复上述第（2）步、第（3）步的分析，直到满意为止。冰箱压缩机的经验类比设计零件结构Slim系列N系列J系列曲轴箱曲轴孔直径φ12φ16φ16曲轴孔长度485448.5气缸孔偏置222气缸孔—曲轴支承面距离14.014.514.5曲轴孔—气缸面距离56.2561.554.5曲轴凸台—定子面13.516.7514.5气缸面螺孔间距35×2840×3233×30定子螺孔间距48-80×2782.55×82.5578×78曲轴长轴直径φ11.991φ15.991φ15.991偏心轴直径φ11.98φ13.98φ13.98连杆大孔直径φ12φ14φ14小孔直径φ7.94φ7.94φ7.94两孔中心距3640.536活塞销孔φ7.938φ7.938φ7.938长度18.5～2118.5～2118.5～21转子外径φ55φ56φ56冲片厚度404535内孔φ11.947φ15.947φ15.947台阶孔φ20.5×13.75φ23.5×17φ23.5×14.75下壳体支承弹簧间距48-80×27109×7378×78第七章基本概念现代化设计：以计算机辅助设计（CAD）技术为主体，以多学科知识为依托，并以相应的方法和技术为手段，从事产品研究、改进和创造，是多学科有效融合的产物，是传统设计的继承、延伸和发展。优化设计：是现代化设计的一个分支。在工程设计中，总存在一定条件的最佳方案，寻找这个最佳方案的过程就称为优化设计。优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为求解工具，寻找最佳方案的先进设计方