可驱动压缩机工作的气动马达结构设计
摘 要
因为气动马达构造简单，易于加工生产，不易产生危险，在近年来的机械设备应用中得到大力推广，例如汽油发动机越来越多地安装了废气涡轮增压器。另外最近几年我国工业设备以及日常生活中也多采用了电动机来拖动水泵、风机, 造成电能大量消耗和热能大量浪费。本课题为可驱动空调压缩机工作的气动马达结构设计,属汽车节能领域。其工作过程为：工质经管道流经位于发动机排气管的气化室，经高温废气（600oC左右）的加热后迅速气化，高温高压过热气通过单向阀积聚于蓄能器中。固定于发动机上的蒸汽马达通过带传动与空调压缩机电磁离合器相连。所述的蓄能器高压管道外接蒸汽马达，当蒸汽压力达到设定值便可接通蒸汽空调开关，经互锁的电磁离合器切换，使类似汽轮机的蒸汽马达带动空调压缩机继续工作，从而更大程度上利用能量，达到降低能耗的目的。膨胀作功后的工质经与发动机散热器并列的凝汽器冷凝成液态后回流到储液器，完成工作循环。上述工作循环过程的核心部件之一是气动马达的结构设计，对其发展趋势进行了展望,阐述了其结构组成、工作原理和设计思路，进行系统的设计计算，完成可驱动压缩机工作的气动马达结构设计，绘制装配图和主要部件的零件图，完成了整体的结构设计。
摘要...................................................................................................................................................................Ⅰ
关键字:废气气动马达机械设计压力
目 录
Abstract........................................................................................................................................................Ⅱ
目录...................................................................................................................................................................IV
1.气动马达概述 1
1.1气动马达的研究背景及意义 1
1.2气动马达的研究现状及趋势分析 2
1.3 经济性分析 3
2. 气动马达的结构构造及工作原理 4
2.1气动马达的选择 4
2.2 气动马达的构造 4
2.2.1 气动马达的基本结构 4
2.2.2气动马达工作原理 8
2.3 气动马达设计考虑因素 9
3. 气动马达结构设计 10
3.1 设计思路 10
3.2 气动马达结构 10
3.3 气动马达热力学参数计算 10
3.3.1 绝热理论功的计算 10
3.3.2 气体膨胀末容积的计算 10
3.3.3 进气容积的计算 11
4. 单向径向活塞式气动马达主要尺寸的计算 12
4.1 气缸最佳内直径的确定 12
4.2气缸长度的确定 15
4.3气缸头的进、排气孔直径的确定 16
4.4气动马达曲柄轴偏心的确定 16
4.5单向径向活塞式气动马达绝热理论功的计算 16
4.6单向径向活塞式气动马达质量耗气量的确定 16
4.7 气动马达设计尺寸计算 16
总 结 18
致 谢................................................................................................................................20
第一章 气动马达概述
1.1气动马达的研究背景及意义
因为气动马达以气体作为动力提供源,所以相对于电动马达气动马达:在过载时可以自我保护,不像电动马达会因为过载而损坏。气动马达在过载时会减小速度甚至停止运作,而且在载荷正常时会自动启动运转;可以提供较大的起动力矩,因此可以在停止时能够迅速负载开始工作,停止也较快；即使在恶劣的工作环境(潮湿、粉尘、震动)也可以正常工作;安全，不会有火灾、爆燃现象;具有无级调速功能。调节进气阀的就可以调节气体流量进而调节马达的输出功率；可以通过变换进排气的方向，调节正反转。就能实现输出轴的正转和反转的转换[1]。因为具有如此多的优点,工业生产和工业控制中大多乐意采用此构造。气动马达的典型应用有:油漆涂料的搅拌,橡胶轮胎等橡塑机械,气动吊车和绞车,造纸机械,食品机械,饮料机械,药品机械,包装机械,矿山机械,玻璃机械及生产线,钢铁及铝等冶金生产线,泵和各种传送带的驱动,气动转盘,机床等。由于结构的不同气动马达可以分为轴向活塞式、径向活塞式、叶轮式、摆线式、涡轮式等。由于气动马达相对产生热量较少，气动马达在船舶预供油系统得到大量采用。此外,气动马达主要应用于柴油机的无电源应急起动。即在无任何电源(或电源被切断)的情况下,要起动或恢复船舶上供电,必须采用无需电源支援的气动式马达来带动柴油机发电,从而供给蒸汽或燃汽轮机主动力装置工作。柴油机起动前预供油用的气动马达油泵组直接关系到柴油机的起动可靠性。气动马达建立起来的油压必须达到柴油机起动最低极限值,否则将发生柴油机起动故障[2]。因此,有必要研制高性能大功率的气动马达。
在织机设备中,由于受环境因素的牵制,气动技术的应用具有优越性,安全、简单、可靠。尤其在织机设备的湿部系统,由于气动马达结构简单,轻巧,传输控制方便,在控制中不会发生过载等现象,所以对于织机湿部毛布升降自动控制大都采用气动马达［3］。
在气动马达的各种应用中,矿山机械更是气动马达应用的一个重要方面。以气动马达为动力元件的气动锚杆钻机更是在凿岩、钻采、装载等各方面起着重要作用。
随着汽油发动机电子控制技术的发展，汽车尾气和产生的废气对空气的污染越来越严重。20世纪70年代初，为了使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和汽车在高原地区功率的恢复等特殊领域，出现了很多车用汽油机增压技术的研究，随着社会技术的发展，抑制NOx的生成量和降低尾气有害成分排放并增压的发动机应用越来越广泛，改善了汽车的尾气排放性能。国家“十二五”内燃机发展规划中，把汽油机废气涡轮增压技术作为重点的推广应用项目之一，扶持其发展。
本课题研究的气动马达就是通过带传动连接空调压缩机使空调压缩机进行使用，工质经管道流经位于发动机排气管的气化室，经高温废气（600oC左右）的加热后迅速气化，高温高压过热气通过单向阀积聚于蓄能器中。固定于发动机上的气动马达通过带传动与空调压缩机电磁离合器相连。所述的蓄能器高压管道外接气动马达，当工质压力达到设定值便可接通气动马达进气门开关，经互锁的电磁离合器切换，使类似汽轮机的气动马达带动空调压缩机继续工作，从而减少了发动机的功耗，达到节能的目的。膨胀作功后的乏气经与发动机散热器并列的凝汽器冷凝成液态后回流到储液器，完成工作循环。上述工作循环过程的核心部件之一是气动马达的结构设计，对其发展趋势进行了展望,阐述了其结构组成、工作原理和设计思路，进行系统的设计计算，完成可驱动压缩机工作的气动马达结构设计，绘制装配图和主要部件的零件图，完成了整体的结构设计。
1.2气动马达的研究现状及趋势分析
随着社会发展和技术进步人们对汽车有进一步的要求，需要对发动机的动力性能和经济性能进一步优化；另一方面人们正极力探寻有效减少大气污染的解决措施，来减缓尾气排放污染。种种因素，促使汽车发动机进气增压技术获得迅速发展，日本、美国、德国等发达国家对该技术的掌握和运用方面处于世界领先位置。那么对于与增压器相配合的气动马达也迅速的发展起来。
最近几年我国已经在相关研究领域开始发力，并且着重对空气动力学计算、叶轮及叶型设计、三元流场分析、强度分析及性能预测进行了深入研究，不过在理论研究和计算机科技建模方面还需要相当大的工作要做。与西方国家相比，我国的气动马达的制造技术正处于初级状态，可喜的是近年来我国在高新技术材料应用研究领域进展较快，总的说来，经过几十年的发展，气动马达的产品基本结构趋向一致，但小型化与运用新技术优化结构却方兴未艾。社会发展对马达提出了越来越高的要求，其必然对气动马达提出与之相应的要求。经过几十年的努力，我国制造技术发展神速，为气动马达的推广打下了坚实的基础。而新的发明创造又使气动马达产品结构向简单化的倾向。在气动马达结构方面，早先是采用叶片式，然后发展到齿轮式、活塞式等等。
气动马达和液压马达的工作原理相近,正是由于这个原因在气动马达的设计中多采用液压马达的计算方法。然而,气压马达因为气体特有的性质和液压马达区别很大;不仅如此，供气压力也难以保持恒定等。因为工质气体特有的性质使气动马达研究相对较困难，使得对于气动马达性能的研究较少，进一步的性能优化更是难以做起。
1.3 经济性分析
（1）首先众所周知，在发动机燃料的总热量中，仅有30%-40%的热量转变为有效功，其余60%-70%都损失掉了。其中，主要有废气带走，其次传给冷却液。对应于柴油发动机废气带走的热量达25%-45%，排温700-900K。综上可见发动机能量利用率很低，能量利用率有很大开发空间。
（2）随着社会经济的快速发展，能源消耗量的急剧增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了严重的环境问题。汽车保有量的不断增加，使得仅汽车这单一方面的能源消耗也日益增长。汽车消耗的能源主要是石油燃料，但由于我国的石油存储量相对欠缺，使得我国已经成为世界第二大石油进口国。对于汽车能源消耗而言，发动机燃料燃烧所产生的能量，仅有30%-40%的热量转变为有效功，其余60%-70%都被耗损掉了，造成了能源的极大浪费。因此，汽车的节能问题受到了广泛的关注，并且已经成为当今世界汽车工业发展的重中之重。如何提高热能的利用率或利用废气的能量，一直是汽车及发动机研究者追求的目标。
综上可知，无论是因为发动机能量有很大的开发空间，还是因为对资源节约和环境保护的需求，都有必要设计出可以利用汽车尾气能量的装置。
另外可驱动空调压缩机工作的气动马达设计是在不影响发动机原有工作基础上，利用被废弃的尾气的能量，不仅提高了能量利用率，也对环境有积极影响。
第二章 气动马达的结构构造及工作原理
2.1气动马达设计类型的选择
表2-1分别对比了叶片式、活塞式、薄膜式在各方面特性，为本次的设计提供了有力的参考。
表2-1
类型 转矩 速度 功率 每千瓦耗气量（l/min） 特点及应用范围
叶片式 低转矩 高速度 由不足1kw到13kw 小型：1.8-2.3 大型：1-1.4 制造简单、结构紧凑、低速启动转矩小，低速性能不好。适用于要求低或中功率的机械，如手提工具，符合工具传送带、升降机等
活塞式 中、高转矩 低速和中速 由不足1kw到17kw 小型：1.9-2.3 大型：1-1.4 在低速时，有较大的功率输出和较好的转矩特性。启动准确，且启动和停止特性均较叶片式好。适用载荷较大和要求低速转矩较高的机械、如手提工具箱、起重机、绞车、拉管机等
薄膜式 高转矩 低速度 小于1kw 1.2-1.4 适用于控制要求很准确、启动转矩极高和速度低的机械
常用气马达的特点及应用
本课题的主要参数为压缩机的功率消耗2.7kw；最大允许转速7000rpm；由以上参数可以选则表中的径向活塞式气动马达，参数正好在其范围之内，满足要求。
与其它气动马达相比，径向活塞式气动马达具有转矩大、绝热效率高的优点，因而目前获得广泛应用。但是如何对这种气动马达进行设计计算，设计计算着重考虑什么问题，这是气动马达设计者所关心的问题。本文为了解决这些问题，先从这种气动马达的工作原理、绝热理论功、气体膨胀末容积以及进气容积等方面入手，导出气动马达的最佳内直径，耗气量及其余尺寸的计算公式。径向活塞式气动马达分为单向和双向两种。本设计采用的是单向汽动马达。另外单活塞气压缸一般有两种固定方式，一种是将缸筒固定，然后活塞杆工作，另一种是将活塞杆固定，然后缸筒做来回的运动。本设计采用将缸筒固定的设计。
2.2 气动马达的构造
2.2.1 气动马达的基本结构
图2-1为气动马达外观图，由图我们可以直观的观看整个气动马达的各个外部部件。由图可以清晰的看出左侧活塞腔体及其内部为动力输出端，通过轴将动力传输给电磁离合器并由电磁离合器带动联接接在电磁离合器上的同步皮带轮。
图2-1 气动马达外观图
图2-2(a)展示了气动马达的进气口和出气口，气动马达各个部件的名称以及腔体左侧法兰的联接方式为用内六角沉头螺母联接。
图2-2(a) 单向活塞式气动马达气缸结构图
图2-2(b)为气动马达的剖视图，通过剖视图可以清晰的看到气动马达内部各个部件以及各个部件的内部的情形。
图2-2（b） 单向活塞式气动马达剖视图
图2-2（a）和图2-2（b）为单向径向活塞式气动马达气缸部分示意图（ 1为上盖，2为调解螺母，3为腔体，4为后盖，5为内六角螺钉，6为前盖，7为转动轴，8为垫片，9为活塞腔，10为销轴，11内六角半沉头螺钉，12为活塞杆，13为气套，14为气壳，下面与气动马达的曲柄轴相连(图2-2（a）中未示出曲柄轴)）。
图2-3为活塞腔，可以看到它的上部有散热功能，可以使热量及时散出，保证了活塞腔的正常工作。中部设计有加强筋在不影响活塞腔使用的基础上减轻了活塞腔的重量，也减少了材料的浪费。另外在材料选取上活塞腔选用铝合金材质，也是考虑到了减轻气动马达整体的重量。
图2-3 活塞腔外观图
图2-4为传动轴的剖视图，可以清晰的看到传动轴左部被设计为空腔另外还开了个凹槽，凹槽连通进气口时气体通过传动轴空腔进入活塞腔，凹槽连通出气口时气体经由传动轴空腔、凹槽从排气口排出。
图2-4 传动轴剖视图
图2-5为单向径向活塞式气动马达绝热理论工作图。图中的 , 分别为气缸的进气、排气绝对压力， 和 分别为气缸的进气容积、气体在气缸内膨胀末容积， 为气缸内气体膨胀末压力(绝对压力)。ab表示进气过程。bc表示气体绝热膨胀过程，cd表示气缸内气体与排气孔接通后等温膨胀自绝对压力 到 ,de为排气过程。图2中面积abcde表示绝热理论功 。
图2-5 单向径向活塞式气动马达绝热理论工作图
2.2.2气动马达工作原理
下面利用图2-1及图2-2(a)来说明单向径向活塞式气动马达的工作原理。当活塞在最低点时，轴上的凹槽和进气孔连通，具有一定绝对压力 的压缩气体自进气孔经过中空的轴进入气缸，开始进气过程。进气过程ab中的气体推动活塞3向上运动。进气过程终止时刻，进气容积为 ，而后开始绝热膨胀，其过程为bc，绝热膨胀过程中，气体继续推动活塞向上运动，直到活塞处于最下部位置。进气、膨胀过程活塞向上运动的距离为一个行程S，此时气体膨胀末容积为 。此后靠曲柄轴驱动活塞向下运动，使活塞从最上部位置运动到最下部位置，所行走的距离也是一个行程S，这一过程叫排气过程，排气过程中排出的气体容积为 。图2-2(a)中实线箭头表示进气气流方向，下方稍小的箭头表示排气气流方向。
原文链接：http://www.jxszl.com/jxgc/qcgc/838.html
