用于燃料电池的螺杆式空气压缩机的设计毕业论文

 2020-04-05 10:51:44

摘要

空气压缩机是一种将机械能转换为压力能的一种空气发生装置，在各种行业中都有非常重要的作用，在许多生产中都是必不可少的环节，比如在汽车的燃料系统中，空气压缩机可以为整个系统提供压缩后的空气。对于燃料电池系统，空气压缩机可以为燃料电池的阴极提供具有良好压缩性能的氧气，从而提升燃料电池的能量效率。在这次设计中完成对整个空气压缩机系统管道的完整设计，包括空压机机头、电机、油气分离器、进气阀等一系列零件的空间布局和整个流程的设计。同时对主要部件双螺杆式空气压缩机机头内核心零件阴、阳转子的转子型线设计和计算，完成相应轴的轴向径向力的计算，从而完成整个空压机的设计。

关键词：空气压缩机；管路设计；转子型线；啮合线

Abstract

An air compressor is an air-generating device that converts mechanical energy into pressure energy. It plays an important role in various industries and is an indispensable part in many production processes, such as in the fuel system of automobiles. The air compressor can provide compressed air for the entire system. For a fuel cell system, an air compressor can provide oxygen for a cathode of a fuel cell with good compression performance, thereby improving the energy efficiency of the fuel cell. In this design, the complete design of the entire air compressor system piping is completed, including the spatial layout of the air compressor head, motor, oil separator, intake valve, and a series of parts such as the design of the entire process. At the same time, the design and calculation of the rotor profile of the core parts of the main components of the air compressor head in the air compressor head, and the calculation of the axial radial force of the corresponding shaft, thus completing the design of the entire air compressor.

Key Words：Air Compressor; Piping Design; Rotor Profile; Meshing Line

第1章绪论1

1.1螺杆式空压机的发展简史及国内外发展现状 1

1.2 研究背景2

1.3 论文研究的目的与意义2

1.4 设计预期目标2

第2章螺杆式空气压缩机的设计3

2.1 螺杆式空压机的主要组成和原理3

2.2 螺杆式压缩机机头的设计3

2.2.1 基本构造4

2.2.2工作原理4

2.3电机的配合5

2.4进气阀、温控阀、疏水阀的工作原理6

2.5 油气分离器、冷却器的工作原理6

第3章主要部件的建模设计8

3.1 空压机机头的建模8

3.1.1 转子建模8

3.1.2 螺杆箱的建模9

3.2 空压机机头的装配9

3.3 空压机管路的装配10

第4章螺杆空气压缩机的设计和力学计算13

4.1 转子型线的设计准则13

4.1.1 转子型线和其主要因素13

4.1.2 转子型线设计准则13

4.2 型线方程和啮合线方程13

4.2.1 坐标系的建立和坐标变换14

4.2.2 型线的设计15

4.3 几何特性及计算20

4.3.1 齿间面积的计算20

4.3.2 齿间容积的计算21

4.3.3 空气压缩机机的螺杆尺寸的确定21

4.4 螺杆式空气压缩机的力学计算21

4.4.1 计算原理21

4.4.2 力的计算22

第5章结论与展望24

参考文献25

致谢26

第1章绪论

1.1螺杆式空压机的发展简史及国内外发展现状

空气压缩机是一种气压发生装置，主要介质为空气，是工业发展现代化的产物和一项较为基础的设备，是运用到许多气体动力系统的核心设备，许多系统的气源引入都是通过空压机作为前置装置。把电动机的机械能最终转变为气体的压力能就是空压机的目的。随着空压机的发展，空压机的种类慢慢扩大，由往复活塞式空压机发展到螺杆式空压机，由单螺杆式发展到双螺杆式，后来又为了应对各种不同的工作需要出现不同压缩方式的空压机。空压机作为许多系统中必不可少的部分，它所应用到的范围也越来越广，比如采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、化生学科产业中都有较为广泛的需要。空压机已经逐渐成为国民制造生产中较为关键的基础设备。

螺杆式空压机作为应用范围较为广泛的一种空压机，具有以下的一些优点：

1）螺杆式空压机的机头中所涉及的零部件较少，整个空压机的运转较为稳定，零部件的寿命比较久。

2）螺杆式空压机的运动结构比较平衡对称，为转子的啮合运动。可可以较为稳定的高速运动，比较难以受到外界的影响，可以适用于较为广泛的环境。

3）螺杆式空压机的密封特性较为优秀，能在较为广泛的范围内应用，拥有较好的工作效率。

4）所需要的技能水平要求较为低，很容易就可以上手操作。

螺杆式空压机因为采用的转子啮合中的转子齿面之间留有一定的容积间隙，所以加工的范围较为广泛，可用不多种气体进行加工。

由于一些关键技术出自于国外，所以空压机在国外的发展较为高超，企业主要聚集在欧美地区。由于理论水平，机电一体化的水平，成套系统的设计水平较为优秀，使得空压机中的一些主要的零部件的精度水平比起国内要更为精确，同时管局螺杆转子型线的新的设计的提出，都使得国外产品的效率、寿命、能力较为优秀，而且由于产品注重工业设计，产品也较为美观，符合环保的主题。同时由于各种模拟软件的开发，使得对空压机模型的建立更加准确，对具体性能参数的分析更为精准，使得新产品的开发成果率大为提升。

我国的空压机制造业起步较晚而且在前期都是单纯的去吸收模仿外国的产品。改革开放之后，随着走进来的思想，众多国际空压机制造的知名厂商纷纷来到我国进行投资建厂建设，在这个过程中我国的空压机企业也积极的去学习他们的先进技术和管理的理念，与我国自身的实际相结合，使得自主空压机的理念和技术都有了长足的进步，经过长时间的自主研发，国内空压机产业有了飞速的发展，出现了许多追赶国际先进水平的企业，我国空压机制造业也变得规范化、大型化、智能化，生产产品的质量也与国际接轨，虽然我国空压机起步较晚，之前以在国外直接购买主机在国内组装为主，但是通过近些年来企业对转子型线的不断改进和从国外购买了许多优秀的转子加工专用机床。也形成了较为完善和先进的空压机生产流水线，生产的产品水平也达到世界同类产品水平，并且在此基础上的研究和吸收，使我们形成了具有独立自主支持产权的产品，在市场竞争中占有一席之地。

1.2 研究背景

随着汽车能源产业的发展，新能源汽车已经开始逐渐代替传统汽车，燃料电池是一种新型的能源运用装置，是通过氢气、氧气通过电极反应的化学能转化为电能的装置，这个过程中最大的优点就是不用经过燃烧的过程，能量的转换过程不会再卡诺循环的限制之下，所以燃料电池的能量转换效率很高，可以到到60%-80%。燃料电池是通过氢气和氧气在阴阳极的作用下产生化学反应，产生电流，这里的氧气选择可以为纯氧也可以为空气，但为了保证方便、经济的原则，我们尽量选择空气作为供气源，所以为了使燃料电池获得更高的效率和性能，让空气可以达到氧气的效果，我们需要使空气的压力尽量大，这样才能直接提高燃料电池的能量密度，还可以减小整个系统的尺寸。因此空气供应是事关燃料电池效率的一个非常重要的部分，作为整个空气供应系统的核心，空气压缩机的设计就变得至关重要了。

1.3论文研究的目的与意义

我们可以看出燃料电池需要我们满足两个特点。燃料电池中的质子交换膜需要的空气的纯净度比较高，这样才能保证较好的工作特性，另一边，为了保证燃料电池的综合性能，当燃料电池的功率发生改变时，空气压缩机可以很好的适应变化调整供气量和压力，这就需要空压机拥有一系列的性能指标，满足小型、高压、重量清、噪声低等特点，所以这里我们通过前面对螺杆式空压机的特点的描述可以了解到，螺杆式空压机的综合性能非常优秀能够适应多种情况，所以我们选择螺杆式空压机作为机头进行整个压缩机管路的设计。

1. 设计预期目标

通过查阅资料，完成对螺杆式空压机整个管路系统所需部件的初步的了解，通过对整个管路所需部件的分析对各个部件进行空间布局的草图的设计，完成整个管路设计后开始对空压机机头的设计，通过查阅资料完成空压机转子型线的设计和计算，通过soildworks完成转子的设计，以转子为基础完成缸体的设计和整个传动系统的设计，最终完成整个缸体的建模，以缸体为基础开始整个管路的设计，完成整个管路的设计。

第2章螺杆式空气压缩机的设计

2.1螺杆式空压机的主要组成和原理

对空压机的设计要先了解空压机的工作原理和空压机的组成，空压机是由压缩机机头、电动机、油气分离器、冷却管、风扇以及各种气管路和油管路组成。

空气经过空气滤器被空压机吸收到缸体内，阴阳转子通过啮合运通使缸体内的容积发生改变，从而形成吸气的过程。同时腔内不断喷油，润滑和冷却螺杆，喷入的油与空气在腔内混合压缩，油在转子齿槽间形成一层油膜，避免了转子缸体和转子转子之间的摩擦，同时封闭了整个转子各部分之间的间隙，还能吸收大量在压缩时生成的能量。油气混合物的温度变高，之后通过管路到达油气分离器。油气分离器通过对进入到其中的油液进行过滤聚集到分离器底，然后经冷却通过管路回到主机进行循环利用，，这里的油气分离器也有油箱和储气罐的功能。经过油气分离器的气体变得较为纯净，但是温度还是非常高，高温的压缩空气进入后冷却器。压缩空气的温度在后冷却器内被冷却下来，疏水阀将多余的冷凝水排出，最终得到所需的压缩空气，这就是螺杆式空压机的工作流程。

根据流程可以设计出整个管路的大体的回路安排大致如下图

图2.1

2.2螺杆式压缩机机头设计

2.2.1基本构造

螺杆式压缩机机头大体上是由整个缸体和两边的端盖组成的，在缸体的两端开有两个一定尺寸的孔口，一个作为吸气孔口，吸入空气，一个作为出气孔口，排出气体，同时设有入油的管口，使润滑油可以进入，在空心缸体的中心设有一对啮合的螺旋形转子，称为阴、阳转子。阴、阳转子齿间容积在阴阳转子的啮合过程中发生了变化，齿间容积的变化导致压力变化，在压力的作用下完成相应的吸气排气过程，同时阳转子的轴上配有键槽与齿轮进行配合，再有一个与联轴器相连的齿轮轴与之啮合，齿轮轴通过联轴器与电机相连，完成动力的输入过程。

2.2.2工作原理

螺杆式空压机的工作原理分为三个阶段，分别为吸气、压缩、排气三个阶段，随着转子的转动每对啮合的齿轮都在完成这三个阶段，最终完成整个工作的流程

吸气阶段

图2.2 螺旋蜗杆式压缩机的吸气过程

可以从图中看出转子的运动方向，阳转子按逆时针旋转，阴转子成顺时针旋转，假设图中的转子端面是吸气端面，图（a）所示的是吸气阶段开始的位置，还未开始转动，即将与吸气孔口接通。

然后转子开始转动，由于啮合运动，齿间容积随着运动的进行不断变大，由于与缸体处于密封状态，容积变大，要保持压力不变需要从外界吸入空气，正好就从吸气孔口吸入了外界的空气。形成如（b）图中所示的阶段，空气如阴影部分显示。随着转子转动，吸气过程继续进行，最终转子运动到如图（c）所示位置，转子脱离啮合齿间容积达到最大阶段，由于缸体和油膜的保护作用，空气被密封。齿间容积稳定为固定数值，不再发生变化，吸气过程就此完毕。

（2）压缩阶段

图2.3 螺旋蜗杆式压缩机的压缩过程

随着转子间的封闭容积达到最大阶段，运动到再次啮合的时候。如图（a）所示便是压缩阶段的起点。转子开始转动，由于整个齿间容积是密封的状态，与外界没有相连的通道，所以当其中气体量不发生变化，而容积减小时，将会导致气体的压力变大，压缩的状态如图（b）所示，如图（b）所示。整个压缩阶段一直到齿间容积将于排气孔口接触之前。

（3）排气阶段

图2.4 螺旋蜗杆式压缩机的排气过程

在压缩过程中齿间容积没有与外界接触，排气阶段与压缩阶段相仿，都是齿间容积的减小，然而排气阶段有排气孔口的出现使气体可以从排气孔口排出，如图（a）所示。知道两个转子完成完全啮合，整个封闭的齿间容积变成0也就意味着所有气体从排气孔口排出，整个排气过程结束。

2.3 电机的配合

在通常情况下，电机与空气压缩机之间的连接有齿轮连接、皮带轮连接、联轴器连接等方式，由于我们在空气压缩机的设计中就已经有了齿轮的传动连接，这里我们就选择联轴器连接，联轴器是通过两轴同轴线配合连接起来传动扭矩，可以抵抗两轴偏移的能力，同时通过联轴器的连接可以减少传动系统的振动，可以有效的降低冲击载荷的峰值，联轴器拥有一定的过载保护功能，可以缓冲、减震和提高轴系的动态性能。联轴器由两部分分别与主动轴和从动轴相连，再通过螺栓固定达到相应的工作状态，完成传动件之间的联动。

由于后期进行了整个空压机转速的设计计算后，得到阳转子的最大转速为1528r/min，通过缸体内的一级变速的变化后可以得到相应电机的转速大概为2300r/min，由此选择相应的电机即可。

2.4 进气阀、温控阀、疏水阀的工作原理

进气阀作为空气进入空压机之前的窗口，它的功能就是控制空气进入空压机的流量大小和压力大小，并且可以对空压机的加卸载气体进行控制，算是进气控制系统的端口。进气阀由阀体、阀门、活塞、气缸、弹簧、密封圈等组成，侧面装有控制块和控制电磁阀，几何了通断调节、减荷、消声、降压以及停机放空等功能，实现减荷功能时时会有一部分气体通过发内的小孔放出，以平衡进气控制阀小孔的吸入气量，来维持正常的空压机的油循环，进气阀的开启关闭动作是由调节系统的压力传感器和电磁阀自动控制的。

温控阀是控制整个管路系统温度的最主要的部件，当空压机油温达到设定的温度时，温控阀开启，使得系统循环的机油进入到冷却器中进行冷却，避免整个环境的温度过高，如果油的温度低于温控阀设定的温度时，温控阀处于关闭状态，使系统温度处于一个较为稳定的数值。压缩机进行工作时温度一般在80度左右，可以防止内部气体因为压缩而导致的冷凝水的析出。

疏水阀安装在冷却装置之后可以有效的将凝结水排出，防止气体的泄露，能够有效的提升最后的到气体的纯净度。

2.5 油气分离器、冷却器的工作原理

从螺杆式空压机出来的压缩空气是空气和油混合的状态，压缩额气体中夹杂着大大小小的液滴，大的液滴可以轻松的通过分离器与空气隔离开，而小的液滴需要通过更为精细的装置才能与空气分离，这里运用到了微米级的玻纤滤料层来进行过滤，滤层在气体中对小的油雾状的液滴进行拦截，再将拦截的小液滴聚集成较大的液滴，然后通过重力的作用使大的液滴通过滤层聚集在滤芯的底部，再通过底部的凹口中的出油管排出，然后再次返回到润滑系统中，完成油的循环利用，由此空压机才能排出纯净的，高品质的无油压缩气体。油气分离器在整个空压机系统中占据着至关重要的地位，对排出气体的品质有着直接的影响，我们需要选取分离性能极高的油气分离器来完成我们的设计。

冷却器是将热流体的部分热量传递给冷的流体的设备，完成热交换的过程，在空气压缩机的压缩阶段中因为空气被压缩产生较高的温度，要使最后得到的气体的温度保证在一定的温度之下，冷却器这个部件就有非常重要的作用。

第三章主要部件的建模设计

3.1空压机机头的建模

3.1.1转子建模

在这次毕业设计中的三维建模都是使用soildworks软件完成的，转子的建模是通过soildworks中的扫描指令完成的，通过对转子型线的草图绘制如下图