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1、单螺杆空气压缩机的 学位论文毕业设计论文单螺杆空气压缩机的设计摘要 空气压缩机具有结构简单、工作可靠和操作方便等一系列独特的优点，因此在空气动力学、制冷空调及各种工艺流程中获得了广泛的应用。可编程控制器（PLC）将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计。本文介绍了空气压缩机PLC控制系统组成、保护功能、控制原理、系统通信、系统信号的采集，以及控制系统软件的设计思想。 单螺杆压缩机亦称蜗杆压缩机，采用高效带轮传动，带动主机转动进行空气压缩，通过喷油对主机内的压缩空气进行冷却，主机排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的

2、压缩空气。冷却器用于冷却压缩空气和油。因其在结构、力学及可靠性等方面的独特优势，广泛应用于船舶、机车、能源、国防、石油、化工、机械、食品、轻纺等行业，具有优良的可靠性能，振动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高是其最大的优点。关键词: 可编程控制器（PLC） 单螺杆空气压缩机 控制AbstractAir compressor has a simple structure, reliable and easy to operate and a series of unique advantages, so aerodynamics, refrigeration and air condit

3、ioning and a variety of process to obtain a wide range of applications. Programmable Logic Controller (PLC) to the traditional relay control technology, computer control technology and communication technology integration, specifically designed for industrial control. This article describes the comp

4、osition of the air compressor PLC control system, protection, control theory, system communication, system signal acquisition and control system software design. Single-screw compressors also known as worm compressor, using high pulley drive, drive rotation to host the air compressed within the host

5、 by injection of compressed air for cooling, host the exhaust air and oil mixture through the coarse, fine 2 separation, the compressed air oil separation, and finally get clean air. Cooler for cooling compressed air and oil. Because of their structural, mechanical and reliability aspects of the uni

6、que advantages of widely used in ships, locomotives, energy, defense, petroleum, chemicals, machinery, food, textile and other industries, with high reliability, little vibration, low noise convenient operation, the vulnerability of small, high operating efficiency of its greatest strengths.Key word

7、s: single-screw air compressors, programmable logic controllers, control目 录第1章 绪论 11.1单螺杆压缩机的历史及现状 11.2单螺杆空气压缩机在国内外概况与优缺点 11.2.1 单螺杆空气压缩机在国内外的概况 11.2.2 单螺杆空气压缩机的优点与缺点 21.2.3 单螺杆空气压缩机的开发关键技术 31.3 单螺杆空气压缩机的结构设计 41.4 PLC的发展史 6第2章 硬件设计 112.1系统工作原理 102.1.1系统流程及零件功能简介 102.2 单螺杆空气压缩机的PLC控制系统的设计 132.2.1 PLC

8、的结构及基本配置 132.2.2 可编程控制器的特点 152.2.3可编程控制器的发展 172.2.4可编程控制器的工作原理 182.2.5控制系统PLC设计原则 192.2.6 PLC的选型设计 192.3 FX3U-64MT的意思及其编程元件 212.4 BCD的工作原理 26第3章 软件设计 303.1软件流程图的软件设计 303.2 软件流程图 303.3 FX3U-64MT系列PLC编程语言及系统控制原理 313.4 FX3U系列的基本逻辑指令 363.5功能图编程语言 393.6设计梯形图 40第四章 维修与保养. . . . . . . . . . . . . . . . . .

9、 . . 464.1 空压机的压力调节器整定. . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2 空气滤清器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.3 冷却器及安全阀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. 4.3.1 冷却器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3.2 安全阀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.4 数显温

10、度计实验及电机过载继电器. . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.1 数显温度计实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 4.4.2 电机过载继电器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47结论47参考文献 48致谢 49附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50第1章 绪论1.1单螺杆压缩机的历史及现状 1960年法国辛麦恩(B.Zimmern)提出了单螺杆压缩机的构想，并获得专利权，1962年试制出第一台样

11、机，70年代初期由法国标致汽车公司正式生产投放市场。70年代末期，荷兰、英国和日本等国家先后开发生产制冷、空调用单螺杆压缩机，其形式有开启式和半封闭式两种。80年代末又推进技术，发展制造出石油、化工、矿山等行业用的压缩各种气体(包括空气、易燃易爆及有毒气体)的单螺杆压缩机。目前世界上已有英、法、美、日、荷兰等国家的厂商可以生产出不同规格单螺杆压缩机。 1.2单螺杆空气压缩机在国内外概况与优缺点1.2.1 单螺杆空气压缩机在国内外的概况1、国外概况 目前只有日、美、英、法和荷兰等国家在引进法国奥费尔公司技术的基础上生产单螺杆压缩机。单螺杆冷冻机英国（Hall）公司将剖分式机体改成整体式，提高了整

12、机的刚性与精度，设置进气线减少了油液的粘性剪切损失并提高了进气效率。所以生产的喷油单螺杆冷冻机其性能全面优于双螺杆冷冻机，但水平低于日本。日本大金公司生产的单螺杆冷冻机比该公司原生产的双螺杆冷冻机，满载时效率提高了25%，部分负载时效率提高了40%。八十年代，日本三菱公司创造了自己的高精度加工和装配技术，所生产的无油单螺杆冷冻机由于减少了油液的粘性剪切损失，比喷气单螺杆冷冻机节能5%,现在的水平又有了进一步的提高。大型无油单螺杆冷冻机的性能全面达到或超过了最节能但价格昂贵的透平式冷冻机，成为当代最好的冷冻机，也是冷冻机的发展方向，因而市场前景良好，目前仅日本能生产。由于其成本远低于透平式而售价

13、却较高，所以单螺杆冷冻机附加值很高，经济效益和社会效益很好。2、国内概况 北一通是国内最早研制单螺杆压缩机的厂家，76年研制出样机，当时齿合副的寿命仅数十小时。该厂由于长期未能突破各项关键技术，曾经与美国CP公司达成引进单螺杆压缩机全套技术的协议，但后来美国单方面中止了合同。北一通仅得到产品样机与不齐全的图纸（缺最关键的螺杆与星轮图纸）。之后该厂又多方努力寻找引进，迄今毫无结果。温岭化工机械厂和苏北冷冻机厂先后与西安交大合作研制的单螺杆压缩机均由于长期未能解决啮合副的加工技术而放弃了研制工作。武汉空气压缩机厂和西安交大合作染指的压喷油单螺杆空气压缩机，为86年国家科委重点项目，此外七零四所舰船

14、用喷水单螺杆空气压缩机系国防科工委重点项目，研制情况不明。国内其他单位得到北一通退休职工转让技术所生产的样机，其水平在北一通一下。关键技术单螺杆压缩机生产中最大的困难，即关键技术在于螺杆。星轮的参数设计及其优化，两啮合面得齿廓精度（加工精度和装备精度）。只要解决了这两个问题，就能大批量生产各种用途的单螺杆压缩机。（近年的情况加上）1.2.2 单螺杆空压机的优点与缺点1、单螺杆空压机的优点有：结构好单螺杆空气压缩机的量星轮在螺杆两侧的对称位置，使单螺杆空气压缩机不仅没有不平衡惯性力，而且使用在螺杆上的轴向力和径向力也互相抵消，这是单螺杆压缩机设计先进最显著的特征。效率高单螺杆压缩机在理论上不存在

15、余隙容积，螺杆转速在3000r/min左右时，动力润滑性能优异，这就决定了但罗噶压缩机油很高的工作效率。噪音低单螺杆压缩机的齿合副由于星轮采用高分子材料，惦记与螺杆直联而无中间传动齿轮，同时箱板粘贴有吸音材料，因而运行噪音极小。振动小单螺杆压缩机有优越的动力平衡系统，有效的遏制振动源，使机器运行极为平衡，对基础无特殊要求。费用小单螺杆空压机的易损件极少，加之监控系统信息化，智能化水平高，全天无值守运行。由于力平衡性能好，主轴可工作5万小时甚至更长寿命，无故障运行时间长，运行费用比其他各类压缩机的运行费用都少。2、单螺杆空压机的缺点有：运动部件较多单螺杆空压机有三个螺旋轴，而且螺杆和行星齿轮的刚

16、性相差较大，运动中易变形不均匀，因而相互啮合精度难以保证，所以溶剂效率较低。耐磨性较差目前市场上销售的单螺杆压缩机中行星齿轮均采用非金属材料，耐磨性较差，在告诉工作过程中由于磨损较大，造成内泄漏增大，因而工作一段时间后流量有较大衰减，一般在3000至4000小时的运转后流量平均衰减510%。所以单螺杆空压机在工业应用中的经济型极差。加上变形的不均匀引起的啮合精度难以保证还会造成整机设备的机械稳定性降低，因而故障率高，维修率高进一步限制了它的使用范围。行星齿轮的材料不改善行星齿轮作为单螺杆压缩机的核心部件之一，其主要作用是起密封作用。如果选用钢制的行星齿轮，由于钢材膨胀系数大，膨胀量大，所以必须

17、在行星齿轮与螺杆间留较大的间隙，不但泄露多，效率低，而且容易咬死造成重大故障。1.2.3 单螺杆压缩机的开发关键技术1、螺杆和星轮的参数优化 星轮和螺杆啮合时，星轮的工作齿面在每一瞬时的共轭接触线，除了星轮的一条直母线q外，还有因二次包络而形成的另一条轭接触线。这些瞬时接触线在对应的星轮齿有效转角范围内，形成一个连续的曲面S。曲面 S的一般在母线q之上，另一半在母线q之下。但是曲面S的一大部分，只在某一瞬时，即某一转角时，实现螺杆和星轮的共轭接触。在之后（或之前），它却侵入了螺杆实体而发生实体干涉。因此，S曲面的这一部分是不可用的。曲面S的形状及特性和啮合副的参数设置有密切关系。因此我们面临了

18、一个“最优化”的课题，它的“目标函数”是如何在有效转角范围内最大限度地令S曲面处在可用区间，以增加星轮齿侧曲面的啮合面积。从而有效地延长啮合副的寿命。2、加工精度高技能高度专用机床是加工优质螺杆、星轮必不可少的设备，是整个项目的关键，也是国外对我国封锁的重点。虽然一些专家过去认为专机传动链精度要求太高国内不可能达到。但是在当前伺服系统的广泛应用情况下，制造由最短的传动链和超高精度传动元件组成的专机是可以实现的。3、加工方法刀具在国外直线包络是单螺杆压缩机的唯一型线。这种型线的螺杆齿面不可展，不能用磨削方法加工。因此采用指形铣刀作为粗加工，车削用于精加工，是唯一可行的加工方法。星轮的加工时我国二

19、十多年来一直未能解决的问题。现在我们从理论和实践上解决了这一难题。在星轮设计中尽一切可能增加啮合副在整个啮合转角区间内的接触面积。在我们按照计算得到的星轮齿面的三维坐标和它的一阶，二阶微分邻域特性，设计了高效率的剃刀，可以再没有理论误差的条件下，加工出精密的星轮齿曲面。4、加工技术与装配技术加工技术是单螺杆压缩机技术的核心，掌握了它就能自行研制高精度专机而不必依赖进口。负责，即使有了高精度专机也不能生产高品质的压缩机。无论加工精度多高，如果不能正确装配，以前的一切努力将前功尽弃。加工与装配精度的高低集中体现在齿面啮合情况上。啮合副应在没有跑合的情况下，实现啮合区内的全部齿面同时啮合，每个齿面的

20、啮合总面积不低于90%。1.3 单螺杆空气压缩机的结构设计 单螺杆空气压缩机内部结构及工作原理图1-1（名称到上面去了）单螺杆空气压缩机由一个圆柱螺杆和两个对称配置的平面星轮组成齿合副，装在机壳内。螺杆螺槽、气缸和星轮齿顶面构成封闭的齿间容积。运转时，动力传到主轴上，由螺杆带动星轮旋转。气体由吸气孔空口进入螺槽内，经压缩后通过气缸上的排气空口排出。星轮的作用相当于往复式压缩机的活塞，党性轮在槽内相对移动时，封闭的齿间容积就逐渐减少。单螺杆空气压缩机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。图1-21、吸气如图图1-1(a)所示，气体通过吸气进入转子齿槽随着转子的传动的传动，星轮依次进入与转子齿槽啮合

21、的状态，气体随即便被吸入与转子齿槽、机壳及星轮面形成的密闭空间，即压缩腔。2、压缩如图图1-1(b)所示，随着转子的旋转，这种压缩腔的体积不断减小，即其中气体随之被压缩，直到该压缩腔的前沿转至排气口。3、排气如图图1-1(c)所示，压缩腔前沿转至排气口后便开始排气，直到压缩腔完全通过排气口，完成一个工作循环。这个系统属于高气压设备。因此系统内的气压平衡控制，压缩空气控制以及供油系统的控制成为被系统控制设计的重点。除此之外，压缩机主电机，风机的过载保护，电源相序的正确（压缩机绝对不能反转）性等对空压机组的正常工作也至关重要。因此，在空压机组中设置以下的检测装置及工作状态指示装置，以确保其安全、稳

22、定、可靠地工作。压力方面在空气滤清器排气口装有真空压力开关，以防其堵塞；在油气细分离器，油过滤器中装有压差开关，以防其堵塞；为保证控制系统气压平衡，装有可调压力上下限开关；加载电磁阀控制加载和卸载。温度方面在压缩机排气口装有排气超温开关；风机冷却压缩空气。供油方面供油电磁阀两端装有压差发讯器，确保主机气动运行时不断供油，其故障事紧急停车。其他方面风机过载保护；主机过载保护；相序缺相保护。工作状态指示装置正常状态指示；声光故障报警，同时显示故障代码。1.4 PLC的发展史PLC（可编程控制器）是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计

23、算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。其英文原名为“Programmable LogicController”，简称为PLC，中文称“可编程逻辑控制器”。后来，随着计数的进步，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，其名称也就改为“Programmable Controller”，称PC。但PC又容易与个人计算机（Personal Computer）的简称PC产生混淆，所以近年来人们又倾向于使用PLC这一简称，中文仍然称“可编程控制器”。上世纪60年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备的更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大、故障率高、柔性差、不灵活、

24、耗能，而且调试困难，可靠性也差。1968年美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想，从用户的角度考虑，该公司对新一代控制器提出了10点要求，为各大公司提供了明确的开发目标。次年，就由美国DEC（数字设备公司）首先研制成功了第一胎可编程逻辑控制器PDP-14。差不多同时，美国MODICON公司也研制出084控制器。它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧、日本等工业发达国家，也相机研究开发出类似的产品。在PLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常常采用诸如继电器、鼓式开关、纸带阅读器等机械、电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为“开关控制系统”

25、中最广泛使用的器件。但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有“继电器控制系统”已不适应需要，究其原因是：动作缓慢；寿命短、可靠性差；体积大、耗电多；设计制造周期长、程序修改费时；不能实现与计算机对话。 到上世纪60年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，又显然存在着“大马拉小车”的情况，这是由于小型计算机的特点决定的：编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员；需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求过高；功能过剩，及其资源未能充分利用；造价高昂。由

26、于生产的需要与可能性，促使人们寻求新的出路，PLC应运而生。它首先应用于美国的汽车工业，这是的PLC用固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态I/O电路来检测按钮和一些特点：环境适应性较强，可以使用于车间现场；有较高的可靠性和诊断能力，维修容易；基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较大提高，只要改变系统中的程序即可改变控制“逻辑”，而无需改造或更换控制硬件等。由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领域。随后又扩展到与批量生产和连续生产过程有关的工业领域。随着CIM

27、S(计算机集成制造系统)的发展，PLC当前还被人们用于工厂通信网络之中，于其他智能控制器和计算机系统一起成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别是单元级和工作站级。从1969年第一台PLC问世至今，可编程控制器大约经历了三个阶段：第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点。用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为2050ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、计时、计数等，编程语言采用简单的语句表语言。使用上，主要用来作开关量控制。如下图：第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数从512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度达到56ms/KB，指

28、令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数外，还增加了算术运算指令，以及模拟量处理指令等，输入/输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O。编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言。如下图： 第三阶段：进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品。使PLC在概念，设计，性价比以及应用方面都有了新的突破。这一阶段的产品向大型和小型两个方面发展。大型产品的I/O点数，超过4000点，有些产品达到8000个I/O点用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块(例如温度控制模块、

29、轴定位模块、过程控制模块等)和通信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数、顺序控制外，还有算术浮点运算指令、PID调节功能指令、图形组态功能指令、网络和通信指令等。编程语言普遍采用梯形语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有GRAFCET语言）。为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等。这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展有16点I/O,24dian I/O的整体型小型PLC在小型PLC上配置模拟量I/O、通信口、高速计数，指令上也设置有算术运算、比较指令以及PID调节指令。小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液

30、晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程。如下图：除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资。随着计数的进步PLC的功能越来越强，应用范畴越来越广，与其他工业控制机，如分散型控制系统（DCS）的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上“交错”已经成为普遍的现象。第2章硬件设计2.1系统工作原理（加上我让你们画的那张原理图）单螺杆式压缩机是一种按容积变化而工作的轴回转式压缩机。其工作原理和一般已知的活塞式

31、压缩机类似，即待压缩的气体被吸入到一个工作室，工作室随即关闭缩小，被压缩气体在其体内经受一种多变压缩过程。当工作室内的气体达到预期的最终压力时，工作室立即与压出管接通，工作室再继续缩小时，受压缩的气体被排出至排气管道内。活塞式压缩机的工作室有一个活塞在其中做往复运动的汽缸组成，对于螺杆式压缩机其内部则有一对斜齿的转子副在与它精密配合的壳体内转动。此时，转子副齿面的相互接触所组成的接触线沿轴向方向运动。如果利用壳体在两端及外周的表面把槽空间封闭，当转子转动时，在齿槽间输送的气体体积变小，理论上可以把气体压缩至任意高的压力。 空气压缩机系统简图如图2-1机组由空气滤清器、卸荷阀、单螺杆压缩机、单向

32、排气阀、油气分离器缸、油气过滤器、单向阀、供油电磁阀、加载电磁阀、压力控制阀、节流阀等组成。外界空气由空气过滤器除尘后，经卸荷阀进入压缩机主机进行压缩，在压缩腔内与润滑油混合，压缩后的混合油气经单向排气阀进入油气分离缸，在油气分离缸内分离大部分润滑油，在经过油气细分离器过滤掉残余所谓润滑油，接着经过最小压力阀，空气冷却器，空气干燥器，截止阀后，以较低的温度和较干燥的压缩空气送入使用系统，供用户使用。而润滑油主要起润滑轴承与转子接触面，密封啮合副间隙，冷却要所过程的作用，后者作用最为重要。油气缸内的润滑油在空气压力下被压入油冷却器，在油冷却器内被冷却后，再送入油过滤器滤去污垢和杂质。过滤后的润滑油在这里与油气细分离器经单向阀送来的润滑油汇合，其后共同经过供油电磁阀，分为两路。一路由主机