毕业设计（论文）-外驱动式制冷压缩机设计.doc

外驱动式制冷压缩机设计 外驱动式制冷压缩机设计学生姓名： 指导教师： 所在院系： 所学专业：农业机械化及其自动化研究方向：机械设计中国哈尔滨2015年6月neau bachelor degree dissertation student id: a07110687structrual design on refrigeration compressor of outside actuation candidate: instructor: institute: major: agricultural mechanization & automationresearch interests: mechanical designnortheast agriculture universityharbin, china june 2015ii摘 要随着社会的发展，科学技术的进步，人类对生存环境的舒适性要求越来越高，制冷与空调技术的发展也愈显重要。因为压缩式制冷技术仍是当代制冷技术发展的主流，所以提高压缩机的压缩效率和工作可靠性、开发应用节材、节能型压缩机，就成为制冷技术发展的主要方向之一。涡旋制冷与空调压缩机就是在这种背景下应运而生的。涡旋压缩机是一种轻型、低功耗的容积式压缩机，与其它类型压缩机相比具有体积小、结构紧凑、效率高、运行平稳等特点，已经广泛的应用在制冷空调等多种行业中。涡旋压缩机机构动力特性是压缩机工作过程的重要内容，其好坏直接影响压缩机的效率和可靠性，因此这方面的研究是涡旋压缩机研究的重点、关键。这也是将重点阐述的问题。本文在压缩机工作原理的基础上，从机构学角度分析其工作过程，对现有的机构模型进行分析，并建立了模拟压缩机工作过程的机构模型。针对保证动、静涡盘涡齿正确啮合的关键部位防自转机构，采用十字滑环，该机构在压缩机中具有良好的工作状态。此外，对涡旋盘的毛坯选择和主要精度要求也进行了理论分析。关键词：涡旋；压缩机；制冷；空调；效率iabstractwith the development of society, the progress of science and technology,the demand on the comfort of surroundings that human beings live becomes higher and higher, the evolution of refrigeratory and air- conditioner technology has also become more and more important. since constrictive refrigeratory technology is still the mainstream of the modern progress, improving the compressors compaction afficiency and working reliability, exploit the compressor which can save material and conserve energy has become one of the main directions in the refrigeratory technology.under this background, volution refrigeratory and air-conditioner compressor are generated. scroll compressor, as a light-weight, less energy costd is placement compressor, compared with other types of compressors with characteristics of small size, compact structure, high efficiency and smooth operation, already widely used in refrigeration, air conditioning, and many other industries.the research on dynamic characteristics of mechanism of the scroll compressor is an important element of compressor process, which plays a dominant role on the efficiency and reliability. so the research in this area is derived compressors research focus and the key. this is also described in this paper will focus on the issue.on the basis of principles of scroll compressor, the paper analyzed its work process from the perspective of institutions, the existed institutions models, and created scroll compressors work process institutions model. analyzed the key component, anti-rotationm echanism, which is sure quiet the correct mesh of orbiting scroll and fixed scroll，uses the cross link. in addition, has also carried on the theoretical analysis to the whorl gyrocompasss semifinished materials choice and the main accuracy requirement. key words: volution； compressors； making cold； air-conditioner； efficiencyii目 录摘要abstract 第1章 绪论11.1 概述11.2 工作原理 21.3 设计的主要内容 4第2章 涡旋压缩机型线62.1平面啮合原理62.1.1坐标系的平移62.1.2坐标系的旋转62.2圆的渐开线72.3涡旋型线的修正92.3.1经圆弧修正后的特点92.3.2基圆半径变化的渐开线特点92.3.3组合型线92.3.4其他修正型线92.4涡旋型线的构成原则102.5 动静涡盘的力学分析102.5.1 切向气体作用力 102.5.2径向气体作用力 112.5.3 轴向气体力 112.5.4倾覆力矩122.5.5 自转力矩132.6本章小结13第3章 结构设计及计算143.1基本参数的确定及计算143.2 传动机构153.2.1 主轴结构163.2.2 防自转机构183.2.3 密封技术和润滑183.3吸气孔及排气孔口的设计183.3.1 吸气孔口183.3.2 排气孔口193.3.3 吸排气孔口的边界处理193.3.4 对止回阀的处理203.4 皮带轮的设计计算203.4.1 电机的选取203.4.2 v带设计203.5 滑动轴承的设计计算223.5.1 复合材料滑动轴承的构造及特点223.5.2 主要特性及技术参数233.5.3 寿命计算 233.6 本章小结24第4章 涡旋盘的制造254.1对涡旋盘的主要精度要求254.1.1 绝对间隙与相对间隙254.1.2径向间隙密封对涡旋盘加工精度的要求254.1.3轴向间隙密封对涡旋盘加工精度的要求254.2涡旋盘的毛坯264.2.1合金铸铁264.2.2 涡旋体的形状264.2.3 其它关键零件的材质264.3 本章小结26结论27参考文献 29致谢30第1章 绪 论 1.1概述 1.涡旋压缩机发展简史及其优缺点涡旋压缩机最早由法国工程师creaux发明，并于1905年在美国取得了专利。但由于受当时的加工水平，测量技术等条件的限制，难以加工出高精度的涡旋形状，同时缺乏实用而可靠的驱动机构，使摩擦和磨术的实现以及具有自我补偿磨损的轴向密封机构的产生，为涡旋压缩机的研究开发创造了机遇和条件。又由于二十世纪70年代石油危机的出现，使能源紧张问题变得突出，节能成为衡量工业产品性能的一项重要指标，因此涡旋压缩机便以其结构紧凑、高效、节能、微振低噪以及工作可靠等特点，成为压缩机技术发展的主要方向之一，受到国际上的普遍关注。1972年美国a.d.l公司成功地开发出压缩氮气的涡旋压缩机，并把它用在远洋海轮上。1973-1976年间美国和瑞士先后开发了空气、氮气及氟里昂等涡旋制冷机，又由于可在13000rpm高速运行，己应用损问题不能妥善解决，因此涡旋压缩机在将近70年的时间里未得到普及应用。直到70年代初，由于数控机床的应用，计算机控制组装技于汽车空调等。据权威人士认为在1-15kw容量范围内，涡旋式制冷机是一种较好的制冷机型1。从开始产业化至今，短短数十年间，涡旋压缩机的发展可谓突飞猛进。国内外很多科研机构和个人都投入了大量财力，不遗余力地进行研究和开发。究其原因，是因为涡旋压缩机所具有的独特的优越性，这主要包括1:1) 振动小、噪声低。涡旋压缩机能实现连续无级变速，与往复式压缩机相比，载荷均匀，扭矩变化小，运转平稳，振动小。又因排气连续，气流脉动小，噪声亦随之减小。一般其噪声值比往复式压缩机低5db以上，扭矩变化平稳，与往复式压缩机相比降低90%。2) 容积效率高，由于经修正后的涡旋齿没有余隙容积且相邻压缩室的压差小。理论上容积效率可达100%，实测值也都在95%以上。3) 结构紧凑，体积小，重量轻。零部件数量少，无吸气阀、排气阀等易损件，无刚性连接，反复冲击部分少，线速度低。综合以上特点，使涡旋压缩机功耗小，效率高。其绝热效率比往复式压缩机高10%以上。涡旋压缩机的主要缺点是动静涡盘面为复杂的曲面，给加工和检测带来一定困难。动静涡盘之间通常保持一定大小的运动间隙来实现气体的密封，而这些间隙的存在使气体泄漏难以避免。2.国际、国内涡旋压缩机的发展现状自涡旋压缩机开始商品化以来，由于其诸多优点，所以关于涡旋压缩机方面的研究己经成为压缩机行业所关注的焦点2。拿每两年一度的“普度国际压缩机工程会议(icecp)”来说，自1984年以来，该会发表的关于涡旋压缩机方面的文章逐年增多。从1984年的2篇，上升到1986年的5篇、1988年的12篇、1990年的17篇、1992年的31篇和1994年的17篇。进入九十年代涡旋压缩机的系列化产品相继出现。日本松下公司生产出用于家用空调的小型全封闭涡旋压缩机，东芝公司推出了列车空调压缩机。美国carrier公司则在冷水机组上并联使用涡旋压缩机，以提高整机制冷量。用于变频调速压缩空气或其他用途的涡旋压缩机也得到了快速发展。如今日本和美国己经形成了多家大规模的生产局面。美国的考普兰、开瑞、泰康、trane和福特是生产该产品的主要公司，其中考普兰己经达到年产200百万台。日本的三菱电器、三菱重工、松下、大金、日立、三电、三井、东芝、三洋、岩田和佐藤等十多家公司都己经开始大规模生产。这些厂家制造手段先进，都采用了专用数控加工机床和生产线，而且品种多样，很多公司除了以制冷空调压缩机为主外，还开发出其它新产品。例如，福特公司生产的涡旋式汽车发动机增压气，三电公司生产的涡旋式空调，佐藤公司生产的真空泵，而三井、岩田和maneurop公司以生产涡旋式空气压缩机为主。我国从1986年开始涡旋压缩机的研制，虽然开发工作起步较晚，但发展还是比较快的。由于涡旋部件制造精度及材料方面的原因，试验结果还不理想。虽然有些小厂小批量(数百台/年)试生产了此类产品，其性能都偏低，能效比都在2.5-2.6以下，不但不能与国外相比，在国内也难以被接受。我们需要进一步加强国际合作，攻克加工精度低的难关，尽快实现涡旋压缩机的商品化生产。目前，我们的科研人员已在涡旋压缩机的研制开发中进行了广泛而有效的工作，包括:成功地解决了结构参数优化、背压补偿技术的应用、径向随变机构、防自转机构以及自动上油机构及耐磨减磨材料的选择等，减少了机械磨损功耗；对各种结构类型的涡旋压缩及其密封机构做出了普遍的理论分析；从设计角度降低了对加工装配精度的要求，降低了成本，提高了样机的的性能；创建了一种新的渐开线涡旋齿修正方法，并成功地用于产品设计中；提高了产品的质量，采用数控加工技术提高涡盘生产率与精度，总结出了高精密零件涡旋齿的精度、控制标准和质量控制方法等。此外，我国目前也在积极开发以空气、氮气作为工质的涡旋压缩机，并将涡旋原理应用到泵的设计和研制中去。 3.涡旋压缩机的发展前景及展望综观国内外涡旋压缩机的研究开发现状、生产制造水平以及市场的需求趋势，今后一段时间内，有关涡旋压缩机的研究动向可归纳为:1) 降低生产制造成本被列为研究工作的首要任务之一。提高涡旋盘的生产效率，设计出更加紧凑与更加适宜于工业化生产的结构都是直接的措施。2) 通过压缩过程模拟及优化设计，采用新的材料与新的机构来减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热损失和气流阻力损失，以提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。3) 拓宽应用范围和使用领域，实现产品系列化。扩大变频调速技术和热泵技术的应用。4) 适用新的制冷工质对涡旋压缩机结构的要求。 4.选题目的和意义本世纪七十年代初，爆发了全球性的石油危机，引起了人们对能源危机的恐慌，解决能源危机、节约能源成为全世界最重要的主题之一。压缩机是化工生产、空调制冷、动力等方面必不可少的设备，被称为生产循环系统的心脏。而压缩机又是耗能大户，拿我国来讲，我国压缩机的耗电量占工业总耗电量的10%以上。因此，人们迫切需要选用高效、节能的新型压缩机来替换和取代原来的压缩机以达到节约能源的目的，这种情况促进了涡旋式压缩机的迅速发展。由于压缩机是制冷、空调等装置的核心工作与耗能部件，其工作效率的大小直接关系着整个制冷循环系统的效率。虽然涡旋压缩机作为中小单元制冷空调系统的主要工作与耗能装置，具有比其他各种形式的压缩机更高的效率，但是其性能还受很多因素的制约，摩擦损耗和泄漏损耗仍是影响涡旋压缩机机械效率和容积效率提高的主要障碍。涡旋压缩机属容积式压缩机，由于容积式压缩机的热力过程主要是通过容积的变化来实现的，而容积的大小又取决于动、静涡盘的型线类型和参数，所以涡旋压缩机结构参数的优化可以提高整机效率、改善工作条件。 1.2 工作原理现将涡旋式压缩机压缩过程原理描述如下：主要压缩部件为两个互相啮合的渐开线涡盘。其中一个涡盘包括排气口是固定的，另一个涡盘为转动盘。两个涡盘之间通过一个防自转装置保持一个固定的相位角(180)，当转动盘在固定盘内按轨迹运转时，转动盘与固定盘之间会形成月牙型的空间，该月牙型空间逐渐缩小直到在涡盘的中部消失，吸气、压缩、排气过程即随着涡盘转动中月牙腔的变化而形成。我们一般用两到三周的运行轨迹来完成压缩过程以保持非常平稳的运行。涡旋压缩机既不需要吸气阀， 也不需要排气阀。无间隙容积使之成为非常高效率的压缩机。涡旋压缩机技术是提高效率和稳定性，减小噪音的重大发明，它的两个组成部分的非常复杂的涡旋原理优化了全封技术2。1一动涡盘 2一静涡盘 3一中心压缩腔 4一第二压缩腔 5一第三压缩腔图1.1 压缩过程示意图本设计是一种卧式结构可变容量的空气压缩机。电动机通过带传动方式与压缩机主轴相连，机壳内气体为吸入状态，采用润滑油供油。排气管的一端接在排气腔，另一端接油气分离器的管道，再经管路引入气罐。其中气量调节机构是这样实现的：当主轴驱动动涡盘运动时，压缩腔内的气体受到压缩，高压气体由静涡盘上开设的排气孔口排出。在这种情况下，如果电磁阀不通电，排气腔与活塞的汽缸之间的连通被中断，于是活塞受弹簧的反弹力作用向上移动，使活塞底部处于孔口的上部。中间压力腔中的实际压缩比由于控制机构的作用而大大降低。因为中间压力腔中的气体返回吸气腔，减少了涡旋压缩机的吸气量，所以涡旋压缩机的容量发生了变化。另一方面，当电磁阀通电时，排气腔中的高压气体经毛细管流入活塞的汽缸，此时，弹簧力小于压缩气体的推力，活塞向下移动。在这种情况下，连接汽缸与背压腔中的孔口被活塞遮盖，吸气腔与中间压力腔之间的连通被隔断，于是中间压力腔的气体上升到与中间压缩腔中气体压力相等。当压力平衡时，背压孔由于止回阀的阀片自身的弹力作用而被关闭，压缩机正常工作。 13设计的主要内容 1.基本结构的设计 涡旋压缩机的压缩机构由5个主要零件组成：固定涡旋盘、运动涡旋盘、十字连接环、曲轴和机架。固定涡旋盘与运动涡旋盘相互交叉组装在一起，两者相互间有180相差，因而彼此间在几条直线（在横截面上则是几个点）上接触并形成月牙形的空腔。涡旋盘中有一个被固定在机架上，另一个绕被固定涡旋盘的涡旋体中心运动。这个运动的涡旋盘是由一根偏心距很小的曲柄轴机构来驱动。两涡旋盘之间的相位差由安装在运动涡旋盘背面和机架之间的十字连接环来保证，十字连接环是一个防止运动涡旋盘自转的联结机构。在压缩机结构和电动机组合的整体构造确定后：1）由运行条件和冷冻能力大小等设定值假定效率，确定容量、容积比，选定涡旋件齿形各参数。2）从压缩做功、压缩腔的压力变化等求出作用于两涡旋盘的力，确定背压孔的尺寸和位置。3）根据作用于旋转涡旋盘的自转力决定十字环的形状。4）求出作用于各轴承的载荷，确定轴承结构和型式、润滑系统。5）评价曲轴、机架等的强度、刚性等。 2.涡旋盘的型线设计涡旋压缩机主要依靠一对涡旋盘来实现吸气压缩排气过程，而构成涡旋盘涡旋体的曲线可以采用螺旋线、正多角形的渐开线以及圆的渐开线。正多角形的渐开线是一条用圆弧连接成的光滑曲线，而圆的渐开线是一条用无限短的圆弧连接成的曲率连续变化的光滑曲线。涡旋压缩机中大多采用圆的渐开线作为涡旋体的涡旋曲线。渐开线上任意一点的切线总垂直于发生线。涡旋体主要参数：基圆半径 r涡旋体节距 p=2涡旋体壁厚 t=2a涡旋体高度 h渐开线起始角 动静涡盘的基圆中心距离 r=p/2t 3.涡旋压缩机的动力分析与计算轴向力及轴向力的平衡涡旋压缩机工作时，压缩腔中气体的压力随压缩腔容积的减小而增高。而被压缩气体产生的轴向力则要迫使动涡旋盘脱离静涡旋盘，破坏压缩腔的密封性。能否合理地平衡气体轴向力是涡旋压缩机能否可靠运行的重要条件之一。目前通常有三种方法：在动涡盘的背面安装推力轴承。其缺点是当一对涡旋盘之间发生滑动摩擦时，材料的磨损不能被自动补偿，无法有效的防止气体泄露。在动涡盘的背面施加弹簧力。这种方法虽能自动补偿摩擦磨损，但压缩机的运行工况改变时，弹簧力不能随之改变，因而不能使轴向力的平衡始终保持最佳状态。在动涡盘的背面施加气体力。这种方法既能自动补偿摩擦磨损，又能在运行工况发生变化时相应的改变背压室中的气体力，使轴向力的平衡始终保持最佳状态。本设计采用第三种方法。动涡盘的公转阻力矩与自传力矩涡旋压缩机在压缩气体的过程中，由于各压缩腔的压力不同，气体就对动涡盘产生公转阻力矩与自传力矩。驱动机驱动动涡盘公转时将要为克服公转阻力矩和摩擦阻力矩而消耗功。公转阻力矩随着曲柄的回转角而变化。气体切向力是作用在动涡盘与静涡盘的基圆连线的中点上，但最终要通过动涡盘涡线的基圆中心，即从曲柄销传至曲轴的主轴上。由于切向力以及动涡盘的公转阻力矩随曲柄回转角的变化均很小，因此一般不需专门设置飞轮。在曲轴与动涡盘上设置平衡重是为了消除不平衡的惯性力（矩）。由于动涡盘上的涡旋体，其质心不在涡旋基圆中心（通常与涡旋盘中心重合）上，为求动涡盘的公转惯性力，需先求出该涡旋盘的涡旋体质心。如果该涡旋体为均质刚体，则涡旋体的质心就是其形心。为了用平衡重平衡动涡盘的公转惯性力，要求整个涡旋盘的质心在基圆中心上。而涡旋体的质心偏离基圆中心，故需先设法把涡旋体的质心移至基圆中心。在动涡盘的端盖上附加一个平衡质量，可将涡旋体的质心移至基圆中心。第2章 涡旋压缩机型线 2.1平面啮合原理实现涡旋压缩机的正常工作的必要条件是：动涡盘与静涡盘的涡旋体在压缩腔内能够啮合。所谓啮合是指静涡盘的涡旋体在压缩腔内的某一点，必有动涡盘涡旋体上的一点与之对应并实现瞬间接触。用垂直于轴线的任一平面剖分动静涡盘的涡旋体，获得的平面组合是相同的。在研究动静涡盘的涡旋体啮合时，有两种情况：一种情况是已知一个涡盘的涡旋体的涡旋线方程，利用啮合关系，求出另一个涡盘的涡旋体方程及两者之间的啮合特性，也可以利用动静涡盘型线相差180特点，直接导出另一个涡盘型线所满足的关系式。另一种情况是假设某一种曲线可以构成涡盘的涡旋型线，利用啮合性要求，去证实这种存在性。 2.1.1 坐标系的平移图2.1所示的坐标原点不重合，但同名坐标轴是相互平行的坐标系和。图2.1 坐标系的平移可得到各坐标轴上的投影式为，这就是空间直角坐标系的平移公式。 2.1.2 坐标系的旋转设两空间直角坐标系与有共同的原点点。图2.2 坐标系的旋转可得涡旋型线在平面直角坐标系之间的一般变换公式 如果已知动涡盘涡旋型线上某点的坐标值，就可以利用上式求出静涡旋盘涡旋型线在其坐标系下与其相对应的坐标值。但是值得注意的是在利用上式进行坐标转换时，需要首先确定与之间的距离，这一距离与型线的节距和涡旋体壁厚有关。由分析可知，涡旋压缩机的涡旋型线是以相位差180组装的，工作时其基圆中心之间的距离保持定值r。图2.3 与间距离示意图 这说明，涡旋型线正常啮合的前提条件之一是=，故可得： （2.1）2.2 圆的渐开线1）圆的渐开线容易加工，可以用圆的渐开线展成原理加工涡旋型线。在基圆上任一点安装刀具，当工件回转一周时，恰好工件也同时平移2，将这种移动和转动不断地同时进行下去，就可以得到渐开线。这时，随着刀具中心轨迹成为渐开线，它的包络线也成为渐开线。加工涡旋型线的常用精加工设备带有c轴的四轴联动铣床就是应用这个原理设计制造出来的。2）与其它类型的渐开线相比，圆的渐开线涡旋压缩机具有更加紧凑的结构与良好的工作性能。下面以圆的渐开线为例，说明涡旋型线的基本参数。 图2.4 圆的渐开线渐开线节距 p=2渐开线发生角 涡旋体壁厚 t=2a涡旋线的高度 h渐开线的渐开角 动静涡盘的基圆中心距离 r=p/2t r实际上是涡旋压缩机的一个重要结构参数。涡旋压缩机工作时，由于动涡盘基圆中心是绕静涡盘的基圆中心作半径为r的圆周轨道运动，故r又称为转动半径。动涡盘的运动是由偏心轴驱动的。理论上偏心轴的中心线，应与静涡盘基圆中心线相重合；曲柄销的中心线，应与动涡盘基圆中心线相重合。故r成为偏心轴的偏心量，满足r=p/2t的涡旋型线组合，可构成封闭的容积腔。涡旋体壁厚中心上任一点的坐标为： （2.2）实际工作生产中，有三种情况必须考虑：1）动涡盘的涡旋体壁厚与静涡盘的涡旋体壁厚不相等，但各自对其壁厚中心面是对称的，即理论壁厚中心线与实际壁厚中心线重合。2）动涡盘的涡旋体壁厚与静涡盘的涡旋体壁厚相等，但各自对其壁厚中心面是不对称的。3）动静涡盘的涡旋体壁厚不相等，而且各自对其壁厚中心面也是不对称的。设动涡盘的涡旋体厚度为t，偏离中心线的距离为，静涡盘的涡旋体厚度为，偏离中心线的距离为。在第一种情况下，只要满足r=(2at/2)(at/2)=p/2t，涡旋型线保持正常啮合，涡旋压缩机可正常工作，这时与t应满足：r=p/2(t)/2 （2.3）在第二种情况下，只要满足关系式r=(2at/2)(at/2)=p/2t和=，两涡旋型线偏离中心线的方向一致，则涡旋压缩机可正常工作。在第三种情况下，只要满足关系式r=p/2(t)/2和=，且动静涡盘的涡旋型线偏离中心线的方向是一致的，则涡旋型线是啮合的，涡旋压缩机的压缩腔是封闭的。 2.3涡旋型线的修正设计动静涡盘时，常对原始涡旋型线进行修正，以实现不同的目的。为了减少涡旋压缩机的几何尺寸，可将涡旋体偏置于涡盘底端板上，也可以通过改变涡盘型线的布置来获得比较小的压缩机体积。对型线进行修正，可以减小压缩机的集合尺寸，以获得较大的几何压缩比等。修正的方法主要有三种，即对圆的渐开线起始段修正、基圆半径连续改变的渐开线和组合曲线等。 2.3.1经圆弧修正后的特点充分减少了渐开线起始段构成的无用容积，即无修正时形成的余隙容积。1）提高了涡旋压缩机的压力比。在相同压力比时，经圆弧修正后的涡旋压缩机可设计成更加紧凑的结构。2）改善了渐开线起始段的切削工作状态的受力特性。3）经过圆弧修正后的涡旋压缩机，可获得较高的工作效率。 2.3.2基圆半径变化的渐开线特点基圆半径发生变化的圆的渐开线具有如下的特点：1）涡旋体壁厚随着渐开角的变化而变化，使得涡旋型线的设计更加方便。2）当涡旋型线的其它参数相同时，基圆半径连续变化的渐开线，比基圆半径保持不变的渐开线需要更小的涡旋型线高度。3）基圆半径变化时，同时引起了压缩腔容积的变化 ，改善了涡旋压缩机的设计条件。 2.3.3组合型线1）组合曲线大大减少了涡旋压缩机的轴向间隙泄露线长度。2）组合曲线涡旋体壁厚的增加，增大了气体通过轴向间隙泄露时的阻力，有利于获得较高的压缩效率。3）组合曲线涡旋型线缩短了单位质量气体在压缩机中的停留时间，这不利于轴向密封并出现有害的热传递。4）组合曲线涡旋体的加工和测量不像传统涡旋体那样方便。气体作用力的变化幅度增大，不利于涡旋压缩机的运行。尽管如此，涡旋压缩机采用组合曲线涡旋型线时，所引起的气体作用力的变化幅度增大的程度远小于往复式压缩机和活塞式压缩机中气体作用力的变化幅度。 2.3.4其它修正型线由于设计目的不同，常对涡旋型线进行特殊修正。常见的修正型线还有：修正的阿基米德型线、修正的线段渐开线、型线偏置等。 2.4涡旋型线的构成原则当涡旋压缩机正常压缩气体时，涡旋型线的构成应符合如下原则：1）动涡盘或静涡盘上位于压缩腔内的给定点，在静涡盘或动涡盘上，有且只有一点与之相啮合，并且内侧壁面上的点与外侧壁面上的点相啮合。2）当涡旋型面上一对共轭点相啮合时，动静涡旋盘涡旋型线类型的几何形状中心之间的距离，不随主轴转角而变化。这里的特征形状是指能够反映涡旋型线类型的几何形状，对于圆渐开线涡旋型线的特征形状是指基圆。3）一对啮合点相啮合时，啮合点所在涡旋型面的切向相互平行，并且与通过涡旋型线特征形状几何中心之间连线方向相垂直。2.5动静涡盘的力学分析作用在动、静涡盘上的力分为气体作用力和非气体作用力两大类。因为涡旋压缩机的各同名压缩腔都是对称型的两个，所以动静涡盘上承受着相同的气体作用力。作用在静涡盘上的气体作用力最终要传到壳体上来，引起涡旋压缩机的振动和噪音。由于在主轴一转之中，这些气体力的变化幅度不大，与往复式压缩机相比，这些振动与噪音比较小。然而，作用在动涡盘上的气体力则直接影响着涡旋压缩机的容积效率和机械效率。作用在动涡盘上的气体力及力矩如图2.5所示。主要是指轴向气体力fa、径向气体力、切向气体力、倾覆力矩和自转力矩。图2.5力及力矩示意图 2.5.1切向气体作用力 沿偏心轴切线方向施加在动涡盘上的气体作用力，成为气体切向作用力。用符号ft表示。 （2.4）式中：p涡旋体节距第i个压缩腔中，动涡旋上承受的切向气体力 偏心轴的曲柄转角压力比吸气压力h涡旋体高度由参考文献3可知：当=时所受力及力矩值最大，所以可取=时计算其受力情况。k当进行绝热压缩时 （2.5）k等熵指数第i个压缩腔内气体压力由公式（2.5）得，n 2.5.2径向气体作用力径向气体作用力是指沿动静涡旋盘基圆中心连线方向施加在动涡盘上的气体作用力，用符号表示。 作用在第i个压缩腔时的径向气体作用力为： （2.6）因此，当圆渐开线组合成n个压缩腔时，作用在动涡盘的径向气体作用力为： n 需要指出的是，径向气体作用力使驱动中心向静涡盘中心靠近，这对于可调偏心量的涡旋压缩机，主轴偏心量r有减少的趋势，使径向间隙扩大，通过径向间隙使气体泄露量增加。这一点在可调偏心量以及变频调速型压缩机设计时应特别注意。 2.5.3轴向气体力 轴向气体作用力是涡旋压缩机涡旋盘上承受的最重要的气体力，也是涡旋压缩机的主要缺点之一。它会使动涡盘沿轴向脱离静涡盘，增大了轴向间隙，导致径向气体泄露的增加。 对于其它转子式压缩机，工作转子在压缩腔内几乎不承受轴向力，如滑片式压缩机、滚动活塞式压缩机等。因此，对涡旋式压缩机，计算动涡盘上承受的轴向气体力是十分重要的。 动涡盘上承受的轴向气体作用力为： n 2.5.4倾覆力矩 由于切向气体力与径向气体力的合力作用f的作用点与驱动动涡盘运动的曲柄销的作用点不在同一个垂直于轴线的平面内，因此引起动涡盘倾覆，其力矩 图2.6力矩分析图 （2.8）由公式（2.8）得， f=1077.5nh=1/240+40=60mm=66.78nm由上式可以看出，涡旋型线高度越大，h也越大，倾覆力矩就越大。 倾覆现象引起动涡盘工作状态不稳定，并使动静涡盘的涡旋体之间进行接触，增加摩擦功耗。 2.5.5自转力矩当动涡盘的基圆中心作为驱动中心时，由于垂直作用在曲轴切线方向的切向气体力是作用在动涡盘和静涡盘基圆中心连线上的中点上，所以产生了使动涡盘绕主轴偏心线转动的力矩，该力矩称为自转力矩，其方向和动涡盘转动方向一致。如果用来表示这个力矩，则为： =r/2ft=3.46nm 自转力矩破坏了涡旋压缩机的正常工作，在结构设计时必须严格限制动涡盘的自转。常见的防自转机构有十字环、圆柱销等。 2.6本章小结本章主要对涡旋压缩机型线进行了分析，由于圆的渐开线容易加工，故可以用圆的渐开线展成原理加工涡旋型线，其次介绍了涡旋压缩机型线的构成原则。同时对涡旋压缩机的动静涡盘进行了力学分析，分析并计算了其切向气体作用力、径向气体作用力、轴向气体力、倾覆力矩及自转力矩。并介绍了在结构设计中需注意的事项。其中，渐开线的分析作为本章的重点。第3章 结构设计及计算 3.1基本参数的确定及计算1.涡旋体壁厚t t根据涡旋体工作时受力情况而定，以保证刚度和强度为前提。由于涡旋体顶部设置密封槽，一般取210mm, 故取t=6mm。 密封槽尺寸：h=3mm b=2mm mm 2.渐开线发生角 取3.渐开线节距p或基圆半径a t=2a （3.1）=t/2a=3.82mmp=2=24mm4.确定 采用n=1000r/min （3.2）由式（3.2）又 取=0.95若已知，即可求。得=170cm5.排气角排气角是渐开线发生角的函数 =f () （3.3） （3.4）由式（3.3）、（3.4）得 6.确定n 设=52则v=3.3m/s得 n=37.确定hh= （3.5）代入数据得h=40mm8.确定吸气结束角由于渐开线圈数是整数圈，所以吸气结束角为0 n= （3.6）而由式（3.6）也可验证这个结论。9.动、静涡盘基圆中心距离rr=e=p/2t=24/26=6mm10.工况涡旋压缩机压缩空气、氧气、氮气等非制冷工质气体，按开式循环工作。气体的绝热指数吸气压力排气压力吸气温度t排气温度压缩机转速 3.2传动机构涡旋压缩机结构主要分为动静式、双公转式两种。目前动静式应用最为普遍，它的工作部件主要由动涡旋与静涡旋组成，动、静涡旋的结构十分相似，都是由端板和端板上伸出的渐开线型涡旋齿所组成，两者偏心配置相差180，静涡旋静止不动，而动涡旋在专门的防自转机构的约束下，由曲柄轴带动偏心轴回转平动（即无自转，1静涡盘 2动涡盘 3支架 4偏心轴图3.1 外驱动式涡旋压缩机只有公转）。如图3.1所示。动、静涡旋盘都采用合金材料，在涡旋端面上开设有涡旋状的槽，槽中置有密封条，用于密封轴向间隙。动涡盘进行硬质阳极氧化膜处理。为确保铝合金材料制作的静涡盘的耐磨性，在静涡盘的侧面板上嵌了耐磨板，以防止动涡盘的涡旋体端部对侧面板的磨耗，对动涡盘的驱动力，减小摩擦和磨损。轴端密封采用双唇形密封结构，提高密封效果。汽车空调压缩机的壳体腔设计成低压（吸气压力）结构，也是为了保证轴封的密封效果及使用寿命。球形联轴器用来承受动涡盘上承受的轴向气体压力，而且用于防止动涡盘的自转运动。为了发挥涡旋压缩机的超高速性能，设计电磁离合器时要尽量减小滑轮的直径。驱动销可以在半径上变动，使得偏心轴瓦在中心位置摆动，从而使动涡盘实现回转偏心摆动。平衡块可以有效地抵消动涡盘的回转。涡旋压缩机的传动机构按使用目的可分为两类：一类用于传递动力，像主轴旋转机构；另一类用于保证涡旋压缩机的正常工作，如防自转机构。由于涡旋压缩机的应用场合不同，传动机构的具体结构形式会有差异。 3.2.1主轴结构因为动涡盘中心绕静涡盘中心的圆周轨道运动是在偏心主轴的驱动下实现的，所以主轴成为涡旋压缩机的主要零件之一。相应的结构就成为涡旋压缩机的主要结构。1、 轴的结构形式主轴驱动动涡盘的运动方式有两种。如图3.2所示。图3.2 涡盘运动方式图a是曲柄销，又称凸台；图b是一个凹槽。图中t为主轴的偏心量，即曲柄销的中心线或凹槽中心线离开主轴中心线的距离，也就是主轴的转动半径r。两种结构的主轴驱动动涡盘的工作原理是相同的，但实际应用时是有区别的。曲柄销的圆柱外表面是动涡盘运动的直接驱动面，因此有一定的硬度要求，表面硬度为5060hrc，且沿轴线方向磨出一小平面，以利于润滑油的流动及形成润滑油膜。平面的大小与曲柄销的直径有关，切去的厚度为0.150.5mm。一般情况下，凹槽的内表面并不是动涡盘的直接驱动面，而是在凹槽内镶入一滑动轴承或滚针轴承，轴承的内表面便是动涡盘的真正驱动面。偏心主轴通常是钢件，常见的牌号有20、40cr、45钢。粗加工后调质处理至硬度达250300hbs，半精加工后则利用渗碳和高频淬火，硬度达4555hbs。也有使用65mn作为主轴材料，以提高主轴强度，特殊情况下还使用gr15。从两种结构形式来看，凹槽的加工要困难一些，因为内圆磨的装夹效果不如外圆磨。2、 驱动主轴的方式驱动主轴作旋转运动的动力设备有电动机和发动机，前者对应的涡旋压缩机结构可以是开式、半封闭式或全封闭式；而后者则主要用于开启式结构。因此，直联及带传动传递是电动机和发动机动力的两种主要方式。在直联方式中，当电动机被封闭在压缩机的机壳内时，即设计为全封闭结构形式时，电动机转子与主轴通过键或过盈配合方式相联结，也可以是键与过盈配合同时使用。电动机转子内孔与主轴外径的过盈量与电动机的功率大小有关，传递功率大时取较大过盈量，功率小时取小的过盈量，一般过盈量取0.0150.05mm。当涡旋压缩机为开启式结构时，电动机被隔离在压缩机壳体之外，主轴伸出端与电动机转子上伸出的短