（动力机械及工程专业论文）汽车空调用涡旋压缩机技术研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国汽车工业的飞速发展和人们物质生活水平的提高，人们对舒适性、 可靠性、安全性的要求愈来愈高。近几年来，国内生产的大部份轿车及一些豪 华客车上都安装有空调，它是提高汽车竞争能力的重要手段之一。而车用空调 要求体积小、重量轻，并且要能在比较恶劣的工况下工作，与传统的往复式和 斜盘式空调压缩机相比，涡旋压缩机因其性能上满足上述特点而在汽车空调的 应用上具有明显的优势。 本文首先论述了汽车空调用涡旋压缩机的结构及工作原理，深入研究涡旋 型线的设计及齿端修正的三种方法，详细阐述了涡旋压缩机的几何理论，其中 包括压缩腔容积、气体压力计算方法以及几个基本几何量之间的关系，并对涡 旋盘受气体力的情况进行了理论上的分析。 本文还重点讨论了防自转机构的几种结构形式、工作原理以及设计思路， 比较了几种防自转机构的优缺点，确定了设计方案，并进行了涡旋盘的动密封 分析，分析了径向、轴向密封的各种途径。 在此基础上自编m a t l a b 程序对涡旋压缩机的工作过程进行计算，得出涡旋 压缩机工作过程中各腔容积、压力、涡旋体受力及力矩随曲轴转角的变化规律。 此程序具有一定的通用性，适应于涡旋压缩机变参数的设计与优化。 然后以三维c a d 软件p r 啦n g i n e e r 为平台对q w j 9 0 型涡旋压缩机进行 了零部件的建模及整机的虚拟装配。在此过程中实现了涡旋盘的型线结构的参 数化设计、掌握了各个部件的约束配合关系，并对所设计的整机模型进行运动 仿真，形象直观地反映涡旋压缩机重要零件的运动规律。 关键词：涡旋压缩机，型线设计，运动仿真，虚拟装配 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di nc h i n a ，m o r ea n dm o r ep e o p l er e q u i r et h e c a rh a v ec o m f o r t ， r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y s o ，r e c e n t l y , m o s to fs a l o o nc a ra n dl u x u r yp a s s e n g e rc a rh a v e e q u i p p e da i r c o n d i t i o n ，w h i c hi st h eo n eo fm o s ti m p o r t a n tm e a s u r et oi m p r o v et h e a b i l i t yo fc o m p e t i n gw i t ho t h e r s b u ta u t o m o b i l er e q u i r e st h ea i r - c o n d i t i o nh a ss m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n dc a nw o r kw e l le v e ni nt h ep o o rc o n d i f i o n s oc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a l c o m p r e s s o ro fa i r c o n d i t i o n ，t h es c r o l lc o m p r e s s o rh a v et h eo b v i o u s a d v a n t a g ef o ra u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o nb e c a u s ei tf u l f i l lt h ec h a r a c t e rm e n t i o n e d a b o v e i nt h ef i r s tp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o nt h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ew o r kp r i n c i p l eo f s c r o l lc o m p r e s s o ri se m p h a s i z e d ，t h ed e s i g n i n go fw r a pp r o f i l ea n dt h em o d i f i c a t i o n o fs c r o l lc o m p r e s s o rt o pw r a pi sd e e p l yr e s e a r c h e d ，a n dt h eg e o m e t r i ct h e o r i e so f s c r o l lc o m p r e s s o ri n c l u d i n gt h e c a l c u l a t i n gm e t h o do fc u b a g eo fc o m p r e s s i o n c h a m b e ra n da i rp r e s s ，a n dt h er e l a t i o no fs o m eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e ro fs c r o l l c o m p r e s s o ri sd i s c u s s e d m o r e o v e qt h es t r e s sc o n d i t i o no fm o v i n gp l a t ei sa n a l y z e d i nt h e o r y i na d d i t i o n ，s o m ec o n f i g u r a t i o n ，w o r kp r i n c i p l ea n dc o n s i d e r a t i o no fd e s i g n i n go f a n t i r o t a t i o nm e c h a n i s mi se m p h a s i z e d t h ea d v a n t a g ea n dt h ed i s a d v a n t a g eo f a n t i r o t a t i o nm e c h a n i s mi sc o m p a r e d a n dt h ed e s i g n i n go fb l u e p r i n ti sc o n f i r m e d t h ed y n a m i c a ls e a l i n go ff i x e da n dm o v i n gp l a t ei nt h es c r o l lc o m p r e s s o ri sa n a l y z e d t h e nt h i sd i s s e r t a t i o nu t i l i z e st h es o f t w a r em a t l a bt oc a l c u l a t et h ep r o c e s so ft h e s c r o l lc o m p r e s s o rw o r k i n ga n dt h er u l eo ft 1 1 ec h a n g eo fc u b a g eo fc o m p r e s s i o n c h a m b e r , s t r e s sa n dp r e s sw i t ht h ec h a n g eo fc o m e ro fc r a n k s h a f ti se d u c e d i th e l p s t oc a l c u l a t eb a s i cp a r a m e t e rn e e d e do fs c r o l lc o m p r e s s o rd e s i g n ，a n a l y s e sv o l u m e c h a n g ec u r v e a tl a s tp a r to ft h ep a p e r , t h r e e d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd e s i g ni su t i l i z e dt oc a r r y o nt h e3 dm o d e l ，v i r t u a la s s e m b l eb ys o f t w a r ep r o e n g i n e e r , a n du s et h em e c h a n i s m f u n c t i o no fp r o e r i g i b e e rt os e tu pk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n da n a l y s e sm o d e l s ，c a r r y o ns i m u l a t i o nm o v e m e n to fc o m p l e t es c r o l lc o m p r e s s o li nt h i sp r o c e s st h ed e s i g n i n g o ft h ep a r a m e t e ro fc o m p r e s s o rc o n f i g u r a t i o na n dt h er e l a t i o no fs o m ep a r t sm a t i n gi s g r a s p e d k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r , w r a pp r o f i l e ，m o v e m e n ts i m u l a t i o n ，v i r t u a la s s e m b l y l i 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：证2 翊丕日期鲨堡6 ：垒。甲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：啦导师签名：扭日期立6 。： 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉瑾工夫学硕士掌使论文 1 1 课题概述 第王章绪论 涡旋式压缩机是一种借助于容积的变化求实现气体压缩的流体机械，这一 点与镰复式压缩掇糖同。涡旋式压缭辊豹主襄零传动涡盘懿运魂，是在穰心辘 靛壹接驱动下迸彳亍豹，这一点又与旋转式嚣缡橇褪嗣。满旋式压缩祝豹压臻整 形状及其变化，既不同予徒复式压缩机，又不同于旋转式压缩机，故把它称作 新一代容积式压缩机。 综合起来，涡旋压缩机有以下特点： 1 ) 多个压绾驻同时工佟，钼邻压缀腔之阙豹气体匿差，j 、，气体渣瀑量少， 客辍效率燕达粥鞴9 8 。 2 ) 驱动动涡盘运动的偏心轴可以高速旋转，涡旋式压缩枫体积小、重量轻。 3 ) 动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小。 4 ) 没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转。可熬，且特别适应于变转速运转和变 频调遴技术。 5 ) 蠢予蔽攘气遘簇a 警连续送行，整辍襟声缀羝。 6 ) 轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，甜鼠僳证轴向间隙 和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损黼- 降低，即涡旋压缩机商可靠的和有 效的密封性。 7 ) 在热泵式空调装鬟中，涡旋压缩枫有麓良好的工作特性。 8 ) 凌漏盘上零受魏麓离气葵箨鼷力，| l 蠹主辘转建发生交玩，缀滚掺热其分 地鸯蟊以平衡，此轴向气体力往注带来摩擦功率消耗。 9 ) 涡旋盘的加工精艨，特别是涡旋体的形位公差有很高要j i 乏，端板平面的 平面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂崴度，应控制在微米级，因此，需 采用专门的加工方法、加工技术和加工设备。 武汉理e 大学硕士学位论文 1 2 研究的嗣的和意义 隶l 冷压臻蕊楚空疆装鬻翡核心，蠲子汽车窆灞静压缩凝多这3 0 4 0 耱，主 要机型是压缩式容积型的压缩机。戴中以往复活塞立式压缩机装入汽车空调为 最早，蠢现在基本上被斜懿式压缩机替代。斜盘式压缩樾是汽车塑调最主要的 祝型，因为辩盘戏压缩税的设计、缭梅及加工工艺、绦修等都比较成熬，戳斜 盘式作为汽车压缩机约占总压缩机最的8 0 。从压缩机容积效率、零件数多少、 只寸紧凑、重受援拣、节簸效果、噪音戳及瓣久犍等逡学跑鞍，入袋选择茂车 空调器的压缩机蹩心由传统的往复活塞式汽车空调转向回转式压缩机，回转式 压缩机主要机型有旋叶式、滚动活寨式、螺杆式、三角转子式、涡旋式压缡机 等。其中最弓l 入注目静怒涡旋式舔缡梳。涡旋压缩瓿俸为第3 代援缩穰产箍， 与第1 代往复式压缩机比较，有结构简单、体积小和重髓轻的特点。与第2 代 产晶圜转式莲缨枫比较，溺旋压绩枫蠢较衰麴容积系数，且气流躲动羝。满婕 式压缩机在汽车上的应用有增加的越势，因此，开展汽车空调用满旋压缩机技 术研究具有重甍的理论意义和工程实用价值。 1 3 涡旋压缩机国内外发展现状 1 3 1 满旋压缩机的国外发展掰史 1 9 0 5 年，法嗣入l e o nc r e u x 援如涡旋机拨魏工雩# 原理，并申请美国专利。 7 0 年代，商精度数控铣床盼涌现和世界能源危机的加剧，促进了涡旋聪缩 机的发展。 1 9 7 2 年，美鬻鹣a r t h u rdl i t t l e 公司袋臻嚣发密瞧缝氦气缝涡旋基缀税， 并应用在远洋海轮上，标恣着涡旋鹰缩机实用化年代的到来。 8 0 年代，濑旋压缩机蓠先在空调压缩机技术领域取缮商业应用。( 8 1 年， s a n d e n 、m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r i e s 推出汽车空调用满旋压缩祝；8 3 年，硪t a c h i 推出根式空调用全封闭涡旋压缩机；8 7 年，c o p e l a n d 开始生产空调压缩机) 粥年我，瀵旋蹑续飙戆系裂纯产基穰继| 、薅繁。强零松下电器公司生产感家 用空调用小型全封闭压缩机；东芝公司推出列牟空调用压缩机；c a r r i e r 公司推 出在冷水机组上并联使用的涡旋压缩机。涡旋窝气压缩机也碍到一定的发展。d s 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 涡旋压缩机的国内发展现状 近些年来，我国压缩机行业得到了较快的发展。国外的一些知名压缩机厂 家纷纷以独资或者合资的方式进入我国市场，目前已有日本h i t a c h i 、d a s k i n 、 n a t i o n a l 、t e c u m s e c h 、m a t s u s h i t a 公司以及美国的c o p e l a n 、t r a n e 等公司陆续投 入了批量生产，但是大部分技术及资金都集中在制冷、空调领域。涡旋式空气 压缩机方面由于生产技术和性能研究仍不完善，发展相对缓慢，国内具有市场 竞争力的厂家不多，国外仅有瑞典a t l a s 、日本1 w a t a 、m i t s u is e i k i 等几家公司 投入生产。因此，对涡旋式空压机性能及技术改造的研究显得日趋重要。 国际上，7 0 以上研究涡旋压缩机的文献都偏向于制冷、空调方面，而对于 汽车空调用涡旋式压缩机的研究较少。国内涡旋式压缩机的研究也只是近1 0 年 的事情：先后有兰州理工大学、西安交通大学、甘肃工业大学、合肥通用机械 研究所及一些其他院、所和工厂对涡旋技术进行了有规模的研究开发，并研制 出涡旋式空气压缩机不同型号的样机。然而由于生产加工设备相对落后、科研 工作主要集中在微、小型压缩机上，至今国内汽车空调上涡旋式压缩机尚未实 现大量应用。 1 4 涡旋压缩机当前存在的问题 涡旋压缩机的研究主要借鉴技术比较成熟的滚动活塞式、螺杆式等回转压 缩机模型，从而建立涡旋式压缩机的工作过程数学模型，并通过对压力比、转 速以及喷油等外部参数的变化来分析压缩机性能，为压缩的设计提供可行的运 行条件。但是由于涡旋压缩机工作特性比较复杂，各研究文献的侧重点互不相 同，分析也不能全面，所以至今无法建立涡旋式压缩机统一的系统的数学模型。 同时，鉴于实验条件和技术的限制，许多研究只限于理论分析而没有具体的实 验结果验证。通过总结和分析，认为国内涡旋压缩机的研究还存在很多问题， 其不足之处主要表现在以下几个方面哺j ： 1 ) 从研究的对象来看，不够全面和系统。目前主要注重于压缩内部机构， 如涡旋盘、十字滑环、型线、吸排气角等，忽视压缩机系统，如油冷却器系统、 电机、供油系统等，而机外辅助系统对压缩机性能影响很大。 2 ) 从研究方法来看，无法建立比较通用和准确性高的数学模型。涡旋压缩 武汉理工大学硕士学位论文 机工作情况比较复杂，数学模型必然要对所选对象进行特定的简化和假设，因 此其工作模型缺乏通用性。虽然高速计算机出现提供了建立详细的数学模型及 准确数字计算的条件，但是涡旋压缩机工作模型往往由于热力学模型与动力学 模型相互影响，使得数学建模不得不简化诸多因素，但简化越多，数字计算结 果与实际工作过程的差距越大。 3 ) 从生产和市场来看，我国目前真正拥有涡旋压缩技术并能大批生产的公 司并不多。国外，美国、日本和法国的几家公司都拥有自己的产品专利，垄断 了具有优越性能的涡旋压缩专利产品。但是，国外产品价格昂贵，不适应中国 国情，国产涡旋压缩机在竞争中还是有可取的优势的。因此，提高加工工艺， 加大生产力度，实现批量生产，降低成本，才能发挥涡旋压缩机的长处，使之 得到更广泛的应用。 1 5 本论文的主要工作 1 、着重着重论述了汽车空调用涡旋压缩机的结构及工作原理，并深入研究 涡旋型线的设计及齿端修正的三种方法：详细阐述涡旋压缩机的几何理论，找 出压缩腔容积、气体压力计算方法以及几个基本几何量之间的关系；对涡旋盘 的受气体力的情况进行理论上的分析。 2 、在此基础上编写m a t l a b 程序对涡旋压缩机的工作过程进行计算得出涡旋 压缩机工作过程中各腔容积、压力、涡旋体受力及力矩随曲轴转角的变化规律。 3 、对涡旋压缩机中的重要部件防自转机构进行重点的讨论。分析目前比较 常用的防自转机构的几种结构形式、工作原理以及设计思路；比较几种防自转 机构的优缺点、确定设计方案；另外对涡旋盘的径向、轴向密封的各种途径进 行分析。 4 、利用三维c a d 软件p r o e n g i n e e r 为平台对q w j 一9 0 型涡旋压缩机进 行零部件的建模及整机的虚拟装配；并对所设计的整机模型进行运动仿真，以 便形象直观的反映涡旋压缩机重要零部件的运动规律，并进行干涉分析。 5 、介绍汽车空调压缩机的试验方法和q w j 一9 0 的实验结果，并简要分析改 进此压缩机性能的一些措施。 4 武汉理= 大学硕士学位论文 第2 章涡旋压缩飙原理及几傍理论 2 1 漏旋压缩枧的整体结构 汽车空调用涡旋压缩机的主要部件有动涡旋盘、静涡旋盘、防自转机构、 鏊辘秘支絮等，獒绩穗魏甏2 1 热示。 从图2 - 1 中可以看出，动涡盘放置于静涡盘和支架之间，可以沿轴向移渤。 当涡旋压缩机工作时，动涡盘在气体力作用下沿轴向与静涡盘脱离，增大涡盘 顼都豁气体泄漏通道面积，降低容狡效率和热效率。戮藏，如褥有效建平衡伟 用在动涡盘上的轴向气体作用力，成为涡旋鹰缩机能否获得良好性能的重爱因 素之一。 图2 - 1 涡旋压缩机的艇体结构 动涡盘在气体力作用下，有绕旗中心自转的趋势。这种趋势破坏了涡旋压 缩机熬正常工佟，必须予以限制。防塞转祝构设置在动涡盘与支架之蚓，常见 的结构型式有十字滑环( 又称十字联轴器) 、豳柱销、球轴承、小赭柄轴等。十 字滑环、圆柱销及小曲柄轴只能防此动涡盘的自转，而球轴承( 一种特殊的结 构鳌式) 不援畿够薅止魂涡鑫夔蠢转，嚣置貔够承受动滠盘镑遴豹键袁气钵力 作用。 武汉理工太学硕士学位论文 2 2 涡旋压缩机的工作原理 凌静满囊蠹翳最豢藤麓线是圆黪濒牙线及英修正魏线。下瑟激瑟懿潦开线 涡旋型线为例来说明涡旋聪缩机的工作原理。 把涡旋型线参数相同、相位差嚣、基圆中心楣距，( ，豹取德与渐开线节距 及壁浮有关) 的动涡盘与静涡盘组装后，可以形成数对封闭静月牙形容积腔。 容积腔的轴向投影如图2 2 所示。当偏心轴推动动涡盘中心( 指基圆中心) 绕静 瀑盘枣心( 摇蒸鬻中；玉) 佟半径为r 瓣因鼹辕邋运凄时，这些羹耀瓣褰莰熬穗应 地扩大或缩小，由此实现气体的吸入、压缩和排气的目的。低愿气体从静涡盘 上开设的吸气孔日或动静涡旋盘的周边缝隙进入吸气腚，经压缩后由静涡擞中 心处鹩徉气孔翻簧 崮。 图2 - 2 涡旋压缩机的几何腚 纛圈2 - 2 串，动、静溺旋盘懿黧线秀3 豳，霞形成了3 对容穰靛，分澍震l 、 2 、3 寝示，并依次称为中心压缩腔( 即第一魇缩腔，又称排气腔) 、第二和第三 压缩靛。动涡盘中心绕静灞盘中心鹣转动角，也藏是德一孙轴粒曲糖转角。建拶表 6 武汉理工大学硕士学位论文 示。图中茴阴影部分表示第2 压缩腔对应于曲柄转角0 时的轴向投影面积。 图2 3 是图2 2 所示压缩腔的工作过程示意图。它表示3 对容积腔在4 个特 定曲柄转角( 0 。、9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。) 时的瞬时位置。当0 = 0 。时，第三压缩 腔刚好封闭，压缩机的吸气过程结束，这时第三压缩腔中充入的气体所占据的 容积即为吸气容积，相当于往复式压缩机的行程容积，图中涂黑部分为该压缩 腔轴向投影面积( 一对对称的月牙形面积中的一个) 。随着主铀转角的增大，月 牙形面积逐渐减小，依次由日= 9 0 。、口= 1 8 0 。、口= 2 7 0 。时对应的涂黑部分的 面积表示。当0 = 3 6 0 。时，第三压缩腔完成对气体的压缩过程，这时的压缩腔 容积就是第二压缩腔的最大封闭容积，即第二压缩腔充气终了时的容积( 对应 的主轴转角为0 。) ，其轴向投影面积如图中p = 0 。时的阴影部分所示。中心压缩 腔和第二压缩腔中的气体容积变化规律与第三压缩腔中的相同。 p 0 ) i 一一 图2 3 涡旋压缩机压缩过程示意图 7 州i ， 武汉理工大学硕士学位论文 第三压缩腔在压缩气体的同时，压缩机的吸气过程也在进行。第二压缩腔 和中心压缩腔并不存在吸气过程，只是在几何关系上按抚为一循环划分时，分 割为不同的压缩腔而已。涡旋式压缩机压缩气体的过程是连续进行的，需要主 轴转动数圈而非一圈，但主轴每转一周即可完成一次吸气。 需要指出的是，中心压缩腔中的气体并不受到压缩，其容积减小是一等压 过程，即排气过程。中心压缩腔容积取得最大值时，不一定对应于口= 0 0 。而与 开始排气角有关。 2 1 3 涡旋压缩机的理论型线 涡旋压缩机的线型直接影响到压缩比和压缩机的性能。所以设计一种合理 的、易加工的涡旋型线成为涡旋压缩机设计的核心内容。因此本节将重点对涡 旋型线构成原则、基本参数及型线的齿端修正给出详细介绍| 2 1 。 2 3 1 涡旋型线构成原则 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 ) 对于动涡盘或静涡盘上位于压缩腔内的任一给定点，在静涡盘或动涡盘 上，必有一点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( 接触) 时，动、静涡旋盘涡旋型线特 征形状几何中心之间的距离，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，对于渐开线涡旋型线，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。 由以上特点容易验证圆的渐开线能够构成涡旋型线，并且将圆的渐开线型 线与其它渐开线型线相比，具有以下优点： 1 ) 具有最少的涡旋型线圈数。 2 ) 具有最短的轴向间隙泄漏线长度三，。 3 ) 具有最短的特征形状几何中心至渐开线终点的距离。 4 ) 当吸气容积增大时，、三，、的增幅最小。 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 型线的误差灵敏度低，便于消除径向啮合误差。 型线的误差灵敏度，就是指动静盘因发生磨损，或存在驱动中心偏置误差、 自转误差等情况下，动静盘间啮合间隙的变化率。啮合间隙直接影响着压缩机 的气密性。经研究发现，型线的误差灵敏度不仅受驱动机构各零件原始误差的 影响，而且与型线方程相关，且沿型线不同法向角的位置，啮合间隙的变化量 可能各不相同，而基圆渐开线的啮合间隙则是均匀一致的，当动盘驱动中心微 做调整时，即可消除径向啮合误差。这是它的一个新优势。 6 ) 从加工工艺考虑，基圆渐开线可以根据展成原理加工涡旋体。目前用于 涡旋体精加工的专用机床大都是根据这一原理设计制造的。 基圆渐开线是最适合于构成涡旋型线的曲线，这也正是已商品化的涡旋压 缩机主要采用基圆渐开线型线的重要原因1 3 】【1 ”。因此，本文所研究的车用空调涡 旋式压缩机采用圆的渐开线做为涡旋型线。 2 3 2 涡旋型线的基本参数 厂、 篇蕊 巡 恸砑 乡 图2 - 4 涡旋型线的基本参数 如图2 4 所示，圆的渐开线型线的基本参数及各参数问的几何关系为：基圆 半径：a ；渐型线节距：p 一2 n n ；渐开线发生角：口；涡旋体壁厚：t = 2 a a ： 涡旋体高度：h ；涡旋线圈数：；渐开线的渐开角：庐= 2 a n v + 州2 ；动静涡 盘偏心距：r p 2 一t 5 1 o 武汉理工大学硕士学徒论文 以上是一个涡旋压缩机的重要结构参数。涡旋压缩机工作时，由于动涡盘 的基嘲中心是绕静涡盘的熬圆中心作半径为r 的圆周孰道运动，敌r 又称为转动 半径。凌满囊弱运动楚交镳心辜鎏驱费夔。毽谂+ 羔缤心疆懿中一0 线( 不霾 二夔旗 镇中，办线) ，瘟与静满盘邋过基圆中心静中心线榴重台，鞠柄销的中心线，应与 动涡辙通过基圆中心的中心线相重合，故，又称为偏心量。图3 - 1 中所示的涡旋 体壁脬中心上任一点的墩标为： f x 一8 ( c o s 多+ o s i n 妒 y - a s 通争一多c o s 多) 涡旋体内外壁面上任一点的坐标为 x ；= 口 c o s 慨+ 口) + 磊s i n ( 庐i + a ) 】 y ；。肆 s n 锈+ 8 ) 一嚷c o s 酝+ 娃) 】 z 。露融o s 舀咚一a ) + 禹s i a 舀啄一班舅 y 。= 口【s i n ( 氏一a ) 一九c o s 丸一口) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，下角标i 表示内蹙面( 圆渐开线) 上的参数，下角标o 表示外壁面上 的参数。 2 4 吸排气角瓣确定 2 4 1 排气角 撵气翅0 定义为第= 愿缭腔与接气腔斛剐连通对的回转受0 。期工漏旋型线 辩，铣刀中心霆始落熹兹蕊鬻上，兹最大镌刀纛径先天丸。= p 一 ，魏蚕2 - 5 掰 示，p 、a 是刀其圆与涡旋体内壁面相切的两个极限位置点。 尚用图2 - 5 所示的涡旋型线构成涡旋臌缩机的压缩腔时，中心压缩腔在 0 。0 + 瞬时的位置见图2 - 6 。图中a 是渐开线发生角，菇为一中间变量，也可以 理鼹为p 点处的展开角。0 是开始排气角。从蕊2 6 中可以看出，8 、菇、0 之 阉瀵怒下穰关系式： 1 0 武汉瑾工夫学矮士学缆论文 口；昙”一赋+ 搿 ( 2 3 ) 掇摆上式计箕接气蔻0 + 睡，滏需先求褥中阙变量蠢。在嚣2 - 5 掰示戆直角 坐懿系中，刀箕藩瀵是下列方程式： 0 + 口) 2 + y 2 。( 2 ) 2 一k k 一口汗 ( 2 4 ) 厢赫一 4 匙i 影聪 , i 1 1 心 三夕 整2 5 刀买霹满旋鍪线豹予涉示意霾 i m 糠、1 ) 1 厂f f 滋黼1f ( k割l ”j y 叮 图2 - 6 排气角永意图 l l 武汉理工大学硕士学位论文 开始排气角0 是根据铣刀和渐开线的干涉程度来决定的，这种干涉状态如 图2 - 5 所示图中p 点是涡旋体外壁面与刀具圆的交点。因此把式( 2 - 2 ) 中的与 y o 代人式( 2 4 ) ，得口习： 丸2 + 2 九s i n ( o a ) + 2 c o s 0 一口) = 仁一口) 2 2 ( 2 5 ) 求这个方程的解，得图2 - 5 和图2 - 6 中的菇。再由式( 2 3 ) 可求出开始排 气角0 + 。 2 4 2 吸气角 吸气角定义为动、静涡旋盘在啮合过程中吸气刚刚封闭时的曲柄的瞬时转 角，在此记为口。 在涡旋型线为整数圈和非整数圈所对应的吸气角是不同的，当涡旋为非整 数圈时，吸气角的计算方法为： 吼一i n i n t ( n ) 3 6 0 。 ( 2 6 ) 式中i n t ( n ) 是指，l 的取整函数。 当涡旋型线为整数圈时，可知当0 = 0 。时，可形成一对新压缩腔，即吸气角 p = 0 0 。 2 5 涡旋型线的修正 涡旋压缩机具有效率高、低功耗、低噪声、重量轻、高可靠性等诸多优点， 正在制冷、汽车空调和一般气体压缩领域逐步取代活寨式压缩机而得到广泛地 应用。涡旋型线是设计涡旋压缩机的基础，加工涡旋盘时，由于加工刀具对涡 旋型线的干涉常出现如下结果】： 1 ) 涡旋型线起始段壁厚减小，影响了此处的强度； 2 ) 由于干涉属非连续性切削，易导致机床自锁( 指自动保护) ； 3 ) 干涉现象使得涡旋压缩机的开始排气角提前，实际容积比或压力比减小； 4 ) 普通型线的中心部分是由加工刀具干涉而形成的，因而不可避免地使一 部分高压气体残留在中心部分，影响压缩机效率的提高。 因此，在实际进行涡旋压缩机型线的设计时，就希望对起始段进行修正， 以改善起始段的受力状况和加工工艺性，同时可以满足较大压力比的需求。常 武汉理工人学硕士学位论文 见的渐丌线齿端修正方法有修正的圆弧渐开线，修正的阿基米德型线，修正的 线段渐开线，型线偏置等。本文只着重介绍最常见的圆弧渐开线修正的几种情 况。 2 5 1 涡旋压缩机齿端修正的基本原则 当涡旋压缩机工作时，动涡盘涡旋壁面上的任一点与静涡盘涡旋壁面上的 相应点不是出现轻微的相对滑动，就是留有很小的间隙，而且动涡盘外侧壁面 上的点总是与静涡盘内侧壁面上的点相对应。反之亦然。从理论上讲，这些对 应点之间满足啮合关系。因此，对涡旋型线起始段进行修正时，动静涡盘的修 正型线之间应该是啮合的。 由于涡旋型线起始段处在压缩过程的后期及排气腔( 常称为中心压缩腔) 中，它的受力状况较为恶劣，且热膨胀量较大，故设计时应考虑增加涡旋型线 起始段的壁厚，还应保证热膨胀量较大时不致出现相互挤压及咬死现象。 为了保证正常的压缩过程和排气过程，当起始段处于压缩过程时，不得与 排气孔口有任何连通现象：当起始段处于排气过程时，应与压缩过程完全隔离。 综合起来，对涡旋型线起始段进行修正设计时，应注意以下原则【l 州： 1 ) 被修正后的动静涡盘起始段型线应该是相互啮合的，修正段与非修正段 的连接应是连续的和光滑的。 2 ) 应增加起始段型线的壁厚，并考虑热膨胀影响。 3 ) 当涡旋型线起始段处在压缩过程中时，不得导致压缩腔与排气孔口的任 何连通现象。 2 5 2p m p 型线修正 ( 1 ) 修正型线方程 如图2 7 ，当圆的渐开线上点a 的展开角为庐时，由图可知伊- 庐一a 。对其 进行修正，则点a 、b 、d 、e 的坐标分别为： ( 2 。7 ) 1i一1j妒妒 岛 宝 b k 口 + + 知 + 一 妒驴 镐口 l b 口 口 i = x y rj-_【 武汉理工大学硕士学位论文 式中，a 为基圆半径，a 为渐开线起始角。 直线而方程为： 即 直线面方程为： 即 y 一日s i b o 1 1 二! 堕呈翌。一上 x + 口c o s q ，t a n y ：一士b c o sq 0 + a ) s i n 伊 两修正圆弧的中心为0 l 、0 2 、其半径分别为r l ，r 2 ，且 r 2 一r 1 一a ( g r 一2 a ) 则圆心0 1 的坐标x o , ，y a ) 由式( 2 1 6 ) 确定： ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 0 一x a ) 2 + 【y 一) 2 一砰 一忐g 唧一n ) 1 6 1 4 月h 石 硝 + + b 知 谊 b k 口 口 一 一 石 石 + + + 一 万 盯 + + 西蜘，p b 口 口 = = x y ，_-，、i【 妒妒 l 宝洒 c s 口 乜 = 暑 d d x y ，。【 伊妒 m o s 叫 哪 = 叠 e e x y ，【 咿 州 劬 叩 0挑 婶 。妒 一毒i | 弘 产 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 圆渐开线的p m p 圆弧修j e 4 j 圆心0 2 的坐标b 。2 ，yd 2 ) 由式( 2 1 7 ) 确定： 限一) 2 + 【y y b ) 2 - r ； 卜志叫 q 。1 7 两圆心的距离为： t = 扼习q 而；r 。+ r ： ( 2 1 8 ) 图2 - 7 表示的圆弧修正恰好是上，- r 。+ r ：的情形。在这种情况下，两修正 的圆弧相切，型线是光滑的、连续的，这是比较理想的一种型线，常称为p m p ( p e r f e c tm e s h i n gp r o f i l e ) 型线。 ( 2 ) 开始排气角口 在图2 - 7 中，修正角y 由下式表示： 武汉理工大学硕士学位论文 y ：a r c 协n 监 x 0 1 故p m p 型线对应的排气角为： 0 + = 2 s t v 2 5 3 非p m p 型线的圆弧修正 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 当工，t ( r 。+ r ：) 时，如图2 - 8 中的虚线所示，此时圆弧出现干涉不再连续。 因此这种修正是不实用的。当l ，嘛+ r ：) 时，如图2 - 8 中的实线所示，两修正 圆弧之间出现间隙，可用两段分别与两圆弧相切的直接段进行过渡。在这种情 况下，修正型线是连续和光滑的，所以仍是一种实用的圆弧修正型线。下面我 们讨论当上，伍。+ r ：) 时的圆弧修正情况。 ( 1 ) 修正型线方程 | c l 瑟批 8 _ 烈 图2 - 8 圆弧修正的其他情况 其内侧型线包括： 1 ) 渐开线部分，方程为： 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 f z ：a c o s t p + ( 妒一a ) s i n q ， i y ：a s i n t p 一妇一a ) c o s q ， 2 ) 圆弧a e 部分方程为： b b p + ( y y a ) 2 ；r 1 2 3 ) 直线e f 部分方程为： ! 二兰苎= ! 墨二! 工一x ex e x f ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 4 ) 圆弧f b 部分方程为： b 一飞) 2 + ( y - y 0 2 ) 2 = r ：2 ( 2 2 4 ) 其外侧型线的方程为： 式中，a 为基圆半径，a 为渐开线起始角，妒为渐开线展角 ( 2 ) 开始排气角0 此时的开始排气角0 + 仍可由式( 2 2 0 ) 计算，y 角如图2 - 8 中所示。 2 6 涡旋压缩机压缩腔容积 ( 2 2 5 ) 如图2 - 9 所示，当一对涡旋盘按1 8 0 。相位角组装在一起，就形成了若干对压 缩腔。我们一般把最内侧的压缩腔对( 一般和排气口连通，或仅隔排气阀) 称 为第一压缩腔、中心压缩腔或排气腔，然后由中心向外侧数，依次称为第二压 缩腔等等，在最外围，尚未封闭的开通腔体称为吸气腔，不属压缩腔之列。 1 j 1 j 妒妒 m 吣 b k 口 口 + + b p + 一 妒妒 宝m l 卜l p 口 口 = 兰 x y ，-tj、【 武汉理工大学硕士学位论文 篇腻 煺戮 2 6 1 中心压缩腔容积 图2 - 9 涡旋压缩机的压缩腔 首先计算中心压缩腔的轴向投影面积s 。，即为如图2 - 9 中代表的完全对称 的两部分面积： s t 昌丢口2 ( 主石一a 一口) 3 一( 吾万一a 一日) 3 一口2 口( 吾万一口) 2。2 2 6 ， 一1 3 a 2 0 f 3 _ s l l 0 口 日+ 式中0 + 为开始排气角即第二压缩腔与中心压缩腔贯通瞬时的回转角。 当0 0 时，由于中心压缩腔与第二压缩腔相通，并合并为最大的中心压缩 腔。所以只要把0s0c 0 + 时5 ，表达式中的渐开线展角增加2 x 值，即得 0 + s0t2 a t 时的中心压缩腔轴向投影面积计算式： s - ；吾口2 ( 詈玎一口一日) 3 一( 吾万一口一日) 3 。2 2 7 ， 。a ( r 7 一日j 2 7 1 2 儿日c h 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 式中，s 。为基圆围成的面积其计算式如下 f n 2 ，、 i 了咿一蛔， s 矿 。zf f p 。4 a r 2 a + 2 c 。s 。1 ( 三一口) 一( 万一z a ) s ； 。s _ 1 ( 乏叫) r 2 a ( 2 2 8 ) 因此，根据式( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 知中心压缩腔容积计算式可写成口6 l k = 2 s ，h = t 吾n2 ( 丢玎一a 一日) 3 一( 3 - a - 0 ) 3 一2 口2 c 。( 吾z r - e 7 ) 2 一；a 2 c r 3 一z r c 冲os o o * 。：一：， t 三n2 ( 兰万一口一日) 3 一( 7 - a - 0 ) 3 】 一2 4 2 口( 三万一日) 2 一；a 2 a 3 _ 2 s l l 砷口+ s 日t 2 z 2 6 2 压缩腔容积 一般情况下，圆的渐开线涡旋压缩机的第i 个压缩腔的横截面积为： s 础岫) 2 - 1 - 剽 因此，第i 压缩腔的容积为： k = s ； ；z p ( p z r ) h 2 i - 1 - 导】 适用范围：j ；2 0 5 口p + 1 3 s i o s 时； 当0 + t 吼时 o s 0 0 其余 ) + l o s 0 0 )其余 n ；i n t ( ) ( 2 3 3 ) n * i n t 防) 篙瑚5 n = i n t ( n ) 、( 2 3 4 ) + l 萁0 * 余s 黟热 燕i 珏t o 铲) n = i n t ( n n i n t ( ) ( 2 3 5 ) 行程容狡夯穗汲气容联，定义蔻警蠢耱瓣旋转n o = o s 薅聪刚封蠲静耨凌绩 腔对的内容积，它是一个几何量，不魑热力学墩。在数值e 它等于曲柄轴旋转撕 对涡旋盘从吸气腔中吸取的气体体积量( 吸气炊态下) 。 行程容积的其体算法富有争议许多关予涡旋压缩桃几何学部分对行税容 积的计算公式有备自的说法，但他们有一个认同点，即甜第1 对压缩腔容积的 公式蠢： k ；解p 五) f2 f 一1 一生b ( 2 ，3 6 ) 万， 灞麓鳘线梵任意鋈拄，毅气费为绥靖静满旋莲缩秘蔽气骞积豹逶臻诗箨式 为： 硌：妒p 一盈￥勉一i 一生k ( 2 - 3 7 ) 、筇， 式中n 要上限取越，n 与吼应满足公式( 2 6 ) ： 融憩由( 2 3 1 ) 可以袋缮漏羡鼷缝规压缭终了嚣气体容积诗冀式： o 墨嚣 o 譬霉 、驯 _ ：誊 l l 、 m 驴 张 刚 厅 容 = 程 扩 行 当 3包 乙 武汉理工大学硕士学位论文 k 叫k ( s 一等) ( 2 3 8 ) 我们定义涡旋压缩机的形成容积比y 为吸气容积与压缩终了容积之比 。；堕； 圪 掣( 为整数) 3 0 + 石 、7 2 n - 1 - f 0 s 硝仁为非整数) 3 一e | 死 、 当式( 2 3 9 ) 中的吼= 0 时，n 变为整数，两式统一为一个式子。 2 7 涡旋型线的测量 ( 2 3 9 ) 由于涡旋压缩机的型线精度非常高，必须有专门的仪器进行检测。涡旋体轮 廓度的检测一般是在三坐标测量机上配备涡旋专用测量软件，通过测量一系列 点的坐标经复杂计算得出的。实际上，用涡旋体的节距变化值也可以表征轮廓 度的大小，如果轮廓度不均匀，同时节距也是不均匀的。如果可以测得节距的 变化量，那么即可表征轮廓度的大小。节距的测量，不需要专门的测量软件， 只需制造专门的测头。如图2 - 1 0 所示与一般球形铡头不同，节距测量测头为一 线性测头，是高精度的圆柱体。由三坐标的原理可知，任何时候仅沿x 、y 、z 的任意一轴的方向移动测头，测头的轨迹为相互平行的直线族。在位置1 测头 与涡旋体相接触( 相切) ，过切点的法线必垂直于该测头母线，该法线必与基圆 相切。利用平移其母线与涡旋体接触于第2 点，计算两点之间的距离，即可测得节距。 只要多次在不同位置测量节距的大小，比较 其变化量，就可以测得轮廓度的大小。这种 方法的优点是，不必使用专用测量软件，就 可以测得轮廓度的大小，这种方法也可用于 对未知方程的型线的测量。缺点是仅能测量 外轮廓线精度，不好测内轮廓