（化工过程机械专业论文）涡旋压缩机的摩擦与润滑研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 涡旋压缩机是一种新型的容积式压缩机，以其效率高、体积小、质量轻、噪音低、 结构简单且运转平稳等特点，被广泛应用于空调和制冷机组中，因此对其内部结构、工 作过程、性能的研究相当重要。本文第一章简要介绍了涡旋压缩机的发展现状，未来的 发展趋势，原理、结构、特点；涡旋压缩机的摩擦与润滑的研究现状。 涡旋压缩机的动力特性的好坏直接决定了其效率的高低。本文分析了涡旋压缩机的 动涡旋盘、十字滑环、曲轴的受力情况；建立了密封条的两种结构模型，并对两种模型 作了受力分析。 由于涡旋压缩机的特点，涡旋压缩机受到工业界的广泛青睐，但是涡旋压缩机的潜 力没有被完全挖掘，一个重要原因是涡旋压缩机内部的摩擦副较多，摩擦功消耗使输入 轴功率增大，并造成制冷系统能效比降低。 摩擦学是研究相互运动表面间发生的相互作用和变化，因此了解和研究摩擦表面形 态和接触状况是分析摩擦磨损和润滑问题的基础，所以本文描述了固体表面的接触模型。 根据摩擦接触理论和雷诺方程对涡旋压缩机的摩擦副做了详细的分析，给出了轴承的摩 擦功、动静涡旋盘侧面的摩擦耗功、动涡盘与支架之间的摩擦损失、曲柄销与动涡盘之 间的摩擦损失等的计算公式。 建立摩擦学的平均流量模型，通过计及表面粗糙度影响的雷诺方程，分析由其所引 起的一些润滑效应，通过对表面粗糙度的随机的概率描述，介绍一种基于平均流量概念 的平均雷诺方程及其解法。 目前，关于涡旋盘端面和涡旋齿顶处的摩擦和润滑的文献还是比较少，所以本文详 细的研究了涡旋盘端面、齿顶处的摩擦和润滑情况，给出了涡旋盘端面和齿顶处的摩擦 力、摩擦系数、摩擦功耗的计算公式，并且作了一些相关的计算，研究结果可以用于以 后的设计工作中。 关键词：涡旋压缩机；摩擦；润滑；有限差分法 塑堡里堡垒竺竺堡皇塑塑矍窒 i j e = = ! = = = j | j e 目= = = = = = = j e = e = ! ! = ；= = = = = ! ! = = = ! j = = = ! = = 目e ! = = g | = = = = = 目= e e = = = | | = = = = = = 一 a b s t r a c t s c r o l lc o m p r e s s o ra san e wt y p ed i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o r ，p o s s e s s i n g c h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c y ，s m a l lb u l k ，l i g h tw e i g h t ，l o wn o i s e ，s i m p l e s t r u c t u r ea n dw o r k i n gs m o o t h l ye t c ，i sw i d e l yu s e di nr e f r i g e r a t i o na n d a i r c o n d i t i o n i n gu n i t s t h e r e f o r e ，i ti sq u i t ei m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t ei n h e r e n t s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r o c e s sa n dt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fs c r o l1c o m p r e s s o ra s w e l la si t sm a t c h i n gi nt h ew h o l er e f r i g e r a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h es c r o l l c o m p r e s s o rs y s t e mi sr e c o m m e n d e d ，s u c ha si t sd e v e l o p m e n t ，i t sf u t u r et r e n d ， p r i n c i p l e s ，s t r u c t u r e s ，c h a r a c t e r s a n ds t u d y i n s t a n c eo f f r i c t i o na n d l u b r i c a t i o n b e c a u s eo fa b o v et r a i t ，s c r o l lc o m p r e s s o ri sp o p u l a ri ni n d u s t r y ，b u t p o t e n t i a lo fs c r o l lc o m p r e s s o ri sn o ta l ld i s c o v e r e d ，o n ei m p o r t a n tr e a s o n i sm o r ef r i c t i o na s s i s t a n ti ns c r o l lc o m p r e s s o r f r i c t i o nw o r km a k e st h e a x i sw o r ki n c r e a s e d ，a n dm a k e st h ee n e r g yr a t i or e d u c e d b u tt h es t u d yd a t u m o ff r i c t i o ni sn o tm u c ha b o u ts c r o l lc o m p r e s s o r ，t h et h e s i sm a d ead e e ps t u d y o ft h ef r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es c r o l lc o m p r e s s o r s d y n a m i c a lc h a r a c t e ro fs c r o l lc o m p r e s s o rd e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c y i nt h i s t h e s i s ，a n a l y z e dt h ea i rf o r c ea c t i n go nt h eo r b i t i n gs c r o l lp l a t e ；a n a l y z e dt h e f o r c ea c t i n go nt h eo r b i t i n gs c r o l lp l a t e ，o l d h a mr i n g ，c r a n ka x i s ；f o u n d e dt w o k i n d so fs t r u c t u r em o d e lo fs e a ls t r i p ，a n da n a l y z e dt h ef o r c ea c t i n go ni t t r i b o l o g yi sas c i e n c et h a ts t u d yt h ep r o c e s sa n dv a r i e t yo ft h em o v i n g s u r f a c ee a c ho t h e r 。s oi t i st h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h ef r i c t i o na n d l u b r i c a t i o nt o1 e a r na n ds t u d yt h ef o r mo ff r i c t i o ns u r f a c ea n dc o n t a c t s t a t u s d e s c r i b e dt h ec o n t a c tm o d u l eo fs o l i ds u r f a c e r e y n o l d sf u n c t i o ni s8 b a s i cf u n c t i o no fl u b r i c a t i o nt h e o r y a u t h o rp a r t i c u l a ra n a l y z e dt h ef r i c t i o n p a i r ，a n dm a d et h ef r i c t i o nw o r ko ft h eb e a r i n g ，s c r o l lt o o t hf l a n ka c t t h et h e s i sm a d et h ea v e r a g ef l u xm o d u l eo ft r i b o l o g y f i r s t ，c o n s i d e r e d t h er e y n o l d sf u n c t i o nw h i c hw a sa f f e c t e db yr o u g h n e s sd e g r e eo fs u r f a c e ，a n d i i 兰州理【大学硕十学位论文 a n a l y z e ds o m el u b r i c a t i o ne f f e c tb r o u g h tb yr o u g h n e s sd e g r e e s e c o n d ， r e c o m m e n d e da v e r a g er e y o n df u n c t i o nb a s e do na v e r a g ef l u xc o n c e p t a t p r e s e n t ，a r t i c l e sf e w e ra b o u ts c r o l lp l a t ee d g ea n dt o o t ht o p p a r t i c u l a r l ys t u d yt h es c r o l lp l a t ee d g ea n dt o o t ht o p ，a u t h o rm a d et h es c r o l l p l a t ee d g ea n dt o o t ht o pc i r c u l a t ef u n c t i o no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，f r i c t i o n f o r c e ，f r i c t i o nw o r k b e s i d ed os o m ec i r c u l a t i o n ，t h i ss t u d yr e s u l tm a yb eu s e d i nf u t u r ed e s i g nw o r k k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ：f r i c t i o n ：l u b r i c a t i o n ：1 i m i t e dd i f f e r e n c e m e t h o d m 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：弓游哆霞日期：夕吵年多月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：乃洳寝 导师签名：誊溃事 ，x l t i 日期：j 匆年月口日 日期：二旃莎月，口日 兰州理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 涡旋压缩机是2 0 世纪8 0 年代末期开发并问世的高科技压缩机，它是一种新 型的容积式压缩机，主要借助于封闭容积的变化来实现气体压缩。涡旋压缩机因 具有高效率、高可靠性、低能耗、低噪音、零件数少、结构紧凑等诸多优点而倍 受重视，在制冷空调和气体压缩等领域具有广泛应用。 1 1 涡旋压缩机的发展概述 涡旋式流体机械的工作原理最初是由法国人l e o nc r e u x 于1 9 0 5 年提出并在美 国注册专利的。在其专利中，涡圈采用圆渐开线，动涡盘采用公转结构，涡圈端 部设计有密封材料，从现在的机器结构来看，这三项技术都被保留下来，并成为 涡旋压缩机高性能的基本保障。继l e o nc r e u x 的专利之后，l n o r d i 在1 9 2 5 年提 出了涡旋液泵的专利“1 。在其专利中，动涡盘由两个曲柄轴驱动，两个轴用齿轮保 持同步，涡线圈数为1 5 。 围绕涡旋的基本原理，人们又陆续提出了涡旋机械在其它方面的一些应用设 想，并为此做出了许多理论上的探讨和实践”5 1 。但在2 0 世纪七十年代以前，有关 涡旋机械的技术并没有取得多大发展，这一方面是因为没有理论上的突破，更主 要的原因是加工手段、工艺设备等条件的制约。限制了其商业化发展。直到1 9 7 5 年美国a o l 公司首次利用涡旋式压缩机的原理，采用双轴伸两级压缩的结构，成功 开发了排气压力为1 7 m p a 的氦气压缩机嘲，展现了涡旋压缩机所具有的独特的优 点，从而揭开了涡旋式压缩机大规模工程开发以及科学研究的序幕 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，特别是2 0 世纪七十年代以来世 界在经历了第一次和第二次能源危机以及温室效应的出现，使得社会对节省能源 和环境保护的要求日益高涨，涡旋压缩机以其高效低噪、结构简单、运转平稳的 特点满足了人们对节能和环保的要求，使其得到了很大的发展 日本在涡旋流体机械的商业开发上处于优势地位。三电公司于1 9 8 2 年率先批 量生产涡旋式汽车空调压缩机口1 ，日立公司于1 9 8 3 年首先推出柜式空调涡旋压缩机 o 】。产品覆盖了从3 h p 到5 h p 几个型号，实际应用效果良好。随后各大公司相竞开展 涡旋压缩机的摩擦与润滑研究 研究开发工作，并不断推陈出新，涡旋压缩机的制造业迅速崛起。松下电器于1 9 9 0 年开始大规模生产小型立式空调涡旋压缩机，1 9 9 2 年又成功地研究开发了分体式 空调卧式涡旋压缩机。丰田公司大批量生产涡旋式汽车空调压缩机用以装备本公 司生产的轿车；东芝公司把涡旋压缩机作为新干线高速火车的空调压缩机，成为 新干线高技术组合的一部分。此外一系列卧式涡旋压缩机由日立、三菱重工、大 金等公司开始投入生产，除此之外，三菱电机、东芝、三洋、三井精机、岩田涂 装等公司也都批量生产涡旋压缩机。 美国是继日本之后又一个大规模生产涡旋压缩机的国家，其中考普兰公司于 1 9 8 7 年开始生产涡旋压缩机，现在年产量达2 5 0 万台以上，近年来又推出了一种新 的数码涡旋压缩机，使空调器不必使用昂贵的变频控制器就能实现制冷量在1 0 1 0 0 范围内的无级调节，是目前世界上最大的涡旋压缩机制造商。开利公司和特 灵公司1 9 9 2 年开始生产涡旋压缩机，泰康公司1 9 9 5 年也开始了涡旋压缩机的生产。 此外，韩国的l g 电子和三星公司也批量生产涡旋式空调压缩机。 在我国，2 0 世纪八十年代后期，涡旋流体机械逐渐成为研究热点，先后有甘 肃工业大学、西安交通大学、机械部通用机械研究所以及一些其它的院、所和工 厂对涡旋技术进行规模研究。并研制成功多种形式的涡旋式空调压缩机、空气压 缩机、汽车空调压缩机、油泵等产品样机，对涡旋式机械的一些主要技术问题进 行了研究，并在理论研究和工程实践上取得了相当的成果。由于各方面的原因， 目前我国的商业空调涡旋压缩机生产仍以引进为主。广州万宝压缩机股份公司引 进了日立公司年产1 2 万台单元空调用全封闭涡旋压缩机的生产线，西安大金庆安 压缩机有限公司同日本大金工业株式会社合作，年产1 0 万台柜式空调压缩机，考 酱兰公司在苏州投资建设了年产1 0 0 万台5 h p 涡旋压缩机的生产线，日本三洋公司 与大连冰山集团合作也推出了涡旋压缩机产品。 除空调领域外，涡旋机械的另一个成功应用是作为空气增压装置，比较典型 的是汽车发动机用机械增压器。德国大众公司在这方面进行了大量的探索，开发 成功了著名的g 增压器，使得发动机的功率提高了3 5 。涡旋增压装置在9 0 年代以 后又被谷轮公司制造成医用空气动力源，效果也比较理想。这类装置的共同特点 是气体流量大，但压力比特别低，一般不超过2 。 涡旋流体机械在真空技术方面也取得了比较好的应用效果。1 9 8 7 年日本三菱 2 兰州理工大学硕士学位论文 电机公司首次开发成功回转型涡旋真空泵，这种装置中，动、静涡旋盘同时绕自 身轴线回转，这使得周向密封线即径向间隙的位置不随涡旋的运动而改变，更容 易实现密封1 9 9 0 年以后，日立、岩田涂装等公司也相继推出了涡旋真空泵。目 前，涡旋真空泵包括无油式和油浴式两种，单级情况下，前者的真空度可达i p a ， 后者的真空度可达1 0 4p a ，这比滑片式真空泵所能达到的真空度提高了近1 0 倍， 且油浴式涡旋真空泵在尺寸、重量、性能，可靠性等方面都有较大的优势。 涡旋流体机械另一个应用领域是作为动力用空气压缩机，因为涡旋机械的压 缩过程无法外冷却且空气的绝热指数较高，一般需要进行喷油内冷却，一方面可 以降低温度、润滑表面；另一方面也可以减小泄漏、提高效率。产品方面，喷油 涡旋式空气压缩机主要以日本三井精机公司为代表，无油涡旋式空气压缩机主要 以日本的i w a t a 公司为代表。 1 2 涡旋压缩机的发展展望 涡旋压缩机具有体积小、重量轻、振动小、噪声低、绝热效率、容积效率和 机械效率高等优点。因此，与其它类型压缩机相比，涡旋压缩机具有更为广阔的 发展空间。经过短短几年的发展，涡旋压缩机在国内压缩机市场已占有相当的市 场份额。随着我国加入w t o ，国内市场将更加开放地面向世界，竞争也将更加激烈。 国产涡旋压缩机如果想占领国际市场，一定要在现有基础上加大科研和开发力 度，逐步摆脱引进国外技术与设备的状况。根据以上分析，作者提出了涡旋压缩 机的今后发展方向： ( 1 ) 加大研发力度，拓宽应用范围和使用领域，实现产品系列化。运用新材 料和新结构对现有类型涡旋压缩机进行优化设计，研发高精度的数控加工及检验 专用设备和先进的装配工艺，从而提高涡旋压缩机的工作效率和可靠性能。 ( 2 ) 加强实验研究，建立关于涡旋压缩机理论和实验相应发展的统一体系，并 在此基础上加强对涡旋压缩机热力学、动力学研究，更完善地分析各种运行工况 下的工作过程，为设计更高效的涡旋压缩机提供一定的理论依据 ( 3 ) 在保证性能和品质的基础上提高国产涡旋压缩机技术水平，加大生产力 度，实现批量生产，降低生产成本，这样才能在国际涡旋压缩机市场具有较强竞 争力 3 涡旋压缩机的摩擦与润滑研究 ( 4 ) 建立系统的包括压缩机油冷却、供油、电机等外部系统在内的模块化数 学模型，使之具有通用性；并在原有基础上强化对压缩机内部热力学特性、动力 学特性的研究，更完善地分析压缩机各种运行工况下的工作过程。 ( 5 ) 研究变转速下涡旋式压缩机性能，提高工作转速。 ( 6 ) 扩大涡旋式空气压缩机机型，打破涡旋压缩机在大容量上的空白。 1 3 涡旋压缩机的原理、结构、特点 1 3 1 涡旋压缩机的原理、结构 涡旋压缩机借助封闭容积变化来实现气体压缩，这一点与往复式压缩机相同。 涡旋压缩机零部件少，由动涡旋盘、静涡旋盘、防自传机构、曲轴和支架体等部 件组成。其主要部件是两个涡旋型线参数相同、相位差1 8 0 。、基圆中心相距r 的渐开线涡旋盘，其一是静涡盘，而另一个是动涡盘。静涡盘固定在支架体上， 曲轴带动动涡盘基圆中心绕着静涡旋盘基圆中心做半径为r 的圆周轨道运动呻1 。为 实现这一运动，需要在动涡盘和支架体之间设置防自转机构。十字滑环是最常见 的防自转机构，其上的一对矩形凸键与动涡盘背面的一对键槽配合，另一对矩形 凸键与支架体上的一对键槽相配合。凸键在键槽中只能作往复运动，曲柄销带动 动涡盘旋转时，限制了涡旋盘的自转运动。 a ) 吸气b ) 开始压缩 c ) 压缩过程d ) 排气 图卜1涡旋压缩机的工作原理 装配好后，两个涡旋盘之间形成了数对月牙形的封闭腔，其压缩过程如图1 4 兰州理工大学硕士学位论文 所示随着曲轴的转动推动动涡盘运动，最外圈一对工作腔逐渐张开，气体随之 进入腔内，进入的气体量随曲轴转角的增大而增加，进而达到最大值；随着曲轴 的继续转动和开口的逐渐关闭，工作腔的容积又有所减少；吸气腔闭合后形成一 对封闭容积，完成一次吸气过程。当主轴继续转动时，动涡盘将吸入气体自外圈 向中心推移，工作腔容积减小，与气体排气孔口相通时开始排气，并直至排气过 程结束。这样，一对工作腔完成一次吸气一压缩一排气过程，当最外的吸气腔形成 封闭容积开始向中心推进成为一内工作腔时，另一个新的吸气腔同时又开始形成， 并开始重复进行上述过程，如此周而复始。因此，涡旋压缩机压缩气体的过程是 连续进行的，需要曲轴转动数圈，曲轴每转一周即可完成一次吸气，一次排气。 i 3 2 涡旋压缩机的特点n ” ( i ) 多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少， 容积效率高，可达9 0 一9 8 。 ( 2 ) 驱动动涡旋盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小， 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，涡旋压缩机运转可靠，且特别适应于变转速运转和变 频调速技术。 ( 5 ) 由于吸排气过程几乎连续进行，整机噪声很低。 ( 6 ) 轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙 和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠的和有效 的密封性 ( 7 ) 在热泵式空调装置中，涡旋压缩机有着良好的工作特性。 ( 8 ) 动涡盘上承受的轴向气体作用力，随着主轴转角发生变化，很难恰如其 份地加以平衡，因此轴向气体力往往带来摩擦功率消耗。 ( 9 ) 涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高的要求，端板平面 的平面度。以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，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。 5 涡旋压缩机的摩擦与润滑研究 1 4 涡旋压缩机摩擦与润滑研究的现状 1 4 1 研究摩擦与润滑的意义 众说周知，摩擦现象广泛存在于我们的日常生活工农业生产中。据统计，约 有1 2 一l 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的磨损是机械设备失效 的主要原因。大约有8 0 的零件损坏是由于各种形式的磨损引起的。因此，基于控 制摩擦、减少磨损、改善润滑性能的磨擦学研究已成为节约能源和原材料、提高 机械设备使用性能的重要措施。同时，磨擦学研究对于提高产品质量、延长机械 设备的使用寿命和提高可靠性也有重要作用。由于磨擦学研究的普遍性和广泛性， 对于国民经济具有重要意义，因而受到世界各国的普遍重视，成为近三十年来迅 速发展和应用日益广泛的技术学科。 磨擦学是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。它是研究在摩擦与磨损过程中 相对运动表面之间相互作用、变化及其有关的理论与实践的一门科学。由于摩擦 引起表面能量的转换、磨损则导致材料损耗和表面破坏，而润滑是改善摩擦和减 少磨损的最有效的措施。摩擦学问题中各种因素往往错综复杂，涉及到多门学科， 摩擦学的研究涉及材料、化学、机械、物理和力学等多个领域；这些研究对于提 高机械设备的可靠性，提高工作效率和产品质量，发展高新技术具有重要意义。 1 4 2 摩擦与润滑研究的现状 在制冷、空调装置中，主要的耗能设备是压缩机。新型的涡旋压缩机以其高 效率、低能耗、小体积和低噪音受到工业界的广泛青睐。但涡旋压缩机的潜力没 有被完全挖掘，一个重要原因是涡旋压缩机内部的摩擦副较多，摩擦功消耗使输入 轴功率增大，并造成制冷系统能效比降低。由于机械损失在整个涡旋压缩机输入功 率中占有相当比重，世界各国压缩机行业的研究人员自9 0 年代以来一直都在研究 涡旋压缩机的机械效率，以期降低其机械损失。 在国内，文献 1 1 分析了立式高压型涡旋压缩机在稳定运行工况下的摩擦副 及其摩擦润滑状态。对涡旋压缩机径向轴承类摩擦副进行建模，得到了该类摩擦 副在压缩机稳定运行时的摩擦力的分析解。考虑到立式高压型涡旋压缩机的工作 特点及供油特征，根据s t r e i b e c k 曲线分析选取了其余摩擦副的摩擦系数，给出 了涡旋压缩机的摩擦功率损失计算公式。文献 1 2 认为涡旋压缩机的性能在很大 6 兰州理工大学硕士学位论文 程度上取决于其中滑动轴承的磨损条件与能量耗损。对滑动轴承而言。应力处于 完全液体润滑状态，在稳定运行时表面无磨损。文献 1 3 1 在分析涡旋压缩机曲柄 销滑动轴承实际运动的基础上，推导了相应的雷诺方程，提出绝热计算的油膜润 滑数学模型，运用有限差分方法对雷诺方程、能量方程和粘温方程联立数值求解， 通过实例计算得到了润滑油膜的压力和温度分布规律。文献c 1 5 提出双涡圈以及 多涡圈的几何理论以及结构参数的设计计算方法通过对单涡圈、双涡圈和多涡 圈的容积特性比较，得出采用双涡圈或多涡圈理论设计涡旋机械，既可以达到减少 回转半径、降低滑动面摩擦速度及降低磨损，又可以不减少有效吸气容积。文献( 2 0 在研究涡旋齿啮合处相对运动时，对该处的摩擦问题进行剖析，确认滑动性质为接 近边界摩擦的混合摩擦，并且通过一个实例计算得出滚动摩擦部分可忽略不计的 结论。文献 2 1 根据涡旋式空气压缩机润滑系统管径小和润滑油粘性较大的特点， 对涡旋式空气压缩机润滑系统的流动进行了研究，将润滑油的流动简化为层流流 动，建立了润滑系统油量分配模型，运用流体力学理论，并依据油量分配模型推 导出了润滑油路系统的流量和功耗计算公式。文献 2 2 建立了涡旋压缩机润滑系 统性能分析模型，分析了润滑系统各部分的流量关系，确定了润滑系统润滑油量 的优化准则。对润滑系统的关键设计参数的确定方法和润滑系统整体结构参数的 合理匹配原则进行了讨论。 在国外，文献 2 3 通过理论和实验，研究了涡旋压缩机的止推轴承的摩擦特 性，得出结论：在接触压力相对低的接触部位，摩擦系数随着接触压力的降低而 升高，尽管在接触压力高的接触部位，摩擦系数随着接触压力的升高而降低；摩 擦系数与滑动部位有紧密的联系；润滑效率的高低取决于止推轴承滑动表面油楔 的结构；文献【2 4 在研究层流润滑下推力轴承的设计中给出了推力盘的摩擦力计 算公式；文献 2 5 对轴颈轴承的承载能力、交变载荷和局部应力等进行了详细的 理论分析和计算，指出了其中应注意的一些关键因素；s h o z oh a 等对卧式涡旋压 缩机的三个主要轴承进行了大量的实验研究，试图这三个轴承的润滑条件，减小 接触应力o ”；文献 2 7 为了改善主轴承的和曲柄销轴承的润滑和受力，在两部分 轴颈处设计了一个凸起，使轴承可以以突起为支点在一定范围内摆动，从而减小 接触应力。 通过上述文献描述的内容可以看出：目前只对涡旋压缩机齿侧面、轴承这两 涡旋压缩机的摩擦与润滑研究 对摩擦副进行了比较详细的研究，而在计算其它摩擦副的摩擦力时，都把摩擦系 数作为一个恒定的数来计算。鉴于这种情况，本文欲对涡旋压缩机的齿顶与齿底 面、涡旋盘端面处的这两对摩擦副进行分析研究。 1 5 课题的来源与主要研究内容 1 5 1 课题来源、目的 本课题属国家8 6 3 计划协作项目、省自然科学基金项目。 1 5 2 本课题的主要工作 ( 1 ) 介绍涡旋压缩机的发展历史、发展趋势；涡旋压缩机的原理、结构、特 点；涡旋压缩机摩擦与润滑研究的现状； ( 2 ) 分析涡旋压缩机的动涡盘、十字环、曲轴的受力情况；提出密封条的模 型并对模型进行受力分析； ( 3 ) 应用固体表面的接触理论、雷诺方程提出涡旋压缩机的径向轴承、动、 静涡盘齿侧面、曲柄销与动涡盘之间等处摩擦功计算的模型；推导平均 r e y n o l d s 方程求解的平均流量模型； ( 4 ) 建立涡旋盘端面及涡旋齿顶部的摩擦与润滑模型，给出摩擦系数与摩擦 功耗的计算公式。 1 6 本章小结 本章主要介绍了涡旋压缩机的发展历史、发展趋势；涡旋压缩机的的原理、 结构、特点；涡旋压缩机摩擦与润滑研究的现状及课题的来源与研究内容。 3 兰州理工大学硕士学位论文 第2 章涡旋压缩机的力学分析 2 1 涡旋压缩机的结构 按照涡旋压缩机的外形，可以分为卧式结构和立式结构。这里叙述一下立式涡 旋压缩机的结构“”。 图2 - 1 立式结构涡旋压缩机主剖视图 1 贮油槽；2 电动机定子；3 主轴承；4 支架5 壳体腔：6 背压腔：7 动涡盘；8 气道； 9 静涡盘；1 0 高压缓冲腔1 1 封头；1 2 排气孔口；1 3 吸气管；1 4 吸气腔；1 5 捧气管； 1 6 十字环；1 7 背压孔；1 8 ，2 0 轴承；1 9 大平衡块2 1 主轴；2 2 吸油管；2 3 壳体； 2 4 周向挡圈2 5 止回阀；2 6 偏心调节块；2 7 电动机螺钉2 8 底座；2 9 磁环 图2 一l 是立式结构高压壳体腔涡旋式空调压缩机结构示意图。低压气体由吸 气管道1 3 进入吸气腔1 4 。吸气腔封闭时成为压缩腔，经压缩后的高压气体( 其中 混有润滑油) 通过捧气孔口1 2 进入高压缓冲腔1 0 ，再经过静涡盘9 与支架4 上的 气道8 及简体上的导流板，流向贴在简体内壁面上的油过滤网，被过滤下来的润 滑油落入壳体下部的贮油槽1 中，而高压气体进一步吸取电动机所散热量，后由 壳体上的捧气管1 5 排出。为了平衡动涡盘上承受的轴向气体作用力，在支架4 与 动涡盘7 之间，设置了背压腔6 ，背压腔通过动涡盘上的背压孔1 7 与中间压缩腔 相通，因此背压腔6 中的气体压力是低于排气压力而高于吸气压力的某一中问压 力。在这个中间气体压力的推动下，动涡盘7 沿轴向与静涡盘9 始终保持接触， 9 涡旋压缩机的摩擦弓润滑研究 从而保证了轴向间隙的密封。主轴曲柄销上的偏心调节块2 6 使径向间隙得以可靠 密封，是一种典型的柔性密封机构，轴向及径向间隙密封可靠，而且不因磨损( 一 定限度内) 而降低密封效果。 这种结构的涡旋压缩机采用压差供油方式，在排气压力与背压腔中气体压力 差作用下，润滑油经吸油管2 2 沿主轴上的上油孔流向各摩擦面，其中较多的润滑 油进入背压腔6 ，并通过背压孔1 7 进入压缩腔中，压缩腔中的润滑油起到了十分 重要的润滑、密封及导热作用，并随高压气体经静涡盘上的排气孔口1 2 排出。由 于十字环1 6 放置在背压腔6 中，因此也得到了充分润滑。静涡盘9 的中心线( 基 圆中心) 与支架4 的中心线在理论上应该是重合的。为了保证静涡盘与 支架间的定位精度和装配质量，常用销钉定位，由螺钉联接。 电动机定位与支架也由螺钉2 7 联接，主轴( 连同电动机转子) 被安装在支架上 的主轴承上( 可以是滚动轴承) 及滑动轴承2 0 支承着。这样，动静涡盘、支架、主 轴以及电动机就构成一个整体，依靠支架体的外圆被压在壳体2 3 的内表面上。 2 2 力学分析 2 2 1 涡旋盘上的气体力分析 作用在动、静涡旋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力最终要传递到壳体上来，引起涡旋压缩机的 振动和噪声。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，这种振动是比较小的。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。下面我们来分析作用在动涡盘上的各种气体力。 当曲轴转角为任意时刻时，取动涡旋的a e 段为研究对象，如图2 2 所示。由 于b e 段两边的气体压力相等，所以该段的气体压力相互平衡，不受气体力。以分 析a b 段气体力为例。由涡圈的几何特性和运动特性决定了把涡旋齿所受的压力差 p 分解为垂直曲轴和平行两基圆连心线的两个分压力纰，衅，其分布规律分别为 余弦曲线和正弦曲线。 1 ) 切向力 其中，垂直于曲轴的力为a b 段所受的切向力，它等于切向分压力乘以其投影 面积。切向分压力p t 的投影分布如图2 3 所示。a d ，b c 段所受的分压力分布规律 1 0 兰州理工大学硕上学位论文 是相同的，其大小也相同： 图2 - 2 涡旋齿受力分析图 曲 p l l2 ，2 蝇。c o s e d e 2 p 图2 - 3 涡圈切向力分析图 涡旋线的长度1 ：l = 由a 得a b 段所受的切向力为： f t ( e ) 。= p i i s 。+ p i l s ：= p l ( 1 。h + l 。h ) = a p p h ( 2 一争 其中利用公式( 2 2 ) 可知：l 。= ( 二3 丌一o ) a + a l b c = ( 二冗一o ) a a 、 同样方法分析其余各段涡旋齿所受的切向力。 气体作用在涡旋转子上的切向力为各压缩室气体力 垂直作用在曲柄上的合力， 记为e 妒) ： 综合各段涡旋齿所受的切向力得： ：茎f t ( e ) i 毫p h 茔( 2 i 一- o ) ( s i - 8 i2-ft(0)- u ) ( s i - * i + o ( 2 - 4 ) = f t ( e ) i 毫p h ( 2 i - 兀)i = li = l 。 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 图2 - 4 涡圈径向力分析图 2 ) 经向力 同理，a b 段所受的径向力为平行于两基圆连心线的力，它等于径向分压力乘 以其投影面积。径向分压力p f 的投影分布如图2 4 所示。e f 、f c 段所受的分压力 分布规律也是相同的，其大小也相同为： 0 p r l = f p s i n o d 0 = 鸲 c ( 印= e s = a p h ( i m o ) = 2 a l ：a h i i ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 涡旋压缩机的摩擦与润滑研究 其中，l = i 口+ 2 a 作用在涡旋转子的径向力仅在2 a 宽度的中心带上，压力平行于曲柄作用在曲 柄销上，而其余部分内外壁均以平衡。记为f f ( 0 ) ： 只( 口) = c ( 口) ，= 2 口h ( p 厂p l + i ) = 2 p , a h ( e 。- 0 ( 2 7 ) 3 ) 轴向力 气体作用于涡旋转子上的轴向力，可以用各涡旋室的压力乘以各个压缩室的 轴向面积，相加即得轴向力，考虑涡旋壁厚所受的轴向力，可取渐开线初始角 口= 0 ，即以涡旋壁的中心线将其分开，并承受相邻室的压力，中心室面积为： 兰hr 2 a 时墨= j 1 口2 【唾万一印3 一i 3 石一d 3 】十3 石) 当r 粗糙表面的接触发生在粗糙微凸体上，因而是不连续的，即具有离散性， 且微凸体高度呈高斯分布或指数分布。 ( 2 ) 对于实际的粗糙表面，由于微凸体高度呈高斯分布，因而实际接触面积 与载荷成正比。并且，实际接触面积与表现接触面积无关。 ( 3 ) 粗糙表面弹性接触过程中，接触点的平均尺寸几乎保持不变，只要在弹 性范围内即使逐渐增加载荷也是如此，这意味着实际接触面积主要随接触点数量 的增多而增大，而不是随接触点尺寸的增大而增大。 ( 4 ) 根据方程式( 3 1 2 ) 还可以得出：弹性接触过程中，承载微凸体的平均 实际压力是一个恒定值，它与载荷大小无关。 3 2 雷诺方程删 流体润滑包含流体动压润滑和弹性流体动压润滑等状态。从数学观点分析， 各种流体润滑计算的基本内容是对n a v i e r s t o k e s 方程的特殊形式一雷诺方程的 应用和求解。 3 2 1 基本假设 ( 1 ) 忽略体积力如重力或磁力等的作用 ( 2 ) 流体在界面上无滑动，即贴于表面的流体流速与表面速度相同。 ( 3 ) 在沿润滑膜厚度方向不计压力的变化。由于膜厚仅百分之几毫米或更小，压 力不可能发生明显的变化 ( 4 ) 与油膜厚度相比较，轴承表面的曲率半径很大，因而忽略油膜曲率的影响， 并用平移速度代替转动速度。 ( 5 ) 润滑剂是牛顿流体，这对于一般情况下使用的矿物油而言是合理的。 涡旋压缩机的摩擦与润滑研究 ( 6 ) 流动为层流，油膜中不存在涡流和湍流。对于高速大型轴承，可能处于湍流 润滑。 ( 7 ) 与粘性力比较，可忽略惯性力的影响，包括流体加速的力和油膜弯曲的离心 力。然而，对于高速大型轴承需要考虑惯性力的影响。 ( 8 ) 沿润滑膜厚度方向粘度数值不变。这个假设没有实际根据，只是为了数学运 算方便所作的简化。 3 2 2 雷诺方程的一般形式及其意义 雷诺方程的一般形式 拿犀挈) + 晏拦；社) + 昙( 哪) + 2 p ( 旷) 】 ( 3 - 1 3 ) o x 玎o x卯玎卵 o x 卵 方程的左端表示润滑膜压力在润滑表面上随坐标x ，y 的变化，右