（化工过程机械专业论文）涡旋压缩机机构动力特性研究.pdf

摘要 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，已经广泛地 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。这也是本文将重点阐述的问题。 本文在涡旋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，并建立了一种新型的模拟涡旋压缩机工 作过程的机构模型一平行四连杆机构模型： 针对保证动、静涡盘涡齿正确啮合的关键性部件一一防自转机构， 尤其是目前常被用于无油润滑涡旋压缩机的小曲拐防自转机构进行了分 析，并与其它防自转机构进行了比较。试验证明：该机构在无油润滑涡 旋压缩机中具有良好的工作状态。 针对涡旋压缩机工作过程中压缩腔内产生的气体力对整机造成的轴 向间隙的径向泄漏和径向间隙的轴向泄漏问题，讨论了解决这些影响的 轴向随变机构和径向随变机构，对使用最多的背压技术进行了背压力及 背压孔丌设位置的分析。此外，对其他几种常用的轴向和径向随变机构， 特别是偏心套式及偏心滑块式，也进行了理论分析。 关键词：涡旋压缩机；机构模型：防自转机构；随变机构 涡旋缩机机构动力特性研究 a bs t r a c t s c r 0 1 lc o m p r e s s o r ， a sal i g h t w e i g h t ， l e s s e n e r g y c o s t d i s p l a c e m e n t c o m p r e s s o r ，c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e so fc o m p r e s s o r sw i t hc h a r a c t e r i s t i c s o fs m a l ls i z e ， c o m p a c ts t r u c t u r e ， h i g he f f i c i e n c ya n ds m o o t ho p e r a t i o n ， a l r e a d yw i d e l y u s e di n r e f r i g e r a t i o n ， a irc o n d i t i o n i n g ， a n dm a n yo t h e r i n d u s t r i e s t h er e s e a r c ho nd v n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i s mo ft h es cr o l l c o m p r e s s o ri s a ni m p or t a n te l e m e n to fc o m p r es s o rp r o c e s s ，w h i c hp l a y sa d o m i n a n tr o l eo nt h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y s ot h er e s e a r c hi nt h i sa r e a i sd e r i v e dc o m p r e s s o r sr e s e a r c hf o c u sa n dt h ek e y t h i sisa l s od e s c r i b e di n t h isp a p e rw i l lf o c u so nt h ei s s u e ， o nt h eb a s i so fp r i n c i p l e so fs c r o l lc o m p r e s s o r ，t h ep a p e ra n a l y z e di t s w o r kp r o c e s sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi n s t i t u t i o ns ，t h ee x is t e d i n s t i t u t i o n s m o d e l s ， a n d c r e a t e dan e wt y p eo fs c r o l lc o m p r e s s o r s w or k p r o c e s s i n s t i t u t i o n sm o d e l f o u rc o n n e c t i n gr o d sp a r a l l e li n s t i t u t i o n sm o d e l ； a n a l y z e dt h ek e yc o m p o n e n t ，a n t i r o t a t i o nm e c h a n i s m ，w h i c hi s s u r e q u i e tt h ec o r r e c tm e s ho fo r b i t i n gs c r o l la n df i x e ds c r 0 1 l ，e s p e c i a l l yt h e c r a n ka n t i r o t a t i o nm e c h a n i s m ， w h i c hi so f t e nb eu s e dt ot h en o n - o i l l u b r i c a n t ，a n dc o m p a r e d “w i t ho t h e ra n t i r o t a t i o nm e c h a n i s m s t h eg o o d w o r k i n 旺c o n d i t i o no ft h ecr a n ka n t i r o t a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nt e s t e di n t h et e s to fs c r 0 1 lc o m p r e s s o rw i t hn o n - o i ll u b r i c a n t t ot h ep r o b l e m so fr a d i a l1 e a k a g ec a u s e db ya x i a lg a pa n da x i a l l e a k a g e c a u s e d b y r a d i a l g a p ， t h e p a p e r d i s c u s s e dt h ec h a n g i n gi n m e c h a n is mo fa x i a la n dr a d i a l ，w h i c hc a ns 0 1 u t et h e s ei m p a c t i o n s a n a l y z e d t h eb a c k p r ess u r ea n dt h eb a c k - p r e s sp o r tp o s i t i o no fb a c k p r e s st e c h n 0 1 0 9 y ， w h i c hi st h eb e s tu s e d i na d d i t i o n ，s e v e r a lo t h e r sc o m m o n l yu s e di nt h e c h a n g i n gi n m e c h a n is mo fa x i a la n dr a d i a l ， e s p e c i a l l y t h ee c c e n t r i c i t y g a u n t l e ta n de c c e n t r i c i t yh u a k u a it y p ea r ea l s oa n a l y z e di nt h e o r y k e y w o r d s ：s c r o l l c o m p r e s s o r ； m e c h a n i s mm o d e l s ； a n t i r o t a t i o m e c h a i s m ；t h ec h a n g i n gi nm e c h a n i s m i i 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：赵型曼 日期：2 删绰 月占日 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 1 、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“”) o 篡 期期冬 莎 礁r 赵寂 名名签签者师作导 第一章绪论 1 1 涡旋压缩机的发展简史及现状 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，涡旋压缩机由于其所具有的高效率、高可靠性、 低能耗、零件数少、结构紧凑等突出优点引起了许多国家的重视，成为压缩机技 术发展的主要方向之一。 涡旋式流体机械的构思，最初是由法国工程师l e o nc r e u x 提出的，并于1 9 0 5 年在美国注册专利的“7 。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，现在的机器结构，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，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，同时缺乏实用面可靠的驱动机构，使摩擦和 磨损问题不能妥善解决，因此涡旋压缩机在将近7 0 年的时间里未得到普及应用。 直到2 0 世纪7 0 年代初，美国、同本等几家公司又相继重新开始涡旋压缩机的研 究开发工作。由于数控机床的应用，计算机控制组装技术的实现以及具有自我补 偿磨损的轴向密封机构的产生等关键技术逐步得到解决，为涡旋压缩机的研究和 开发创造了机遇和条件。于8 0 年代初就推出了空调用涡旋压缩机的系列产品。加 上能源危机的加剧，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突出的优点，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“。 1 9 7 5 年美国a d l 公司首次利用涡旋式压缩机的原理，采用双伸出轴两级压缩 的结构，成功开发了排气压力为t 7 m p a 的氦气压缩机“，并把它用在远洋海轮上。 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。 纵观涡旋压缩机的发展历程，日本在涡旋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”1 ，年产量达5 0 | 丁台； 日立公司于1 9 8 3 年首先推出系列柜式空调涡旋压缩机”1 ，产品覆盖了从3 匹到5 匹几个型号，实际应用效果良好。随后各大公司竞相丌展研究开发工作，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，于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。此 后一系列卧式涡旋压缩机由日立、三菱重工、大会等公司开始投入生产，除此之 外，三菱电气、东芝、三洋、三井精机、岩f 只涂装等公司也都批量生产涡旋压缩 机。 涡旋压缩h 【dl 枸动力特性计冗 美国是继日本之后又一个大规模生产涡旋压缩机的国家，主要生产厂家有考 普兰、开瑞、特龙、泰康、t r a n e 和t e c u m s e h 等公司。其中考普兰公司总产量达 到年产2 0 0 万台；谷轮公司于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，是目前世界上最大的涡旋压缩机制造商，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 一1 0 0 范 围内的无级调解；开瑞公司和特龙公司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，由于受各种因素的限制，涡旋压缩机方面的研究起步比较晚，直到 2 0 世纪8 0 年代后期，涡旋机械技术的研究才逐渐成为研究热点。先后有西安交通 大学、甘肃工业大学、机械部通用机械研究所及一些其它的院、所和工厂对涡旋 技术进行规模研究，经过多年的努力，成功研制了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、油泵和天然气压缩机等产品样机，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突出的成果。 但由于多方面的原因，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空调用全封闭涡旋压缩机的生产线，西安大 会庆安压缩机有限公司同h 本大金工业株式会社合作，谷轮公司在苏州投资建设 了涡旋压缩机的生产线，r 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。 随着涡旋技术的进一步发展，其应用领域不再局限丁：制冷和空调领域。目前 已经向空气增压装置、真守泵及动力用牢气压缩机和其它气体压缩机等领域发展， 且已经取得了喜人的成绩。在8 0 年代德国大众公司成功开发了g 增压器，使得发 动机的功率提高了3 j ：1 9 8 7 年日本三菱电机公司首次开发了回转型涡旋真空泵： 动力用空气压缩机分别以只本三井精工公司开发的喷油涡旋式压缩机和1 w a t a 公 司开发的无油涡旋式空气压缩机为代表。 1 2 涡旋压缩机的基本结构和工作原理 典型的封闭式制冷涡旋压缩机基本结构如陶1 1 所示。从图中可以看出，涡 旋压缩机主要由动涡盘、静涡盘，防自转机构( 图中为f 字滑环) 、主轴和机架等 组成。其中动涡盘被置于静涡盘和支架体之间，它在偏心曲轴的驱动下运动。 硕j ：学位论文 图1 1 立式全封闭涡旋压缩机剖面图 1 吸气管2 排气口3 密封外壳4 排气腔5 定涡盘6 排气通道 7 动涡盘8 背压腔9 电动机腔1 0 支架1 1 电动机1 2 油1 3 曲轴 1 4 、1 6 轴承1 5 大平衡铁1 7 背压腔1 8 十字滑环1 9 排气管2 0 吸气腔 作为涡旋压缩机的核心构件一一动、静涡盘，其上最常采用的型线是圆渐开 线及其修正型线，下面以圆渐丌线为涡旋型线为例来说明涡旋压缩机的工作原理。 其具体压缩情况见图1 2 。 动静涡盘上的涡旋型线是参数相同，且相互错开1 8 0 。后偏心组装在一起的， 这样两条涡旋壁之间可以形成数对月牙形闭死容腔。工作时动涡盘在曲轴的驱动 下，其中心绕静涡盘中心( 基圆中心) 作回转半径为r o r 的无自转的圆周运动。 在动涡盘的运动中，气体由涡旋盘的外缘( 或吸气口) 吸入，进入月牙形吸气腔， 且不断向涡盘中心靠近，随着月牙形容积的逐渐缩小，腔内气体压力不断得到提 升，直到压缩腔与静涡盘中心外排气口连通后开始排气。与此同时，涡旋立壁的 外圈则不断形成新的封闭腔，使吸气、压缩、排气过程得以实现。 图12 涡旋压缩压缩气体示意图 从其工作原理可以看出，涡旋压缩机与往复式压缩机相似，都是一种借助容 积的变化来实现气体压缩的容积式压缩机，但与同等容量的往复式压缩机相比具 有明显优势：主要零部件减少了9 0 ，体积减少4 0 左右，噪声降低了5 8 d b ，效 率提高l o 左右，重量减轻了1 5 ，驱动力矩的波动幅度仅为往复式的l l o 。由 于涡旋压缩机的独特结构使其具有下列优点： ( 1 ) 零件数少，结构紧凑，体积小，重量轻； ( 2 ) 振动小、噪声低、押雉变化小。由于没有吸、排气阀的存在使得气体流 动损失小，吸气、压缩、排气过程几乎连续进行，气流脉动小，无气阀的碰撞， 整机的振动和噪声都得以降低，涡旋回转一周的耗功变化小，即扭矩变化小； ( 3 ) 容积效率高。经修正后的涡旋齿压缩过程中没有余隙容积存在，压缩容 腔的连续性使得相邻压缩室的压差小，内部气体泄漏降低，理论上容积效率可达 1 0 0 ，实测值也都在9 5 以卜- ； ( 4 ) 具有可靠和有效的密封性。可采用轴向和径向随变机构，保证轴向间隙 和径向间隙的密封效果，且不因摩擦和磨损而降低效率，寿命长。 涡旋压缩机同样存在自身的缺点： ( 1 ) 涡旋型线加工难度大，且加工精度要求高，这也是涡旋压缩机的主要缺 点： ( 2 ) 整机摩擦副数量多，产生的磨擦热不易散失，因此压缩机的使用范闱受 到定的限制； ( 3 ) 难以适应大排气量和高压力比的应用场合。 4 1 3 国内外研究现状 纵观近年来发表的涡旋压缩机方面的文献，主要从以下几个方面进行了研究。 1 3 1 型线方面 涡旋压缩机压缩气体的过程主要靠的就是涡齿间型线的密切啮合，形成有效 的闭死容腔，随着容腔的变小，最终达到提升气体压力的目的，因此型线设计是 最基本也是重要的问题。早期的研究大多采用的是圆的渐开线，除了它有简单的 数学描述外，还在于其加工比较方便，因此到目前仍被广泛采用。除此以外还有 线段和正多边形的渐开线也可作为涡旋型线，但无论采用哪种型线，加工过程中 都会由于刀具的干涉而使型线中心部分( 即高压区型线) 变薄而容易变型，同时 不可避免地使一部分高压气体残留于中心部位，造成不完全压缩，影响压缩效率。 因此对于型线方面的研究主要集中在对型线始端的修正方面，借以达到提高齿头 强度、排气时的零余隙、提高压缩比和降低加工时的刀具干涉程度，增大了排气 角，从而进一步改善压缩机的性能，于是就产生了很多的型线修正方法。 文献 9 建立了的渐开线型涡旋齿型线修正方法应用一般的数学方法和共轭 理论，进行了分析和证明；文献 1 0 在双圆弧修正的基础上提出了多对圆弧修正； 文献 1 1 提出了三基圆涡旋延伸修正型线的原理，完整地导出基于三基圆型线的 设计计算几何理论；文献i 1 2 对涡旋齿端型线的三角函数类修f 几何理论进行了 深入研究，阐述了这类修证的齿端生成方法及型线的特点，等等。除此以外还有圆 弧与直线相结合的修正、二次曲线修正型线等。 1 3 2 工作过程热力学特性研究方面 这方面的研究主要集中在工质的泄露和传热方面。 涡旋压缩机的泄露形式主要是径向间隙的周向泄露和轴向间隙的径向泄露。 要建立泄露模型，必须知道通过泄露通道的工质状态。目前大部分涡旋压缩机采 用的是有油润滑，因此通过泄露通道的工质是油气混合物，两相流态非常复杂， 加上缺乏大量的实验数据，所以目前各种泄露模型大都借鉴其他回转压缩机的泄 露通道，而且建立模型时都作了不同程度的简化“”1 。例如，文献 13 假设压缩 机的各泄漏通道只存在油的单相泄漏，并采用平板间平行间隙流动模型计算压缩 机的周向和径向泄漏量；文献 1 7 对各泄漏通道内介质的流态进行了分析，提出 了确定泄漏间隙内的流念判别准则，并对不同流态下介质的泄漏量进行了计算； 文献 1 9 对有油润滑涡旋压缩机轴向间隙中流体的层流流态进行了分析，建立了 纯油单相层流流动和气、油两相层流流动的流动模型，并对流体在两种层流流态下 的泄漏量进行了计算。 涡旋压缩机在运转过程巾存在着很多的摩擦副，如动、静涡盘问的，动盘与 支架体之间等的摩擦会产生热，加上气体压缩过程也会产生热。如果这些热量能 够及时散热掉，压缩过程就可接近等温过程，降低功耗，提高压缩机的性能。因 此对于这方面的研究也很多”1 。例如文献 2 0 认为涡旋盘和周围工质之问的对 流换热系数非常大，工作腔壁面的温度等于工作介质温度；文献 2 3 以热力学理 涡旋压缩捌【材l 构动力特性研究 论为基础，提出压缩过程中湿空气始终处于饱和状态的假设，对喷水涡旋空气压缩 机的压缩过程进行了较详细的理论分析，建立了相应的数学模型并进行了数值求 解。 1 3 3 机构研究方面 曲轴、动涡盘、防自转机构等运动部件的受力及运动状况是是压缩机工作过 程模拟的重要内容，直接影响压缩机的效率和可靠性，这方面的改善能够保证型 线发挥出最大的优点，提高整机的性能，因此这方面的研究“”1 是涡旋压缩机研 究的重点、关键。机构方面的研究主要包括整机机构模型、防自转机构模型、轴 向和径向随变机构等。 如文献 2 8 和 2 9 建立了曲柄和双滑块机构组成的涡旋压缩机的理论机构模 型，借助此模型从机构学的基本原理出发对涡旋压缩机的工作原理进行了分析， 揭示了涡旋机构成立和实现正确运动的条件和普遍规律，特别是对现代涡旋压缩 机设计中的关键技术一一径向随变机构提供了理论基础和根据。文献 3 0 根据机 构结构学和拓扑学的观点，系统绘制了涡旋压缩机各种可能的机构简图，建立了 涡旋压缩机机构的通用模型。文献 3 1 介绍了六种常见的用于公转型涡旋流体机 械的防止自转机构的工作原理和受力状态，并加以比较。文献 3 2 对滚珠防白转 止推轴承进行了几何、受力及寿命分析；并对其后期磨损加以定性的理论分析。 文献 3 3 提出了一种新型防自转机构一一零齿差行星齿轮防自转机构，并对该机 构进行了参数设计和强度校核；文献 3 4 对涡旋压缩机的静盘轴向补偿机构进行 了理论分析，建立了静盘稳定性的数学模型，并且确定了此机构中限制静盘运动 部件的固定位置范围；文献 3 ； 对采用静盘轴向补偿机构的涡旋压缩机的性能进 行了模拟计算，给出了内部作用力和静盘稳定性随工况的变化规律，分析了静盘 的倾斜对压缩机性能的影响；文献 3 6 介绍了运用随变原理设计的一种新型径向 密封机构的结构特点、工作原理及主要参数的确定方法，认为该机构可补偿由于 涡旋体加工精度不高而造成的功率损失；文献 3 7 对十字滑环防自转机构和带有 径向随变机构的涡旋压缩机结构进行了分析和研究，建立了偏心套径向随变机构 运动简图和引入虚约束以改善受力和机器运转平稳性的偏心套径向随变机构运动 简图。 1 4 课题的来源与主要研究内容 1 4 1 课题来源、意义 本课题是从本校与大连新源动力有限公司合作j 1 ：发的用于燃料电池汽车发动 机系统的涡旋空气压缩机的研制中引申开展的理论研究。 涡旋压缩机机构方面的研究直接影响压缩机运转的可靠性和效率，即使涡旋 6 坝士学位比又 型线方面做到最优，若没有良好的机构设计，则既不能保证型线发挥出最大的优 点，甚至会降低整机的工作性能，达不到预期的效果，因此具有重大的现实意义。 1 4 2 本课题的主要工作 本文着重从以下几个方面开展工作： 1 在涡旋压缩机工作原理的基础上，从机构学角度分析其工作过程，并针对 公转型和主被动轴型涡旋压缩机就现有的机构模型进行分析比较；明确提出表征 公转型运动规律的又一机构模型一一平行四连杆机构。 2 讨论保证动、静涡盘涡齿正确啮合的关键性部件一一防自转机构，利用各 种机构模型分别加以分析，尤其是目前常被用于无油润滑涡旋压缩机的小曲拐防 自转机构，并与其它防自转机构进行分析比较； 3 分析涡旋压缩机的轴向随变机构和径向随变机构，针对常采用的背压技术 的轴向随变和偏心套式及偏心滑块式的径向随变进行理论分析。 涡旋压缩机机构动力特性研究 第二章机构模型 弟一早 1 ：j l 俐个吴型 2 1 单公转型与主被动轴型 涡旋压缩机在结构上可分为公转型和主被动轴型两种，而公转型又可分为单 公转( 动静式) 和双公转式两种，相比较而言，目前应用最多的是单公转型。对 于单公转和主被动轴型压缩机而言，二者的工作原理见图2 1 和图2 2 图21 公转型涡旋压缩机的工作原理图22 主被动轴型涡旋压缩机的工作原理 从图中可以看出，二者的工作原理是一样的”，都是靠两个涡旋荫壁形成封 闭容腔容积的变化来提升气体压力的，但通过对其运动分析，可以发现二者的转 动形式不同：单公转型是一个涡旋固定不动，另一个涡旋围绕它以一定的回转半 径作公转平动：而主被动轴型则是两个涡旋各自绕其自身轴转动，中心距等于保 汪两个涡盘正确啮合的偏心距。为了达到同样的压缩功能，单公转型涡旋的公转 方向与涡型线( 涡旋齿形线) 旋向相反，而主被动轴型两个涡旋转动方向与涡型线 旋向相同。 除此以外，从图中还可以看出二者的径向密封位置和方向不同：主被动轴型 涡旋中，两个涡旋径向密封位置发生在发生圆的两条切线上，且密封方向始终固 定不变，相位差为1 8 0 。，图2 2 中密封线方向为水平方向。而单公转型涡旋径向 密封的位置和方向却随着主轴同步转动。即主轴回转一周，径向密封的位置和方 向变化3 6 0 。 正是由于二者的转动形式和径向密封位置及方向的不r 刁，致使两种结构中运 动满盘受到压缩腔内气体的径向分力和切向分力方向的不同，以及后续平衡计算 中同样存在差异。 气体径向分力是定义在两涡旋发生圆的中心连线方向上，而切向力是在两涡 旋发生圆中心连线的垂直平分线上，所以对于单公转型而言，动涡旋受气体径向 力和切向力的方向绕主轴同步回转；而主被动轴型的两个动涡旋受气体径向力和 切向力在空间的位置和方向则始终不变，因而它不能像公转型涡旋那样，应用偏 心套或滑动轴套等径向随变( 柔性) 机构自动调节涡旋涡圈侧面间隙，达到径向密 封。 在主被动轴型涡旋中，两个涡旋各自绕自身轴转动，因而不产生离心力，也 就不需设置一、二次平衡块。也正因没有离心力，它不能采用自动调节偏心距机 构。而单公转型涡旋则相反，动涡盘是在偏心曲轴的带动下运转的，因此运动中 会产生离心力，必须设置一次平衡块来平衡它，而由此产生的力矩得不到平衡， 因而又不得不设置二次平衡块，使机器才能安静平稳地工作。 为了更好的描述和解决涡旋压缩机的工作原理和规律，文献 2 5 从机械学的 角度出发对单公转型建立了一个完整的理论机构模型，如图2 3 所示。 a )b )c ) 图2 3 公转型涡旋压缩机机构模型 图2 3a ) 建立了动涡旋公转运动的机构模型，通过对该机构运动进行分析， 可以得出机构的组成及相对运动关系。 该模型由1 个曲柄和2 个滑块组成，偏心曲轴在驱动电机的带动下绕自身轴 线做圆周运动，与动涡旋连接在一起的滑块l 在滑块2 的制约下只能做公转平动， 而不能自转。 构件间形成的运动副情况如表1 所示。 表11 构件间形成运动副情况表 运动副陆轴动涡盘( 与滑块1 一体)滑块2支架 曲轴 转动副转动副 动涡盘转动副滑动副 滑块2滑动副 滑动副 支架转动副滑动副 活动构件数：n = 3 低副数：p l = 4高副数：p h = 0 从表1 知，该机构模型由3 个活动构件、4 个低副( 表格对角线上侧或下侧运 动副类型) 组成一一两个滑块处为移动副，两个铰链处为转动副。根据自由度的计 算公式： f = 3 开一( 2 局+ 仇) ( 2 1 ) 式中，n 为活动构件数目；p l 为运动低幅；p h 为运动高副 可知，该机构是只有1 自由度的确定运动机构，与机构的实际情况相符。这 样就保证与滑块l 为一体的动涡旋作公转平动，其圆周公转的轨道形状是由曲柄限 定的。 图2 3b ) 建立的是动静式涡旋压缩机的机构模型。在此机构中包含五个构 件( 含固定构件机架) ，与动涡旋的模型相比，增加了一个静涡旋，而事实上，静涡 旋与机架固定为一体的，只有当动、静涡盘涡齿的工作表面加工精度达到整个工作 表面上处处都能完美啮合时，那么动涡旋和静涡旋的型线贴合点b 构成一虚约束。 此机构的自由度仍为1 ，则动涡旋的公转平动的运动规律保持不变。 图2 3c ) 建立的是具有径向随变功能的整机机构模型。与图2 3b ) 的区别 在于，将曲柄销改用弹簧代替，表示曲柄半径的可伸缩性，这样，动静涡旋工作表 面在b 点啮合时，遇有积液、固体颗粒或加工误差时，动涡旋便可产生退让，即为径 向随变作用。 对于主被动轴型结构其运动可采用图2 4 所示模型。 萑动p & 位祝构 图2 4 主被动轴型涡旋压缩机传动模型 存该结构中，两个涡旋盘都有绕自身轴线旋转的运动，困此整个结构中两涡 预 学位论文 盘都不用设置防自转机构；但二者运转过程中又要保证一定的回转半径，故两动 涡盘要设置一个传动限位机构，既能保证在电动机的带动下同步旋转，又能保证 二者在运转过程中回转中心始终保持一定。 从以上分析看出，在结构上，单公转型的简单、零件少，而主被动轴型的复 杂、零件多：单公转型涡旋由于以偏心距作平动，动涡旋上各处线速度相同，均 等于两涡旋之间偏心距乘回转角速度，而主被动轴型两动涡旋均回转运动，其上 涡旋各处的线速度均不相同，所以相比较而言，主被动轴型涡旋的线速度比单公 转型的要大很多，其最大线速度可能达到公转型涡旋线速度几十倍，零件的机械 磨损也就较大，使用寿命受到影响会降低。 主被动轴型涡旋由于两涡旋都转动，两个涡旋都承受同样大小的气体轴向力 和倾覆力矩，因而在设计时，要同时考虑两个涡旋轴向推力、轴承承载负荷和倾 覆问题，而单公转型结构因有一涡旋与支架体相连，作用在静涡盘上的轴向力转 而由机架承担，更不会有静涡盘发生倾覆的危险，因而只需考虑动涡旋的轴向止 推和倾覆问题。 2 2 双曲柄一滑块机构 双公转涡旋压缩机目前仍很少采用，其机构模型如图2 5 所示”。在该模型 中，不仪主动涡盘采用曲柄和滑块组成，自由涡盘同样采用此结构，即一双曲柄 滑块机构。两涡旋盘均以各自的回转半径作公转平动，其中随动涡旋盘( 或称 自由涡旋盘) 的运动是靠主涡旋盘来带动的。在图中，除固定构件机架外，含有6 个活动构件，8 个低副( 4 个移动副，4 个转动副) 。如果两个涡旋表面的啮合点一 直保持高副联接，此处意味着存在的是虚约束，则这一机械仍然是一个具有一个 自由度的确定机构，在图2 6 中用两个简单的圆弧分别表示两个公转涡旋的工作 表面。 曲柄2 自由涡齿。 滑块3 主动涡齿诠 y孙f 1 、b 。渗 啦， 一滑块4 广 i一4 j 、1 z 册 2 措块1( b ) 图2 5 双公转式涡旋机械的机构模型图2 6 双公转式涡旋压缩机的啮合原理 黎 蜥 由曲柄1 带动的主动涡旋刚性的与滑块l 相联接。它具有一个由圆d i 发生的 渐开线工作表面【，而自由涡旋刚性地联接在滑块4 上，由主动涡旋驱动，具有一 个由圆q 发生的渐开线工作表面矿。同时两个发生圆的半径相等。如果这两个工 作表面为相互正确啮合的共轭表面，则这一对表面在工作中必然始终保持高副接 触状态。 在文献 2 9 中，建立了固定在主动涡旋上第一个坐标系s ( x 。，d 1 ，e ) ，固定在 自由涡旋上的第二坐标系曼( 置，0 2 ，匕) 及在两个涡旋零件的公转中心p 上的第三坐 标系s ( x ，d ，) ，且将第三坐标系与机架固定。 此时主动涡旋渐开线工作表面u 在s 坐标系的方程为： 五= 口( c o s 妒+ 妒s i n ( 2 2 ) x = d ( s i n 尹一妒c o s 伊) ( 2 3 ) 而自由涡旋渐开线在s ，坐标系的方程为： 五= 口 c o s p + ( 妒+ 石) s i n 妒】 ( 2 4 ) 匕= 讲s i n 妒一( 妒+ 万) c o s 妒】 ( 2 5 ) 式中，妒为渐开线展角，a 为发生圆半径。 通过转换上述主动涡旋渐开线工作表面u 在s 坐标系的方程到s 坐标系中的 方程，再变换到坐标后，得到主动涡旋的渐开线工作表面u 在曲柄l 的驱动下 在坐标系& 中所形成的一系列曲线轨迹一一曲线族： 掣= 盯( c o s 妒+ 伊s i n 妒) + r 耐c o s 口一r 盯c o s ( 口十y ) ( 2 6 ) k 7 = 口( s i n 妒一妒c o s 妒) + r 州s 血口一r ，s i n ( a + ，) ( 2 7 ) 式中，r 。和g 分别代表曲柄1 的长度和偏转角；心和分别为曲柄2 的长度和 偏转角，y 为两曲柄的转角差； 这个曲线族的族参数是转角口。在这个曲线族的包络线存在的情况下，即存 在下列关系式： 型望一型望：o( 2 8 ) a 妒a 口a 口a p 经过一系列转换，必可得主动涡旋渐开线在坐标系中的运动轨迹的包络线 的参数方程： x = 【d + r 。耐c o s 岛一r o c o s ( 岛一y ) 】c o s 妒 + 吃耐s i n 岛一巳一s i n ( 岛一，) 十日妒】s i n 妒 ( 2 9 ) 】，= 【d + r 耐c o s 岛e 耐c o s ( 6 0 一，) 】s i n 妒 一【r 。时s i n 岛一只。一s i n ( 岛一y ) + n 妒】c o s 妒 ( 2 1 0 ) 式中，懒。害 1 2 硕上学位论文 如果主动涡旋工作表面u 和自由涡旋的工作表面v 的共轭关系存在，必然有主 动涡旋渐开线在& 坐标系中的运动轨迹的包络线的参数方程( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 和自 由涡旋的工作表面在坐标系中的方程( 2 4 ) 、( 2 5 ) 具有等效性。通过比较两 组方程并整理得： r “c o s 岛= r fc o s ( 岛一，) ( 2 1 2 ) s i n 岛= 尺s i n ( 岛一y ) + a 万 ( 2 1 3 ) 从这一组关系式进行分析可以得到如下几点： 1 ) 方程所含的参数口，兄。，岛和y 中，主动曲柄和自由曲柄的长度r 。 和r ，发生圆半径a 等取决于机构的几何尺寸，当机构的这些参数满足方程组 ( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 时，主动涡旋表面和自由涡旋表面的共轭关系存在， 两者必然是高副接触，整个机构具有一个自由度的给定运动。即整个一套双公转涡 旋式涡旋机械可由一对曲柄双滑块机构代表。 2 ) 在图2 5 中，o d 2d l 可称为驱动三角形，其中的两边和r ，在机械构成 后即被确定，而另一边d 1 0 ：用r ，表示，它代表两涡旋零件的中心距离，实际上它代 表了主动涡旋中心绕自由涡旋中心的回转半径。按照涡旋的几何理论它必然满足 方程： r ，= 凹一f ( 2 1 4 ) 这里t 代表涡旋齿的厚度，而从图2 6 中可以得到： r ，= r 目s i n 岛一r ws i n ( 岛一，) ( 2 1 5 ) 将这一结果与式( 2 1 1 ) 进行比较得： 兄，= 钎 ( 2 1 6 ) 式( 2 1 4 ) 和( 2 1 6 ) 的差别是由于开始建立渐开线工作表面的方程时，并没有 考虑涡旋齿的厚度的存在。 通常主动涡旋绕自由涡旋中心的回转半径保持不变，同样两个曲柄的相位差 角，也保持不变，在这种情况下，主动涡旋和自由涡旋的公转速度保持不变，这代表 了双公转涡旋式压缩机的正常工作情况。 在非f 常情况下，由于积液、固体颗粒和加工误差会改变主动涡旋和自由涡旋 的中心距离，即r ，将发生变化，这时两个曲柄的相位角y 办发生变化，此时自由涡 旋的转速将随着发生变化，当现象消除后又由丁惯性恢复正常转动，这就是双公转 涡旋式压缩机的径向随变作用。 3 ) 在上述的驱动三角形中，必然存在如下关系： r + r ，吃d ( 2 1 7 ) 这是双公转涡旋机械的必要条件，当自由涡旋的曲柄半径兄，减小为o 时，角 y 和岛分别变为。和鲁，这时得： 涡旋压缩捌【刳【构动力特性研究 r ，= ( 2 1 8 ) 这是一种极限状态，在这种情况下，自由涡旋的中心口和两个涡旋的公共回 转中心重合，自由涡旋变成了静止不动的固定涡旋，所以式( 2 1 8 ) 反映了动静式涡 旋机构的几何关系，这时动涡旋相对静涡旋的公转半径兄，等于驱动曲柄半径的长 度，它已经不可能产生微小变化以适应积液、固体颗粒和尺寸误差产生的影响。因 此在动静式结构中径向随变作用是不存在的。 4 ) 图2 6 中的d 点是两个公转涡旋的公共中心，在实际设计中人们必然将这 点作为两个曲柄的公共回转中心，但从上面的分析中可见曲柄的中心是可以不重 合的，这一点对降低加工装配要求和降低生产成本是有实际意义的。 2 3 平行四连杆机构 对于单公转型的涡旋压缩机动涡盘的运动除了采用上述图2 3 a ) 所示的机构 模型外，还可采用图2 7 所示的平行四连杆机构模型。 ，、， 。啦罗， | | j 餐j 参jj 1 一 f 、n 妒i 吨j 8 “j j j 、”j 魏一、 、 、 7、 a )b ) 图27平行四连杆机构简图 如上图a ) 所示，根据前面分析可知，动涡盘上任一点的运动轨迹都是绕某 一点以一定的网转半径做圆周运动，连接动涡盘上任意两点及两点运动的圆心， 就可以得到一个平行四边形，所以单公转的涡旋压缩机可以用一平行四连杆表示 其工作原理和运动规律，如一卜图b ) 所示。图中0 点为曲轴中心，a 点为动盘驱动 点，一般与动涡盘的发生圆中心重合，则构件l 相当于偏心驱动主轴，由驱动电 机带动绕曲轴中心0 点做圆周运动；爿点为静涡盘中心( 即机架中心) ，b 点为以一 点为圆心，以凹转半径为半径的圆上一点，连接d f 曰( 即连杆2 ) ，其运动规律与 动涡盘的完仓致，都为公转甲动；而连杆2 的公转平动是在防自转机构的作用 卜| 形成的，所以a 、b 两点连线一一连杆3 就相当于涡旋压缩机的防白转机构；连 杆4 相当丁i 机架。 对于此平行四连杆机构，共有3 个活动构件，构件问的连接均为铰链接运 4 硕j ：学位论文 动副有4 个，均为低副一一转动副，所以，根据平面机构自由度计算公式可知该 机构的自由度为1 ，即它是一个只有自由度的确定机构，其运动形式是固定的，即 主动l 和从动构件2 以相同的角速度同向转动，而连杆2 作平移运动。表征动涡 盘的连杆2 上的任一点的运动轨迹为： ( 工一) 2 + ( y y ) 2 = r 三 ( 2 1 9 ) 式中，( x ，n 为任一点做圆周运动时的圆心坐标。 实际上单公转的涡旋压缩机在运转过程中，动涡盘上的涡齿是要和静涡盘上 的涡齿相贴合，这样才能形成压缩气体用的封闭容腔，而静涡盘是与机架相连， 固定在一起的，所以即使要考虑静涡盘构件这一构件时，它也应为一固定构件； 而动涡盘和静涡盘上涡齿贴合处形成的约束，在动静盘涡齿整个工作过程达到完 美啮合时，构成的是一高副，为虚约束，此机构的自由度仍为1 ，所以对于单公转 的涡旋压缩机而言，无论是否考虑静涡盘的存在动涡盘的运动都可以简化成一 平行四连杆机构。 在此基础上，双公转式的涡旋压缩机也可以采用图2 8 所示的双平行四连杆 机构，o 点为两个公转涡旋的公共中心。；和b 点分别为主动涡旋和自由涡旋上 绕d 点以一定的回转半径的圆上的一点：两涡盘的驱动点分别为b 和d ，各自绕 自身的驱动曲轴中心爿和c 作圆周运动。 d 图2 8 双平行四连杆机构 在此机构模型中，构件d d 和00 1 的尺寸在整机机械构成后就被确定下来， 构件a n 代表的是主动涡旋中心绕自由涡旋中心的回转半径，通常情况下是固定 不动的，因此由这三个构件组成的三角形相当于一刚性三角形，在整个运转过程 中三个构件的运动形式是一样的，所以可以作为一个构件来看待，称为刚性三角 形! q 。 通过对该机构运动进行分析，可以得出机构的组成及相对运动关系： 驱动曲轴在电动机的驱动下绕a 点作圆周运动，执行构件是作回转平动的主 涡旋眶缩机机构动力特性研咒 动涡盘：在平行四边形爿占q d 中，构件q 0 与爿b 以相同的角速度同向转动，反映 在刚性三角形d 0 2 q 上，可知构件d d 2 也是与4 曰相同的角速度绕d 点运行；这样 在平行四边形0 c d d ，中，构件0 口又成了主动曲柄，此时执行构件是作回转平动 的自由涡盘，从动构件c d 与0 n 以相同的角速度同向转动。从中可以看出，此双 平行四连杆机构同样反映了双公转涡旋式压缩机的正常工作情况：主动涡旋和自 由涡旋的公转速度保持不变。 当d 与0 重合时，d 点会与c 点重合，此时双平行四连杆机构就会转化成单 一的一平行四连杆机机构。所以，从平行四连杆机构的角度出发，同样可以得出 双公转涡旋式压缩机可以向单公转涡旋式压缩机转化的结论。 在此双平行四连杆机构中，构件间形成的运动副情况如表2 所示。 表1 2 构件间形成运动副情况表 土动涡盘刚性三角形自由涡盘 支架从动曲柄 运动副 驱动曲轴4 b 口。 d d 20 1 d 1 d 爿d ( 0 c ) c d 驱动曲轴 转动副转动副 彳口 主动涡盘 转动副转动副 b a 刚性三角 形转动副转动副 转动副 o 。2 q 自由涡盘 转动副转动副 c l d 支架 转动副转动副转动副 4 0 ( d c ) 从动曲柄 转动副转动副 c d 活动构件数：n = 5低副数：p l = 7高副数：p h = 0 从表2 知，该机构模型由5 个活动构件、7 个低副( 表格对角线上侧或下侧运 动副类型) 组成一一均为转动副。根据自由度的计算公式可知，该机构是只有1 自 由度的确定运动机构，与机构的实际情况相符。 当涡旋压缩机运行中，动静涡齿啮合处出现积液或固体杂质时，o d ，以的刚 性将被破坏，代表主动涡旋中心绕自由涡旋中心的凹转半径a0 将发生变化，两 曲柄的必角也会发生变化，理论上会出现图2 9 所示的三种形式：a ) 为主动涡旋 发生避让；b ) 为自由涡旋发生避让；c ) 为两涡旋同时发生避、止。 a )b )c ) 图2 9 非正常工况下的双平行四连杆机构 实际上，主动涡旋是在电机的驱动下进行公转运动的，不可能发生曲柄反转 的现象，而自由涡旋是在主动涡旋的带动下进行公转运动的，同主动涡旋同步转 动的方向没有阻力的存在，因此，非讵常工况下，只会出现图2 9 b ) 所示的情况： 自由涡旋曲柄的转速突然增大，发生瞬时的超前运动，主动涡旋和自由涡旋的公 转速度也就不一致。现象消除后