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硕士学位论文 摘要 随着工业的快速发展，以效率高、能耗小、结构紧凑、运行平稳等优势而著 称的涡旋压缩机的应用也越来越广泛。但近年来，传统的单一型线涡旋压缩机因 自身固有结构的局限性，使得其面积利用率与工作效率等方面受到制约。因此使 用新型组合型线提高涡旋压缩机的整体性能成为解决这一问题的有效方法。 本文首先论述了组合型线的啮合条件、通用型线控制方程的推导及平面曲线 理论，绘制了圆弧一线段等壁厚组合型线，并对圆弧一线段等壁厚组合型线涡旋 盘与圆渐开线涡旋盘进行基本比较。然后在组合型线理论的基础上，利用a n s y s 的a p d l 对涡旋盘的结构参数编程建立了圆渐开线涡旋盘与组合型线涡旋盘的 参数化分析模型。设计结果表明，通过对结构的关键参数进行设置和提取，利用 关系式重新赋值就可以得到涡旋盘的不同分析模型。由此可见，基于a n s y s 的 涡旋盘参数化设计可以有效地解决利用三维c a d 设计软件建立的涡旋盘模型导 入a n s y s 中作为分析模型无法再生的问题，提高了涡旋压缩机的设计分析效率。 此外，本文利用a n s y s 对已建立的圆弧一线段等壁厚组合型线涡旋盘与圆 渐开线涡旋盘参数化有限元分析模型在不同温度和温差作用下的应力与变形进 行了定量分析与计算，设计结果表明，两涡旋盘在不同温度与温差下的应力与变 形基本相同，同时组合型线涡旋盘结构简单，易加工，具有较大的容积利用率和 内容积比，具有较高的综合特性。因此利用圆弧一线段等壁厚组合型线来优化涡 旋压缩机的整体性能是完全可行的。 关键词：涡旋压缩机；a n s y s ；组合型线；应力分析；变形分析 i i i 基丁a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 a b s t r a c t w 油t l l er 印i dd e v e l o p m e n to fi n d u s n y s c r o l lc o m p r e s s o r 研t 1 1t l l ea u d v a l l t a g eo f e n e r g yc o n s u l n p t i o 玛c o m p a c t 蚰r i l c t u r e ，s m o o t l lo p e r a t i o ni s 印p l i e dm o r e 诵d e l y d u e t 0i i l h e r e n ts t m c t u 】咖l i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a l 呻eas i n g l el i n es c r o l l c o m p r e s s o r a r e au t i l i z a t i o nf - a c t o ra n de 伍c i e n c yw i l lb er e g t r i c t e d u s i l l gm en e wc o m b i n e dl i i l e i m p r o v em eo v e r a l lp e 墒肌觚c eo fs c r o l lc o m p r e s s o ri sak e yt os o l v et b j sp r o b l e m t h ep a p e rf i r s td i s c u s s e sm ec o 玎曲i i l a t i o no fl i i l e m e s m n gc o n d i t i o l l ，t l l e d e r i v a t i o no ft l l eu 1 1 i v e r s a jl i r l ee q u a t i o n s 觚dp l a n ec u i v em e o r y ，d r a wt h el i n eo f 吐1 e a r c 。s e g m e n t 锄dw 出lt l l i c k n e s sc o m b i n a t i o i l ，a | l dm 砒如n d 锄e n t a lc o m p 撕s o no n a r c - s e 孕n e n tw a l lt l l i c k n e s sc o m b i n a t i o no fl i n es c r o ua l l dac i r c u l a ri n v o l u t e s c r o l l t h e no n 1 eb a s i so ft l l ec o m b 访a l i o n1 i n et l l e o r y ，1 i sp 印e ru s ea p d lo f a n s y sp r o g r a mo ft l l e 蛐m c t u r a lp 猢e t e r so ft l l es c r o up l a t e 锄de s t a 【b l i s h p a r 锄e t r i ca 1 1 a l y s i sm o d e lo ft w os c r o l l s t h ed e s i g nr e s u l t ss h o w ，s e to fk e ys 包r u c t u r a l p 猢e t e r s 肌de x t r a c t i o i l ，t l l er e l a t i o i l s l l i pr e a s s i 印i i i l e mc 锄b ead i f i e r e n ta i l a i 蛳c a l m o d e lo fm es c m l l 7 n l i ss h o w s ，t 1 1 ep a r a m e t r i cd e s i g nb a u s e do na n s y so fs c r o l l p l a t e ，e f r e c t i v e l ys o l v e dt l l ep r o g r a mm a tt l l ee s t a _ b l i s l l i n e n to ft l l ev o r t e xd i s km o d e l b y3 dc a dd e s i 印s o r w i n l p o r ti na n s y s 觞髓肌a 】y t i c a lm o d e lc a l ln o tb e r e g e n e r a t e d ，i i i l p r 0 v e d l ed e s i 鲫a i l da 1 1 a l y s i so fe f f i c i e n c yo f t l l es c r o l l i i l a d d i t i o n ，t l l i s a r t i c l eu s ea n s y sc a n yo u t q u 觚t i t a t i v ea i l a l y s i s a l l d c a l c u l a t i o no ns 骶s s 锄dd e f o 姗a t i o no f 撕os c r o l l s 锄dp 硪蛐e t e r i z e df i 出t ee l e m e n t 锄a l y s i sm o d e lu i l d e rd i f r e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dt e m p e r a n j r ed i f f i e r e n c e t h er e s u l t s s h o w ，t l l es t l i e s sa i l dd e f o m l a t i o no ft 、v os c r o l l su n d e rd i 岱；r e n tt e m p e 均臼l r ea n d t e m p e m t u r ed i 脏r e n c ei se s s e n t i a l l yt 1 1 es a m e ，a n dc o m b i n e dv o n e xl i n ed i s ks 价j c t u r e i ss i m p l e ，e a s yp r o c e s s i n g ，h a sal a 唱e rv o l u m eo fu t i l i z a t i o n 锄dc o n t e n to fm ep 1 0 t r a t i o ， h 2 l sah i g h e ro v e r a l l c h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，a r c s e g m e n t ， s u c ha sw a l l t l l i c k n e s sc o m b i n 撕o no fl i n es c r o l lt oo p t i l i z et l l eo v e r a l lp e o n n a n c eo fm es c r 0 u c o m p r e s s o ri sb a s i c a 】l yf 宅a l s i b l e 1 ( e y w o r d s ：s c r o uc o m p r e s s o r ；t h ea n s y s ；s t r e s sa n a l y s i s ；d e f o r m a t i o na n a i y s i s ； m o d a la n a l y s i s i v 硕+ 学位论文 插图索引 图2 1 涡旋压缩机的主要零部件图8 图2 2 全封闭式涡旋压缩机图一1 0 图2 3 开启式涡旋压缩机图1 1 图2 4 涡旋压缩机的工作过程图。1 2 图3 1 共轭型线的啮合1 7 图3 2 圆弧一线段等壁厚组合型线一2 0 图3 3 圆弧一线段等壁厚组合型线修正图一2 1 图3 4 圆弧一线段等壁厚组合型线线段处啮合2 2 图3 5 圆弧一线段等壁厚组合型线圆弧处啮合2 2 图3 6 两涡旋盘工作腔容积比较一2 3 图3 7 相同外接圆下的两涡旋盘比较图2 7 图3 8 两涡旋盘运动啮合占据空间相同时的比较图2 7 图3 9 两涡旋盘占据最大空间的啮合图2 8 图4 1 参数化建模过程3 4 图4 2 圆渐开线涡旋盘实体效果图3 8 图4 3 圆渐开线涡旋盘网格划分效果图3 8 图4 4 圆弧一线段组合型线涡旋盘实体效果图4 0 图4 5 圆弧一线段组合型线涡旋盘网格划分效果图4 1 图5 1 热分析结构转换图4 8 图5 2 热分析结果导入图4 8 图5 3 两涡旋盘总变形对比4 9 图5 4 圆弧一线段组合型线涡旋盘变形图5 0 图5 5 圆渐开线涡旋盘变形图5 0 图5 6 两涡旋盘轴向变形对比51 图5 7 两涡旋盘径向变形对比5l 图5 8 两涡旋盘周向变形对比5 2 图5 9 两涡旋盘m i s e s 等效应力对比5 2 图5 1 0 圆弧一线段组合型线涡旋盘等效应力图5 3 图5 1 1 圆渐开线涡旋盘等效应力图5 3 图5 1 2 两涡旋盘1 r e s c a 等效应力对比5 4 v 基丁a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 附表索引 表3 1 圆渐开线涡旋盘主要几何参数2 4 表3 2 圆弧一线段组合型线涡旋盘主要几何参数2 4 表3 3 圆渐开线涡旋压缩机工作腔面积及工作腔容积。2 5 表3 4 组合型线涡旋压缩机工作腔面积及工作腔容积2 6 表4 1 圆渐开线涡旋盘的基本参数设置一3 6 表4 2 圆弧一线段涡旋盘的基本参数设置3 6 表5 1 非均匀温度场下两涡旋盘的分析求解目标4 9 表5 2 圆弧一线段等壁厚组合型线涡旋盘不同温度条件下的应力及变形5 4 表5 3 圆渐开线涡旋盘不同温度条件下的应力及变形5 5 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 涡旋机械的发展历史 涡旋机械的理论是由法国工程师l e o nc r e u 】( 在2 0 世纪初提出且于1 9 0 5 年 在美国取得发明专利权【l 】。在此后的7 0 年间，涡旋机械的重要性未受到重视， 并且一些关键技术问题如没有高精度的涡旋型线加工设备、轴向力不能稳定平 衡、防自转机构不灵活、轴向和径向密封机构不完善等制约了涡旋机械的深入研 究与发展。进入2 0 世纪7 0 年代以来，全球能源危机对高能效产品的需求使得数 控加工技术得以迅速发展，从而推动了涡旋机械的飞速发展。 涡旋机械是一种主要由动涡旋、静涡旋、防自转机构、曲轴以及支架体等零 件构成的容积式流体机械【2 1 。自2 0 世纪8 0 年代中期以来，涡旋机械以其结构简 单、高效节能、微振低噪，以及工作可靠性高等特点，在小型制冷及空调等领域 获得广泛的应用，受到国内外学者的普遍关注。 8 0 年代以来，日本和美国加大了对涡旋压缩机的研发及工业化生产的投入， 涡旋机械开始在空调制冷领域逐步实现商业化生产与应用，涡旋机械的规模化开 发和应用加速了其应用领域扩展，并且逐步从空调压缩机向制冷压缩机、空气压 缩机和真空泵等领域发展。 1 2 涡旋压缩机的发展历史 1 2 1 涡旋压缩机的主要特点 涡旋压缩机被誉为继往复式压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机之后的新型高 容积式第三代压缩机。涡旋压缩机产业化发展至今，不过短短数十年，其发展速 度发展可谓可日新月异。国内外很多科研机构都投身其中进行研究和开发，涡旋 压缩机因其热力性能及力学性能良好，结构及运动规律独特，使其具有如下的特 占【2 】 j 、 ( 1 ) 零件数目少、无易损坏件如气阀等，结构简单、体积小、重量轻、可 靠性高； ( 2 ) 动、静涡旋盘间的相对滑动速度小，摩擦损失小、主轴可高速运转； ( 3 ) 吸气过程是主动包容运动，持续时间长，无吸气余隙，容积效率高； ( 4 ) 径向和轴向可随变，可实现两者的磨损补偿、可容许较多的杂质和液 体； 基丁a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 ( 5 ) 定压缩比，启动性能好，转速可选范围大，效率影响系数小，变转速 特性好； ( 6 ) 相邻压缩强的压差小，密封性好，气体泄漏小； ( 7 ) 工作容积变化持续时间长，压缩平稳，排气连续，气流脉动小： ( 8 ) 无吸气阀，气体流动损失小、吸排气损失小、无气阀的敲击噪声及振 动： ( 9 ) 多压缩强同时工作，转矩和驱动力矩变化不大； ( 1 0 ) 主轴回转半径小，旋转惯性力小、运动平衡性能好、整机振动小、运 转平稳。 1 2 2 涡旋压缩机的发展历程及生产应用 自1 9 0 5 年涡旋机械理论问世以来，加之2 0 世纪7 0 年代的能源危机牵引了 高精度数控技术的腾飞，推动了涡旋压缩机的迅猛发展。1 9 7 2 年，美国a d l 公司解决了涡旋盘端部磨损补偿的技术问题，推动了涡旋压缩机实用化生产的进 程。1 9 7 3 1 9 7 6 年间，美国公司与瑞士公司合作开发了多种工质的涡旋压缩机样 机，标志着涡旋压缩机商业化生产时代的到来。进入2 0 世纪8 0 年代以来，涡旋 压缩机的生产规模及适用范围逐步扩大。1 9 8 1 年，日本三电公司开始生产汽车 空调用涡旋压缩机【3 1 。1 9 8 3 年，由日本日立研制的单元空调用涡旋压缩机问世【4 1 ， 适用范围：2 3 3 7 5 k w 。1 9 8 7 年，美国谷轮公司生产的涡旋压缩机以其先进的 径向和轴向柔性机构成为涡旋压缩机市场的领跑者。2 0 世纪9 0 年代开始，涡旋 压缩机产业飞速发展，种类也是不断丰富，涡旋压缩机的研制与发展有了质的飞 跃。1 9 9 0 年1 9 9 2 年，日本松下公司推出了立式和卧式空调用涡旋压缩机【5 1 ，制 冷量功率为2 4 k w 。1 9 9 2 年，美国c a r l y l e 公司生产的2 9 匹马力涡旋压缩机投 入市场。1 9 9 5 年，美国的t e c u m s e h 公司也成为了涡旋压缩机的生产供应商。涡 旋压缩机行业呈现多元化的上产格局，就市场占有率而言，日本和美国是涡旋压 缩机行业的主导者，其在涡旋压缩机领域的开发与研制日趋成熟与稳定睁7 1 。 国内涡旋压缩机的研究与生产相较于国外来说起步较晚，国内涡旋压缩机的 理论研究始于8 0 年代中期，主要集中于科研院校如大连理工大学、西安交通大 学、兰州理工大学及合肥通用机械研究所等。1 9 8 7 年，西安交通大学压缩机工 程技术研究中心研制出了我国的第一台涡旋压缩机，受此影响，兰州理工大学等 高校科研机构也加入了涡旋压缩机的生产研制队伍中。1 9 9 4 年，广州万宝电气 集团依托h i t a c l l i 公司的技术开始批量生产空调用压缩机。1 9 9 6 年，广州涡旋压 缩机实业有限公司引进了加工涡旋压缩机的专机生产设备并逐步建立了小型涡 2 硕士学位论文 旋压缩机的生产线。随着涡旋压缩机技术的日渐成熟与完善，国内涡旋压缩机的 生产商逐渐增多，越来越多的企业开始走向中外合资的产业化生产行列，如苏州 谷轮等。这一独特的商业模式不仅推动了各国涡旋压缩机技术的交流与合作，更 带动了我国经济的快速发展。 目前生产的涡旋压缩机的功率范围集中在o 7 4 6 1 8 6 4 2 k w ，全球功率最大的 涡旋压缩机已由美国c o p e l a n d 公司研制出。涡旋压缩机因其自身的特点被广泛 的用于制冷、空调、真空泵等领域。2 1 世纪以来，涡旋压缩机发展迅速，美国 c o p e l a n d 公司又推出了新型智能产品数码涡旋压缩机，这一创新性的研究给 涡旋压缩机发展空调带来了新的机遇，昂贵的变频控制器不再被应用到空调等机 器上，并且制冷量可提高至1 0 1 0 0 的无极调节。未来涡旋压缩机将朝着大功 率、高压比、智能化方向发展，应用范围也将迅速扩大，受此影响，我国的涡旋 压缩机的研究和制造水平也将有一个较大的突破，其发展前景十分乐观。 1 3 国内外研究现状 随着全球经济的快速发展，能源消耗速度同渐加剧，伴随产生的环境污染使 得全球气候变暖，因此针对全球气候变暖问题的全球性技术合作与交流同益频 繁。涡旋机械在解决全球气候变暖的问题中具有重要的作用，成为了各国的科研 热点，其主要研究方向如下： 1 涡旋型线 很多关于涡旋压缩机的改进都是基于涡旋型线的基础上展开的，涡旋型线类 型大致可分为单一型线、组合型线及修正型线三大类。单一型线主要包括：基圆 渐开线、半圆渐开线、线段渐开线、正多边形渐开线、变直径基圆渐开线、阿基 米德螺旋型线、代数螺旋型线等。由于基圆渐开线形状简单、容易加工、性能良 好，因此成为涡旋压缩机中应用最为广泛的型线。 由于涡旋压缩机型线的研究在国外起步较早，认可度较高，因此其在国外的 研制速度及生产规模要远远优于国内。日本m a l ( o t oh a y 锄。等【8 】对半圆渐开线的 特性进行了研究，其中包括几何特性、热力学特性以及动力解析关系式，在此基 础上研制出了样机，并进行了相应的实验研究。k t o i o 等1 9 】对变基圆渐开线作为 涡旋型线的情况进行了深入分析。kh i r o k a t s u 等人【1 0 】对代数螺旋型线进行了研 究，并指出吸气容积相同时，其涡旋齿的高度要明显降低。j w b u s h 等【l l 】提出了 组合涡旋型线的理论，指出了由渐开线、高次曲线、圆弧构成的组合型线的面积 利用率要高于基圆渐开线，阐述了节曲线的概念，介绍了涡旋型线共轭型线的特 点，建立了通用型线控制方程。日本诎a h i s ah i 舢。等人【1 2 1 3 1 提出了一种新型 基丁a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 线p m p ( p e 疵c tm e s h j n g ) 型线，该型线是在基圆渐开线的基础上利用两段 圆弧进行修正的，修正后的型线光滑、连续，是一种比较理想的型线。 西安交通大学的屈宗长教授针对通用型线的几何理论、误差及动力学特性进 行了深入研究【l 5 1 。西安交通大学的顾兆林教授在深入研究双涡圈涡旋压缩机 理论的基础上，将双涡圈应用于大排气量涡旋压缩机，使得涡旋盘尺寸变小，成 本降低【l6 1 。重庆大学的陈进教授对广义泛函集成涡旋型线的研究使得涡旋型线的 设计方法更为丰富【1 7 2 0 】。兰州理工大学的刘振全教授建立了涡旋齿双圆弧修正 齿形生成的图解法理论，该方法不仅通过了微分几何的论证，更被涡旋压缩机产 业成功运用，涡旋压缩机的整体性能获得了有效提高1 2 1 删。兰州理工大学的刘 涛教授提出的法向等距线型线生成法，因其与展成法相比更为简单直观，涵盖的 型线范围广，而更具普遍性【2 4 】。北京科技大学的王国梁提出了双圆弧加直线单元 组合型线，并对该型线涡旋压缩机进行了理论及试验研究【2 5 1 。中国石油大学的李 雪琴，王君等人提出了一种新型等壁厚圆弧一线段涡旋齿组合型线，该型线具有 较大的容积利用率和内容积比，能较大程度地增加吸气量，提高压缩比和减小涡 旋盘尺寸，同时也具有设计加工简单等优点【2 刚。 2 结构优化 对于涡旋压缩机的结构参数进行优化设计可有效地提高涡旋压缩机的整机 性能。在使用目的及条件一致的条件下，涡旋压缩机的参数选择范围也是比较广 泛的。鉴于涡旋压缩机各结构参数对涡旋压缩机整体性能的影响，利用现代化优 化设计的理论及方法对涡旋压缩机的特性如容积效率、稳定性、振动及受力、机 械效率等进行优化设计可以获得较佳的结构参数组合。日本的森下悦生对基于排 气量的涡旋盘齿高适用范围进行了优化设计【2 7 1 。重庆大学的陈进教授利用多目标 遗传算法对涡旋型线进行了优化，建立了多目标形状优化的数学模型1 2 引。兰州理 工大学的吴虎采用m a t l a b 遗传算法工具箱对组合涡旋型线进行了优化，得到 了行程容积较大的组合涡旋型线，为提高涡旋盘的面积利用率及整机的容积效率 奠定了理论基础眇j 。 3 机构模型研究 在涡旋机械中可运用机构学将两涡旋盘的公转平动运动关系及特性用具体 机构加以描述。兰州理工大学刘振全教授在机构学原理的基础上，利用曲柄和双 滑块机构作为涡旋压缩机的机构模型，分析了涡旋压缩机的工作原理，提出了我 选机构的建立及实现正确运动的基本条件及普遍规律3 3 1 。当然，利用平面四 连杆机构也可对涡旋压缩机的运动规律进行描述瞰】。 涡旋压缩机的机构种类繁多，大体可分为防自转机构及柔性机构。防自转机 4 硕十学何论文 构的用途是保证两涡旋盘之间只产生公转运动而非相对旋转，其主要类型有：曲 柄销防自转结构、圆柱销防自转结构、十字环结构及滚珠防自转结构，其中后两 者应用的最为普遍。柔性机构的作用是确保涡旋压缩机在实际工况下安全运行， 其主要类型有两类：径向柔性机构、轴向柔性机构。涡旋压缩机的径向柔性机构 p 5 3 8 j 主要依托动涡旋盘产生的离心惯性力，促使动静涡旋盘之间的径向啮合间 隙自动完成补偿，两盘之间的磨损减小，密封性提高，各种非正常工况下的安全 运行问题也能得到有效解决。在常见的径向柔性结构中，滑块式调节结构和弹性 式调节结构应用的较为广泛。轴向柔性机构的加入是为了能平衡两涡旋盘之间的 轴向气体力，减少气体泄漏损失，补偿轴向磨损，提高涡旋盘的使用寿命，轴向 柔性机构1 3 9 j 主要分为三大类：背压结构、密封条浮动结构及静涡旋盘跟随机构。 4 涡旋压缩机的工作特性及动力学分析 对于涡旋压缩机的工作过程可御用理论与实验研究的方式进行。理论研究主 要是通过建立涡旋压缩机工作过程的数学模型【4 0 】来分析的。涡旋压缩机的进排气 容积变化、进、排气损失、气体泄漏、润滑、背压、腔体结构等特性对整机性能 的影响较大。对涡旋压缩机的实验研究主要是通过测量控制容积内气体的状态参 数的幅值变化【4 1 1 。传热、工质泄漏、工作过程模拟及流场分析是涡旋压缩机工作 过程特性分析的主要研究对象。涡旋压缩机实际工况下的传热情况比较复杂，究 其原因主要为摩擦副之间的摩擦损失以及压缩过程的传热等因素。而压缩过程的 传热又是受工质和控制壁面的热交换以及各零件之间的热交换两部分因素影响。 传热是无法消除的，但是通过采用合理有效的措施来控制。气体泄漏是影响涡旋 压缩机整机性能的主要因素，泄漏间隙的大小直接影响了气体泄漏量的小。结合 涡旋压缩机实际工况的运行条件设计合理的涡旋齿啮合间隙值可以有效地减少 气体泄漏对涡旋压缩机性能的影响【4 2 1 。 良好的涡旋压缩机动力学特性可以保证其运行平稳、产生的振动小，使用寿 命及可靠性也能得到很大的提升。建立完整的动力学模型【4 3 1 ，对动力学进行详细 的分析研究，可以有效的改善涡旋压缩机零部件的实际工况。 涡旋盘是涡旋机的核心部件，其形状较为复杂，涡旋齿的力变形及热变形对 涡旋压缩机的实际工况影响较大，但单纯的依靠实验是法测量出涡旋齿的力变形 及热变形的数据变化的，而利用软件模拟分析成为解决这一问题的关键。许多学 者选择有限元分析法对涡旋齿的应力及变形研究分析。兰州理工大学的刘振全教 授对实际工况下的涡旋盘利用有限元法建立了分析模型，分析了涡旋盘吸气结束 瞬间及主轴转动一周的应力及变形m 】。天津大学的赵树峰等对实际工况下的动涡 旋盘在整个载荷循环过程中的应力及变形进行了分析1 4 5 1 。天津大学的金丹对不同 基于a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 温度范围和温差作用下的动涡旋盘应力及变形进行了定量分析【矧。大连理工大学 的王珍教授等通过分析涡旋压缩机的机械振动和噪声特性，提出利用锤击的方 法，实现涡旋压缩机的模态分析实验【4 7 1 。 5 其他研究 变容量调节、喷液技术、摩擦等一直是涡旋压缩机的研究热点。变频技术是 变容量技术的关键。随着制冷及空调等领域的发展，变转速调节容量被逐步采用， 而变频调速必须依托涡旋压缩机变频技术的发展。数码涡旋压缩机就是变容量调 节的杰作，其采用了轴向随变机构，可轻松地加载和卸载涡旋压缩机零部件，调 节排气量的大小。目前空调系统逐步采用数码涡旋压缩机取代价格昂贵的变频控 制器，实现了制冷量在1 0 。1 0 0 的无极调节【4 8 】。 1 4 涡旋压缩机的发展趋势 就目前国内外涡旋压缩机的发展现状、研究水平、生产规模及市场供需关系 来看，涡旋压缩机的发展走势可归纳为以下几点【4 9 】： ( 1 ) 设计适合新型的涡旋压缩机的组合涡旋型线，降低涡旋压缩机的生产 成本，提高其生产效率是今后涡旋压缩机发展的一个重要趋势； ( 2 ) 优化涡旋压缩机的整体结构，合理利用新材料、新技术及新结构减少 气体泄漏损失、机器摩擦损失、振动与噪声、气体阻力损失等因素的影响，提高 整机的工作可靠性及工作效率： ( 3 ) 采用新方法扩大涡旋压缩机的应用范围，在大功率、大流量的涡旋压 缩机领域投入更多的研究，实现其产品的多元化，系列化发展； ( 4 ) 研制新的环保型制冷工质投入涡旋压缩机的生产应用； ( 5 ) 建立包含冷却、供油、电机等外部系统在内的通用化数学模型，强化 其内部的热力学及动力学研究。 1 5 课题的来源及研究意义 1 5 1 课题来源 本论文课题获得国家自然科学基金“基于f r e n e t 标架曲率半径函数的涡旋型 线构建理论与特性研究”项目( 5 0 9 6 5 0 1 1 ) 资助。 1 5 2 课题研究意义 在对涡旋压缩机进行系列设计与分析过程中，经常会重复用到结构相同或相 似而尺寸不同的一些零件，传统的设计方法需对每个零件进行单独设计，消耗了 6 硕士学位论文 设计人员的时间和精力，不利于提高新产品的开发周期。利用三维机械c a d 设 计软件建立的涡旋盘模型可以导入a n s y s 中作为有限元分析的模型，但导入之 后的模型不能改变结构参数值，假如求解结果表明有必要修改设计参数时，那么 就需要改变模型的几何形状，而涡旋压缩机的动、静涡旋盘形状比较复杂，当其 要修改的参数较多时，再通过三维软件重新修改模型导入a n s y s 就变得复杂和 费时。利用a n s y s 的参数化设计语言( a p d l ) 对涡旋盘进行参数化建模可以 在a n s y s 中直接建立涡旋盘的分析模型，并且该模型的参数可以通过命令流直 接修改，这对涡旋压缩机的参数化设计及分析具有十分重要的意义。 在涡旋压缩机的工作过程中，由于温度场载荷的影响，涡旋压缩腔的温度分 布不均匀，产生温差应力，对涡旋压缩机的实际工况具有一定的影响。利用 a n s y s 对不同温度及温差下圆弧一线段等壁厚组合型线涡旋盘与圆渐开线涡旋 盘的应力及变形进行定量计算分析，可以为改善涡旋压缩机的实际工况，提高涡 旋压缩机的工作效率起到一定的指导作用。同时利用a n s y s 对两涡旋盘进行对 比分析，可以验证圆弧一线段等壁厚组合型线涡旋盘相较于圆渐开线涡旋盘的优 越性，有助于进一步提高涡旋压缩机的整体性能。 1 6 课题的主要研究内容 本文是基于涡旋型线研究的基础上，以圆弧一线段等壁厚组合型线与圆渐开 线型线为研究对象，利用a n s y s 建立两型线动涡旋盘的有限元参数化模型，并 对不同温度范围及温差下两涡旋盘的应力及变形进行定量计算分析。 ( 1 ) 论述圆弧一线段组合型线的几何理论，其中包括型线基本参数，型线 基本方程，型线修正，组合型线涡旋齿的啮合以及圆弧一线段等壁厚组合型线涡 旋齿与圆渐开线涡旋齿的比较等内容。 ( 2 ) 利用a p d l 参数化设计功能对圆弧一线段组合型线涡旋盘与圆渐开线 涡旋盘进行有限元设计，建立两涡旋盘参数化有限元分析模型。 ( 3 ) 利用a n s y s 对不同温度和温差作用下圆弧一线段组合型线涡旋盘与 圆渐开线涡旋盘进行热分析，并将得到的热分析结果耦合到涡旋盘的结构上进行 应力及变形对比分析。 7 基于a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 第2 章涡旋压缩机的基本论述 2 1 涡旋压缩机的整体结构 涡旋压缩机是依靠容积的变化完成气体的压缩，同时在偏心轴的驱动下，促 使动涡旋盘产生运动。涡旋压缩机的这两特征兼具了往复式涡旋压缩机及旋转式 涡旋压缩机的特点故涡旋压缩机被誉为新一代容积式压缩机。涡旋压缩机的主要 零件包含动涡旋盘、静涡旋盘、机架、防自转机构及曲轴等，其基本结构图如下： 后机 曲轴 平衡 机架 图2 1 涡旋压缩机的主要零部件图 涡旋压缩机在性能及结构上有很多优势，应用领域广泛，种类丰富，其整体 机构按动静涡旋盘的运动方式可分为回转式和公转式。回转型涡旋压缩机的两个 涡旋盘都不是固定的，这两个动涡旋盘同方向同步调各自绕自身转轴旋转且两者 之间仍存在公转平动。公转型涡旋压缩机中存在一个固定不动的静涡旋盘，而另 一个不固定的动涡旋盘绕静涡旋盘作公转平动，且不能自转。 公转型涡旋压缩机和回转型涡旋压缩机两涡旋盘的运动均为公转平动，它们 都有两个几何参数完全一致的涡旋，并采取一定的偏心距，相对错开1 8 0 。对插 使涡旋齿啮合，形成数对相互对称的月牙型封闭工作腔。工作时，外侧气体从外 侧齿尾端的吸气口沿着涡旋壁缓缓进入位于中心齿头处的排气口，致使工作腔不 断变小，完成气体的压缩及输送。曲轴不断旋转，气体被不断吸入、压缩、排出， 完成，通过这样的不断循环，涡旋压缩机可以正常运行。当然，公转型涡旋压缩 机和回转型涡旋压缩机毕竟是两种不同类型的涡旋压缩机，它们之间存在包含转 动的形式、密封的位置及方向、涡旋盘的气体径向力及切向力的方向、平衡、倾 图 硕十学位论文 覆力矩及轴向力等的区别。从结构上来说，回转型涡旋压缩机零件数多、结构比 较复杂，公转型涡旋压缩机零件数目少、结构简单。从径向密封方法上来说，回 转型涡旋压缩机的结构和方法简单，容易实现，公转型的涡旋压缩机结构复杂， 难度较高，但自身柔性机构的自调整性及随时变化的效果较好，因此也较易实现。 总体上看，公转型机构在涡旋压缩机行业中较为常用。 涡旋压缩机依据主轴的封闭性可分为开启式和全封闭式两种结构，如图2 2 及图2 3 所示。开启式主要被用于汽车空调和空气压缩机，其结构比较简单，主 要由动涡旋盘、静涡旋盘、驱动机构、防自转机构、支架体及底座等。其气体压 缩部件主要是动静涡旋盘，且是密封的。动、静涡旋盘相对错开1 8 0 。及一定的 偏心距相互配合安装于机体的项部。背压腔是由动涡旋盘底部及支架体间相互配 合形成的，可以承受轴向力及倾覆力矩。十字滑环等防自转机构的加入可以防止 动静涡旋盘产生自转。电机驱动风扇对机头工作零件进行风冷处理，可以有效地 降低工作机排气温度，机架体上的两个轴承可以支撑驱动主轴，主轴的曲柄可以 使动静涡旋盘之间产生偏置距离，用来支撑和固定整个机架的底座可以减少噪声 和振动。 全封闭式涡旋压缩机被广泛应用于空调和制冷、稀有气体和有害有毒气体的 压缩领域。全封闭式压缩机与电机被密封放置在壳体内，壳体之外的连接依靠进、 排气管和电机接线柱。全封闭涡旋压缩机主要有高压腔和低压腔。全封闭高压腔 式涡旋压缩机的压缩腔直接将气体排于壳体内，并通过连接管将气体排出；全封 闭低压腔式涡旋压缩机进气管与壳体直接相连，低压气体先进入壳体内，后被压 缩机吸入，排出的气体由壳体上的盖腔通过接管排到壳体外，壳体内的压缩腔被 分割成高、低压的形式。无论是高压腔式还是低压腔式，它们都各有其优缺点， 在工程中都被广泛采用。 高压腔式的结构特点为： ( 1 ) 进气口设有止回阀防止机器停止时发生逆转； ( 2 ) 进入壳体内的气体被加热的温度低； ( 3 ) 壳体内的温度比较高，润滑油的冷却效果差； ( 4 ) 排出的气体中油被大量分离出来，并流回储油区； ( 5 ) 润滑油可通过压差送至摩擦面； ( 6 ) 动涡旋盘上设置了压力腔，涡旋齿顶端不需要密封条，动涡旋盘可自 动紧靠静涡旋盘实现自动补偿。 低压腔式的结构特点为： ( 1 ) 排气口设置止回阀防止机器停止时发生逆转； 9 基于a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 ( 2 ) 进入壳体的气体被加热的温度高； ( 3 ) 壳体温度比较低，但润滑油冷却效果好； ( 4 ) 排出的气体中被分离的油比较少，需在高、低压隔板上设置一个回油 小孔； ( 5 ) 需专门的传输装置将润滑油送至摩擦面； ( 6 ) 进入的气体可冷却电机。 开启式涡旋压缩机安装简单、维修方便，电机位于机体外，电机对绝缘性能 得要求较低，但其结构复杂，体积较大，其密封性差，尤其对易燃、易爆气体的 密封更是比较困难。全封闭式涡旋压缩机结构简单紧凑，体积小、重量轻，润滑 系统相对简单、可靠性高，柔性密封机构比较经典，轴向间隙与径向间隙的密封 性指数高，但电机常处于高温的环境中，寿命和工作效率影响颇大，电机绝缘性 能要求较高，并且安装复杂、维修技术要求高。不管开启式涡旋压缩机还是全封 闭式涡旋压缩机都各有优缺点，因其各自的不同被广泛地应用于各个相关领域。 ( a ) 立体剖视图( b ) 主剖视图 图2 2 全封闭式涡旋压缩机图 1 储油槽2 一电动机定子3 一主轴承4 一支架5 一壳体腔6 一背压腔7 一动涡盘8 一气道9 一静涡盘1 0 一高压缓冲腔 1 l 封头 1 2 一排气孔口1 3 一吸气管1 4 一吸气 l o 硕十学位论文 腔1 5 一排气管1 6 十字环1 7 一背压孔1 8 、2 0 一轴承1 9 一大平衡块2 1 一主轴2 2 一吸油管2 3 壳体2 删向挡圈2 5 一止回阀2 6 偏心调节块2 7 一电动机螺钉 2 8 一底座2 9 磁环 图2 3 开启式涡旋压缩机图 1 一静涡旋盘2 一机亮3 排气阀4 一动涡旋盘5 一径向柔性机构6 一平衡块7 一主 轴承8 一曲轴9 一电磁离合器l o 一副轴承1 1 轴封1 2 轴承座 1 3 球形联接器 2 2 涡旋压缩机的工作原理 随着工业的快速发展，涡旋压缩机在诸多领域的应用也变得越来越多元化、 普遍化。涡旋压缩机工作时主要是依靠两个核心零件动、静涡旋盘，这两个 盘结构相似，但在工作时，一个固定不动，称之为静涡旋盘，而另一个则绕着固 定的那个盘作公转平动，称之为动涡旋盘。两盘偏心一定间距旋转1 8 0 。对接相 插在一处。在这之后，两涡旋盘上的涡旋齿之间就实现了多点啮合，并在此基础 上形成了多组月牙形的封闭工作腔。在曲轴及防自转机构的作用下，动涡旋盘绕 着静涡旋盘开始作公转平动。此间，两盘之间的啮合点也开始沿着涡旋齿壁从外 至内连续移动，而之前形成的多组月牙形封闭工作腔容积也在逐渐缩小。正是依 靠上述的过程，才能实现涡旋压缩机封闭工作腔容积的持续有规律的变化，从而 使得气体从被吸入、被压缩到被排出的过程完整有序、循环不断。 涡旋压缩机的吸气口位于静涡旋盘的外侧表面上，曲柄转动时，外界气体被 吸入并封存于月牙形容积中。同时，曲轴在不断推进动涡旋盘运动，最外围的一 基于a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 组工作腔被逐渐推开，气体也逐渐进入腔体内，并随着曲轴转角的变大而增加， 吸气腔闭合达到最高值。吸气腔闭合之后，一对封闭容积也逐渐形成，从而完成 一次完整的吸气过程。随着主轴的继续转动，动涡旋盘将吸入的气体逐渐从外围 推至中心，工作腔的容积开始逐渐减少，与静涡旋盘的排气孔相连接时开始排气 直至结束。通过以上过程，工作腔就可以实现一次从吸气、压缩到排气的完整工 作过程。如图2 4 涡旋压缩机的工作过程，当秒= 0 0 时，涡旋压缩机最外圈的封 闭工作腔闭合，吸气过程结束。当p = 9 0 0 时，涡旋压缩机外围吸气，中间气体 被压缩。当口= 1 8 0 0 ，p = 2 7 0 0 时，涡旋压缩机的吸气压缩过程同时开展。在此 过程中，最外侧的吸气腔将形成封闭容积并逐渐向中心靠近直至形成新的压缩 腔，同时另一个新的吸气腔也开始形成，并开始重复上述的工况，持续不断，循 环往复。从上述的工作过程可知，涡旋压缩机的工作过程是一个富有周期性变化 的过程。 o i 跗疗 1 8 矿 图2 4 涡旋压缩机的工作过程图 2 3 涡旋压缩机的关键技术 依靠优化整机结构、设计新型涡旋型线、增强密封性、增大压缩比降低余隙、 优化工艺设计、改进动力平衡性能等关键技术可以有效地提高涡旋压缩机的设计 效率，降低生产成本。 1 2 硕十学位论文 1 机构优化 涡旋压缩机通过采用所谓的柔性机构可以有效地减少气体的泄漏及各接触 面的摩擦损失，降低整机的加工及装配精度等级需求，减少固体及液体杂质对压 缩机的干扰。柔性机构一般分为轴向柔性机构及径向柔性机构两大类。轴向柔性 机构也分为两类，第一类是指固定在机架上的静涡旋盘依托其背面的高压气体支 撑，第二类是指在当压缩腔与背压腔相连时，气体由动涡旋盘上开设的小孔流窜 出来实现背压调节。在轴向柔性机构中，静涡旋盘径向刚性固定，而动涡旋盘则 是轴向柔性运动的。径向柔性机构可分为滑块柔性机构及偏心衬套柔性机构。滑 块柔性机构是指滑块随着曲柄的变化发生运动从使旋转半径产生相应的变化。偏 心衬套柔性机构是指当偏心衬套随曲柄而摆动促使旋转半径发生对应的变化。采 取合适的柔性机构，可以有效地改善涡旋压缩机的实际工况，提高整机的工作效 率。 2 型线修正 各压缩腔的良好啮合性是保证涡旋压缩机正常工作的重要条件。当今能作为 涡旋型线并应用于涡旋压缩机的主要有：圆渐开线、线段渐开线、正多边形渐开 线、组合曲线型线等。无论采取哪种线型，刀具都会对渐开线起始段产生干涉， 使得起始段型线变薄而产生变形，同时排气角较小，部分高压气体被残留在中心 压缩腔，压缩机的效率降低。为了增大排气角，减少刀具的干涉影响，可以采 用p 型线。p 型线是一种连续、光滑的理想型线，当两修正圆弧相切时， 其高压区部位型线变厚，刚度和强度提高，有利于提高涡旋压缩机的使用寿命。 在p 型线上采用两段圆弧和一段直线的方式进行修正，可以有效的减少涡旋 压缩机的余隙容积，改善受力特性，提高压力比。 3 密封结构设计 通过在涡旋型线顶部设置密封槽，将密封件插入密封槽，并与槽底面维持一 定的间距，利用气体压力使密封元件紧贴涡旋盘底面。通过上述方法可以减少涡 旋压缩机的径向泄漏。当涡旋压缩机正常运行时，将承受了一定压力的油倒入工 作腔促使油膜附着在工作腔壁面上有利于减少介质的泄漏量。采用轴向柔性机构 可以实现背压自调平衡，可以减少摩擦及泄漏损失，同时还能实现自动补偿。 4 提高压缩比设计 采用变壁厚涡旋压缩机可以提高面积利用率的系数，获得较高的压缩比。而 涡旋压缩机的压力比一般要受到工作温度的影响，尤其是无油压缩机，因此加强 冷是提高涡旋压缩机轴承与涡旋盘寿命的关键。日本岩田涂装机工业株式会社在 动、静盘上设计了新型开放式夹层，该夹层可以切断工作腔产生的热量直接传到 基于a n s y s 组合涡旋型线参数化设计与涡旋齿温度场分析 涡旋压缩机的轴承上，可以获得较高的压缩比。多数空气涡旋压缩机可以通过采 用加强气体风冷、控制喷液温度、喷液冷却等方法使压缩机在运行工况稳定，获 得较高的压缩比。 5 工艺设计 采用耐磨、不变形、易成型、易加工的铸铁，利用过表面硬化(