（机械电子工程专业论文）涡旋压缩机涡旋新型线及系统动力学研究.pdf

中文摘要 摘要 涡旋压缩机是近年来倍受重视并迅速发展的一种容积式压缩机。涡旋压缩机 具有效率高，可靠性强，噪声低，重量轻和尺寸小等特点，即兼有容积式和回转式压缩 机之优势，因此它受到了国内外科技界的广泛重视。但涡旋压缩机的设计国内目前 仍处于传统的经验型设计阶段，设计周期长，准确度差，设计参数不易确定。 为进一步提高涡旋压缩机的设计效率，打破长期有国外垄断的设计理念和技 术，本文对涡旋压缩机从型线的设计、参数优化、啮合分析到解决动力学问题， 进行了细致的研究。 本文结合重庆市科委科技攻关项目( 项目编号：7 5 2 0 ) ，对涡旋压缩机进行了深 入细致的研究，研究出了一种基于“三基圆”延伸形变修正理论的新型型线，申 请了一项国家发明专利( 专利申请号：2 0 0 4 1 0 0 2 2 5 2 6 6 ) ：建立了一套完整的涡旋 腔工作过程几何理论；深入的进行了动力学研究；为背压设计和排气孔开设提供 了精确的理论解答：最终开发出集设计、分析、制造于一体化的涡旋压缩机计算 机辅助设计系统。研究工作主要包括以下内容： 1 ) 针对涡旋压缩机的关键技术，本文以渐开线涡旋齿端的型线修正问题为突 破口，研究出一种基于“三基圆”延伸修正理沦的新型型线，申请了一项圈家发 明专利( 专利申请号：2 0 0 4 1 0 0 2 2 5 2 6 6 ) 。新型型线不仅使涡线可具有高的压缩比， 而且，随着压缩比的增加，涡线根部段的强度( 壁厚) 仍将增加，且突破了日本专利 中修正圆弧圆心只能在主涡线基圆切线上的限制，而可在所需的任意处，日本专 利仅是本理论中参数d = 0 ，1 i r = 0 的一个特例。 2 ) 建立了一套完整的涡旋腔工作过程的几何理论。该理论动态地描述出动、 静涡盘啮合过程中，各压缩腔容积的变化过程。针对压缩腔啮合过程中涡盘啮合 型线的变化，完整的推导出压缩腔不同的容积计算公式，并确定了不同型线的啮 合转折点。为涡旋压缩机的设计开发提供完善的设计理论基础。 3 1 在以上两点的基础上，对涡旋压缩机进行了深入细致的动力学研究。在曲柄 转角2 石的一个周期内，对各个压缩腔的体积、压力进行同步追踪，导出一个周期 内的各个压缩腔压力、动涡盘所受轴向力、径向力、切向力、惯性力及合力、合 力矩随曲柄转角的变化函数表达式和各部件所受作用力表达式，为涡旋压缩机的 功率匹配，强度设计提供了设计参数和载荷计算依据，为动强度计算提供载荷的 时间历程。 4 ) 在几何理论研究和动力学研究的基础上，本文为涡旋压缩机背压压力的选 取，背压孔丌设位置提供精确的理论解答和实际应用。涡旋压缩机的背压是一个 重庆大学硕士学位论文 很关键的问题，以往由于对涡旋压缩机各个压缩腔压力随曲柄转角变化的值与变 化规律没有一个系统的研究，或者研究都是停留在对全渐开线老式涡盘的研究， 所以对于背压孔的开设、背压压力的选取比较困难，本文对各个压缩腔压力随曲 柄转角的变化有详细的研究，所以使得背压孔的开设摆脱了以往的经验判断，变 得准确及迅速。 5 ) 在新型型线的基础上，提出了排气孔开设原则及理论开设区域，使得排气 孔的设计更加合理化。 6 ) 经过以上各点对涡旋压缩机系统的研究，作为省部级攻关项目( 重庆市科 委：项目编号7 5 2 0 ) ，我们开发出了一套目前国内首创的涡旋压缩机计算机辅助设 计系统。该系统使涡旋压缩机从型线的设计、参数优化、啮合分析到解决动力学 问题，进而生成型线的数控加工程序，实现了设计、分析、制造一体化。这个过 程可以用“设计一分析一评价”这样一个循环过程来描述，使设计者能极为容易 的开发出满意的产品。实现了在现代设计中，设计过程参数化、可视化所追求的 目标。 关键词：涡旋压缩机，涡旋新型线，几何理论，动力学研究，背压，排气孔， 计算机辅助设计系统 i i 英文摘要 a b s t r a c t s c r o l l c o m p r e s s o ri s an e w t y p ec o m p r e s s o rt h a t i s d e v e l o p e dr e c e n t l y i t h a s c h a r a c t e r i s t i c so f h i 曲e f f i c i e n c y , c o n s u m i n gl i t t l ee n e r g y , w o r k i n gs m o o t h l y , l o wn o i s e ， s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h ta n dc o m p a c ts t r u c t u r e s c r o l lc o m p r e s s o rh a st h ea d v a n t a g eo f r e c i p r o c a t i n gt y p ea sw e l la sr o l l i n gp i s t i o nt y p ec o m p r e s s o r s oi t i s b e c o m i n gah o t r e s e a r c ht o p i co fl o c a la n df o r e i g nc o m p r e s s o ri n d u s t r y h o w e v e r , t h ed e s i g no fs c r o l l c o m p r e s s o r i ss t i l lb a s e do ne x p e r i e n c e t h ec y c l eo f d e s i g ni sl o n g ，t h ep r e c i s i o ni sl o w a n dt h ep a r a m e t e r sa r en o te a s yt od e t e r m i n e i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f d e s i g n ，b r e a k i n gt h ef o r e i g nf o r e s t a l l m e n to f t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s ，i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gp r o c e s so fs c r o l lc o m p r e s s o ri s s t u d i e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gan e wm e t h o do fc o n s t r u c t i n gs c r o l lp r o f i l e ，p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n ，m e s l f i n ga n a l y s i sa n dd y n a m i c c h a r a c t e r sa n a l y s i s a f t e rt h e s t u d y i n ga n da n a l y s i s f o rs c r o l lc o m p r e s s o r , a sap r o j e c to fp r o v i n c e c l a s s ( n o ：7 5 2 0 ) ，an e wt y p eo fe x t e n dm o d i f i e da c a d e m i cs c r o l lp r o f i l eb a s eo nt h r e e b a s i cc i r c l ei s p r e s e n t e d a n da p p l yf o rt h ean a t i o n a li n v e n t i o n a lp a t e n t ( a p p l i c t i o n n u m b e ro ft h e p a t e n t ：2 0 0 4 l 0 0 2 2 5 2 6 6 ) a w h o l e g e o m e t r i ct h e o r y f o rt h es c r o l l c h a m b e r w o r k i n gp r o c e s si ss e t t e du p d a y a m i cs t u d yi sp r o c e s s e d b a c k - p r e s s u r ea n d t h ep o s i t i o n so fb a c k - p r e s s u r eh o l ea n dt h ep r i n c i p l ea n dt h e o r e t i c a lp o s i t i o n so ft h e d i s c h a r g ep o r t sw e r ep r e s e n t e d w ed e v e l o p e d ac a d s y s t e mf o rs c r o l lc o m p r e s s o r t h e s c r o l lc o m p r e s s o rc a l c u l a t o ra s s i s t a n c ed e s i g ns y s t e mm a k e ss c r o l lc o m p r e s s o rm a t c h e d f r o mt h el i n e a rd e s i g na n dt h ea n a l y s i so fm e s h i n gt oa n a l y z et h es o l u t i o nd y n a m i c s p r o b l e m ，t h el i n e a rn u m b e r i nt h e nb o m t y p ec o n t r o l st op r o c e s st h ep r o c e d u r e ，r e a l i z e s d e s i g n ，a n a l y s i s ，m a n u f a c t u r i n g t h e i n t e g r a l w h o l et u r n s t h es t u d yi nt h i s p a p e r i n c l u d e d ： 1 ) a i ma ts c r o l l - c o m p r e s s o r k e ys k i l l s ，t h i sp a p e r c o n c e m st h em o d i f i e dq u e s t i o n o f t h ew r a pa b o u tt h ee n do f t h es c r o l lp r o f i l e ，w o r ko v e ran e wt y p eo f e x t e n dm o d i f i e d a c a d e m i cs c r o l l p r o f i l e b a s eo nt h r e eb a s i cc i r c l e ，a n d a p p l y f o rt h ean a t i o n a l i n v e n t i o n a lp a t e n t ( a p p l i c t i o nn u m b e ro ft h ep a t e n t ：2 0 0 4 l 0 0 2 2 5 2 6 6 ) t h en e wt y p eo f t h es c r o l lp r o f i l ec a l ln o to n l yh a v eah i 曲c o m p r e s sr a t i oa n dh a v eas t r o n gi n t e n s i t y , b u ya l s ob r e a k t h r o u g h t h el i m i t a t i o no fj a p a n e s e p a t e n t w h i c hi n v o l v e dt h a tt h e m o d i f i e dc e n t e ro ft h ec i r c l ec a no n l ya tt h et a n g e n to ft h em a i ns c r o l lp r o f i l e t h e j a p a n e s ep a t e n ti st h es p e c i a le x a m p l e w h e nt h ep a r a m e t e rd = o 1 l r2 0 i l 重庆大学硬士学位论文 2 )aw h o l e g e o m e t r i ct h e o r yf o rt h es c r o l lc h a m b e rw o r k i n gp r o c e s si ss e t t e du p t h e s et h e o r i e st h ed i m e n s i o no fs c r o l lc h a m b e rw i t ht h em e s h i n go f o r b i t i n gs c r o l la n d f i x a t i n gs c r o l l w i t ht h ec h a n g i n go f t h es c r o l lp r o f i l et y p e s ，t h ed i f f e n e n te q u a t i o ni s p r e s e n t e d i tw a sb e c o m i n g t h et h e o r yb a s ef o rs c r o l lc o m p r e s s o r d e s i g n e r 3 ) d a y a m i cs t u d y i sp r o c e s s e d f o l l o w u p t h es c e n to f t h eb r a c e w h e e l i n gp e r i o d ， p u t f o r w a r dt h ec h a n g i n ge q u a t i o no f t h e p r e s s u r eo f s c r o l lc h a m b e r s 、t h ef o r c eo f a x i s 、 t h ef o r c eo f r a d i a l 、t h ef o r c eo f t a n g e n t 、i n e r t i a lf o r c e 、t h ec o m p o s i t i o no f f o r c e sa n d t h ei n e r t i a lm o m e n tw i t ht h eb r a c ew h e e l i n g a l lt h e s ec a np r o v i d ed e s i g np a r a m e t e r a n dl o a d c a l c u l a t i n gf o rp o w e rm a t c h i n g 、i n t e n s i o nd e s i g n 4 )b a s e do nt h e s t u d y o fg e o m e t r i c t h e o r y a n d d a y a m i c ，t h e c h o i c eo f b a c k p r e s s u r ea n d t h ep o s i t i o n so f b a c k - p r e s s u r eh o l ei sp r e s e n t e d i ti sak e yq u e s t i o n f o rb a c k - p r e s s u r e b e c a u s et h es t u d yo ft h e s ew e r en o tr e g a r d e d ，i ti sd i f f i c u l tf o rt h e c h o i c eo fb a c k - p r e s s u r ea n dt h ep o s i t i o n so fb a c k - p r e s s u r eh o l e a f t e rt h i sp a p e r s s t u d y i n g ，w e c a l ls o l v et h i sq u e s t i o n q u i c k l y a n de x a c t n e s s 5 ) b a s e do nt h en e ws c r o l lp r o f i l e ，t h r o u g ht h ed e t a i lm a t h e m a t i c a la n a l y s i s ，t h e p r i n c i p l e a n dt h e o r e t i c a lp o s i t i o n so f t h ed i s c h a r g ep o r t si sp r e s e n t e d a l lt h e s em a d e t h e d e s i g no f d i s c h a r g ep o r t s i sr a t i o n a l i z a t i o n 6 ) a r e rt h es t u d y i n ga n da n a l y s i sf o rs c r o l lc o m p r e s s o r , a sap r o j e c to f p r o v i n c e c l a s s ；( n 0 ：7 5 2 0 ) ，w ed e v e l o p e d ac a ds y s t e mf o rs c r o l l c o m p r e s s o r t h e s c r o l l c o m p r e s s o r c a l c u l a t o ra s s i s t a n c ed e s i g ns y s t e mm a k e ss c r o l lc o m p r e s s o rm a t c h e df r o m t h el i n e a rd e s i g na n dt h ea n a l y s i so f m e s h i n g t oa n a l y z et h es o l u t i o nd y n a m i c s p r o b l e m ， t h el i n e a rn u m b e ri nt h e nb o m t y p ec o n t r o l st op r o c e s st h ep r o c e d u r e ，r e a l i z e sd e s i g n ， a n a l y s i s ，m a n u f a c t u r i n gt h ei n t e g r a lw h o l et u r n s o v e r c o m i n gt h ei r r e g u l a r i t y o ft h e t r a d i t i o nd e s i g n sm e t h o d ，t h ed e s i g nm e t h o do f s y s t e m m o l da n dd a t af l o w i n gt h e o r i e s ， d e s i g n t ot h e e n g i n e e r i n g t h e d e v e l o p m e n t o ft h e s o f t w a r eh a v et h ea c t u a l m e a n i n g ，u s i n g t h i ss y s t e m ，d e s i g n e rc a nd e s i g ns c r o l lc o m p r e s s o re a s i l y k e y w o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ；n e ws c r o l l p r o f i l e ；g e o m e t r i ct h e o r y ；d a y a m i cs t u d y ； b a c k - p r e s s u r e ；d i s c h a r g ep o r t ；c a d ； i v 1 绪论 1 绪论 1 1 涡旋压缩机的研究历史与现状 涡旋压缩机是近年来倍受重视并迅速发展的种容积式压缩机。涡旋压缩机 具有效率高、可靠性强、噪声低、重量轻和尺寸小等特点，即兼有容积式和阐转 式压缩机之优势，因此它受到了国内外科技界的广泛重视。七十年代美国a d l 公司进行了广泛和卓有成效的研究，首先，解决了涡旋盘端部补偿磨损的密封装 置，在此基础上他们又与瑞士合作开发了空气、氟里昂和氨气等工质的涡旋压缩 机生产样机，1 9 8 7 年美国c o p e l a n d 公司开始着手生产压缩机并成为美国第一家涡 旋压缩机制造公司，它的涡旋压缩机无论在质量和数量上都作为美国高技术而享 有很高的声誉。1 9 9 2 年3 月己达到1 0 0 万台。该公司继完成在m i s u l i 州的l e b a n a n 工厂建设之后，又相继在俄亥州的s i d n e y 工厂建立了涡旋压缩机生产线。9 5 年己 达2 0 0 万台左右，在世界上具有领先地位。当前该公司所生产出的涡旋压缩机功 率为1 5 5 i p 。 与此同时，9 2 年1 0 月，c a r r i e r 公司在位于阿肯色州的a r k a d e l p h i o 工厂也开 始生产涡旋压缩机，该公司对包括这家涡旋压缩机厂在内的许多部门进行投资建 立公司的附属厂家，似乎要下决心保持它作为h v a c 的工业领导地位。目前该公 司正大批量生产的涡旋压缩枫功率大都在2 h p 9 h p 。t r a m e 公司是美国的另一家 生产涡旋压缩机的公司，它的总厂位于威斯康辛州的l a c r o s s e ，它所生产的涡旋 压缩机功率在5 4 1 5 h p 之间。该公司的大多数产品直接用于本公司生产的空调上， 其余部分用于配套的装置上。k n o x 公司目前也生产工艺3 5 h p 涡旋压缩机。由此 可见，美国作为最先掌握涡旋压缩机制造技术的国家，其产量在逐年上升，9 4 年 达到3 0 0 多万台。日本约有十家生产涡旋压缩机的工厂，1 9 8 3 年h i t a c h i 公司开始 生产功率为2 5 h p 的涡旋压缩机。1 9 8 1 年s a n d e n 公司开始生产用于汽车空调的 涡旋压缩机，这两家公司在世界上率先成功地大批生产了分别用于汽车空调和柜 式空调的涡旋压缩机，其它厂家如m i t s u b i s h e l e c t r i c 、d a i k i n 、t o s h i b a 、s a n y o 和 m i t s u b i s h h e a v y i n d u s t r i a l 等也相继成功地生产出涡旋压缩机，9 2 年在9 3 万台拒式 空调中已有相当一部分配用了涡旋压缩机。除此之外，m i t s u b i s h 公司生产了大批 的i h p 级别的逆相涡旋压缩机。值得一提的是，通过漫长而艰难的产品开发之后， 该公司将配有i h p 的卧式反相涡旋压缩机的小型分体式空调投放于国内市场， 1 9 8 9 年m i t s u b i s h 公司展出了生产出的i h p 的立式涡旋压缩机，其加工精度达到 微米级，在工业界产生了很大的影响。以前，入们一直认为输出功率为2 h p 涡旋 压缩机是能够大批量生产的最小极限m i t s u b i s h 公司为小功率单机大批量生产开 重庆大学硕士学位论文 辟了，道路。 另外一些公司如i w a t a 和m i t s u i s e i k i 等目前也在生产涡旋空气压缩机。 除美国和日本外，法国m a n e c n o p 公司在t r a m e 公司的许可下于9 2 年也开始 生产l 1 5 h p 的涡旋压缩机。瑞典的a t l l a s 公司生产涡旋空气压缩机。在泰国 h i t a c h i 公司也建立了涡旋压缩机生产厂家，其产量大约在年产1 0 万台左右。 我国的第一台涡旋压缩机( s c 0 1 5 4 ) 于1 9 8 7 年由西安交通大学压缩机工程 研究中心研制成功并通过部委级鉴定，继这个样机后，通过多年的艰苦努力，研 究中心已分别研制出四个系列2 0 多种涡旋机产品，其中小型空压机已经小规模生 产。1 9 8 9 年后，相继还有许多科研制造单位开始了涡旋压缩机的研制，也取得了 一定的成效。从1 9 9 4 年开始，广州万宝电气集团公司引进日本的h i t a c h i 公司空 调用涡旋压缩机生产线，并开始批量生产。1 9 9 6 年2 月广州涡旋压缩机实业有限 公司引进加工专机建立了涡旋小型空气压缩机生产线，目前进行1 0 h p 以下的涡 旋压缩机系列批量生产。1 9 9 6 年西安庆安公司与日本大鑫公司共同酬建空调用涡 旋压缩机工厂。1 9 9 7 年美国艾默生一谷轮公司在苏州兴建年产1 0 0 万台空调涡旋 压缩机工厂“o 3 5 o 1 2 涡旋压缩机的结构和工作原理 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， 如图1 1 ，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， 都是由端板和由端板上伸出的渐开线型涡旋齿所组成，两者偏心配置且相差1 8 0 。， 静涡旋静止不动，而动涡旋在专门的防转机构的约束下，由曲柄轴带动作偏心回 转平动( 即无自转，只有公转) 。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。静涡盘的排气口处装有一 止回阀，用来防止高压气体逆流和电磁离合器断开时轴转动。通过滚针轴承来传 递曲柄销对动涡盘的驱动力，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 轴瓦在中心位鼍摆动，从而使动涡盘实现回转偏心摆动。平衡块可以有效地抵消 动涡盘的回转离心力。 l 绪论 图l ，l 涡旋压缩机整体结构图 f i 9 1 1t h ew h o l es t m c l u r eo f s c r o l lc o m p r e s s o r 涡旋压缩机的工作原理是两个形状相同但角相位置相对错开1 8 0 。的渐开线 涡旋卷体，其一是固定卷体，而另一个是由偏心轴带动，其轴线绕着固定卷体轴 线做公转的绕行卷体。工作中两个卷体在多处向切形成密封线，加上两个卷体端 面处的适当密封，从而形成好几个月牙形气腔。两个卷体间公共切点处的密封线 随着绕行卷体的公转而沿着涡旋曲线不断转移，馒这些月牙形气腔的形状大小一 直在变化。压缩机的吸气口开在固定卷体外壳的上部。当偏心轴顺时针旋转时， 气体从吸气口进入吸气腔，相继被摄入到外围的与吸气腔相通的月牙形气腔里。 随着这些外围月牙形气腔的闭合而不在与吸气腔相通，其密闭容积便逐渐被转移 向固定卷体的中心且不断缩小，气体被不断压缩而压力升高e g - 1 。如图1 | 2 。 重庆大学硕士学位论文 ( a ) 渤 (d)tc) 图1 2 涡旋压缩机工作原理图 f i 9 1 2t h ew o r k i n gp r o c e s s o f s c r o l lc o m p r e s s o r 1 3 涡旋压缩机关键技术 涡旋压缩机原理是1 9 0 5 年就提出的，到7 0 年代未还未达到实用化，其主要 原因是缺乏精密的加工技术，以保证型线的良好的啮合和控制工质的泄漏，当然 轴向的摩损也是一个技术难题。因此，涡旋压缩机的关键技术是：提高密封性能： 提高压缩比减少余隙；优化结构简化生产工艺降低生产成本。为解决上述问题各 国的科技工作者从不同角度出发采用不同的措施研制出不同的机构，对涡旋型线 和结构进行了卓有成效的改进。概括起来，近几年来主要在以下几个方面进行了 探索，不断地有许多提高。 型线的改进 实现涡旋压缩机正常工作的首要条件在于涡旋型线在各个压缩腔内能够良好 地啮合。能够作为涡旋压缩机型线的有线段，正多角形的渐开线以及圆的渐开线 等，但无论上述那种线型中心部分均是由加工刀具于涉而形成的，使高压区型线 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，影响压缩 4 1 绪论 机效率的提高，为减少这种余隙m i t s u b i s h h e a v y l n d u s t r i a l ( 三菱重工) 已开发出一种 p e f f e e t m e s h p r o f i l e 型线的简称p m p 型线，该型线中心部位采用了两个圆弧进行修 正p m p 型线能将残余气体排净，有效地避免了熏复压缩，从而提高了压缩机效率， 采用p m p 型线后，其型线高压区部位增厚，其刚度和强度得以提高，延长了机器 工作寿命。曾经有研究人员又在p m p 型线上进一步作了改进，采用两段圆弧和一 段直线进行修正，进一步增加了静涡旋盘中心部位的轴向排气孔口面积，减少流 动阻力损失，与普通型线相比，这种型线的涡旋压缩机其绝热效率可提高4 以上。 内侧型线方程包括以下若干段： 1 ) 渐开线部分+ ) s 妒庐 x = a e o s 矿+ ( 妒一a ) s i n 妒】 y = a s i n 妒( 妒一7 ) c o s 纠 其中巾为按型线中心线计算的总展开角。 2 ) 圆弧a e 部分 ( 工一x 0 1 ) 2 + ( j ，一y 0 1 ) 2 = r ? 3 ) 直线e f 部分 丛：生二! x x ex e x f 4 ) 圆弧f b 部分 ( x x 0 2 ) 2 + ( y y 0 2 ) 2 = r ； 外侧型线为渐开线，其方程为 工= a c o s + ( 妒十a ) s i n 妒】 y = a s i n ( o 一( 缈+ a ) c o s q ，】 改进动力平衡性能 1 ) 采用双作用涡旋盘 此动盘两面均有完全对称的型线，它们分别与两侧的静涡旋盘型线啮合。这 种结构的两侧气体力完全平衡，可以减小轴向磨损，并有利于尺寸利用，适用于 较大排气量的压缩机。西安交通大学研究中心开发的7 1 8 空气压缩机就是采用如 此结构。 2 ) 采用双转子结构 重庆大学硕士学位论文 双转子结构涡旋压缩机也称为自转型压缩机。两个涡旋盘心轴分别装在两侧 轴承上，两个涡旋盘以1 8 0 。的相对角度安装，其中一个涡旋盘由电机直接驱动旋 转，另个涡旋盘由保持相对角度的十字联轴节带动且沿相同的角度旋转。双转 动的结构涡旋压缩机在旋转过程中径向啮合的密封线位置和方向不变。因此通过 调节加在被动涡旋盘的径向外力就很容易密封其径向泄漏。同时由于旋转质量的 对称性其动力平衡性能也得到了改善。 改进机构，简化工艺降低对制造精度的要求 1 ) 柔性机构的采用 采用所谓的柔性机构能有效地减少泄漏和摩擦损失，增强压缩机承受固体杂 质和液滴的能力，同时并降低加工精度和装配精度的要求。一般地柔性机构分为 两大类，一是轴向的柔性机构，另一个是径向的柔性机构。轴向柔性机构也分为 二种，一种是静盘采用被悬挂在机架上，它由背面的高压气体弹性地支撑着。另 一种是在动盘上开适当的小孔，在一定角度范嗣连通压缩腔与背压腔，气体通过 小孔窜流，从而实现背压自调。在此柔性机构中，静盘沿径向刚性固定，而动盘 则沿轴向是柔性的。在径向柔性机构中通常采用两种柔性机构，种是偏心衬套 机构，当偏心衬套围绕曲柄杆摆动时，旋转半径作相应变化。另一种为滑块机构， 当滑块在曲柄轴中运动时，旋转半径将会变化，一旦采用了径向柔性机构，旋转 半径就要由两涡旋壁相互吻合情况来决定了，偏心衬套机构比滑块机构更易于加 工。 2 ) 轴向密封机构或端面密封机构 由于加工和装配误差，往往造成涡盘顶部与另一涡盘底部之间的间隙，气体 通过此间隙形成径向泄漏，为了减少此泄漏量，通常在涡旋型线顶部开有一密封 槽，其槽宽略大于密封元件，密封元件嵌入其槽内且与槽底面保持一定的轴向间 隙，借助气体压力是其紧贴于盘底面。 3 ) 喷液技术的采用。 采用向工作腔喷液( 通常为润滑油) 的方法也不适为另一种密封的方法，当机器 运转时，将具有一定压力的油喷入工作腔，利用附着在工作腔周壁上的油膜层减 少其工作介质泄漏通道的实际间隙，从而达到减少介质泄漏量的目的。 4 ) 背压自调平衡系统的采用。 如前所述。在动盘上开有适当的小孔与处在压缩过程中的气腔相通，气体通 过该小孔作用在转子背面，形成一个合成的气体力支撑其动盘，使其将动涡旋盘 压在定涡旋盘上，从而形成轴向密封，这种措施使摩擦损失小，当工况发生变化 时可随时改变流体的压力，既能佼轴向力的平衡始终保持在最佳状态，又能自动 补偿磨损。该密封机构有如下特点。 6 1 绪论 a 涡旋顶部的轴向密封不受安装力矩的影响： b 自动维持在适当的范围内，摩擦磨损小； c 能使动盘上下运动，可进行自动补偿项部的逐渐磨损，同时亦可防止过载。 改变涡旋体壁厚，提高压缩比 在制冷系统或者空气动力系统中，常常需要较高的压力比，普通涡旋型线已 经难以胜任，一种变壁厚的涡旋压缩机便被研制，使用这种形状的涡旋压缩机仅 用较少的圈数便可达到较高的压力比。此型线的应用，使压缩机的压力比提高， 同时改进面积的利用系数。 强化冷却 涡旋压缩机的压力比在一定程度上是受工作温度所制约，特别在无油压缩机 中加强冷却是提高轴承与工作型线寿命的关键，日本岩田涂装机工业株式会社在 这方面研究取得了突破，他们在动、静盘上设计夹层且作成开式，一方面切断了 工作腔热量直接传到轴承上，提高轴承工作寿命。另方面加强风冷对气体直接冷 却，这种压缩机造价较高。另外多数空气涡旋压缩机采用喷液冷却，控制喷液的 温度可达到压缩机在良好的工况下运行，喷进工作腔的液体由分离器或后净化器 分离循环使用。 改进材质 为了进一步减少其动静盘的磨损，有人曾对动静盘的型线进行过表面硬化处 理，如阳级氧化处理，其硬度达h v 8 0 0 ，作者曾对汽车空调涡旋压缩机作过类似 的处理，实践表明该措施具有较高的实用价值。铸铁动静盘当前最多在房间空调 压缩机，对铸铁的要求是既要耐磨不变形且容易铸造成型，更重要的是材料均匀 易于加工。目前美国，日本均已开发出了专门的配方。 使用涡旋式机械加工专机 如何提高涡旋压缩机加工精度和加工节拍，机械制造行业也纷纷加入到其研 究行列，如德国的e x c e l l o 公司，日本的t o y o a d v a n e e 、m a k i n o 、m a z d a 和k a s h i f u j i ， 英国的b l a d g e p o t 公司等等。该类专机是采用x ，y ，z ，c 轴四轴联动和闭环控制， 以展成法为基础结合圆弧捶补来完成涡旋盘的加工，该专机通过一次装卡即可完 成涡旋盘的正面加工。由于这些专机的机体采用斜筋设计，有些还采用防震材料， 使得涡旋盘的高速加工得以实现。专机自动化程度高，可以自动上、下落料，自 动换刀，并可实现现场加工涡旋盘的自动检测等等，采用专机加工涡旋盘，可以 在2 3 分钟内完成零件加工，涡旋线的型线轮廓度保证在l o um 之内，大大地提 高了加工效率，加工精度，减少加工成本。当然这也与动静盘的材质有关。目前 动静盘最多使用的是铸铁，对铸铁的要求是既要耐磨不变形又要容易铸造成型。 更重要的是材料均且容易加工。目前美国、日本已开发了专门的配方。 7 重庆大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 针对涡旋压缩机的关键技术，本文以渐开线涡旋齿端的型线修正问题为突 破口，研究出一种基于“三基圆”延伸修正理论的新型型线。新型型线不仅使涡 线可具有高的压缩比，而且，随着压缩比的增加，涡线根部段的强度( 壁厚) 仍 将增加，且突破了日本专利中修正圆弧圆心只能在主涡线基圆切线上的限制，而 可在所需的任意处，日本专利仅是本理论中参数d = o ，1 l r - = 0 的一个特例。 建立了一套完整的涡旋腔工作过程的几何理论。该理论动态地描述出动、 静涡盘啮合过程中，各压缩腔容积的变化过程。针对压缩腔啮合过程中涡盘啮合 型线的变化，完整的推导出压缩腔不同的容积计算公式，并确定了不同型线的啮 合转折点。为涡旋压缩机的设计开发提供完善的设计理论基础。 在以上两点的基础上，对涡旋压缩机进行了深入细致的动力学研究。在曲 柄转角2 万的一个周期内，对各个压缩腔的体积、压力进行同步追踪，导出一个同 期内的各个压缩腔压力、动涡盘所受轴向力、径向力、切向力、惯性力及合力、 合力矩随趣柄转角的变化函数表达式和各部件所受作用力表达式，为涡旋压缩机 的功率匹配，强度设计提供了设计参数和载荷计算依据，为动强度计算提供载荷 的时间历程。 在几何理论研究和动力学研究的基础上，本文为涡旋压缩机背压压力的选 取，背压孔开设位置提供精确的理论解答和实际应用。涡旋压缩机的背压是一个 很关键的问题，以往由于对涡旋压缩机各个压缩腔压力随越柄转角变化的值与变 化规律没有个系统的研究，所以对于背压子l 的开设、背压压力的选取比较困难， 本文对各个压缩腔压力随曲柄转角的变化有详细的研究，所以使得背压孔的开设 摆脱了以往的经验判断，变褥准确及迅速。 在新型型线的基础上，提出了排气孔开设原则及理论开设区域，使得排气 孔的设计更加合理化。 经过以上各点对涡旋压缩机系统的研究，作为省部级攻关项目( 重庆市科 委：项目编号7 5 2 0 ) ，我们开发出了一套目前国内首创的涡旋压缩机计算机辅助设 计系统。该系统使涡旋压缩机从型线的设计、参数优化、啮合分析到解决动力学 问题，进而生成型线的数控加工程序，实现了设计、分析、制造一体化。这个过 程可以用“设计一分析一评价”这样一个循环过程来描述，使设计者能极为窑易 的开发出满意的产品。实现了在现代设计中，设计过程参数化、可视化所追求的 目标。 8 2 新型型线研究 2 涡旋新型线研究 2 1 涡旋型线的现状与存在的问题 涡旋压缩机能够正常工作的条件就是动涡盘与静涡盘在压缩腔内能够啮合。 而基于涡旋体直壁等高的形状特性，在几何计算时完全可以仅讨论其投影的涡线， 即把空间啮合问题转化为平面啮合问题。常见的涡旋型线有基圆渐开线、正多边 形渐开线、线段渐开线、半圆渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆 渐开线、包络型线、以及通用型线等。由于圆的渐开线容易加工，并且该型线的压 缩机有良好的工作性能，所以目前应用的型线以圆渐开线为主。 为获得高效的压缩比，各国都对型线的修正作了大量工作。目前各国广泛采 用的涡旋压缩机涡旋根部修正型线是日本三菱重工开发的一种p e r f e c tm e s h i n d u s t r i a l 型线( 简称p m p 型线) ，其特征在于修正圆弧圆心0 l 及d ，均在过主涡 线基圆的切线上。这种型线虽然能将残余气体排净，避免了重复压缩，但是分析 其修正原理可知：为获得高的压缩比，须使排气角增大，但由此使主涡线被修正 段减少，仅在排气孔附近涡线壁厚有所增加，而其余部分涡线壁厚不变，因而不 能保证在根部段有足够的强度，反之，要使根部段强度提高，则只能以降低压缩 比为代价，因此，使造成涡旋压缩机功率不能大幅提高，使得大多数涡旋压缩机 多在空调工况下使用“。 2 2 新型涡旋型线( 基于三基圆理论的延伸修正型线) 的研究 本章研究出了一种基于三基圆( t b c ) 理论的延伸修正型线，并申请了一项国 家发明专利( 专利申请号：2 0 0 4 1 0 0 2 2 5 2 6 6 ) 。新型型线不仅使涡线可具有高的 压缩比，而且，随着压缩比的增加，涡线根部段的强度( 壁厚) 仍将增加，且突 破了日本专利中修正圆弧圆心只能在主涡线基圆切线上的限制，孺可在所需的任 意处，日本专利仅是本理论中参数d = o ，1 l r = 0 的个特例。 2 3 基于三基圆( t b c ) 理论的延伸修正型线 2 3 1 基于三基圆( t b o ) 理论的延伸修正型线基本思想 本论文涉及涡旋压缩机涡旋根部型线的修正，具体是对日本的p m p 型线的突 破，是涡旋压缩机涡旋型线根部“延伸形变修正”理论。 9 重庆大学硕士学位论文 一 澎 + 。，煺 髓1 七 图2 1 涡旋型线根部“延伸形变修正”原理不恿幽 f i g 2 1t h et h e o r yo f t h en e ws c r o l lp r o f i l e 本论文提出了一种“延伸形变修正”理论，不仅使涡线可具有高的压缩比，而 且，随着压缩比的增加，即图2 1 中角的减小，涡线根部段的强度( 壁厚) 仍将 增加，且突破了日本专利中修正圆弧圆心只能在主涡线基圆切线上的限制，而可在 所需的任意处，如图2 2 ，日本专利仅是本理论中参数d = 0 ，1 l r = 0 的