（机械工程专业论文）螺杆压缩机排气间隙设置机的研制.pdf

i ：海交通大学工程硕士学位论文摘要 螺杆压缩机排气间隙设置机的研制 摘要 ， ( 。我国国内的螺杆压缩机，其阴阳转子的排气间隙值都被设计成相等 的数值。而且间隙的测量和调整都采用手工方法进行。这种工艺已经成 为制约螺杆压缩机装配精度和经济规模化生产的瓶颈。y 本文以流体力学和气液两相流动的理论为基础，分析了排气间隙泄 漏对压缩机工作的影响及与装配成本的关系；并将阴阳螺杆转子的排气 间隙优化设计成两个不同的数值，从而在泄漏方向上形成一个简单的直 通式迷宫密封结构，增加了流体阻尼，最大程度地减少了泄漏，提高了 压缩机的容积效率，并通过实验验证了理论计算结果的正确性。 一 ( 为在实际生产中实现这种高精密度、高准确度，且阴阳转子排气间 隙值互不相等的情况下，自动设置排气间隙，本文在机械系统上利用压 缩空气做动力，电气控制上使用p l c 控制，检测上采用线位移差动变压 器检测头( l v d t ) 等方法，设计了高精度自动化螺杆压缩机排气间隙设置 机。 最后，根据本设计制造而成的设置机，经过对实测结果的误差分析 _ ，。 及工序能力( p c r ) 的计算，证明达到了设计要求。投入到实际的生产使 。 用后，得到了预期的效果q ) 关键词：螺杆压缩机，排气间隙， 始，优欲 上海交通大学工程硕士学位论文摘要 d e v e l o p i n go fas c r e wc o m p r e s s o r e n dc l e a r a n c es e t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h ee n dc l e a r a n c ev a l u e so fm a l ea n df e m a l er o t o r so fd o m e s t i cs c r e w c o m p r e s s o r s i ss a m eo nd e s i g n m e a s u r e m e n ta n d s e t t i n go f c l e a r a n c ea d o p t s m a n u a lc o n t r o lm e t h o d i th a sb e c o m eab o t t l e n e c kt or e s t r i c ta c c u r a c yo f a s s e m b l y a n de c o n o m i c a ls c a l eo f p r o d u c t i o n o nt h eb a s i so ff l u i dm e c h a n i c sa n dt w o p h a s ef l o w , t h i sa r t i c l ea n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo fe n d1 e a k a g eo nc o m p r e s s i n ga n dt h e r e l a t i o n s h i p w i m f a b r i c a t i o nc o s t f u r m e rm o r e t h ee n de l e a r a n c e so fm a l ea n df e m a l ea r e o p t i m i z e d t od i f f e r e n tv a l u e ，w h i c hf o r m sas i m p l es t r a i g h t - t h r o u g hl a b y r i n t h o nt h ew a yo f1 e a k a g e ，t h ed a m po ff l u i di si n c r e a s e da n dl e a k a g ei s d e c r e a s e d f i n a l l y , t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t s t om e e tt h e r e q u i r e m e n to fs u c hh i g hp r e c i s ea n dv e r a c i o u se n d s c l e a r a n c e s e t t i n gw i t h d i f f e r e n tv a l u eo fm a l ea n df e m a l e t h i sa r t i c l e d e v e l o p s as c r e w c o m p r e s s o r e n dc l e a r a n c e s e t t i n g m a c h i n ew h i c h a u t o m a t i c a l l ym e a s u r ea n ds e te n dc l e a r a n c ew i t hh i 曲a c c u r a c yb yu t i l i z i n g p n e u m a t i c st od r i v em e c h a n i c a ls y s t e m p l ct oc o n 仃o lm a c h i n ea n dl 、，d t t om e a s u r et h ec l e a r a n c e f i n a l l y , a ne n dc l e a r a n c es e t t i n ge q u i p m e n th a sb e e nb u i l tb a s e do nt h i s d e s i g n i st e s t i f i e dt oa c h i e v et h ed e s i g nd e m a n d b y e r r o ra n a l y s i sa n d p r o c e s s c a p a b i l i t yr a t i o ( p c m c a l c u l a t i o n t h e e q u i p m e n t h a s a p p l i e d t or e a l p r o d u c t i o n ，a n d a c h i e v e do u r t a r g e t k e yw o r d s s c r e w c o m p r e s s o r , e n dc l e a r a n c e ，s e r i n g ，o p t i m i z a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 勿破 日期： 删1 年r 月日 “上海交通大学 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。本人授权上海交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：和波 丰匕导教师签名：丕枉 日期：训1 年j ，月l 曰 日期：o l 年j 一月f ，日 i 海交通大学工程硕士学位论文符号表 符号表 油气流的结构系数 上横梁截面面积 上左立柱截面面积 工作台支撑板截面面积 上右立柱截面面积 下横梁截面面积 下左立柱截面面积 下右立柱截面面积 压缩机制造成本 润滑油的比热 气体定压比热 气体定容比热 上压气缸作用在支撑板中部弓 起的变形 下托气缸作用在支撑板中部弓 起的变形 上横梁截面惯性矩 上左立柱截面惯性矩 工作台支撑板截面惯性矩 上右立柱截面惯性矩 下横梁截面惯性矩 下左立柱截面惯性矩 下右立柱截面惯性矩 绝热指数 置信系数 泄露通道的长度 上横梁长度 上左立柱长度 工作台支撑板长度 上右立柱长度 下横梁长度 下左立柱长度 下右立柱长度 上压气缸作用在上横梁及中间 工作台支撑板中部的弯矩 下托气缸作用在上横梁及中间 工作台支撑板中部的弯矩 上压气缸作用在上左右立柱上 的弯矩 下托气缸作用在上左右立柱上 的弯矩 空气的质量 油的质量 排气压力 吸气压力 实测吸、排气压力 实测吸、排气温度 密封小室的压力降 总泄露量 实际排气量 流量计读数 螺杆转子节圆半径 气体常数 迷宫小室的长度 上齿条的运动行程 下齿条的运动行程 泄露速度 泄露通道中的平均流速 螺杆转子节圆线速度 上齿条的运动速度 下齿条的运动速度 剩余误差 上横梁中部截面系数 上左立柱截面系数 工作台支撑板中部截面系数 上右立柱截面系数 第1 页 帆 叫 坞 幔 也鸩a见“印q岛9，r。鱼。均u u 叱_ 彬职暇 4 4 4 以4 气4 c e q c 石 斤 l t l膏墨，厶t t 厶厶k 岛 海交通人学工程硕士学位论文 符号表 畋 阢 下横梁截面系数 下左立柱截面系数 下右立柱截面系数 x ； 一 工 油液的粘压系数p 排气间隙 p 。 自由流宽度p ， 阴阳转子排气间隙之差盯 阻力系数盯i 油液的粘温系数仉 油气混合物的动力粘性系数盯，。 气体的动力粘性系数盯， 油的动力粘性系数盯；， 运动粘性系数盯。 油液温度为3 0 0 c 时的运动粘度工 油液温度为7 0 0 c 时的运动粘度 国 螺杆转子间隙测量结果 以的算术平均值 油气混合物的密度 气体的密度 油的密度 标准偏差 算术平均值的标准偏差 上横梁中间截面最大弯曲应力 上左右立柱截面最大应力 支撑板中间截面最大弯曲应力 下左右立柱截面最大应力 下横梁中间截面最大弯曲应力 混合物干度 螺杆转子转速 第2 页 a占t醯f五口以一矿 上海交通大学工程硕士学位论文前吉 月l j吾 一背景情况介绍 对任何一台螺杆压缩机而言，其螺杆转子的排气端面与机体的排气座之间应有 必要的间隙。该间隙称为排气间隙或尾端间隙。 螺杆压缩机的排气间隙过大，必然引起压缩介质的泄露、影响压缩过程的特性， 使实际排气量以及机器效率下降；间隙过小，则无法保证压缩机安全、正常地运行， 极易发生咬死事故。因此，排气间隙是影响压缩机经济性和可靠性的一个重要参数 【1 二国内外情况简介 目前，国产的螺杆压缩机，其阴、阳螺杆转子的排气间隙都设计成相同值，一 般为o 0 3 0 1 0 r a m ( 1 2 3 。国外也只有美国开利公司研发成功了，能效比很高的0 6 n 螺杆制冷压缩机，采用了互不相同的阴、阳转子排气间隙值。其阳转子排气端设计 间隙为：0 0 5 1 0 0 7 6 r a m ，阴转子为0 0 2 5 - 0 0 5 1 r a m 3 。( 压缩机外形参见插图1 、2 ) 。 而其他著名的压缩机制造商，如美国的英格索兰( i n g e r s o l l r a n d ) “】，日本的前川、 日立、德国的b i t z e r 都沿用了等间隙的设计方法。 图10 6 n 螺杆制冷压缩机外观图 f i g 1g e n e r a lv i e wo f 0 6 nr e f r i g e r a t i o ns c r e wc o m p r e s s o r 1 ：1 0 第3 页 e 海交通大学工程硕士学位论文 前言 图20 6 n 螺杆制冷压缩机剖视图 f i g 2c u ta w a yv i e wo f 0 6 nr e f r i g e r a t i o ns c r e wc o m p r e s s o r 排气间隙的大小，在装配生产中是不可能轻易地直接调整到的。传统的工艺方 法是加入适当的调整垫片来获得所需的间隙值。通常先做试装配，将阴阳转子装入 转子座，测量其实际的间隙，然后计算出与设计间隙的差值。拆出阴阳转子，放入 根据差值来选择的调整垫片后再重新装配陆 ，以获得所需的排气间隙值。 目前，多数国内厂家仅用一个垫片通过磨削来达到差值所需的厚度哺 7 1 。这样 不但在制造过程中的等工时间长、效率低，而且垫片间无法实现互换，不易维修。 而国外企业采用了多个厚度不等的标准垫片，通过不同的组合来获得所需差值口 “。 例如，美国开利( c a r r i e r ) 公司的0 6 n 螺杆压缩机，排气间隙调整垫片的尺寸 规格如下： 厚垫片( n u n ) ：8 0 0 ；8 0 5 ；8 1 0 ；一9 0 5 。 薄垫片( m m ) ：0 0 1 3 ；0 0 2 5 ：0 0 3 8 。 这样，通过一个厚垫片与二个薄垫片的叠加，可获得1 3 2 种不同的组合，调整 范围为1 1 2 2 m m 。 上述通过试装配来确定间隙差值的方法，国内都停留在手工测量的水平上。如 大连冷冻机厂、武汉冷冻机厂和烟台冷冻机厂。其间隙设置的精度取决于操作工人 的手感、经验和读表的精度。这极大地制约了生产效率和产品质量的大幅提高，使 得间隙调整的精度徘徊在1 0 m i l l ，无法达到1 0 3 i n t o 的水平。 在国外，日本的日立公司、德国的b i t z e r 公司使用了专用检测工装，但仍采 第4 页 上海交通大学工程硕士学位论文 前击 用人工推拉法，通过观测千分表的指针读数来设置排气间隙。其生产效率有所提高， 但调整精度仍不高。而美国的开利公司于9 5 年开始与美国l u c a s 公司合作，研制 出世界首台螺杆压缩机排气间隙设置机。该机器不但实现了检测作业全自动化，采 用精密的l v d t ( 线位移差动变压器) 探头自动检测排气间隙，使测量的精度达到了 0 0 0 2 5 m m ；而且通过微机计算出调整到设计间隙所需的垫片数量和厚度 3 ，无需 人工计算，避免了潜在的人为错误。该机器9 8 年投入使用后，不但使间隙设置工 时由原来的2 0 分钟缩短到8 分钟，而且准确率高达1 0 0 。目前，在世界上处于领 先地位。 所以研制出高精度、高效率的螺杆压缩机排气间隙设置机，将极大地提高设置 的精度和效率，并填补我国压缩机规模化生产设备中的一项空白。 三本文主要工作内容 本文主要工作内容如下： ( 1 ) 以流体力学和气液两相流动的理论为基础，分析排气间隙泄漏对压缩机 工作的影响以及与装配成本的关系，优化设计非等值的排气间隙： ( 2 ) 根据压缩机排气座部装的装配程序、间隙设置的工艺特点和检测精度的 要求，设计出设置机的装置总体方案； ( 3 ) 设计结构可靠、性能稳定的机械系统； ( 4 ) 选用合适的检测探头及其配套的二次仪表，设计设置机的检测系统； ( 5 ) 设计设置机的工作程序图、电路原理图，选择合适的可编程序控制器、 显示屏等重要元件，并完成程序编制； ( 6 ) 完成机器的制造、安装和调试： ( 7 ) 使用设置机调整压缩机排气间隙，并做误差分析，以判断是否达到设计 要求；使用工序能力p c r ( p r o c e s sc a p a b i l i t yr a t i o 工序能力比) 指 标来检验机器工作的可靠性： ( 8 ) 利用螺杆压缩机空气试车台来测量由设置机调整出的非等值排气间隙压 缩机的排气量，并对测量结果进行计算、分析，以验证优化计算出的理 论结果是否正确。 第5 页 上海交通大学工程硕i j 学位论文 第一章非等值排气间隙的优化计算 第一章非等值排气间隙的优化计算 螺杆压缩机的排气问隙是指螺杆转子的排气端面与排气座之间的活动间隙。间 隙大小直接决定了压缩机工作时的排气配合间隙，进而影响到整机的性能和可靠 性。若配合间隙减小，虽然泄漏减小，但零件的尺寸、形位公差要求高，使其加工、 装配的成本大幅提高，摩擦功耗也略有增加；配合间隙若增大，摩擦功耗虽然减小， 制造成本也大幅下降，但造成泄漏增大，容积效率降低。因此，存在一组最佳的匹 配间隙值，使压缩机性能较优，同时成本合理。 本章根据流体动力学的基本原理和气液两相流动的理论为基础，分析了螺杆压 缩机排气间隙与压缩介质泄漏的关系以及对装配成本的影响，优化设计出非等值的 阴、阳转子排气间隙。 1 1 油、气混合物的热力性质 压缩机工作腔所压缩的是油、气混合物。油的存在不但减少了泄漏量，而且由 于油的比热较大，它对气体还具有冷却作用，改善了机器性能，所以在计算中应考 虑油的影响。假设混合物为各组份温度、压力相同的均相流体，其热力性质可根 据各组份纯质的热力性质及成分多少来确定。 均相流体的物性参数求取如下9 ” ： ( 1 ) 干度 x = 面m 面g ( 1 1 ) ( 2 ) 密度 p 2 燕 ( 1 - 2 ) ( 3 ) 绝热指数 七= i x c 瓦了+ 可o 可- x ) c , ( 1 3 ) ( 4 ) 气体常数 r = x r 。 ( 1 4 ) ( 5 ) - 动力粘性系数 = 百j 夏, u g 而, l l t ( 1 5 ) ( 6 ) 运动粘性系数y ：兰 ( 1 6 ) p 式( 1 1 ) 至( 1 6 ) 中，m 。、m ，分别为空气和油的质量，p 。、c ，。、c 。、r 。和 以分别为空气的密度、定压比热、定容比热、气体常数和动力粘度，p ，、g 和， 分别为油的密度、比热和动力粘度。其中，心和，受环境影响较大，可用经验公 式求取。 第6 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章非等值排气间隙的优化计算 空气的动力粘度随温度的变化关系可用下述经验公式计算 g = 1 7 2 x 1 0 。5 ( 1 + 3 3 x 1 0 。t + 0 0 7 x 1 0 4 t2 ) 其中t 为空气温度。 油的动力粘度可用下式计算 【l ：】： a = t o e 8 9 2 ( ) 其中。一压强为i a t m 、油液温度为岛时的动力粘度； a 一油液的粘温系数： a 一油液的粘压系数。 粘温系数a 可用下式计算： l n i 鳖1 a ：堡 4 0 其中y 。一油液温度为3 0 。c 时的运动粘度； l ，。一油液温度为7 0 0 c 时的运动粘度。 根据文献【1 1 】查表得，口= 2 3 1 1 0 “ 1 2 排气间隙的优化计算 ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 螺杆压缩机的阴阳转子等零件的长度和形状在压缩工作中受热而变化。为避免 这些变化影响排气间隙，进而影响机器的工作性能，甚至造成螺杆与排气座的咬死 事故，一般转子的排气端采用圆锥滚子轴承，而吸气端采用圆柱滚子轴承，使转子 工作受热后向间隙足够大的吸气一端伸长，排气端间隙保持基本不变。故本文计算 排气间隙时，将不考虑热态配合间隙的变化，仅以冷态配合间隙值来计算。 1 2 1 泄漏模型的建立 压缩介质的泄漏是影响压缩机效率的关键因素之一，而影响泄漏的因素又有很 多，除了泄漏通道面积以外，转子转速、压力比及润滑油的密封性对泄漏量也有很 大的影响 1 3 】。本文仅讨论在标准运行工况下，配合间隙对泄漏量的影响，而此时转 速、压力比及润滑油的密封作用基本不变，故可设定为不变值。 在运行工况中，为避免吸、排气孔口之间产生穿漏通道，阴、阳螺杆至少有一 对齿间容积同时与吸、排气孔口断通，即吸、排气口之间始终有一对啮合齿阻挡于 其间m i ，参见图1 1 。故仅有少量将通过该对啮合齿与排气座配合间隙从排气口流 向吸气口形成泄漏。根据油气混合体径向泄漏形成的通道特点，将其模拟成两相可 压缩流体通过平行平板间的间隙的流动，参见图1 2 。 又由于阴阳螺杆转子的排气间隙值互不相等，所以在一对啮合齿与排气座端面 形成的平行平板通道之间产生了面积突变，形成一个简单的迷宫油封。在压缩机运 行的过程中，随着阴、阳转子的啮合，吸、排气口之间始终保持至少一对啮合齿， 第7 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一章非等值排气间隙的优化计算 且绝大多数时间内仅形成一个迷宫油封。本文为简化模型，将按一个迷宫油封来计 算。其密封原理参见图1 - 3 。当油、气混合体流经断面突然扩大的小室时，混合体 膨胀、减速，并扩散成为旋涡，消耗了一部分能量。这样，混合体在通过小室后产 生了局部阻力损失，加大了吸、排气口的压力之差，减少了泄漏。 图1 - 1 排气端面的螺杆位置 f i g 1 1d i s c h a r g e e n dv i e wo f s c r e w s 图1 - 2 侧视螺杆位置 f i g 1 2s i d ev i e w o f s c r e w s 第8 页 上海交通大学t 程硕士学位论文第一章非等值排气间隙的优化计算 图卜3 形成简单迷宫油封 f i g 1 3f o r m s as i m p l es t r a i g h t t h r o u g h l a b y r i n t h 鉴于该流体在间隙的流动过程中，由于粘性的作用，6 又很小，所以流动呈层 流。为了便于讨论，我们采用直角坐标系，如图1 - 4 所示。 咖压替： 专 c ， 图卜4 平板间层流分析 f i g 1 - 4a n a l y s i so f l a m i n a r f l o ww i t h i np a r a l l e lp l a t e s 在间隙的均相流场中，任取一边长为出，厚度为咖，宽度为1 个单元的微元 体作分析。图中硝二平行板的间距，p ：p + 字出，：p + 孥d y ，u 为上平行 板的运动速度。 对此微元体建立沿x 方向的动量方程5 1 ： + 刘砂+ 等砂h m 整理可得： 盟：一o p f 1 1 1 ) 砂 融 考虑到在整个泄漏过程中，由于迷宫密封的存在，流体不呈恒定流，即 望h 盯。为了计算上的方便，本文先将泄漏通道假定为单一的平行平板进行计 第9 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章非等值排气间隙的优化计算 算，然后计算出迷宫小室所产生的局部阻力，最后再通过两者的叠加来获得泄漏量 q 的数学公式e 1 单一半仃平板： 注意到，在实际工况中6 卫因此可认为在不属于迷宫密封小室的范围内， 任一z 的截面均距端部无限远，则满足孚= c o n s t t t s l ，j 。 又由于豢：0 ，罢：0 ，得祟：拿。而且牛顿关系式p ，：卢譬只是y 的函 卿鲫d yd v 数。所以，式1 1 l 可写成： 盟：鱼 砂 出 积分可得： d 口 p r2 孟 c l 代入牛顿关系式后，整理得考a v = 吉怯a x m ) “、， 再次积分后，“：去字y 2 + 鱼y + c ： z “a x“ 式中的常数c 。、c ：可由边界条件“i ，：。= u 和“l ，：。= o 确定： 。：丝一鱼尘 c 2 ：0 贴。：半一掣粤( 1 - 1 2 ) 万2 “出 考虑到在泄漏过程中，流体基本呈恒定流，所以譬= 毕。其中p ，、岛分 a xf 别为排气压力和吸气压力，为泄漏通道的长度。带入上式后得到泄漏速度的方程： 。：坐一盘二羔监! 二竺! ! ( 1 - 1 3 ) 2 迷宫密封结构： 由文献【1 6 】可知，图1 3 中所示自由流宽度占，= 2 4 a s + j( 1 1 4 ) 式中a 为油气流的结构系数，在迷宫计算中令a = o 1 ； s 为迷宫小室的长度，根据国产b l g 型压缩机的螺杆转子齿形尺寸可得 j = 1 0 r a m 。 将a 、s 带入式1 1 4 中计算可得：j ，= 占+ 2 4 t o n i 。 受压缩机结构尺寸和螺杆工作长度的限制，小室的宽度，即阴阳螺杆转子排气 间隙之差a 6 不可能大于6 ，故阻力系数按式1 1 5 计算【1 8 】。 第1 0 页 卜海交通大学工程硕士学位论文第一章非等值排气间隙的优化计算 十刳2 四 油气流通过密封小室的压力降为： 卸= f p 等1 ( 1 - 1 6 ) 式中的“，为泄漏通道中的平均流速。本文利用式1 1 3 ，取y = 霎来计算平均流 速，即单一平板构成的泄漏通道的中间层流速。 通过计算可得u 旦一鱼：垒l 二旦盘 2 8 a l 卸咖逝掣 ，代入式1 1 6 后整理得 3 叠加计算： 将油气混合体通过密封小室所产生的压力降劬代入1 1 3 式，可得 ，。，( 旁一y 2 ) f p 。一p ：一勿旦兰生生铲y u i l z 6 w ， j 62 “f 不难求出泄漏量表达式， 妒u d y = 8 。u 一止丝虹罐然攀删 查文献啪1 得p f 9 6 2 9 8k p a ，p p 3 6 1 9 5k p a ，则p l p 2 = 6 0 1 0 3 k p a 压缩机电机转速力= 2 9 6 0 r p m ，1 = 0 0 4 4 9 4m u = r c d = o 0 3 8 5 2 9 6 0 6 0 = 1 8 9 9m s 进一步化简可得： d ：o 9 4 9 5 j 一 1 5 5 3 7 2 2 - ( 0 3 4 1 4 u - 6 0 1 0 3 5 2 ) g p k 3 一 f 1 1 7 ) 1 2 2 排气间隙与制造成本的关系 对所有的螺杆压缩机而言，其排气间隙越小越好。这样泄漏也越小，压缩机的 性能越佳。但是，对零部件切削加工和压缩机装配的精度要求也就越高，直接造成 制造成本的大幅提高，影响产品的市场竞争力。反之，排气间隙若增大，制造成本 则下降，但机器的性能无保障。 根据上海某空调设备公司提供的数据( 参见表1 一1 ) ，经统计分析后可得到这样 一个关于国产b l g 型螺杆制冷压缩机的排气间隙与制造成本之间的曲线关系图( 参 见图1 5 ) 。 第1 1 页 d m m 上海交通大学工程硕士学位论文第一章非等值排气间隙的优化计算 表1 - 1 排气间隙一成本关系表 序号间隙值m m成本( 万元)序号间隙值n u n成本( 万元) 10 0 1 55 5 620 0 2 03 4 5 30 0 2 52 6 040 0 3 02 1 5 50 0 3 51 8 060 0 4 01 7 1 70 0 4 51 5 480 0 5 01 4 5 90 0 5 51 4 0l o0 0 6 01 3 3 1 10 0 6 51 3 01 20 0 7 01 2 5 1 30 0 7 51 2 01 40 0 8 01 2 0 1 50 0 8 51 1 51 60 0 9 01 1 0 1 70 0 9 51 1 01 80 1 0 01 0 0 图1 5 排气间隙一成本关系图 f i g 1 - 5r e l a t i o nb e t w e e n e n dc l e a r a n c ea n dc o s t 从上图的曲线可以看出两者呈指数函数的关系。通过计算可得回归方程为： 0 0 2 8 6 c ：8 2 7 0 e 丁( 1 2 0 ) 式中的c 为制造成本，单位为元；6 为排气间隙，单位为毫米。 1 2 3 优化计算 从上面的理论计算可以看出阴转子排气间隙占，阴阳转子排气间隙值之差d 都和压缩机尾端的泄露量q 、压缩机的制造成本c 密切相关。本节将在第1 2 1 和1 2 2 节中理论推算的结果上，建立起目标函数、设计变量和约束条件来进行优化计算。 1 目标函数 目标函数是评价不同设计方案的准则，使目标函数最小的设计方案相对应的设 计变量即为最优变量值。通常选用压缩机运行寿命、运行费用、噪声指标、制造成 本等中的一个或多个的组合体，作为优化设计的目标函数。此处从本课题所研究的 内容出发，选用与压缩机实际排气量紧密相关的排气间隙泄漏量和制造成本的组合 第1 2 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章非等值排气间隙的优化计算 作为优化目标函数。定义目标函数为： f = q c 式中q 为压缩机排气间隙泄漏量，c 为制造成本。 ( 1 2 1 ) 2 设计变量 设计变量是设计过程中需选择并最终确定的独立参数。本文需要选择并确定的 变量就是互不相等的阴、阳转子排气间隙，所以选用阴排气间隙j 以及阴、阳排气 间隙之差占作为优化设计变量。用向量表示为： x = p ，占】7 r l 一2 2 ) 3 约束条件 约束条件指优化过程中设计变量必须满足的条件，由一组等式或不等式的函数 关系构成，其对系统优化的有效性和实用性有很大影响。本文的设计变量及目标函 数分别满足如下约束： ( 1 ) 间隙值约束 考虑到配合间隙对泄漏和摩擦功耗的影响，以及机器对容积效率和轴功率的要 求，间隙占取约束条件： 1 1 0 。m 6 1 0 x1 0 。2 m ( 1 2 3 ) 1 1 0 2m a 6 1 0 1 0 2 m ( 1 - 2 , 4 ) ( 2 ) 制造成本约束 制造成本约束属于隐式约束。受产品的经济性要求限制，成本必须小于某一值 c n 。本文根据国内螺杆压缩机的市场销售价格的实际情况，以及b l g 型制冷螺杆 压缩机的毛利空间，设c o = 6 万元。则有： c 6 r 1 2 5 ) 4 优化程序结构 图1 - 6 为螺杆压缩机配合间隙优化设计程序的结构框图。该优化程序采用模块 化设计，主要有主程序、接口程序两块组成。 主程序选用o p b 一2 优化程序库中的二序列二次规划法。其基本思想是根据约束 来构造新的目标函数，然后将约束非线性规划转化成一系列无约束非线性规划问 题。对于违反约束的迭代点利用罚因子原理，赋予很大的目标函数值来逐步迫使搜 索点满足约束条件 2 l 】【2 ”。选用o p b 一2 优化程序软件后，避免了繁重的编程工作，获 得更多的宝贵时间用于对理论计算结果的试验分析上。 接口程序用来输入本章建立起来的优化数学模型，由笔者采用c 语言编写。 第1 3 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一章非等值排气间隙的优化计算 图1 - 6 优化计算程序框图 f i g 1 6f l o w c h a n o f o p t i m i z a t i o n 5 优化计算的结果 通过计算机的计算，得到以下结果： 阴排气间隙占= o 0 4 3 m m 阴阳排气间隙之差a 6 o 0 2 6 m m 考虑到压缩机装配中，机械零件互换性的要求，给予排气间隙一定的变动范围。 则： 阴转子排气间隙为o 0 3 0 0 0 5 5 m m ： 阳转子排气间隙为0 0 5 5 0 0 8 0 m m 。 第1 4 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一二章总体方案 第二章总体方案 根据上一章的理论计算结果，本章以上海某空调设备公司的b l g 型螺杆制冷压 缩机为间隙设置的研究对象。结合该型压缩机的工艺特点，制定了间隙设置机的总 体设计方案。 2 1 总体方案选择 机械设备设计方案的构思方法多种多样，目前较为流行的方法有自由讨论法、 哥顿法、检核表法、输入输出法、方案组合法、缺点列举法和仿生学法等。设备的 预期功能不同就会有各种不同的方案，即便是实现同一种功能也会有各种不同的结 构方案、材料方案和工艺方案。因此方案创造中可以组合成数种变化o 。为此，本 文参照方案组合法，首先确定设置机的预期功能，根据排气座组件的特点，设计出 多种可行方案，最后参照技术先进、经济合理、社会满意的原则选择最佳方案。 1 设置机应有的功能 一台具有国际先进水平的螺杆压缩机排气间隙设置装置，其具有的功能、检测 精度必须达到或超过美国开利公司现有同类设备的水平。所以本文研制的设置机应 实现以下功能： ( 1 ) 自动测量间隙，并显示实测值； ( 2 ) 自动判别间隙值是否合格，并显示判断结果； ( 3 ) 若间隙值不合格，则通过内置p l c 的计算，显示出调整到合格间隙所需加入 的垫片数量和厚度； ( 4 ) 测量误差不得超过0 0 0 5 n 1 i n ，即间隙允许变动范围的五分之一； ( 5 ) 整个设置、测量节拍为8 分钟台。 ( 6 ) 间隙设置工序的可靠性，即工序能力应达到美国开利公司同类产品的要求：p c r ( p r o c e s sc a p a b i t yr a t i o 工序能力比) 0 7 。 2 工件情况 b l g 螺杆制冷压缩机的排气座部件由表2 1 所列的零件组成。 从表中可以看出整个排气座组件共有1 4 个零件组成，但其总重量只有3 7 公斤， 其特殊性决定了设置机应该是一台轻型的专用设备。 第1 5 页 上海交通大学1 = 程硕士学位论文第= 章总体方案 表2 1 排气座部件零件清单 序号零件名称数量重量( k g )装配次序 1 排气座 l2 1 1 8l 2 阴螺杆转子 l5 2 82 3 阴厚垫片 10 0 23 4阴薄垫片 2 忽略不计4 5圆锥滚子轴承 1o 35 6阴转子压板1o 0 86 7螺栓l0 0 27 8阳螺杆转子11 0 0 38 9阳厚垫片10 0 39 1 0 阳薄垫片 2忽略不计l o 1 1圆锥滚子轴承l0 5l l 1 2阳转子压板 1o 11 2 总计 1 43 7 5 4 3 设置机方案的对比与选择 专用设备的配置形式一般可分为单工位式、多工位式二种。其中每种又根据可 处理工件的种类分为单品种式、多品种式；根据处理零件工序的多寡分为单工序式、 多工序式或根据工作台位的运动形式分为固定式、移动式和回转式等多种形式。单 工位、单品种、固定式台位的配置方案适用于工序少且集中、自动化程度要求不高、 体积大的重型工件。多工位、多品种、移动或回转式台位的配置方案适用于工序多 且分散、自动化程度要求高、体积小、重量轻的多种或成组工件【2 4 】。 本文研制的压缩机专用排气间隙设置机是针对b l g 压缩机的排气座组件设计 的。虽然处理单一品种的工件，但需完成设置和测量二个工序，而且仅有一名操作 人员。所以采用单品种的工作台，且工作台能在设置和测量二个不同的工位通过自 动来回移动来逐次完成各自的工序。其中测量工序由设置机在测量工位自动完成， 设置工位设定为工作台位。这样，避免工人在二个不同的工位频繁走动，节约了工 时，并使一个人控制整个装置成为可能。 综上所述，设置机将采用双工位、多工序、移动式工作台的配置方案。 2 2 设置机的组成 图2 1 为间隙设置机的基本组成图。设置机是由机械、检测和控制系统三大部 分组成一台移动式双工位轻型设备。为保证间隙测量的准确性和可靠性，这三部分 将各有侧重，本文的第三、四和五章将分别重点介绍。 第1 6 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章总体方案 1 机械部分 机械部分应重点保证其结构的稳定性。由于阴、阳螺杆转子对与排气座的设计 间隙分别为0 0 3 0 0 0 5 5 m m ，0 0 5 5 0 0 8 0 r a m 。其变动范围仅有0 0 2 5 r a m 。机器测量 时，若设计不当，执行机构的运动将引起设置机工作台面0 o l n n 以上的弹性变形， 严重干扰了测量的精度。所以，机械部分应保证机械机构自身的变形所造成的测量 误差不超过0 0 0 5 n u n ，即间隙设计范围的五分之一。 2 检测部分 检测部分是实现间隙测量的核心部分，必须保证测量的精度及其可靠性。为达 到此目的，选用合适的仪器设备及设计合理的检测方法是关键。考虑到设置装置将 放置在工厂的车间环境中使用，检测设备还必须能不受机械振动、电磁场、热辐射 和粉尘等多种不利因素的干扰，同时兼顾到价格合理，使用简单和维修方便。 3 控制部分 控制部分不但实现对机构运动的自动控制，而且能对测量结果进行计算和判 断。若测量结果被判为不合格，p l c 还应通过人机界面显示出重新设置间隙所需的 垫片规格和数量，直至合格为止。 l j 图2 - 1 设置机的基本组成 f i g 2 1c o m p o s i t i o n o f t h e s e t t i n gm a c h i n e 第1 7 页 上海交通大学丁程硕士学位论文第三章设置机的机械系统 第三章设置机的机械系统 为满足b l g 型螺杆制冷压缩机排气间隙测量、设鼍的工艺要求，设置机的机械 系统设计运用了当代各种先进的技术成果，力求技术上尽可能完善，制造上方便、 经济。 3 1 机械系统的功能 间隙设置机的机械系统的功能首先是必须满足压缩机排气间隙测量和设置的工 艺要求，尤其是避免机械机构自身的变形对测量精度的影响。其次是保证设置机操 作的可靠性和安全性，同时兼顾机器的可维修性、轻便性、制造成本和外观等。 由螺杆压缩机排气间隙的设置工艺可知，获得排气间隙值的最佳方法是测量 阴、阳螺杆转子在排气座中的可移动量，参见图3 1 。所以机械系统要实现的主要 功能就是迫使螺杆转子在排气座内上下运动，利用位移传感器来测量运动的距离， 从而获得间隙值。 图3 - 10 6 n 螺杆压缩机排气间隙示意图 f i g 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a m o f 0 6 ns c r e wc o m p r e s s o re n dc l e a r a n c e 第1 8 页 上海交通大学工程硕上学位论文第三章设置机的机械系统 1 具体功能和工作过程 为实现排气间隙的测量和设置，机械系统应按序完成检测、设置工艺所需的整 个工作过程。所以需具备完成该过程的各项功能，具体如下： ( 1 ) 按照排气座组件的装配工艺，将压缩机的阴、阳转子、标准垫片、转子压板 和排气座，及其它小件按序在设置机的设置工位上装配成排气座组件。 ( 2 ) 将排气座组件送入设置机的测量工位中。 ( 3 ) 下压机构分别对阴阳转子的上端面施加一定的向下压力，使转子带动转子压 板下移并紧压圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承。 ( 4 ) 为保证测量的准确，回转机构消除轴承游隙，确保此时转子处于最下位。 ( 5 ) 上托机构分别对阴阳转子的下端面施加一定的向上推力，使转子上移，直至 螺杆部分的上端面顶住排气座的下端面。此时转子处于最上位。 ( 6 ) 由于上述机构的作用，迫使阴、阳转子分别在排气座中做了上下二个运动， 同时阴、阳转子带动l v d t 探头机构做同样的上下运动，检测出阴、阳转子的 最下位和最上位，计算出窜动量，即排气端间隙6 。 ( 7 ) 将排气座组件送出测量机构。若合格则将结束；若不合格则根据控制系统的 提示数据调整间隙，进行第二次测量，直至合格为止。 2 机械系统的辅助功能 作为一台生产设备，机械系统还应考虑到操作上的可靠性和安全性，同时兼顾 维修性、轻便性、制造成本和外观等，具体如下： ( 1 ) 结构紧凑，机构运动简洁，实现一个测量循环的节拍为8 分钟台。 ( 2 ) 机械结构稳定，变形少，振动小，确保最终的测量误差不超过0 0 0 5 m m ，即间 隙允许变动范围的五分之一。 ( 3 ) 配备安全保护装置，确保操作人员的安全性。 ( 4 ) 考虑到该设置机将安装于恒温恒湿的空调车间中使用，整个机械系统应保持 低噪音，低发热。 ( 5 ) 具备良好的维修性、制造成本低和美观的外形。 3 2 机械系统的组成及其组成部分的功能 针对3 1 节中提出的功能要求，本节确定了机械系统的组成及各个组成部分应 实现的功能。 常用的机械系统主要由动力机、传动装置和工作机三部分组成”5 i 。在本课题中， 动力机是设置机的动力驱动部分，传动装置把动力机产生的机械能传送到工作机的 执行机构，而工作机则是指实现间隙测量和设置功能的机械机构主体。 第1 9 页 卜海交通大学工程硕士学位论文 第三章设置机的机械系统 3 2 1 动力机 常用的机器动力机有电动机、气压马达( 气缸) 和液压马达( 液压缸) 三种形 式。 电动机相对气缸和液压缸而言，输出刚度硬，需要过载保护，但调速方便、精 确。液压缸相对气缸而言，输出刚度较硬，运转费用高，维修工作量大。而气缸费 用低，结构轻便，输出刚度软，速度快，所以本文选用气缸作为快速移动机构的动 力源。这样机构运动快捷，使一个测量循环的节拍控制在8 分钟台以内得以实现。 同时，由于气缸输出推力刚度软，不易损坏精密的螺杆转子及其他零件。 在测量间隙的过程中，由于轴承存在游隙，干扰了测量精度。为了消除轴承游 隙，系统中设计了一个回转机构。在下压机构对螺杆转子旌加向下压力时，回转机 构选用了一个调速电机作为动力源带动螺杆转子，以恰当的速度旋转，使圆锥滚子 轴承的滚子和内外圈在运动中紧密贴合，消除其中的游隙。这样，在测量过程中， 轴承游隙就不会记入作为间隙值的螺杆窜动量，从而保证了测量的精度。 综上所述，机械系统将使用三个气缸和一个调速电机作为动力机，参见表3 一l 。 表3 1 设置机的动力机 序号动力机运动机构 运动形式 l气缸 阴阳转子上托机构将阴阳转子上顶，直至紧靠排气座 2 气缸阴阳转子下压机构将阴阳转子下压，压紧圆锥滚子轴承 3 气缸工作台推入、送出机构通过推入、送出工作台，带动排气座组件在 设置和测量二个工位的切换。 4调速电机阴阳转子旋转机构 带动轴承旋转，以便压紧游隙。 1 气缸及气动系统 从表3 1 可知，间隙设置机中共有三个气缸分别用做三个机械机构的动力源。 根据3 ，l 节中所述的间隙设置过程，设计了气动原理图，如图3 2 所示。 ( 1 ) 下压气缸 由于气缸的运动速度快，通常为t m s t 2 “。为减少气缸的作用力在被测工件上产 生的冲击和振动，保证测量的精度，图3 - 2 中的下压气缸选用了m d b b 8 0 7 5 一a 5 4 l 单作用缓冲气缸。该气缸的端部装有缓冲装置，当活塞移动到行程末端，被活塞封 入缓冲腔内的空