（机械设计及理论专业论文）平动活塞式空气压缩机的理论和仿真分析.pdf

平动活塞式空气压缩机的理论和仿真分析 摘要 小型空气压缩机是人们生产生活中经常用到的工具之一，而旋转式的空 气压缩机因其具有体积小、重量轻以及动平衡性能优越等优点在小型空压 机领域得到广泛应用。但是，传统旋转式空压机长期存在摩擦磨损严重和 泄漏大的弊端，归根到底，产生的主要原因在于运动副之间的较大相对速 度和接触力。 论文介绍的平动活塞式空气压缩机，其思路是将涡旋压缩机的平动思想 借用到传统滚动活塞式压缩机中，使压缩机的活塞从旋转运动变成平动运 动，由此改变了传统滚动活塞式压缩机的工作方式。这样不仅大幅度降低 了滑片与气缸之间、活塞与气缸之间的相对运动速度，而且减小了滑片同 活塞之间的接触力，以及缩短了滑片相对于气缸的滑移路程。此外，新型 平动活塞式空气压缩机还改变了传统滚动活塞式压缩机中滑片的形状，将 滑片与活塞之间的线接触变成密封效果更好的面接触，达到了降低泄漏的 目的。 论文的主要工作可以归纳为以下几个方面： 1 ) 给出了新型平动活塞式空气压缩机的设计要点，并讨论了平动装置 的设计选择；推导出工作的任意时刻压缩机吸气腔、排气腔的工作容积和 压缩腔气体的压力变化，并建立了滑片和活塞的运动学模型，从理论上得 到了滑片与活塞的运动学参数； 2 ) 借助a d a m s 软件对平动活塞式空气压缩机进行了运动学和动力学 分析，从滑片和活塞接触力的方面，比较了平动活塞式空气压缩机的优越 性，证实了其存在优势的原因； 3 ) 利用a n s y s 软件对整个平动活塞式空气压缩机模型进行结构静力 学分析，获得压缩机零部件的应力云图，为压缩机的设计改进提供指导； 最后通过试验比较证明了平动活塞式空压机在工作原理上确实可行，且在 性能上具有优越性。 关键词：空气压缩机平动活塞l 型滑片仿真设计 t h e o r y a n ds i m u l a t i o na n a l y s i s0 nt h e t r a n s l a t i o n a lp i s t o n a i rc o m p r e s s o r a b s t r a c t s m a l la i rc o m p r e s s o ri so n eo ft h em o s tc o m m o nt o o l si np e o p l e 8 p r o d u c t i o na n dl i f e ，a n dr o t a r yc o m p r e s s o r so c c u p ya ni m p o r t a n ts h a r e i n p r o d u c t i o nf i e l do fs m a l la i rc o m p r e s s o r so w i n gt o i t sa d v a n t a g e so fs m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n ds u p e d o rd y n a m i cb a l a n c e h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a l r o t a r yc o m p r e s s o rh a sl o n g s t a n d i n gd r a w b a c k s o fs e r i o u s l yf r i c t i o n ，w e a ra n d l e a k i nt h ef i n a la n a l y s i s ，t h em a i nr e a s o nl i e si ng r e a t e rr e l a t i v es p e e da n d c o n t a c ti nt h ek i n e m a t i cp a i r t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wa i rc o m p r e s s o rw h i c hh a sap a r a l l e l m o v i n g p i s t o n t h e t r a n s l a t i o n a ls t r u c t u r eo fs c r o l lc o m p r e s s o ri sa p p l i e dt ot h e t r a d i t i o n a lr o t a r yc o m p r e s s o r , s ot h ep i s t o n sr o t a t i o nm o v e m e n ti st r a n s f o r m e d i n t op a r a l l e lt r a n s l a t i o n a lm o t i o n ，a n dt h ew o r k i n gm e t h o do ft r a d i t i o n a lr o t a r y c o m p r e s s o ri sc o n v e r t e d t h ea d v a n t a g e so f t r a n s l a t i o n a lp i s t o nc o m p r e s s o ra r e m o r eo b v i o u s l y , s u c ha st h es p e e do fr e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e nt h ev a n ea n d c y l i n d e r , p i s t o na n dc y l i n d e ra r er e d u c e d ；t h ec o n t a c tf o r c eb e t w e e nv a n ea n d p i s t o ni sl o w e r e d ；t h es l i d i n g d i s t a n c eo fv a n er e l a t i v et oc y l i n d e ri ss u b s t a n t i a l l y r e d u c e d i na d d i t i o n ，t h ev a n e ss h a p eo ft h et r a d i t i o n a lr o t a r yc o m p r e s s o rh a s b e e nc h a n g e di nn e wt y p et r a n s i t i o n a lp i s t o nc o m p r e s s o r t h eo r i g i n a l l i n e c o n t a c ti sa l t e r e dt os u r f a c ec o n t a c tw h i c hs e a l sb e r e ra n dr e a c h e st h ep u r p o s e o f r e d u c i n gt h ef r i c t i o n t h ec h i e f p o i n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h em a i nd e s i g n i n gp o i n t so ft h en e wt y p et r a n s l a t i o n a lp i s t o n a i r c o m p r e s s o ra r es h o w n ，a n dd e s i g n o ft h ep a r a l l e ld e v i c ei sd i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ed e s i g np a r a m e t e r s ，c y l i n d e rv o l u m ei sc a l c u l a t e d ，s u c t i o nc a v i t ya n d t h d i s c h a r g ec a v i t yv o l u m ea n dg a sp r e s s u r eo fc o m p r e s s i o n c h a m b e ri sd e d u c e da t a n yt i m e k i n e m a t i c sm o d e lo ft h ev a n ea n dp i s t o ni se s t a b l i s h e d ，a n dt h e i r k i n e m a t i c sp a r a m e t e r sa r eg o t t e nt h e o r e t i c a l l y 2 ) t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a n l y s i so ft h en e wt y p et r a n s l a t i o n a l p i s t o na i rc o m p r e s s o ra r ef i n i s h e dw i t ht h ea i do fa d a m s t h r o u g hc o m p a r i n g c o n t a c tf o r c eb e t w e e nv a n ea n dp i s t o n ，s u p e r i o r i t yo ft h en e wt r a n s l a t i o n a l p i s t o na i rc o m p r e s s o r i sc o n f i r m e d ； 3 ) t h es t r u c t u r es t a t i c sa n a l y s i so fa i rc o m p r e s s o rm o d e li sf i n i s h e db y u s i n ga n s y s ，t h es t r e s sn e p h o g r a mo fc o m p o n e n t sa n dp a r t sa r eg o t t e n ，a n d g u i d a n c ei sp r o v i d e df o rt r i a l p r o d u c eo ft h en e wt y p et r a n s l a t i o n a lp i s t o na i r c o m p r e s s o r f i n a l l y , f e a s i b i l i t yo ft h en e wt y p e t r a n s l a t i o n a l p i s t o n a i r c o m p r e s s o ri sp r o v e di nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eb ye x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n ，a n d i t sm o r e s u p e r i o ri np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a i rc o m p r e s s o r ；t r a n s l a t i o n a lp i s t o n ；l - v a n e ；s i m u l a t i o nd e s i g n 符号说明 v i i i 广西大掌硕士掌位论文 平动活塞式空气压缩机的理论和仿真分析 1 1 研究背景与发展历程 1 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 8 年3 月，欧盟对中国小型空压机作出反倾销裁决，中国企业以一票之差惜败， 致使此后数年之内，中国生产的传统小型空压机进入欧洲市场都要被加征7 7 6 的高额 进口关税。顷刻之间，国内相关企业在欧洲的市场份额纷纷大幅缩水，生产举步维艰。 如何杀出重围，重夺欧洲市场，自然而然成为了我国空压机制造商必须回答的一道难题。 论文正是在此背景下提出，通过自主创新，依靠技术进步全面提升我国小型空压机 的市场竞争力，藉此打破西方国家的反倾销壁垒。论文研究的这种新型高效旋转式小型 空气压缩机，采用与众不同的平动转子结构，具有完全自主知识产权。与传统往复式空 压机相比，本项目空压机具有体积小、重量轻、效率高、结构简单和加工容易等优点， 特别是它不存在往复惯性力，因此振动小噪声低，是一款极具市场竞争力的新产品。 1 1 2 研究意义 小型空压机虽然小，但其应用的范围却极为广泛，在欧美，空压机是家庭工具房中 必备的工具之一。1 9 9 8 年以前，我国小型空压机的消费几乎全部依赖进口，其中小型空 气压缩机每年的进口额约为3 亿美元。然而事在人为，在众多民营企业的不懈拼搏下， 中国的空压机生产开始扭转形势，在短短的十年时间内，我国的小型空压机产品就已经 占据了欧盟市场半壁以上的江山，成为了事实上的世界小型空压机生产大国，由此创造 了一个奇迹。但是，必须指出的是，我国小型空压机生产技术始终是借鉴国外空压机技 术，并未走出自主创新的道路，并且小型空压机的核心技术至今仍然掌握在西方发达国 家的手里，换言之我国还不是真正意义上的世界空压机强国。 要走出来自于外部干涉以及自身不足产生的瓶颈期，就必须认真反思并检讨我国小 型空压机企业走过的发展历程。我国小型空压机制造业起步于1 9 9 6 年前后，经营上从 小作坊起家，采用低成本快速滚动扩张之策略，技术上则完全仿照意大利等先进国家的 产品，由于长期没有自己的核心技术，致使产品附加值不高，因此只能走低价竞争的路 1 平动活塞式空气医缩和“垮理美啊口仿真分析 子，结果产品从1 9 9 8 年的每台1 4 0 0 元一直下杀到现在的每台5 0 0 元左右，竞争非常惨 烈，最终导致欧盟的反倾销诉讼【1 1 。显然，要想走出小型空压机产品日益低端化的不利 局面，其不二法门就是走技术内涵发展的道路，只有这样，我国的小型空压机企业才能 既大又强，才能在未来的市场竞争中立于不败之地。 毋庸置疑，若能在小型空压机上取得技术突破，必将惠及我国的空压机企业，并由 此带动和加强各企业的新产品创新能力，提升其市场竞争力，这一点对于确保我国小型 空压机制造业在世界上的龙头地位无疑具有特殊的意义。 1 2 国内外典型空压机介绍 小型空压机的机型按其工作原理可以分为往复式压缩机和旋转式压缩机两大类【1 1 。 往复式空压机工艺成熟，生产历史悠久，是目前小型空压机的主流机型，但其体积较大， 尤其是它存在难以克服的往复惯性力，因此振动大噪声高；旋转式空压机作为小型空压 机主要类型有涡旋式压缩机、滑片式压缩机和摆动转子式压缩机等等，这些压缩机的共 同优点是体积小、重量轻和动平衡性能好，缺点是零部件的制造精度高、装配要求严以 及存在一定的内部泄漏损失 2 - 5 1 。 与传统往复式空压机相比，旋转式机型在体积、重量和动平衡方面具有原理上的先 天优势，因此国内外空压机制造商纷纷不遗余力地投入巨资进行研发，随着新技术、新 工艺和新材料的不断采用，旋转式压缩机有了长足的进步，技术日臻完善，发展至今已 完全可以与传统往复式压缩机相抗衡，并有后来居上之势【i 】 国内外典型的旋转式空压机模型有如下几种： 涡旋式空气压缩机源自法国工程师1 9 0 5 年提出并申请的发明专利【5 1 ，但产品的开发 和商业应用一直没有取得进展，直到2 0 世纪7 0 年代，随着高精度数控铣床的出现，涡 旋空压机的发展才走出瓶颈，并于2 0 世纪八十年代初开始在空调领域实现工业化批量 生产，如图1 1 、图1 2 所示。而作为空压机，它的排量远大于空调用压缩机，由此导 致压缩机本身的压缩热大量堆积，冷却十分困难，另外由于存在制造精度高、废品率大 等缺陷，生产成本一直居高不下，从而制约其大量推广应用1 6 - - 9 1 。 2 广西大掌硕士掌位论文 平动活塞式空4 【r 压缩机的理论和仿鼻分析 图1 - 1 涡盘加工专机图1 2 涡盘实物照片 f i g 1 1t h ep r o d u c em a c h i n eo f s c r o l l f i g 1 2t h er e a lp h o t oo fs c r o l l 从原理上讲，涡旋机构可能是目前小型空压机最理想的机头，但如前所述涡旋空压 机的生产技术仍不完善，发展相对缓慢，国外有瑞典的a t l a s ，日本的1 w a t a 、h i t a c h i 、 m i t s u is e i k i 等几家公司投入生产【1 0 , 1 1 】。国内的研究也只有十几年的历史，先后有西安交 通大学、甘肃工业大学、合肥通用机械研究所及一些其他院、所和工厂对涡旋技术进行 了有规模的研究开发，虽然研制出涡旋式空气压缩机不同型号的样机，但时至今日仍未 能实现大批量生产，且有竞争力的厂家不多，广东美的集团旗下的正力公司目前开始成 批量生产小型涡旋式空气压缩机1 1 2 】。 滑片式空压机的研究和使用，可以追溯到1 5 8 8 年拉迈尔利( r a m e l l i ) 首次提出并 付诸使用的多基元滑片装置【2 】，而作为空气压缩机，滑片式压缩机早有生产，如著名的 意大利玛泰“m a t t e i ”压缩机有限公司远在7 5 年前就开始批量制造滑片式空压机，如图 1 3 。在困内，滑片空压机也有许多厂家在生产和销售。 转子 叶片 气口 图1 3 滑片式空压机的结构及工作原理示意图 f i g 1 3t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo ft h es l i d i n gv a n ec o m p r e s s o r 滑片式空压机的最显著的优点是结构简单、体积小、振动低，但由于滑片紧贴气缸 壁高速滑行，因此存在严重的摩擦功耗和机件磨损。资料显示，滑片外端部的摩擦损失 3 广西大掌硕士学位论文 平动活，i 式空气压缩机的理论和仿j 分析 最大，约占整机摩擦总损失的8 7 ：另外，滑片侧端与端盖之间通常留有l o - - 3 0 9 m 的 配合间隙，由此导致一定的内部泄漏损失【1 3 】。虽然科技工作者针对上述问题做了大量的 研究，但迄今鲜有突破性进展的报道。 为克服传统滑片空压机的上述弊端，先后出现过多种改进方案，如西安交大屈宗长 教授提出的同步回转压缩机( 如图1 4 ) 【1 4 16 1 、以及李辛沫教授研究过的平动转子式压 缩机【】7 1 ( 如图1 5 ) 等均属于这方面的努力，其主要着眼点为设法降低滑片与气缸孔壁 之间的相对运动速度、或降低它们之间的接触力，但是因为各种原因存在，这些改进机 型尚未付诸生产。 图1 - 4 同步回转式压缩机图1 - 5 平动转子式压缩机 f i g 1 - 4t h es y n c h r o n a lr o t a r yc o m p r e s s o rf i g 1 5t h et r a n s l a t i o n a lr o t o rc o m p r e s s o r 日本大金( d a i k ) 公司经过长达十年的研发，终于在2 0 0 8 年推出用于家用空调 的摆动转子式压缩机( 如图1 6 ) ，它将传统滚动活塞式压缩机的活塞与叶片设计为一 个整体，借此消除叶片与滚动活塞之间的摩擦与泄漏【1 8 啦】，这种机型已经在空调压缩机 上批量实现，但在空压机上尚未见实施。摆动转子式压缩机的变型有多种形式，国内小 型空压机巨头“浙江鑫磊机电股份有限公司”为了打破欧盟的反倾销，聘请国内研究者研 发出具有完全自主知识产权的“摆动活塞旋转式空压机”【2 3 i ，如图1 7 所示，并已成功小 批量生产，该机的最大创新点是叶片的外端采用铰接方式与气缸进行连接并摆动配合。 据报道，与引起反倾销诉讼的传统型活塞式空压机相比较，摆动活塞旋转式空压机的体 积缩小了2 0 左右，而且使用寿命得到大幅度提高。 4 广西大掌硕士掌位论文 平动活塞式空气压缩机的理论和仿真：铲析 动活塞 图1 6 日本犬金摆动转子式压缩机图1 7 浙江鑫磊摆动活塞旋转式空压机 f i g i - 6t h es w i n g i n gr o t o rc o m p r e s s o rf i g 1 - 7t h es w i n g i n gp i s i o nr o t a r yc o m p r e s s o r f r o md a i k i nf r o mz h e j i a n gx i n l e ic o m p r e s s o rc o m p a n y 2 0 0 5 年，五邑大学李辛沫教授和广西大学耿葵花副教授等人提出了一种紧固叶片旋 转式压缩机( 如图1 8 ) 【2 “2 6 】，相较于传统滑片式压缩机，此类压缩机的优点在于解决 了叶片外端处同气缸内表面的滑动摩擦和磨损，以及很可能产生的内部泄漏，并且在转 柱的约束下，大大降低了转子的运转速度，使得压缩机工作更加平稳。 图1 - 8 紧固叶片旋转式压缩机 f i g 1 - 8t h ee m b e d d e dv a n er o t a r yc o m p r e s s o r 2 0 0 7 年李辛沫等又提出了一种平动环旋转压缩机【2 7 2 8 1 ( 如图1 9 ) ，其特征在于设置 有一个定子和一个做平动运动的平动环，平动环依靠弹簧力在气缸中做平面运动，所以 平动环与端盖的相对运动速度小，使得它们之间的摩擦和磨损降低，通过采用改善摩擦 与磨损的作用来提高压缩机的使用寿命和机械效率。 5 平动活j i 式空a 【h 医缩机的理论和仿真分析 图1 - 9 平动环旋转压缩机 f i g 1 - 9t h et r a n s l a t i o n a lr i n gr o t a r yc o m p r e s s o r 广西大学潘树林博士研究过一种铰接叶片式旋转压缩机例，如图1 1 0 所示，通过 对传统的滚动转子式压缩机的弹簧滑片结构做改进，去除弹簧，将直线滑片变为弧形滑 片，设置旋转气缸及铰接叶片，使得滑片与滚动活塞、滑片与滑槽之间的滑动摩擦变为 叶片铰接头与铰接支座以及气缸内表面铰接槽的旋转摩擦，有效减少了叶片外端与气 缸、叶片内端与滚动活塞处的摩擦和泄漏损失。 图l - 1 0 铰接叶片式旋转压缩机 f i g 1 - 1 0t h eh i n g e d v a l a er o t a r yc o m p r e s s o r m e l i ho k u r , i b r a h i ms i n a na k m a n d o r 也提出一种铰接叶片式旋转压缩机 3 0 】( 如图 1 1 1 ) ，该机的叶片与活塞铰接，活塞依然由偏心轴带动运转。这种改进的叶片有效的 降低了叶片往复运动可能产生的撞击，噪声等缺点，并能有效减少叶片与活塞的泄漏和 摩擦从而减少了工作时能量和压力的损失， 6 平动活i 式空4 【目e 缩机的理说，p 仿鼻分析 图l - l l 铰接叶片式旋转压缩机 f i g 1 - 11t h eh i n g e dv a n er o t a r yc o m p r e s s o r 西安交通大学屈宗长教授和新加坡南洋理工大学的yl t e h ，k t o o i 博士也提出了 类似的铰接叶片式旋转压缩机【3 1 3 3 1 ( 如图1 1 2 ) ，与m e l i ho k u r 提出的铰接叶片有所不 同，它的叶片铰接在一个同步回转的旋转气缸上，认为在这种压缩机中滑片不仅起到了 分隔工作腔的作用，而且还起到了传递功率带动气缸做同步回转运动的作用，这样不仅 能通过降低相对运动速度来减少摩擦损耗，而且通过铰接结构可有效减少内部泄漏损 失。 图1 1 2 铰接叶片式旋转压缩机 f i g 1 - 12t h eh i n g e dv a n er o t a r yc o m p r e s s o r 从现有产品和文献上看，旋转式压缩机的优势是明显的，但必须解决好以下问题才 具竞争力：必须降低零部件的加工精度和装配难度，以降低生产成本：必须有效减 少关键运动副的摩擦与磨损，以提高机械效率和使用寿命；必须尽量消除运动副的内 7 平动活，i 式空气压缩机的理论和仿，矿析 部泄漏间隙及路径，以提高空压机的容积效率。纵观目前的措施，能同时突破上述三个 方面的机型尚未发现，因此很有必要对空压机的现有技术及结构作进一步的研究与探 索。 1 3 本课题的研究内容 通过文献分析与总结，发现传统滚动活塞式压缩机在结构上依然存在以下不足之处 仍是国内外学者们研究和讨论的重点和难点，主要表现在：转子偏心设置，运转时离心 力大；各运动副之间相对运动速度高，产生的摩擦与磨损大；利用线接触密封或是配合 间隙来密封的方式，可能造成较大的内部泄漏损失。 论文提到的这种新型平动活塞式空压机，能够有效减少运动副之间的相对摩擦，降 低配合与接触造成的内部泄漏，避免高速运转时产生较大的离心力。现阶段新机型的研 究已初步设计出它的整个结构，本论文基于此类新型压缩机在结构上的创新，通过理论 和仿真分析来验证它的优越性。 论文的工作来源于广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题“节能型制冷压缩 机的研究”( 项目编号：桂科能0 7 1 0 9 0 0 80 0 4z ) ，主要工作包括： ( 1 ) 推导平动活塞式空气压缩机的工作容积计算公式，分析压缩机的工作过程， 并理论分析压缩机的热力学变化过程和主要运动部件的运动学规律； ( 2 ) 使用三维建模软件，创建新型平动活塞式空压机的三维模型，作为虚拟样机 环境下产品研究的基本模型。将三维模型导入到a d a m s 软件中，在其上加载运动约束 和动力学参数，并添加零部件的质量信息和几何信息，创建压缩机的虚拟样机，并对其 进行运动学和动力学分析。 ( 3 ) 在a n s y s 中创建平动活塞式空气压缩机整机模型，在压缩机所受最大载荷下， 对模型进行结构静力学分析。 1 4 本章小结 本章概述了压缩机的研究背景和发展历程，阐述了压缩机的发展趋势，介绍了几种 旋转压缩机的新形式，通过比较各种机型的优缺点，总结出目前空气压缩机依然存在的 弊端。并简单介绍了本论文的主要工作内容。 8 平动活塞式空气压缩机的理论和仿真分析 第二章平动活塞式空气压缩机的设计思想 2 1 引言 平动活塞式空气压缩机是在传统滚动活塞式压缩机的基础上进行改进而得到，改进 后的新型空气压缩机有其独特的结构特点和相应的工作原理。只有在掌握新机型的结构 特点的基础上，才能更好的了解新型压缩机的运动规律和工作原理。本章针对平动活塞 式空气压缩机的创新，介绍了压缩机的设计思想以及总体结构。并通过对各类平动机构 进行比较，分析十字滑环机构最适合新型空压机的原因，在此基础上对十字滑环的结构 和运动特性进行详细分析，以便于更清晰的了解平动活塞式空气压缩机的工作原理和工 作过程。 2 2 平动活塞式空气压缩机设计思想 由上一章的介绍可知，传统滚动活塞式压缩机的主要缺陷是存在有较大的摩擦损耗 和内部泄漏损失，其主要根源在于环绕叶片的配合副不仅是高速运动副并由此导致较大 的摩擦损耗，而且配合间隙成为工质从高压的压缩腔窜逸至低压的吸气腔的泄漏通道， 况且一些主要配合间隙还是线接触密封，如滚动活塞式压缩机叶片与活塞之间、旋叶式 压缩机叶片与气缸之间等等。 有鉴于此，论文从降低压缩机主要运动副相对运动速度和改良密封结构入手，通过 采用平动运转技术大幅度降低压缩机各主要运动副的速度和采用面接触运动副改善叶 片与活塞之间的接触密封。 2 3 平动活塞式空气压缩机总体结构 平动活塞式空压机，主要由转子、气缸、平动活塞、叶片、弹簧和端盖等零部件组 成，图2 - 1 给出了平动活塞式空压机的剖视图。其中气缸有一个圆孔型的内孔面，转子 偏置在气缸内，平动活塞与转子同轴设置并与转子转动配合，平动活塞的外表面与气缸 的内孔面相切，平动活塞的外表面上被切割出一个平切1 3 1 的滑动面，叶片呈l 形状与平 动活塞上的滑动面接触配合，气缸上开设有滑槽，叶片装配在滑槽内并与之滑动配合。 9 平磅活塞式空i l j 墨缩机的理嵌 j p 仿真分析 1 气缸2 弹簧3 l 型滑片4 转子5 十字滑环6 平动活塞 图2 - 1 平动活塞式空气压缩机剖视图 l - c y l i n d e r2 - s p r i n g3 - l v a n e3 - r o t a r y5 - c r o s ss l i p i n g6 - t r a n s l a t i o n a lp i s i o n f i g 2 - 1t h et r a n s l a t i o n a lp i s i o na i rc o m p r e s s o rc r o s s s e c t i o n a lv i e w 相比于传统滚动活塞式压缩机，平动活塞式空压机的最大特点在于采用平动机构来 实现活塞在气缸内部的平动运转，其优点在于平动机构的平动约束作用可承担平动活塞 在工作中所产生的惯性扭矩，从而改善了叶片与滑槽之间的受力状况，故能有效减少叶 片与气缸滑槽之间的磨损。另外，l 型设计的叶片与平动活塞的切割面滑动配合，有效 增强了叶片与活塞接触处的密封性，减少了内部泄漏的产生，从而提高了容积效率。 2 4 平动机构分析 平动活塞式空压机的平动原理主要是来自于涡旋压缩机的动涡旋平动和平动转子 压缩机的思想，将它们借用到传统滚动活塞压缩机上，令压缩机的偏心旋转的活塞运动 变为平动运转的运动，一方面使得活塞的平面圆周运转半径减小，各运动副之间的相对 运动速度降低，另一方面保留了传统滚动活塞式压缩机的结构优点，因此是很值得研究 和探讨的。下面对平动活塞式空压机的平动机构进行分析研究。 2 g i 常用平动机构 压缩机中常用的平动机构主要有以下几种： ( 1 ) 柱销孔组合平动机构 1 0 广西大掌硕士掌位论文平动活塞式空气压缩机的理论和仿，1 分析 图2 2 所示为基于柱销孔的平动转子式压缩机的结构示意图，该设计中采用柱销 孔组合的平动装置来实现压缩机转子的平动【 s 1 7 1 。 轮鞠心继工i _ 。 图2 - 2 平动转子式压缩机 f i g 2 - 2t h et r a n s l a t i o n a lr o t o rc o m p r e s s o r 柱销- t l 平动机构的工作原理来源于平行四连杆机构【1 1 ，平动转子的运动如同四连 杆机构中的连杆，转子中心与气缸中心的偏心距离如同四连杆机构中驱动连杆运动的曲 柄，电机直接作用在同气缸同轴线的转轴上，相当于在四连杆机构的曲柄上添加旋转的 驱动力，这样来实现转子的平面运转。 柱销孔平动机构的结构特点在于结构比较紧凑，由于借助于平面四连杆机构的运动 原理，所以在极限位置可能出现运动不确定性，通常都采用两个柱销孔组合的方式。文 献 9 】中的平动转子式压缩机的最显著的优势正是因为采用了柱销孔组合平动机构，使 得运动副之间的相对运动速度减小，相对滑移量降低，这有利于降低压缩机的摩擦与磨 损，从而提高机构的机械效率和工作寿命。 ( 2 ) 十字滑环机构 如图2 3 所示，十字滑环包括一个圆环和两对垂直布置的矩形凸键川。在十字滑环 的限制下，转子不能在气缸中绕着自身的轴线转动，而只能是做平动运动。安装在其中 的十字滑环还可以通过自动调心功能来消除轴心偏移，而且结构十分简单，制造及装配 容易。 平动活塞式空l j 匪缩机的理论和仿真分析 图2 - 3 十字滑环平动装置 f i g 2 - 3c r o s ss l i p i n gt r a n s l a t i o n a ld e v i c e 在论文中即采用十字滑环平动装置来实现平动活塞式空压机的平面运动。 ( 3 ) 曲柄销防自转机构 曲柄销防自转机构广泛应用于无油润滑涡旋压缩机中【3 4 】，曲柄两端通过白润滑轴承 分别插入动涡盘和机架的销孔中，压缩机可直接靠自润滑轴承进行润滑，从而大大降低 了被压缩介质受油污染的几率。 图2 - 4 曲柄销防自转机构装配简图 f i g 2 - 4c r a n kp i na n t i - r o t a t i o nm e c h a n i s ma s s e m b l ys k e t c hd i a g r a m 曲柄销防自转机构也是利用平行四杆机构的工作特点，每个曲柄与机架和动涡旋的 相对运动组成一个四连杆机构。由于曲柄回转半径小，线速度低，所以相对而言，它不 容易磨损，并且不易引起振动和噪声，寿命比较长。这种机构同十字滑环防自转机构相 比，作用副由移动副变为转动副，降低了摩擦损失。而同柱销等半周受力的防自转机构 相比，变为整周受力，受力大小减小了一半。同时曲柄销防自转机构还具有结构简单， 体积小，易装配，转动灵活等优点而逐渐被广泛采用。 ( 4 ) 钢球环槽组合机构 钢球环槽组合机构主要由两块几何参数相同的孔板将钢球以一定中心距卡在两板 1 2 平动活塞式空气压缩机的理说啊p 仿真分析 之间而形成【。其最大特点是将自转机构中的滑动摩擦变滚动摩擦，减少机械损失，提 高机械效率，且只要位置允许，可无限制的增加数量。 4 w y v 其 决 f 7 、l 殳名镊 鬻渺 、 一二 图2 - 5 钢球一环槽组合机构原理图 f i g 2 - 5s t e e lb a l l r i n gs l o tc o m b i n a t i o nm e c h a n i s mp r i n c i p l ed i a g r a m 这种机构常见于汽车空调涡旋压缩机中，它具有轴向止推、切向防自转和径向限位 的三重功能，但是它的制造精度较高，导轨上的钢球孔径和钢球半径等主要尺寸都要求 精确保证，它们之间的配合既不能太大，也不能太小，若太小，容易引起机构转动不灵 活，甚至卡死；若太大，极易引起机构磨损。而且球形防自转机构的钢球磨损后不易修 复，所以选材要求高，加工困难【3 5 】。 2 4 2 十字滑环平动机构 为了适应课题中小型平动活塞式空气压缩机的工作原理，并达到不增大成本和增加 生产装配难度的目的，本课题采用十字滑环防自转机构来实现压缩机活塞的平面运动。 这种机构在涡旋压缩机中最早出现，结构和技术都比较成熟，所以将其借用到平动活塞 式空气压缩机的设计中。 在传统滚动活塞式压缩机中，活塞通过轴承直接与偏心转子相连接，在偏心转子的 旋转带动下，活塞在气缸中也开始旋转起来。而在平动活塞式空压机中，十字滑环结构 被安装在偏心转子与活塞之间，十字滑环的两对矩形凸键分别与活塞背面的凹槽和左端 盖的凹槽相配合( 如图2 - 6 ) ，在转轴、转子、十字滑环和气缸端盖的共同作用下来实现 活塞的平面运转。 广西大学硕士掌位论文平动活囊b 式空气压缩机的理论和仿，0 分析 图2 - 6 平动活塞式至气压缩机的装配k 问a - 图 f i g 2 - 6t h et r a n s l a t i o n a lp i s i o na i rc o m p r e s s o ra s s e m b l ys k e t c hd i a g r a m 十字滑环的运动规律决定着平动活塞式空气压缩机中平动活塞的运动，将平动活塞 上的滑槽方向和端盖上滑槽的方向分别设为x 和y ，工作时，开设在端盖上的滑槽是静 止的，转子上的滑槽随着转子在气缸中是不断运动的。随着转轴驱动活塞运动，十字滑 环在活塞的作用下，在y 方向上沿着端盖键槽做往复运动，而活塞在x 方向上相对于十 字滑环另一对凸键也做往复直线运动【3 6 】。那么可得出十字滑环y 方向上的位移为： y = e e c o s ( c a t )( 2 一1 ) 式中，e 和分别表示转子的偏心距和压缩机的运转角速度。 那么，十字滑环的运动速度为 v = 瓦a y = p s i n ( 纠) ( 2 - 2 ) 十字滑环的运动加速度为 口= 筹= e c a 2 c o s ( c a t ) ( 2 - 3 ) 十字滑环在y 方向的往复运动中，加速度出现最大和最小的位置分别是当它处在两 端位置和中间位置时，十字滑环在运动中产生的惯性力和振动就是由于这个加速度的存 在而出现的，所以应该尽可能的在满足平动需求的情况下减小十字滑环的结构尺寸大 小，从而才能降低惯性力。根据十字滑环机构在涡旋式压缩机中的使用经验发现它的两 个凸键同滑槽的接触位置是压缩机中受力变化最剧烈的部位，为了提高十字滑环的性 能，可采取一些工艺措施如对其进行适当的表面处理。 1 4 广西大掌硕士掌位论文平动活囊0 式空气压缩机的理论和仿- 1 i 分析 2 5 平动活塞式空气压缩机工作原理 习孙廖憝 廖紫 彰凌钐 踅 翰饧 瑟 吸气j 瑟雳l 羧溅杉 压绾开始 替气开始 图2 7 平动活塞式空气压缩机运动简图 f i g 2 - 7t h et r a n s l a t i o n a lp i s i o na i rc o m p r e s s o rm o t i o ns k e t c hd i a g r a m 图2 7 所示为新型平动活塞式空气压缩机的运动简图，无论基于何种防自转机构的 平动活塞式空压机，其工作原理都是一样。压缩机的工作容积是由气缸的内表面、平动 活塞的外表面以及安装在左右两侧的端盖构成，l 型滑片与活塞和气缸内表面的线接触 将此空间分割成吸气腔和排气腔两部分。当偏置的转子转动时，带动与其同轴设置的活 塞转动，在防自转机构的约束下，活塞在气缸中平动。与此同时，吸气腔的容积逐渐增 大，外界空气在经空气滤清器过滤及消声后由吸气口被吸入气缸中。而在另一部分的月 牙形容积中，随着压缩机的运转，封闭在压缩腔中的工质受到压缩压力增大，当压力达 到可顶开安装在排气孔口的簧片单向排气阀，即达到压缩机排气压力时，被压缩气体排 出，进入制冷系统的下一个元件即储气罐内。 与传统滚动活塞式压缩机相比，平动活塞式空压机的优点主要包括：( 1 ) 平动活塞 平动运动可使得运动副之间的相对运动速度减小；( 2 ) 滑片与气缸虽然依然采取滑动配 合，但是l 型的叶片设计使得传统滚动活塞式压缩机中叶片与活塞的线接触改进为面接 触，不仅增加了气缸内部的密封性，降低了内部泄漏的产生，而且在活塞和气缸相对速 度降低的情况下，减缓了叶片和活塞相互间的磨损；( 3 ) 由于滑槽开设在气缸上，消除 了滑槽开设在活塞上而产生的离心力。 广西大掌硕士掌位论文 平动活塞式空气压缩机的3 j 论和仿真分析 2 6 本章小结 根据传统机型中存在的较大相对运动速度和接触力的缺陷，介绍了平动活塞式空气 压缩机的新结构，它是通过改变活塞的运动方式，更新滑动滑片的形状以及与活塞运动 副来达到所预想的目的。另外，通过比较几类常用平动机构，为新型压缩机中平动机构 的选择提供依据。并详细介绍了新机型中所采用的十字滑环平动机构的工作特性和原 理，为进一步分析新型空气压缩机的运动奠定基础。 1 6 平动活塞式空气匿缩机的理论和仿真分析 第三章平动活塞式空气压缩机理论分析 3 1 引言 空气压缩机的气腔容积、工作容积和容积流量是表征压缩机规格大小的最主要因 素，通过推导出新型平动空气压缩机的容积计算公式为新型压缩机结构尺寸的确定提供 依据。并希望借助新型压缩机工作容积和热力学变化规律，理论分析出它的排气角度， 用于压缩机的动力学分析中。 3 2 平动活塞式空气压缩机的容积 3 2 1 气腔容积 根据平动活塞式空压机的运动原理，当在运转的初始位置时，滑片被平动活塞完全 顶出气缸，计算气腔容积最为简单，即式( 3 7 ) 所示。 图3 - 1 气缸截面积图3 - 2 活塞截面积 f i g 3 - 1c r o s s - s e c t i o n a l 糊o f c y l i n d e r f i g 3 - 2c r o s s - s e c t i o n a la r e ao f p i s i o n 如图3 1 为平动活塞式空压机的气缸截面图，气缸上开有滑槽，使得滑片可在滑槽 中上下滑动，并且滑槽的形状也如同滑片的形状，为l 型，滑槽底部的长度即l 型滑片 底面长度l ，根据图3 1 所示气缸截面的几何形状，可由式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 计算出气 缸截面积： 1 7 平动活囊i 式空气匿缩机的理论和仿1 1 分析 那么 三2上 s m 口= 一= 一 r2 r 社十警) + 争辱 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 同理，平动活塞的截面图如图3 - 2 所示，平切口距中心的距离为h ，平切1 2 1 的长度 可计算得 ，= 2 以2 一h 2( 3 - 3 ) 那么 c o s ：等( 3 - 4 ) ， 则活塞的截面积& 可由式( 3 5 ) 得到： s h = 万r 2 ( 1 _ 2 a r 3 c 6 c 。o s , 8 + 4 8 5 乒石 ( 3 - 5 ) 那么平动活塞的工作腔截面积s 和容积k 如式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 所示。 s = 岛一瓯( 3 6 ) k = 舛 ( 3 - 7 ) 3 2 2 工作容积 如图3 3 所示，气缸中心为d ，平动活塞中心为d ，十字滑环防自转机构使得活塞 在气缸内做以d 为圆心的平动转动。e = 6 m m 为偏心转子与气缸的偏心距离，而偏心转 子与平动活塞同轴设置，并带动平动活塞运转，所以也即平动活塞的轴心d 以6 m m 为 半径绕d 做平面圆周运动，且可视为平动活塞上的任何一点均做以d 为圆心的圆周运 动。以气缸中心d 和平动活塞中心d 的连线0 0 伺气缸垂直轴线的夹角口表示平动活 塞所处的位置，偏心轮轴转角的初始位置，也即平动活塞的起始位置为l 型滑片被平动 活塞全部顶出气缸之时，此时0 - - - 0 ；在任意转角日时