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东北大学硕士学位论文 涡旋压缩机实体建模与传动系统动力学分析 摘要 涡旋压缩机是近十年来发展非常迅速的一种容积式压缩机。涡旋压缩 机具有体积小，噪音低，运行平稳的优点，特别是容积效率更是比其他类 型压缩机有着明显的优势。但在当前国内市场上外资品牌占据着优势份额， 国内产品大都依赖国外专利授权生产，科研机构的研究大都停留在理论研 究阶段，而未能形成批量生产。 本文结合东北大学机械厂产品开发项目，对涡旋压缩机进行了深入的 研究，在关键零件设计与载荷计算方法，实体建模及传动系统动平衡方面 做了一些工作： 1 、首先：在基本参数计算的基础上，建立基于c a x a 实体设计软件 的涡旋压缩机所有零部件三维实体模型，并进行虚拟装配，检验概念设计 中产品结构布局的可行性；在装配过程中，对关键部件进行干涉分析，为 零件结构和参数修改提供了准确依据：在修改完成后，对主轴系统零部件 进行了物性计算，为传动系统动平衡优化提供了必要的参数；最后，由三 维实体模型直接生成二维工程图，为样机制造提供了必须的生产技术文件； 2 、其次：对平衡机构和防自转机构进行了深入的研究，推导出其参数 设计方法进而得出相关参数，并对防自转机构后期磨损状态进行分析；建 立了动涡盘和防自转机构的动力学模型，并在曲柄转角为2n 的周期内对 其进行动载荷的数值计算，为判断涡旋压缩机的工作稳定性提供了必要的 依据； 3 、最后：分析涡旋压缩机强迫振动的原因和传动系统受力状态对压缩 腔密封的影响；建立基于多刚体动力学软件a d a m s 的主轴系统动平衡模 型，并进行动力学仿真；通过设计研究，获得目标函数敏感度最大的零件 参数；最后进行最优化分析，并得出相应结果，为平衡部件修改取得必要 的参数。 关键词：涡旋压缩机；实体造型；动载荷；动平衡；a d a m s ；c a x a i i s o l i dm o d e l i n ga n d a n a l y z i n go nd y n a m i c s o fs c r o l lc o m p r e s s o rt r a n s m i s s i o n a b s t r a c t s c r o l lc o m p r e s s o ri san e w t y p ec o m p r e s s o rd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h el a s tt e ny e a r s i t h a sc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l s i z e ，l o wn o i s ea n dw o r k i n gs m o o t h l y ；f t l r t h e rm o r e ，i t s v o l u m e t r i ce f f i c i e n c yi sf i r s tr a n ki nt h ed i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o rd o m a i n h o w e v e r , t h e p r o d u c t i o no ff o r e i g nc o r p o r a t i o nh o l d sm o s to fp r o p o r t i o ni nt h ei n t e m a im a r k e t c h i n e s e f a c t o r yw o u l dl i k et om a n u f a c t u r es c r o l lc o m p r e s s o rb yt h ea u t h o r i z a t i o no ff o r e i g np a t e n t i n s t i t u t e d o m e s t i ca c a d e m i e so f t e nc o n c e n t r a t e do nt h ec o m p r e s s o rt h e o r ys t u d y i n g ；n e v e r r e a l i z e db a t c h e so f p r o d u c t i o ny e t a f t e rs e r i o u sr e s e a r c h i n ga n da n a l y s i so nt h es c r o l lc o m p r e s s o rt h e o r y , a sap r o d u c t i o n d e v e l o p m e n tp r o j e c to fn e um e c h a n i s mf a c t o r y , ih a v ef i n i s h e dm yt h e m a t i ct a s ko nt h e m o d e lo fw d j l 0 5s c r o l lc o m p r e s s o r , i n c l u d i n gv i t a lp a r t sd e s i g n ，d y n a m i cl o a dc a l c u l a t i o n ， t h e3 ds o l i d m o d e l i n ga n dd y n a m i cb a l a n c i n go f t r a n s m i s s i o n f i r s t l y , a f t e rc a l c u l a t i n gb a s i cp a r a m e t e r so ft h es c r o l lc o m p r e s s o rc a r e f u l l y , a l lt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d a lo f p a r t sb a s e do nc a x as o l i dd e s i g ns o f t w a r ew a sf o u n d e da n d a s s e m b l e di nt 1 1 ev i r t u a le n v i r o n m e n ti no r d e rt ot h e c kt h e f e a s i b i l i t yo ft h ep a r t s ， c o n f i g u r a t i o nf r o mt h ec o n c e p t i o nd e s i g n d u r i n gt h es o l i dm o d e l i n g ，w eo b t a i n e da c c u r a t e p r o o f sf o rt h em o d i f i c a t i o no fs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rt h r o u g ht h ei n t e r f e r e n c ea n a l y s i so n t h ek e yp a r t s f o l l o w i n gp e r f e c t i o n ，p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i n go na x i ss y s t e mw a s d o n es oa st og e tn e c e s s a r yp a r a m e t e r so nt h ed y n a m i cb a l a n c i n go f t r a n s m i s s i o n l a s t l y , w e c o u l dc o n v e r tt h es o l i dm o d e lo fp a r t so ns c r o l lc o m p r e s s o ri n t op l a n a rb l u e p r i n t sd i r e c t l y s e r v i n ga st h ee s s e n t i a lt e c h n i c a ld o c u m e n tf o rt h em a n u f a c t u r eo f p r o t o t y p e s e c o n d l y , id e d u c e dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do np a r a m e t e r so f t h eb a l a n c i n g m e c h a n i s ma n dt h ea n t i r o t a t i o nm e c h a n i s ma f t e rc a r e f u l l ys t u d y i n go nt h e m ，a n da n a l y z e d i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o s t e r i o ra b r a s i o ns t a t eo fa n t i - r o t a t i o nm e c h a n i s m ad y n a m i cm o d e lo fa n t i r o t a t i o n m e c h a n i s ma n do r b i t i n gs c r o l lw a ss e tu pa n dc a l c u l a t e do nt h e i rd y n a m i cl o a di no n e p e r i o do fr o t a r ya n g l et oe s t i m a t et h eo p e r a t i n gs t a b i l i t yo fs c r o l lc o m p r e s s o r f i n a l l y , t h er e a s o n so ff o r c e do s c i l l a t i o no nt h es c r o l lc o m p r e s s o ra n dt h ei n f l u e n c eo f t r a n s m i s s i o n sl o a ds t a t eo nc o m p r e s sc h a m b e r s s e a l i n gm u s tb ep r e s e n t e d a f t e rs e t t i n gu p t h ed y n a m i cb a l a n c i n gm o d e lo fa x i ss y s t e mb a s e do na d a m sm u l t i - r i g i ds o f t w a r e ，a d y n a m i cs i m u l a t i o nw a sd o n e t h r o r l g hd e s i g ns t u d y , w ec o u l do b t a i nt h em o s ts e n s i t i v e p a r tp a r a m e t e r st ot h et a r g e tf u n c t i o no ft r a n s m i s s i o n l a s t l y , t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n ，w e c o u l do b t a i nt h er e s u l to f o p t i m i z a t i o na n dm o d i f yt h eb a l a n c i n gm e c h a n i s mb a s e d i t k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ；s o l i dm o d e l i n g ；d y n a m i cl o a d ；a d a m s ；c a x a ；d y n a m i c b a l a n c i n g ； i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取德的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：叙、滋 日期：办舌畦工7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 当前压缩机行业的发展现状 流体机械主要包括压缩机，鼓风机，通风机和泵机，业内一般称为“三机一 泵”。其中压缩机主要用来提高气体压力和输送气体，属于将原动机的动力能转 变为气体压力能的工作机，产品广泛应用于制冷、包装、机械、石化等领域，故 有“通用机械”之称。 按照气体运动方式，压缩机大体上可分为速度式和容积式两种。速度式又称 为透平压缩机，其气体压力主要决定于叶轮转动气流的速度，广泛应用于石化、 冶金等领域；容积式压缩机的气体压力直接依赖于气体容积的改变，其产品结构 类型很多，常见的容积式压缩机主要有以下几种： 图1 1 压缩机细分类型图 f i g 1 ，1t h ec a t e g o r yo fc o m p r e s s o r ( 1 ) 往复式压缩机：能适应较广阔的压力范围和制冷量要求，对材料要求低， 加工容易且造价低廉；由于发展历史较长，制造和维修技术比较成熟；但由于采 用活塞往复压缩，输出气体不连续，气体压力有波动且噪音比较大。 ( 2 ) 滚动活塞式压缩机：是近年来发展较快的一种回转式压缩机；其零部件 数量较少，结构简单；旋转惯性力容易平衡，整机振动小，运行平稳；但转子与 一1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 汽缸内圆及端面间隙不易控制，影响整机效率【1 】。 ( 3 ) 螺杆式压缩机：具有尺寸小，重量轻，易维护等特点，由于近年来提高 了关键零件的加工精度，性能得到了有效提高；螺杆压缩机主要应用于压缩空气 和中型制冷热泵空调系统；在中等制冷量范围内已逐渐替代往复式压缩机，并占 据了离心式压缩机的部分市场。 ( 4 ) 涡旋式压缩机：一种在过去十年中得到了快速发展的新型压缩机械；其 体积小，效率高，噪音低；目前涡旋压缩机已在柜式空调领域占有绝对优势 2 】； 在车用空调领域也逐渐显示出强大的竞争力。 1 2 涡旋压缩机的优缺点 涡旋式压缩机是借助于容积的变化来实现气体压缩的流体机械，这一点与往 复式压缩机相同；其主要零件动涡盘的运动是在偏心轴的直接驱动下进行的，这 一点又与回转式压缩机相同。涡旋式压缩机的压缩腔，既不同于往复式又不同于 旋转式，作为发展前景看好的新型压缩机械，涡旋式压缩机有着显著的优点： ( 1 ) 多个压缩腔同时工作；相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少； 容积效率可高达9 0 9 8 ，这是其他类型压缩机无法比拟的优势h 。 ( 2 ) 驱动主运动的偏心轴可高速旋转；最高连续转速达1 0 0 0 0 r m i n ，间歇最 高转速可达1 2 0 0 0 r m i n ；因此，涡旋压缩机体积小、重量轻，与相同容量的往复 式相比，体积减少4 0 ，重量降低2 5 ，平均功耗可比活塞式压缩机提高1 3 倍。 ( 3 ) 由于吸排气过程几乎连续进行，压缩过程连续且平稳；动涡盘与主轴等 运动件的周期受力变化小，比往复式噪声减少5 一1 0 d b ，整机振动小、可靠性高。 ( 4 ) 不设置吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠；没有明显的吸气波动，排气 气流脉动小，特别适应于变转速运转和变频调速技术【“。 ( 5 ) 添加轴向和径向柔性补偿机构，可保证轴向间隙和径向间隙的密封效果 不因摩擦和磨损而降低，使高端涡旋压缩机有着近乎完美的可靠性和密封性。 同时，作为尚有待完善的压缩机械，当前涡旋压缩机还有一些显著的缺点： ( 1 ) 动涡盘上承受的轴向气体作用力，随主轴转角发生变化，虽然幅度不大， 但却很难加以平衡；轴向气体力往往带来轴向机构摩擦功耗。 ( 2 ) 涡旋盘的加工精度，特别是涡旋型线的形位公差有很高要求；端板的平 面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，对制造 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 技术和n t 设备门槛要求较高。 1 3 涡旋压缩机的起源与发展现状 1 3 1 涡旋压缩机的起源 涡旋压缩机的构思，在上世纪初期由法国机械工程师克拉斯( c r u e x ) 提出， 并于1 9 0 5 年初取得了国家发明专利权。在这项发明专利中，系统的阐述了一种新 型旋转式发动机( r o t a r ye n g i n e ) ，即以某种特殊型线的圆周轨迹运动而形成的容 积式压缩机构；其实，它的工作原理就是如今人们所称的涡旋压缩机械。 此后近7 0 年间，涡旋压缩机械并没有如人们所期待的那样，得到深入的研究 和广泛的应用；科研机构对它的关注，更多的还只是停留在理论研究和分析上。 一方面，当时已经应用的压缩设备能够满足相关需求，它的优越性还未被人们充 分认识：另一方面，在当时数控机床还处于起步阶段，对于涡旋型线加工所必须 的高精度设备还不能满足需要。正出于以上原因，对于涡旋压缩机械的研究大都 还只停留在科研机构的论文中。 1 3 2 国外涡旋压缩机产业的发展概况 进入上世纪7 0 年代，中东战争爆发造成的能源危机以及精密设备和计算机数 控技术的快速发展，给涡旋机械，特别是涡旋压缩机的发展带来了绝好的机遇。 涡旋压缩机的体积小、重量轻、噪音低，可靠性高；更重要的是涡旋压缩机兼有 容积式和回转式压缩机的优点，其高达9 0 的压缩效率要远胜于其他类型压缩机 械，因此倍受科技界的重视并由此得到了飞速的发展。七十年代初，美国a d l 公 司( a r t h u rdl i t t l e 公司) 进行了深入和卓有成效的研究，解决了涡旋盘端部补偿磨 损的密封装置，并在此基础上与瑞士公司合作开发了以空气、氟里昂和氨气为介 质的涡旋压缩机加工样机；1 9 7 2 年a d l 公司将氨气涡旋压缩机安装在远洋海轮 上并获得成功，这标志着涡旋压缩机应用时代的到来【5 】。 1 9 8 7 年，美国c o p e l a n d 制冷公司着手涡旋压缩机的批量化生产。尽管其涡 旋压缩机的研发起步较晚，但由于其生产线专业化程度非常高，从而迅速的抢占 了涡旋压缩机械的市场份额；迄今为止，c o p e l a n d 制冷已经成为设计技术最先进、 生产规模最大的涡旋压缩机生产厂家，截止1 9 9 7 年，他们的年产量已经达到了二 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 百万台，产品规格覆盖了从1 5 h p 到5 h p 的中小功率压缩机市场 6 1 。1 9 9 2 年，美 国的c a r r i e r 公司和t r a m e 公司也分别开始涡旋压缩机的产业化过程，两家公司的 市场分额分别集中在3 h p 到7 h p 以及5 h p 到1 5 h p 的用户群。美国作为世界上 最早掌握涡旋压缩机设计、制造技术的国家，其技术实力和产品布局都在世界上 居于领先地位。 日本公司相对起步较晚，但市场定位准确、产品经济性好。三菱( m i t s u b i s h i ) 公司的1 h p 产品率先投入市场，这打破了业界关于批生产压缩机功率不可能低于 1 5 h p 的传统理念；之后，在中小功率压缩机市场上，日本后来居上。日立( h i t a c h i ) 公司首先将涡旋压缩机批量应用于柜式和车用空调领域，并取得了极大的成功【”。 由于家用空调和轿车的普及，日本公司在中小功率产品市场上获得了丰厚的利润， 并利用积累的雄厚资金将变频调速等先进技术应用于涡旋压缩机领域，使产品的 规格布局迅速扩大。 1 3 3 我国涡旋压缩机领域的研究现状 在我国，涡旋压缩机的研发工作始于上世纪八十年代中期，经过近二十年的 努力，已经形成了比较成熟的涡旋式空气与制冷压缩机理论体系。1 9 8 7 年，我国 第一台涡旋压缩机样机由西安交通大学压缩机国家工程中心研制成功并通过部委 级鉴定；之后，经过多年努力，工程中心已经研制出四个系列、二十多个品种的 涡旋压缩机原型机。其中小型空压机已经实现小批量生产，其他用途压缩机如柜 式空调压缩机开发也已经达到应用阶段。1 9 9 4 年，广州万宝电器集团引进日本 h i t a c h i 公司的生产线，实现空调用涡旋压缩机的批量生产。1 9 9 6 年2 月广州涡旋 压缩机有限责任公司引进加工专机，建立了小型空气涡旋压缩机的生产线，目前 进行1 h p 以下功率的系列产品的批量化生产。1 9 9 7 年，爱默生谷轮公司在苏州 建立年产百万台的生产线，首次在我国实现涡旋压缩机大批量生产。 虽然我国科研部门对涡旋压缩机的研发也进行了一定的投入，但由于没有统 一的规划，目前的自主产品还只停留在3 - 8 h p 的中小功率范围内。进入9 0 年代 后，我国企业利用外资急于进入中国市场的机会，采取多种以市场换技术的方式 建立合资企业，并希望借此能够迅速提高我国压缩机成套技术的开发水平，但效 果并不理想。一方面我们的产品规格往往和日本企业相冲突，另一方面美国企业 对知识产权非常重视，我们很难拿到涡旋压缩机开发的核心技术，企业核心竞争 4 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 力也就无从谈起。 春兰公司的百万台规模生产线上马后，业界关于其单台压缩机向国外专利机 构支付的不蜚专利授权费的争议四起1 8 j a 我国国有企业在压缩机领域，往往更倾 向于开发石化、电力等领域的大型压缩机，而忽视了涡旋压缩机的巨大市场份额。 在科研机构里，除了西交大的国家工程中心以外，对涡旋压缩机的研究投入都非 常少，而且大都停留在理论研究上。 综上所述，在家用空调和汽车空调市场大幅度上扬的市场环境下，在国家节 约能源的重大决策出台后，无论从经济效益、还是保护民族产业的角度来看，对 高效、节能的涡旋压缩机的研究是大有可为的。 1 4 课题的来源、研究目的与主要内容 1 4 1 课题的来源和研究目的和课题小组分工 涡旋压缩机主要用于空调、制冷、一般气体压缩以及用作汽车发动机增压器 和真空泵等领域，可在很大范围内取代传统的中、小型往复式压缩机。 伴随着研发技术的逐步成熟和外资企业产品的推广，我国当前涡旋空压机市 场每年需求量大约为8 0 0 万台，而国内只能生产大约5 0 0 万台；汽车空调也是一个 不可低估的市场，近五年间我国轿车以每年3 0 万辆的速度递增，汽车空调的配套 设备产品也必须解决，涡旋式汽车空调具有更大的技术优势。而相对来说，外资 企业产品主要投放到高端产品上；国内企业自主研发力度不够，在中低端产品市 场上不能满足需求，这给国内业界新锐提供了很好的发展机遇。 东北大学机械厂在近1 0 年中曾经涉足过制冷领域的其他产品，如冷凝器，干 燥器等等，在制冷产品领域有一定的生产经验。企业由于背靠学校的支持，高精 度加工设备种类齐全、配套完善，完全能够满足精密零件的加工需求。经过对压 缩机设备市场的深入考察，机械厂领导提出开发当前市场需求量非常大的中低端 涡旋压缩机产品，这是一个很有战略眼光的决定。本课题即是这项产品( w d j l 0 5 涡旋式压缩机) 开发的重要组成部分。 课题的目的是针对当前市场需求，开发出高效率、低成本，适用于小排量空 气压缩和柜式空调领域的涡旋压缩机产品。课题小组由三名同学组成，其中丁磊 同学负责涡旋压缩机整机性能参数计算和型线设计，孙玉萍同学负责压缩型线加 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 工和实验检测方法，本人负责整机的三维实体造型与分析，传动机构的动载荷计 算方法研究以及动平衡仿真和优化。 1 4 2 课题的主要研究内容和方法 ( 1 ) 结构分析和概念设计：收集国内外相关资料，分析涡旋压缩机基本结构 和工作原理，提出面向市场需求的涡旋压缩机类型和规格。根据以上分析，参与 涡旋压缩机概念设计，负责确定传动机构布局和相关功能零部件选择、配置，为 零部件参数设计作好前期准备工作。 ( 2 ) 虚拟建模和物性分析：建立基于c a x a 实体设计软件的涡旋压缩机零部 件三维模型；完成压缩机在计算机上的虚拟装配；分析涡旋压缩机设计参数的合 理性及相关部件在空间位置的协调性并进行相应修改；进行干涉分析，检查传动 机构装配干涉，并修改原始设计参数；生成零部件的二维工程图用于指导样机生 产；利用c a x a 实体设计软件的物性分析功能提取相关物性参数，为动力学分析和 动平衡优化提供相关数据。 ( 3 ) 传动机构的动力学计算方法研究：对涡旋压缩机传动机构进行了深入细 致的动力学研究。根据曲柄转角周期内压缩腔容积、压力的变化规律分析，推导 出动涡盘所受各项载荷随曲柄转角变化的函数式及其变化规律；对平衡机构、防 自转机构等各重要传动部件受力状态进行深入分析，研究其数值计算方法 为压 缩机运行稳定性分析提供了研究依据。 ( 4 ) 参数化动平衡研究：根据产品可靠性的要求以及振动、噪音优化的需要， 利用多体动力学软件a d a m s ，对传动系统进行参数化建模，建立目标函数及优化约 束，对产品动平衡情况进行仿真，并得出优化结果模型，应用于产品改进设计， 并进行相关测量，检验优化结果。 6 东北大学硕士学位论文 第二章传动系统的结构与工作原理 第二章传动系统的结构与工作原理 2 1 涡旋压缩机传动系统的基本结构 涡旋压缩机属于容积式压缩机，即靠气体容积减小使压力升高的一种压缩机。 从涡旋压缩机的工作原理看，它具有旋转式压缩机的特点，即主轴旋转推动工作 转子( 如螺杆压缩机的转子，滚动活塞式压缩机的活塞，涡旋压缩机的动祸盘等) 运动，来改变压缩腔容积，以达到吸气、压缩和排气的目的 9 1 。传动系统是涡旋 压缩机的核心机构；本课题方案中，传动系统的主要组成零部件包括动涡盘、静 涡盘、偏心轴、平衡机构和防自转机构等等。涡旋压缩机的传动机构按使用目的 可分为两类：一类用于传递动力，像主轴机构：另一类用于保证涡旋压缩机的正 常工作，如防自转机构。这些部件之间的装配关系见图2 1 ： 图2 1 传动机构装配关系图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no ft r a n s m i s s i o n 1 静涡盘2 动涡盘3 滚珠防自转机构4 一大平衡块部件 5 小平衡块部件6 滚针轴承7 偏心块 8 主轴9 一联轴器 2 1 1 主轴部件结构 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章传动系统的结构与工作原理 本课题方案中压缩机主轴为带有偏心结构的阶梯轴，驱动主轴作旋转运动的 动力设备是三相异步交流电动机。为了更有效的散热，采取开启式方案，电动机 被隔离在压缩机壳体之外，主轴伸出端与电机转子伸出的短轴通过弹性联轴器连 接，以缓和装配时造成的电机转子与主轴中心线的同轴度误差f l o l 。与此对应，壳 体腔设计成低压结构，也进一步保证了轴封的密封效果和使用寿命。在驱动主轴 末端置偏心销，即直接驱动机构，偏心销与主轴之间的偏心量是决定动盘回转半 径的重要参数，偏心销外套滚针轴承传递驱动力矩，目的是可以减小摩擦功耗和 配合面磨损。 2 1 2 偏心驱动结构 涡旋压缩机的压缩过程是通过动涡盘绕静涡盘中心( 主轴中心) 的圆周轨迹 平动( 而非转动) 达到的；实现这一运动的主要机构就是偏心驱动机构。 图2 2 偏心驱动实体图 f i g 2 2t h e3 dm o d e lo f p r e j u d i c i a lt r a n s m i s s i o n 如图2 2 所示，偏心机构接受主轴偏心销传递来的转矩后，将转矩传送给动 涡盘，从而实现动涡盘对静涡盘的圆周运动；在这一过程中，主轴、偏心销和偏 心块之间形成一个三角形的驱动关系，其投影图可见图2 3 。 图中，k 为曲柄销中心，偏心块上还有圆销插在主轴回转中心点的孔中，起 限位作用。t 为主轴与偏心销之间的偏心量，r 为偏心块中心与销孔的距离。 8 东北大学硕士学位论文第二章传动系统的结构与工作原理 在曲柄销的驱动下，通过偏心圆块的转动驱动动涡盘做规定运动；转矩的传 递过程中，驱动三角形的形状保持不变，通过三角形中偏心量t 与距离r 之间的 几何关系，保证了偏心块中心0 2 ( 即涡旋压缩机动涡旋盘的几何中心) 与主轴中 心0 1 ( 即涡旋压缩机定涡旋盘的几何中心) 距离e ，由于动静涡盘几何中心与基 圆中心位置关系始终保持图中平行四边形0 l o ：0 3 0 。，这也就保证了动涡盘基圆中 心0 ，对静涡盘基圆中心q 的圆周运动半径为e 。 图2 3 偏心驱动平曲投影图 f i g 2 3t h ep r o j e c t i v em a po fp r e j u d i c i a lt r a n s m i s s i o n 在驱动过程中，三角形d ld 2 足相当于一个连杆机构；主轴接受电机的转矩， 由曲柄销传递的驱动力f 作用在连杆0 2 k 上可分解为径向力e 和切向力t ；只的 分力e 与直线d 1 0 2 垂直，是直接驱动o ：绕o 。旋转的法向力，即动盘公转平动的 法向驱动力；而另一个分力e 则有驱动动涡盘沿直线d 1 0 ：移动的趋势，实际上补 偿了动静涡盘啮合时的密封力，有利于减小啮合的径向间隙。 此外，由于动、静涡盘渐开线啮合的需要，动盘运动实质上是以静涡盘为中 心的圆周平动，而不是绕静盘中心的转动，这就要求在偏心块和动涡盘之间必须 有一个圆柱运动副，可以使动涡盘调整运动姿态，图2 2 中的滚针轴承就起到了 这个作用【1 1 】；在偏心块强迫动涡盘做旋转运动时，滚针轴承的自转保证了动涡盘 的运动姿态。 9 东北大学硕士学位论文第二章传动系统的结构与工作原理 2 1 3 平衡机构和防自转机构方案 为平衡动涡盘及偏心组件等部件在高速运转过程中惯性力对主轴的不良影 响，设置大、小平衡重部件。设立双平衡块是大多数旋转式压缩机结构采用的平 衡方法，这种配置可以在平衡惯性力的同时避免单平衡重对主轴造成的弯矩。大 衡块在本方案中安装在主轴前端靠近动涡盘一侧；小平衡块则安装在主轴轴承后 端靠近电机一侧。大平衡重设计成薄片紧固形式，方便调整，如图2 1 所示。 防自转机构主要用于阻止动涡盘切向气体力所引起的自转运动趋势。常见机 构有十字环、圆柱梢、特殊滚珠机构、小曲柄销等等。考虑到结构和成本的因素， 我们决定采用具有多种功用的滚珠防自转机构。这种由滚珠轴承衍生来的机构， 不仅可以抑制动祸盘的自转趋势，而且可以平衡作用在动祸盘上的轴向作用力， 部分替代背压机构的作用；鉴于小排量涡旋压缩机的轴向气体力变化范围不大， 在方案中撇消了背压机构。滚珠防自转机构在涡旋压缩机领域是一种新兴的防自 转机构，加工要求精度非常高，机构中滚珠数量也影响其性能：滚珠过少则每个 滚珠的受力会增大，滚珠太多，则环槽的位置精度及尺寸精度不容易保证，本方 案选择1 6 滚珠配置。 2 2 涡旋压缩机压缩部件的工作原理 在本课题中，我们选择圆渐开线涡旋盘作为直接压缩机构。动、静涡盘结构 大体一致，由端板和凸起的渐开线涡旋齿组成；动、静涡盘采用偏心配置形式且 相位相差1 8 0 度。在涡旋齿端面开设有对应于渐开线外形轮廓的密封槽，内置特 殊材料密封条，用于密封动、静涡盘之间的轴向间隙；为确保耐磨性，在端板与 涡旋齿配合面上镶嵌不锈钢耐磨板，以防止配合面磨损造成轴向泄漏。 把涡旋型线参数相同、相位差为n 、基圆中心相距r 的动、静涡盘安装后， 即可由两者渐开线内外轮廓形成数对封闭的月牙形容积腔，压缩腔的轴向运动投 影规律见图2 4 。动涡盘的运动实质上是动涡盘基圆中心绕静祸盘基圆中心作半 径为r 的圆周轨道平动；在平动过程中，这些封闭的容积腔相应地扩大或缩小， 由此实现气体的吸入、压缩和排出的过程。低压气体从未封闭的外缘容积腔进入， 经过压缩后由静祸旋盘中心处的排气孔口排出。 图2 4 是涡旋压缩腔的工作过程示意图。它表示两对容积腔在6 个特定曲柄 】0 东北大学硕士学位论文 第二章传动系统的结构与工作原理 转角时的瞬时位置。当图中曲柄转角0 = 0 。时，第二压缩腔刚好封闭，压缩机的 吸气过程结束，这时第二压缩腔中吸入气体所占的容积为吸气容积，即相当于往 复式压缩机的行程容积，图中宽斜线覆盖部分为该压缩腔轴向投影面积。随着压 缩过程的进行，月牙形面积逐渐减小；当主轴转角接近0 = 2 9 7 。时，第二压缩腔 完成对气体的压缩过程，这时的压缩腔容积就是中心压缩腔的最大吸气容积。由 于中心压缩腔与排气孔相通，之后中心压缩腔开始排气；在排气过程中的气体并 不受到压缩，其容积减小是一个等压释放过程1 1 2 】。中心压缩腔并不存在真正的吸 气过程，第二压缩腔和中心压缩腔实际上是同一压缩腔在同一周期内各工作阶段 的不同提法。 在第二压缩腔在压缩气体的同时，压缩机的吸气过程也在进行。按投影图可 以看出，在中心腔排气的同时，下一次吸气过程已经开始，当曲柄转角0 = 3 6 0 。 时，吸气已经完成。综上所述，涡旋式压缩机压缩气体的过程是连续进行的，主 轴每转一周即可完成一次吸气；压缩过程中吸排气同时进行，因此容积效率高， 整机运行平稳可靠。 图2 4 压缩腔轴向运动投影规律 f i g 2 4t h ep r o j e c t i o no f c o m p r e s sc h a m b e r sa x i a lm o v e m e n t 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章传动系统的结构与工作原理 2 3 当前涡旋压缩机研究存在的问题和发展展望 在我国，科研机构从事涡旋压缩机的研究往往还建立在理论研究或者对国外 成型产品的测绘和仿制的基础上；这样的结果是一方面容易引发知识产权纠纷， 另一方面也使产品概念设计中的很多问题被忽略，不利于产品的真正国产化。同 时，科研机构缺乏资金，不能进行样机实验并取得测试数据：而企业又往往倾向 于引进国外成套生产线。查阅国内外资料并结合研制产品过程中一些经历，总结 当前我国涡旋压缩机的开发应主要注意以下几个问题： ( 1 ) 降低产品成本是当前研发工作中的最关键问题。国外涡旋压缩机产品主 要集中在高端市场上，而在我国低端市场上覆盖不足，这给了国内相关企业绝好 的发展机会。如果能在实现批量化生产的基础上，改进生产工艺，在确保主要参 数和整机性能的基础上优化产品结构，以降低产品成本是非常关键的问题。 ( 2 ) 拓宽产品应用范围和使用领域。当前我国自主开发的压缩机产品大都是 中等排量压缩机，如何使产品在大排量和1 h p 以下小排量规格上有所突破，并相应 的加强变频调速、柔性机构等新技术的应用，对产品的市场竞争力影响非常大。 ( 3 ) 在产品研发过程中中应用领先的c a d c a m c a e 软件，缩短产品开发周 期。我国科研机构在产品开发过程中，还在延续着概念设计j 样机实验j 修改设 计方案j 再实验的流程州。这不仅占用大量的人力资源，而且严重影响了产品的 开发进度，降低了产品的竞争力。当前的c a d c a m c a e 软件的硬件条件已经逐 渐普及，软件技术本身也非常成熟，应用这一高效工具，可以尽快缩短我们在产 品开发方面与国外的差距。 ( 4 ) 加大压缩过程的模拟和优化结构设计的研究力度、采用新材料和实用的 机构来减少气体泄漏损失和气体阻力损失；在型线理论业已比较成熟的条件下， 加大对传动机构的研究力度，减少摩擦功耗损失，提高涡旋压缩机的容积效率和 工作可靠性。 一1 2 东北大学硕出学位论文第三幸涡旋压缩机虚拟建模及分析 第三章涡旋压缩机虚拟建模及分析 3 。1 纛撅建模技术和c a x a 实体软件概述 3 1 1 虚拟建模技术的概念 虚 耋l 建模技术又称为三维实体造型。鄯设计者蓿韵予计算掇软磺俘舔境，将 大脑中构思的、或者现实产品的几何外型和物理属性转化为可视、可分析、可修 改，可进一步模拟加工的数字实体模型 1 4 j 。瑰察中的产品都可以分解必不同的几 筒实体；褥在诗雾撬籀韵技术中，我翻可敬瓣渤程疲熬软疆 譬条俘，将擒愚嚣产 品部件转化为产品信息构成的虚拟模型。综上所述，虚拟建模是指将描述产品的 形状、属性等特征以数学模型的形式存储于计算机内，并嫩成可视的、具有真实 感静三绻模型稳技术。实钵造登_ 皴术是c a d c a m c a e 技零豹孩心；产磊模整静 建立，为蕻后的修改、检验、分析及制造等步骤提供了盥溉的可操作对象。 3 1 。2 虚拟建模技术的目的翻意义 多年来设计蓝图被称为机械工程师的语裔，对于复杂产品，必须用大量图纸 以不同的投影关系来表示和标注镑种线形和符号。即使魁经验丰富的工程师，想 要将圈纸转耗爻头麓巾楚蚕澎势溅解设诗方繁豹各个缨繁氇霉要花费缀多辩阕， 一旦理解出错或形体液示本身有谡，将会直接影响产品的制造和质量。利用三维 c a d 软件进行产品设计则可以相廉减少甚至避免发生这样的错误；设计人员利用 三缍c a d 软黉送嚣寝羧设诗，爨鸯诲多簧绕浚诗无法魄羧豹佳势： ( 1 ) 能够直观全面地反映对蒙设计特征。产品在计算机上的造型过程就象实 际加工、装配过程一样；设计方絮有无缺陷，备零部件装粥关系是否禽理，有无 予涉等翘蘧，都霹爨遥蓬旋转费发藏者截嚣裁切壹揍爱到。鲡巢壤念设诗畜运嚣， 马上就可予以改正。将“试装过程”放在计算机上进行，避免了产品制成样机眉 才能发现的缺陷，有效的提高了新产品，特别是复杂产晶的一次成功率，极大的 绩短了产菇懿磅铡髑麓势量节终了大量资金、大力。 1 3 。 蔓兰查兰堂竺笙查 苎三主塑坚堕垫垒塑塞坚坌堑 + 。_ _ _ - - - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ 二一一。 一1 ( 2 ) 可以方便的获得产品零部件的几何特性参数，如零件的表面积、体积， 产品的质量、重心和惯性矩等等。特别是对于结构复杂的产品参数，可以节约大 量计算时间。 ( 3 ) 由计算机系统自动投影得到的轮廓( 三维到二维) 图形非常准确，解决 了二维方式难以表达复杂形体的问题；同时降低了制图员的工作量，生成图形准 确，可以直接作为指导生产的技术文件。 ( 4 ) 能够在计算机上方便地进行后续环节设计工作，如产品的虚拟装配、运 动仿真、干涉检测、数控编程以及加工模拟等等。 三维造型设计能有效的解决产品设计中的关键问题，使企业能够面向市场要 求开发出更符合用户需要的个性化产品；同时缩短产品开发周期，从而在市场竞 争中占据更有利的地位。实体造型理论为实现整个生产环节采用统一的产品信息 模型奠定了技术上的基础，有效地促进了c a d c a m 产业的发展日“。由于虚拟建 模技术能为企业带来明显的经济效益，因此它的应用也越来越广泛。 3 1 3c a x a 实体软件的产品设计思想 近年来，三维c a d 技术的发展为设计工作提供了良好的工具，在当前机械 领域中，三维软件应用已经卓有成效。但是目前多数c a d 软件的功能忽略了设 计者不可能预想到产品模型所有的结构和特征细节，因此相当多的c a d 软件对 产品设计的支持力度是不够的。三维c a d 软件作为一种辅助工具，必须能提供 支持产品设计的各种方便手段，辅助设计者在设计初期实现创新设计，即应用各 种图素的叠加使设计变得像搭积木一样快捷；并且在设计过程的任意阶段还可以 采用曲面重构方式对建立的虚拟样机进行修改和添加，并保持零件与装配体的数 据统一性。 c a x a 实体设计正是从这种角度出发，创造性的提供了许多新的设计功能和 手段，有力的支持了创新设计的思想。作为国内c a d c a m 技术领先者的北航海 尔软件公司，通过国际合作的模式开发出了“c a x a 实体设计”三维c a d 软件， 并率先提出了“创新设计”的全新设计理念：即根据创造力和经验，快速、自由 的进行设计过程。相应的c a d 软件应能配合这种想象，在造型手段上充分体现 灵活方便、随意搭配的自由设计风格。c a x a 具备了这种支持创新设计的手段， 体现在以下几个方面： 1 4 东北大学硕士学位论文第三章涡旋压缩机虚拟建横及分析 ( 1 ) 快速便捷的自由设计手段。如独特的三维设计元素的拖放式操作、智能 图素、智能捕捉、三维球的定位定向操作等等，使结构设计如同“捏橡皮泥”和 “搭积木”那样的简单易行，使造型效率比一般的造型软件高出2 3 倍。 ( 2 ) 超越参数化的灵活修改。软件提供了参数化和无约束两种修改方法，在 设计的任何阶段均可自由灵活的对设计方案进行修改，同时可以保留参数之间的 约束关系。设计者可选择任意一种或两者结合的方法对设计方案进行修改，这是 c a x a 实体软件对创新设计过程的最重要支持。 ( 3 ) 丰富的目录式图库。该图库按目录对设计元素进行分类，为造型提供各 种标准几何特征、自定义特征以及材质纹理等物理特征要素，为创新设计提供了 丰富的素材。并且，这种图库具有开放性，用户可以将任何类型的零件、装配件、 颜色、动画和其他图形及其属性添加到图库中。在设计中当需要某种设计元素时， 可从目录库中查询，并以拖放式操作释放到造型环境中 1 6 】。 3 2 涡旋压缩机的虚拟建模 3 2 1 零件建模过程 涡旋压缩机零件形式各异，按照各部件功能划分，产品模型可分为三大部分， 共计近7 0 个零件，此外还有数量众多的标准件和密封件，实体造型部分工作量比 较大；另一方面，产品分析过程需要的物性参数不可能等到物理样机制造出来后 再进行采