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硕十学位论文 摘要 随着冰箱、空调等制冷设备的r 益普及，汽车工业的蓬勃发展，能源短缺 的影响，涡旋压缩机是近些年发展起来的一种新型压缩机械，具有效率高、能 耗小、结构紧凑、运行平稳等特点，其理论被许多国家的研究人员所研究并应 用在压缩机的设计制造中。但是，传统等壁厚的涡旋压缩机由于其自身的结构 特点，使其空间利用系数、效率等受到了限制。在开发高性能涡旋压缩机时， 由于涡旋圈数的增加使泄漏线长度加长，而造成压缩腔泄漏量增加，从而使压 缩机效率降低，加工成本也会加大。因此，对涡旋型线的优化，一直受到各研 究单位的重视。 本文详细论述了组合型线的几何理论和组合型线的通用理论，并结合等距 线理论给出了组合型线的集成形式。针对本文研究的组合涡旋型线优化问题， 以法向等距线法为基础，给出了行程容积的计算公式。 本文为了提高涡旋盘的面积利用率、涡旋压缩机的吸气容积，针对组合涡 旋型线，建立了以组合涡旋型线行程容积为目标函数的数学模型，选择了遗传 算法，作为优化方法。基于m a t l a b 遗传算法工具箱，对该目标函数进行优化， 将优化结果与不同参数下组合型线及单一渐开线的行程容积对比，得到了行程 容积较大的优化组合涡旋型线。 由于组合涡旋型线的复杂性，因此其涡旋盘的加工比较传统等壁厚涡旋盘 的加工有较大难度。本文结合涡旋盘加工精度的要求和数控技术，探讨了组合 涡旋型线涡旋盘的加工，对高次曲线采用插补的原理加工，给出了数控铣床刀 具的轨迹方程。 关键词：组合型线；谒旋压缩机；优化；母线；数控技术 基于m a t l a b 遗传算法t 具箱的组合涡旋型线优化 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gp o p u l a r i t yo fr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t ss u c ha sr e f r i g e r a t o r s ，a i r c o n d i t i o n e r s ，e t c t h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ei m p a c to fe n e r g y s h o r t a g e s ，s c r o l lc o m p r e s s o ri san e wt y p ec o m p r e s s i o nm a c h i n ed e v e l o p e di nr e c e n t y e a r s w i t h h i g he f f i c i e n c y , l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，s m o o t h o p e r a t i o n ，e t c t h et h e o r yw a ss t u d i e db yr e s e a r c h e r s i n m a n yc o u n t r i e sa n dw a s a p p l i e di nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc o m p r e s s o r h o w e v e r , r o o mu t i l i z a t i o nf a c t o r a n de f f i c i e n c yo ft h ec o n v e n t i o n a ls c r o l lc o m p r e s s o rw a sl i m i t e dd u et oi t so w n s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s i nt h e d e v e l o p m e n t o f h i g h - p e r f o r m a n c e s c r o l l c o m p r e s s o r , w i t h t h ei n c r e a s eo ft h ev o r t e x r i n gn u m b e l l e a k a g e l i n ew a s l o n g e r , c o m p r e s s i o nc h a m b e rl e a k a g ew a si n c r e a s e d ，t h e r e b yc o m p r e s s o re f f i c i e n c y w a sd e c r e a s ea n dp r o c e s s i n gc o s t sw a si n c r e a s e d t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h e s c r o l lp r o f i l eh a sb e e nh a dt h ea t t e n t i o no fv a r i o u sr e s e a r c hu n i t s t h eg e o m e t r i ct h e o r ya n dt h eg e n e r a lt h e o r yo fh y b r i dw r a p sw e r ed e s c r i b e di n d e t a i l ，i n t e g r a t e df o r mo fh y b r i dw r a p sw a sg i v e nc o m b i n e de q u i d i s t a n c el i n et h e o r y s i nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o no ft h eh y b r i dw r a p ss c r o l lp r o f i l e ，t h e c a l c u l a t i n gf o r m u l ao fs t r o k ev o l u m ew a sg o t t e nb a s e do nn o r m a le q u i d i s t a n c el i n e m e t h o d t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hm a d et h es t r o k ev o l u m ea s t h eo b j e c t i v ef u n c t i o nf o rh y b r i dw r a p ss c r o l lp r o f i l e ，s e l e c t e dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m a so p t i m i z a t i o ni no r d e rt oi m p r o v ea r e au t i l i z a t i o no fs c r o l lp l a t ea n ds t r o k ev o l u m e o ft h es c r o l lc o m p r e s s o r b a s e do nm a t l a b g e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o x ，t h eo b j e c t i v e f u n c t i o nw a so p t i m i z e d t h eo p t i m a lr e s u l ts h o w st h a th y b r i dw r a p ss c r o l lp r o f i l eh a s l a r g e rs t r o k ev o l u m eb yc o m p a r i n gt h eo p t i m a lr e s u l tw i t hh y b r i dw r a p sp r o f i l eu n d e r t h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n di n v o l u t ep r o f i l e b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fh y b r i dw r a p ss c r o l lp r o f i l e ，i ti sm o r ed i f f i c u l tt o p r o c e s so r b i t e rt h a nc o n v e n t i o n a ls c r o l lw r a p t h ep r o c e s s i n go fh y b r i dw r a p ss c r o l l p r o f i l ew a sd i s c u s s e d ，h i 【g ho r d e rc u r v ew a sp r o c e s s e db yi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ， t o o l s t r a j e c t o r ye q u a t i o no fc n cm i l l i n gm a c h i n ew a sg i v e ni nt h ep a p e rc o m b i n e d w i t ht h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n t sf o ro r b i t e ra n dn u m e r r a lc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：h y b r i dw r a p s ；s c r o l lc o m p r e s s o r ；o p t i m i z a t i o n ；g e n e r a t r i x ；n u m e r i c a lc o n t r o l n 硕士学位论文 插图索引 图2 1 涡旋压缩机动、静涡旋盘1 0 图2 2 全封闭式涡旋压缩机1 1 图2 3 丌启式涡旋压缩机1 1 图2 4 涡旋压缩机的工作过程示意图1 3 图3 1 基圆渐开线1 8 图3 2 组合型线1 9 图3 3 共轭型线的啮合2 1 图3 4 尺，和尺。以及各角度关系图2 3 图3 5 组合型线的母线2 3 图3 6 母线及其两条等距线2 5 图3 7 母线及其对称母线2 5 图3 8 内、外壁型线图2 5 图3 9 组合涡旋型线动、静涡旋啮合图2 9 图3 1 0 行程容积计算示意图3 0 图4 1 传统算法和遗传算法的对比3 4 图4 2 遗传算法的基本流程图。3 6 图4 3m a t l a b 遗传算法工具箱的g u i 界面3 7 图4 4 遗传算法工具箱的使用流程图3 8 图4 5 运行结果1 3 9 图4 6 运行结果2 3 9 图4 7m 文件中的目标函数4 0 图4 8 遗传算法工具箱中的运行结果1 4 1 图4 9 遗传算法工具箱中的运行结果2 4 1 图4 1 0 1 9 = 0 。4 2 图4 1 1 目= 9 0 0 4 2 图4 1 20 = 1 8 0 0 4 2 图4 1 3p = 2 7 0 0 4 2 图5 1 径向间隙对涡旋体精度的要求。4 4 图5 2 轴向间隙对涡旋体精度的要求。4 5 图5 3 增加耐磨板及保证垂直度。4 6 图5 4 展成法生成涡旋体的原理图4 7 i i i 基y - m a t l a b 遗传算法丁具箱的组合涡旋理线优化 图5 5 数控机床的组成图4 8 图5 6c n c 系统框图4 9 图5 7c n c 装置的工作流程图j 5 0 图5 8 高次曲线插补原理图5 1 i v 硕十学位论文 附表索引 表3 1 高次曲线部分型线参数计算值2 8 表4 1 优化结果的对比。4 3 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作一：翱 日期如沪年月ii h 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，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电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者虢关乞 导师签名：扣ll 寿 日期：加卜年月i ，f e 1 日期：知f d 年乡月1 日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 涡旋压缩机是2 0 世纪8 0 年代问世的一种新型的容积式压缩机，主要借助 于封闭容积的变化来实现气体压缩。随着汽车工业的蓬勃发展，冰箱空调等制 冷设备的日益普及，电子、电力、轻工、机械、化工、医疗器械、制药、酿酒、 食品等行业或作为加工中心等设备用于压缩介质和其他特殊用途f 如涡旋式真空 泵、膨胀机、增压器、发动机等) 的需求，以及能源短缺的影响，涡旋压缩机理 论被许多国家的研究人员所研究并应用在压缩机的设计制造中【1 4 】。 自1 9 0 5 年由c r u e x 2 l 发现涡旋压缩机的工作原理以来，受型线加工技术的制 约，直到二十世纪七十年代数控加工技术的进步，商业用途才开始大规模出现。 涡旋压缩机具有高效率、转距变化小、可靠性高、噪声低、重量轻尺寸小等优 点，兼有回转式和容积式压缩机的优势，在近二十年得到了迅猛的发展。自八 十年代以来，世界各国的学术界和工业界投入了大量的人力、物力对涡旋压缩 机及其工业应用进行研究。目前在世界上居领先地位的主要有美国、r 本、欧 洲、韩国等。1 9 8 1 年，r 本三菱重i ( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r i e sl t d ) 在涡旋型 线理论方面取得突破性进展，推出了汽车空调用的涡旋压缩机。之后，日立 ( h i t a c h i ) 、大金( d a i k i n ) 、松下( p a n a s o n i c ) 、东芝( t o s h i b a ) 也相继研究开发成功。 进入九十年代，美国谷轮( c o p e l a n d ) 、特灵( t r a n e ) 等，欧洲丹佛斯( d a n f o s s ) 等， 韩国l g 、大宇( d u w o o ) 等公司也纷纷投入涡旋理论的研究和涡旋压缩机的批量 生产【4 删。国内西安交通大学、兰州理工大学等高校院所相继加入研究行列，对 涡旋压缩机的理论研究及化应用做出了重要的贡献，为相关领域研究人员进一 步研究奠定了基础。上海流体机械有限公司、西安大金压缩机公司和广东万宝 公司等企业也先后开始研制和生产涡旋压缩机。涡旋型线更是受到世界各国专 利的保护和限制。 1 2 涡旋压缩机的发展历史 涡旋机械理论的提出，可以追溯到1 9 世纪末与2 0 世纪初。在1 9 0 5 年，法 国人l e o nc r u e x 以可逆转的涡旋膨胀机为题申请了美国专利【2 1 ，在1 9 2 5 年， l n o r d i 申请了涡旋液体泵的专利。在随后近7 0 年里，涡旋机械都没有得到更深 入的研究和发展，其原因主要是由于涡旋机械的关键部件涡旋盘的加工精 基于m a t l a b 遗传算法工具箱的组合涡旋型线优化 度无法得到保证，各种加工手段、工艺设备和检测设备都不能保证高精度涡旋 型线的加工与检测。 直到2 0 世纪7 0 年代，由于能源危机以及温室效应的出现，使得对节省能 源和环境保护的要求日益高涨，涡旋机械以其效率高、振动噪声小、结构简单 和运转平稳等显著优点满足了人们对节能和环保的要求，同时高精度数控加工 技术的发展，也为涡旋机械的发展带来了机遇。1 9 7 2 年，美国a d l 公司首次 采用双伸轴两级压缩的结构，成功开发出了排气压力为l 7 m p a 的氦气涡旋压缩 机，展现出涡旋机械独特的优点。1 9 7 3 1 9 7 6 年间，美国和瑞士先后开发了空气、 氦气及氟利昂等介质的涡旋压缩机，从此涡旋压缩机的系列化产品相继出现。 1 9 8 1 年，日本三菱重工推出了用于汽车空调的涡旋压缩机【1 0 1 ；1 9 8 2 年，三电公 司开始批量生产汽车空调涡旋压缩机；1 9 8 3 年，日立公司开发出0 1 5 3 7 3 k w 的全封闭涡旋压缩机用于单元式空调和柜式空调1 1 u ；松下电器于与1 9 9 0 年开始 大规模生产小型立式空调涡旋压缩机【1 2 j ；丰田公司大批量生产涡旋式汽车空调 压缩机用以装备其公司生产的轿车；东芝公司把涡旋压缩机作为新干线高速火 车的空调压缩机，成为新干线高技术组合的一部分。 目前涡旋压缩机的研究制造主要集中在美国、日本、中国、法国和韩国等 国。日本从事涡旋压缩机商业开发的主要生产厂家有：日立、大金、三菱电器、 三菱重工、松下、三洋、东芝、三电等十几家公司，其生产规模分别在年产2 0 1 0 0 万台。美国从事涡旋压缩机生产的厂家有：考普兰、开瑞、特龙、泰康等公司。 此外，韩国的l g 公司和三星公司也批量生产涡旋式空调压缩机。瑞典的a t l a s 公司在涡旋空气压缩机方面也具有一定的生产能力。 2 0 世纪8 0 年代后期，在我国涡旋压缩机逐渐成为研究热点，先后有西安交 通大学、兰州理工大学和合肥通用机械研究所，以及一些其他的研所和工厂， 对涡旋压缩机进行了研究，并在理论研究和工程实践上取得了相当的成果，成 功地研制了多种涡旋压缩机的产品样机。近些年来又有清华大学、重庆大学、 东北大学、华中科技大学、合肥工业大学等高校也进行了相关的研究，在理论 研究和工程实践上也取得了大量的成果，成功地研制了多种涡旋压缩机的产品 样机系列汽车空调涡旋压缩机、涡旋空气压缩机、天然气涡旋压缩机、无 油润滑涡旋压缩机、特种涡旋压缩机等。 目前我国的商业空调涡旋压缩机生产仍以中外合资为主，广州万宝压缩机 股份公司引进了日立公司单元空调用全封闭涡旋压缩机的生产线，西安大金庆 安压缩机有限公司同日本大金工业株式会社合作，日本三洋公司与大连冰山集 团合作，生产柜式空调涡旋压缩机，谷轮公司在苏州投资建设了年产进1 0 0 万 2 硕士学位论文 台3 7 3 k w 涡旋压缩机的生产线。同时，我国有很多厂家正在自行小规模开发生 产涡旋压缩机。 1 3 涡旋压缩机的应用领域 涡旋压缩机的应用领域非常广泛，且不断在扩大，主要用作涡旋制冷压缩 机、涡旋空气压缩机、涡旋增压器、涡旋液体泵、涡旋发动机、涡旋膨胀机和 涡旋真空泵等。涡旋压缩机主要应用于【1 3 】： ( 1 ) 空气压缩机 在制冷和空调领域涡旋压缩机的应用最为广泛和成熟，大多数制成封闭式 压缩机，但是也可以制成刀：启式结构用于汽车和列车空调系统用压缩机，为提 高气量已发展到采用多机并联机组的设计形式。 涡旋空气压缩机的品种和规格较多，排气量主要集中在0 6 3 m 3 m i n 之 间，主要是动力用涡旋空气压缩机。近年来国内在无油润滑涡旋空气压缩机方 面进行了深入的研究。兰州理工大学所研发的用于燃料电池发动机的无油润滑 涡旋空气压缩机采用双涡旋结构，实现在相同排气量的条件下，减小了动、静 涡旋盘的外形尺寸，同时也减小了动、静涡旋盘之间的相对速度，进而减小摩 擦磨损，降低了实现无油润滑的难度。 ( 2 ) 涡旋增压器 在增压器应用方面，比较典型的是汽车发动机用涡旋增压器。德国大众公 司成功开发了著名的g 增压器，使得发动机的功率提高了3 5 。涡旋增压装置在 2 0 世纪9 0 年代以后，又被谷轮公司制造成医用空气动力源，效果也比较理想。 此外，也有研究和探讨涡旋膨胀机和涡旋压缩机两者结合，利用汽车排出废气 的能量实现对新鲜气体的增压。 ( 3 ) 真空泵 涡旋机械也可作为真空泵应用，所达到的极限真空比一般回转真空泵高。 涡旋真空泵也可制成公转型和自转型两种结构形式。自转型涡旋式真空泵的涡 圈之间，密封线的位置和方向始终不变，这样，通过调节涡盘径向的作用力， 达到更好的径向密封效果。目前涡旋真空泵的真空度可达1 0 。2 p a ，这比滑片式 真空泵所能达到的真空度提高了近1 0 倍。 1 4 国内外研究现状 涡旋原理早在1 8 8 6 年意大利的专利文献中就已经提到。2 0 世纪7 0 年代， 能源危机和数控加工技术的出现给涡旋机械的发展带来了机遇。尤其在能耗较 三l 基于m a t i _ a b 遗传算法丁具箱的组合涡旋型线优化 高的制冷空调业，采用涡旋原理研发高效率、性能可靠的容积式压缩机的研发 步伐逐步加快。随着日本和美国的多家公司加入到涡旋压缩机研发及工业化生 产的行列，涡旋机械逐步在空调制冷领域实现了商业化应用。从此，涡旋机械 开始规模化开发和应用，其应用领域逐步从空调压缩机向制冷压缩机、空气压 缩机以及真空泵领域发展。 1 涡旋型线 涡旋压缩机的不少改进，都围绕着型线进行，常见的型线主要有圆渐开线、 正多边形渐丌线( 偶数或奇数多边形) 、线段渐开线、半圆渐开线、阿基米德螺 旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线以及通用型线等，其中通用型线较为引人注 目。特定的几何轮廓曲线数学模型一经确定，其固有的几何特性和数学特性无 法变更，因而性能受到根本制约，同时可加工性不好。研究人员对特定的涡旋 型线进行改良和修正，如增加根部轮廓厚度、设置过渡圆弧、采用多基圆、改 变基圆圆心位置、双圆弧修正、二次函数修正、三角函数类修正等，以期获得 较高的性能和可加工性。 国外涡旋压缩机型线研究技术比较成熟，发展速度较快且具有较强的生产 能力。日本学者t a k a h i s ah i r a n o 1 4 1 5 j 等在对涡旋压缩性能研究的基础上，提出了 一种修正型线理论，在基圆渐开线的起始端基于加工和改善排气角的考虑，利 用两段圆弧进行修正，即p m p ( p e r f e c tm e s h i n gp r o f i l e ) 涡旋型线。p m p 型线能够 较好的改善压缩性能。而后，各国研究人员在此基础上提出了各种改进方案并 加以理论论证，形成了一系列改进型线理论。丹麦工业大学的j g r a v e s e n 等【1 6 j 从微分几何理论的角度出发，研究了平面曲线的特性方程，为优化研究的可能 性奠定了基础。日本学者m a k o t oh a y a n o 等1 1 7 1 贝j j 研究了一系列半圆渐开线的几 何特性和热力、动力解析关系式，建立了基于半圆渐开线的型线理论，并制造 出样机进行了实验研究。j w b u s h 等学者【1 8 】提出了组合型线的设计思路，并得 出了由渐开线、高次曲线、圆弧组合而成的型线可以提高其面积利用系数，详 细描述了作为涡旋型线的共轭型线的特点，引出了节曲线的概念，推导了所谓 通用型线的控制方程，指出了常用型线方程在通用型线控制方程中的表现形式。 g t o j o 等人f 1 9 】采用变基圆渐开线作为涡旋型线。kh i r o k a t s u 等人1 2 0 采用代数螺 线作为涡旋型线，在吸气容积相同时可降低涡旋齿的高度。 国内涡旋压缩机理论研究和生产实践也取得了巨大的成果，兰州理工大学 的刘振全老师提出了渐开线涡旋压缩机圆弧修正的图解法，并用微分几何对图 解法进行了证明，成功地应用于涡旋压缩机的设计中【2 1 仍】。兰州理工大学的刘 涛老师提出了一种新颖的涡旋压缩机型线生成方法一法向等距法，论证了型 4 硕十学位论文 线的生成原理，推导出涡旋型线的一般方程形式，讨论了母线类型与涡旋型线 的关系，总结了法向等距线法相对于展成法的优点【矧。邵兵、王训杰等利用微 分几何共轭曲面和法向等距曲线理论证明了代数阿基米德涡旋线作为涡旋压缩 机型线的可行性【2 5 啪j 。西安交通大学的屈宗长教授、樊灵博士对通用型线涡旋 压缩机的有关几何理论、通用型线涡旋压缩机的误差及运动进行了较为详细的 研究分析【2 7 捌。西安交通大学的顾兆林教授对双涡圈涡旋压缩机的理论及工程 应用问题进行了研究，并在大排量的涡旋压缩机中采用双涡旋结构，使结构尺 寸变小，为大排量的涡旋压缩机的设计提供了理论基础1 2 9 1 。重庆大学的陈进教 授、王立存博士对最新提出的可取函数类涡旋型线广义泛函方程的集成形式进 行了研究，其研究结果为广义泛函集成涡旋型线的工业应用奠定了理论基础， 拓展了涡旋型线的设计思路【弧3 3 1 。国内学者丰富和发展了涡旋压缩机的型线理 论。 2 涡旋齿的结构参数优化 在涡旋压缩机的设计过程中，结构参数的优化设计是提高压缩机性能的有 效途径，在相同的使用目的下，涡旋齿型线几何参数不是唯一的。围绕如何提 高压缩机容积效率、机械效率、稳定性及受力特性，在研究涡旋齿各个参数对 压缩机性能影响的基础上，采用优化设计方法可获得最佳的涡旋齿几何参数组 合。日本的森下悦生提出涡圈齿高相对于排气量应有个适用范围1 3 引。开瑞公司 的s e t e m a d 分析了涡旋参数受加工和安装尺寸限制时对整机性能的影响【3 5 碰】。 n i s h i i 等从机械效率的角度研究了涡旋压缩机参数的优化关系【3 7 1 ，陈进等提出 了基于多目标遗传算法的涡旋型线形状优化【3 。 3 机构模型与柔性结构 涡旋压缩机的动、静涡旋盘之间的公转平动运动关系及其运动特性，可以 用机构学中的具体机构加以描述。兰州理工大学的刘振全教授首先采用曲柄和 双滑块机构作为涡旋压缩机理论机构模型，从机构学的基本原理出发，对涡旋 压缩机的工作原理进行的分析，揭示了涡旋机构成立及实现正确运动的条件和 普遍规律，同时其机构模型涵盖了涡旋压缩机径向柔性机构的基本原理【3 8 埘】。 此外，涡旋压缩机的两动、静涡旋盘之间的运动规律，也可以由平面四杆机构 加以描述1 4 z 。 涡旋压缩机的柔性机构有径向柔性机构和轴向柔性机构。径向柔性机构是 在动涡盘的离心力的作用下，使其径向啮合间隙实现自动补偿，可以补偿磨损、 增进密封，以确保压缩机在出现液击等非正常工况下的安全运行。常见的径向 柔性机构【4 3 娟l 有：偏心套结构、扁平销轴套结构、松轴套销钉结构、偏心转盘 5 基于m a t l a b 遗传算法工具箱的组合涡旋型线优化 结构、棱柱销转套结构和滑块式调节结构等。由于涡旋压缩机压缩腔内气体的 轴向力，可使两动、静涡旋盘出现相互分离的趋势，不利于形成密闭的压缩腔， 因此经常采用轴向柔性机构。通常采用的轴向随变技术f 4 7 1 ，不但能够平衡轴向 气体力，减小气体的泄露，而且能够补偿轴向的磨损，提高涡旋盘的使用寿命。 4 工作过程特性与模拟 为了深入理解涡旋压缩机的工作特点，通过建立其工作过程数学模型镐j 来 研究涡旋压缩机的工作过程特性，分析涡旋压缩机的进排气容积变化、进排气 损失、泄露损失、润滑油量、背压选取及腔体结构等因素对性能的影响。对于 涡旋压缩机工作过程进行研究的另一种方法是直接实验测量控制容积内气体状 态参数的变化情况，分析其规律，寻求原因并进行改善【4 引。 气体泄漏对压缩机性能起到决定性的影响f 5 0 j ，合理的啮合问隙不但能减少 气体泄漏，而且能保证两涡旋盘在运转中不发生干涉。然而在实际工作中，由 于力变形和热变形的存在，导致工作状态下的啮合间隙值发生变化，不等于设 计值，间隙过大会造成气体泄漏的增加，间隙过小又容易发生烧伤咬死等现象。 气体在压缩过程的发热是无法避免的，温度过高不但增加压缩功耗，而且 也将导致主要零部件发热变形，由于涡旋压缩机具有多个工作腔，各个工作腔 内的气体温度、压力都不相同，因而压缩过程中气体的传热是十分复杂的。 5 主要零部件的力学特性 涡旋压缩机的主要零部件动涡旋盘、主轴和支架体等的动力学特性， 直接影响涡旋压缩机的平稳运行、整机振动、使用寿命和可靠性。通过建立整 机的动力学模型1 5 ，并对其动力学特性进行分析研究，可以改善主要运动部件 的工作状况。涡旋盘是涡旋压缩机最为关键的零部件。文献 5 2 1 提出了一种不同 于以往的新型涡旋几何模型，围绕无倾覆力矩的涡旋型机械展开研究，力求在 不增加泄露损失、不增大涡旋径向尺寸的约束条件下，完全消除倾覆力矩，使 整机效率和能效比得到提高，最终获得良好的经济性。 6 变频调节技术 变容量调节是涡旋压缩机的一个重要的性能要求。随着变频技术的发展， 单元空调压缩机中开始大量采用变转速调节容量。一些公司还将双机共装于一 个壳体内，其中一个为固定容积，另一个为可变频调节，扩大了容量的调节范 围f 5 3 】。容量调节的另一种方法是采用数码涡旋压缩机。数码涡旋压缩机【5 4 】是采 用轴向随变机构，来实现对涡旋压缩机加载和卸载以调节排气量。数码涡旋压 缩机在空调系统中的应用，可使空调不必使用昂贵的变频控制器就可以实现制 冷量在1 0 1 0 0 范围内的调节，使系统效率提高4 0 ，同时克服了电源高次 6 硕七学位论文 谐波对电网的干扰。 1 5 涡旋压缩机的发展展望 涡旋压缩机是近十几年来迅速发展起来的一种新型容积式压缩机，主要用 于制冷、空调，真空泵等行业。首先，这种机器无进气阀，流动损失及泄漏损 失极小，具有极高的容积效率：其次，压缩过程缓慢，压力脉动小，动平衡性 好，振动小，噪声低。运行平稳；另外，这种机器结构简单，零部件少，体积 小，重量轻，可靠性高，基于这个优点，涡旋压缩机在短短的十几年中得到了 极快的发展而成为制冷、空调压缩机领域内的重要一支1 5 引。 通过对目前涡旋压缩机研究现状的总结和分析，涡旋压缩机的发展从以下 几个方面： ( 1 ) 提高涡旋压缩机加工工艺，保证压缩机性能和品质。 ( 2 ) 降低生产制造成本仍然是研究工作的首要任务，需要进一步提高涡旋 盘的生产效率、设计出更加紧凑和更加适宜于工业化生产的涡旋盘机构形式， 来增强涡旋压缩机的市场竞争力，在保证性能和品质的基础上降低生产成本， 寻找具有良好性能的型线，从而降低产品价格，并实现大批量生产。 ( 3 ) 研究新的环保型制冷剂对涡旋压缩机结构的新要求。 ( 4 ) 增大涡旋压缩机的功率范围，拓展其应用领域，特别是研究其变频特 性以及在空调热压缩机中的应用，实现产品的系列化。 ( 5 ) 不断和最新的工业技术相结合，促进涡旋压缩机技术水平和制造工艺 的快速提高。如采用变频调速技术，数码涡旋技术等新技术。 ( 6 ) 改进压缩机的平衡机构，特别是轴向气体力的平衡。减少气体的泄露， 减少机械摩擦损失，从而提高涡旋压缩机的工作效率和可靠性。 ( 7 ) 加强对实际运行的实验研究，建立起关于涡旋压缩机理论和实验相应 发展的统一体系。 ( 8 ) 建立系统的包括压缩机油冷却、供油、电机等外部系统在内的模块化 数学模型，使之具有通用性：并在原有基础上强化对压缩机内部热力学特性、 动力学特性的研究，更完善地分析压缩机各种运行工况下的工作过程。 ( 9 ) 通过对涡旋机械工作过程的研究及其结构的优化设计，采用新的材料 与新的机构来减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热损失和气流阻力损失， 提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。 7 基y - m a t l a b 遗传算法工具箱的组合涡旋型线优化 1 6 课题的来源及研究意义 1 6 1 课题的来源 本课题研究来源于甘肃省自然科学基金项目“基于正交际架广义函数的涡 旋机械集成型线研究”( 0 7 1 0 r j 2 a 0 6 1 ) 。 1 6 2 课题的研究意义 涡旋压缩机属于容积式压缩机，其工作过程主要是通过控制容积的变化来 实现的，而容积的大小则取决于动、静涡盘的型线，所以型线设汁足涡旋压缩 机设计的一个最基本的问题。压缩机的不少改进都是围绕着改进优化型线进行 的，故对型线进行研究具有重要意义。涡旋压缩机具有结构紧凑、高效节能、 微振低噪和可靠性高等诸多特点，在制冷和空调等领域被广泛应用。但是传统 涡旋型线受其本质特性的影响，压缩效率、体积利用系数和应用范围均受到限制。 目前涡旋型线的优化设计是在单一型线设计研究的基础上进行的，对于单一涡旋 型线的数学模型，而在研究其啮合特性和压缩机机理的基础上进行改进、修型 和参数优化，以获得性能较好的涡旋型线。h i r a n o 等人提出的p m p ( p e r f e c t m e s h i n gp r o f i l e ) 型线着眼于压缩机整机性能的提高。l e ey r 和、uw e 提出的延 伸渐开线型线，放松了型线啮合条件，动静涡旋的型线可以分别进行控制。 j w b u s h 等学者提出了组合型线的设计思路，推导了所谓通用型线的控制方程。 虽然目前在涡旋压缩机型线方面的广泛研究，为型线的设计提供了指导和 参考，但就其研究成果而言，尚有待进一步研究和完善。当涡旋压缩机行程容 积越大时，其容积比越大，这样涡旋压缩机兼顾吸气、压缩、排气的全过程， 具有提高面积利用系数、提高排气量和压缩比、缩短型线长度和圈数、减少加 工工时、缩短压缩过程等特点。本文针对单一型线的缺点，以涡旋压缩机行程 容积为目标函数，对组合涡旋型线进行优化，用法向等距法生成涡旋压缩机型 线的方法，设计出优化的涡旋压缩机型线，为提高涡旋压缩机的性能提供了理 论依据。 在总结国内外理论成果的基础上，针对现有研究中存在的问题，基于 m a t i _ a b 遗传算法工具箱对组合涡旋型线进行优化，为节约能源提供了可靠途 径，对减少制冷设备和汽车空调的能源消耗，提高人类居住的舒适性具有重大 意义。 8 硕士学位论文 1 7 课题的主要研究内容 本文根据涡旋压缩机涡旋型线的研究现状，选取基圆渐开线一高次曲线一 圆弧组成的组合涡旋型线进行优化，优化得到了行程容积较大的组合涡旋型线。 具体的研究内容如下： 1 涡旋压缩机的基本结构和工作原理 详细阐述了涡旋压缩机的基本结构和工作原理，对涡旋压缩机的关键技术 进行了叙述，分析了涡旋压缩机的优缺点。 2 涡旋犁线几何理论及其行程容积的计算 着重探讨了组合涡旋型线的几何理论，给出了组合型线的通用理论及其集 成形式。针对本文研究的组合涡旋型线优化问题，依据微分几何学中的平面曲 线理论，建立组合涡旋型线，再由法向等距线法生成组合涡旋型线的内、外壁 型线，并给出了行程容积的计算公式。 3 基于m a t l a b 遗传算法工具箱优化组合涡旋型线 基于m a t l a b 遗传算法工具箱，将行程容积设定为目标函数进行优化计算， 把优化结果与不同参数下组合型线及传统单一渐开线的行程容积对比，得到了 行程容积较大的优化组合涡旋型线。 4 涡旋盘的数控加工 介绍了涡旋盘的数控加工的方法、涡旋盘加工要求的精度和数控加工技术， 并对组合涡旋型线的数控加工进行了初步探索。 9 基于m a t l a b 遗传算法工具箱的组合涡旋型线优化 第2 章涡旋压缩机的基本结构和工作原理 2 1 涡旋压缩机的基本结构 涡旋压缩机的整体机构大致可分为公转型和回转型两种基本机构模型。公 转型涡旋压缩机中的一个涡旋盘固定不动，称为静涡旋：而另一个涡旋盘为动 涡旋，动涡旋围绕着静涡旋作公转平动，即只作公转运动，而不能自转。回转 型涡旋压缩机是两个涡旋盘同步同方向各自绕自身转轴旋转两个涡旋都是动 涡旋，但两者之间仍作公转平动。公转型机构较常采用，这种机构包括动静式 和敢公转式两种形式。最常见的公转型机构形式是动静式即动涡盘围绕静涡盘 中心作公转平动。而在双公转式涡旋压缩机中，两涡旋盘均以各自的公转半径 作公转运动，其中由原动机通过曲柄带动的涡盘称为主动涡旋盘，而另一涡盘 称为随动涡旋盘或自由涡旋盘，其运动靠主动涡旋盘带动。从具体结构看。涡 旋压缩机不设吸、排气阀，增大了高速运转的可靠性。传动系统足涡旋压缩机 的核心机构。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，像主轴反转机构；另一类用于保证涡旋压统机构正常工作，如防自转机构。 涡旋压缩机的主要零件包括动涡盘、静涡盘、支架、偏心轴及防自传机构 等，其中动、静涡盘，是涡旋压缩机最主要的零件如图2 1 所示，根据主轴是 否封闭涡旋压缩机分为如图2 2 所示的全封闭式结构和如图2 3 所示的开启式结 构两种类型1 2 q ，全封闭式涡旋压缩机又分为高压腔结构和低压腔结构两种类型。 高压腔结构，即压缩腔直接排气于壳体内，然后通过接管排出：低压腔结构， 压缩机吸入的低压气体先进入壳体内，然后被压缩机吸入，排出的气体经壳体 上方的盖腔，再通过接管排出，这种结构的筒体内腔实际上被分割成高、低压 两个空间。高压腔形式和低压腔形式有各自的优点和缺点，因此在工程中都有 广泛应用。 围2 1 涡旋压缩机动、静涡旋盘 硕士学位论文 图22 全封闭式涡旋压缩机 图23 开启式涡旋压缩机 高压腔结构的一般特点为： ( 1 ) 一般动涡旋盘背面均设置平衡其轴向气体力的中间压力腔，动、静涡 旋盘涡旋齿顶端可不设置密封条。中间压力腔所形成的对动涡旋盘的轴向作用 力大干压缩腔气体力对动涡旋盘的轴向气体作用力，动涡旋盘自动靠紧静涡旋 盘，在齿顶磨损后形成自动补偿。 ( 2 ) 排出气体中的油大部分在壳休内就已经分离，并回到壳体下方的储油 池。 ( 3 ) 润滑油可利用压差输送至各摩擦面。 基丁m a t l a b 遗传算法下具箱的组合涡旋犁线优化 ( 4 ) 进气被加热程度较小。 ( 5 ) 壳体温度较高，润滑油冷却情况较差。 ( 6 ) 为防止机器在停止运行时产生逆转，以及润滑油可能充满涡旋工作腔 和进入吸气管道系统，因此进气口一般应设止回阀。 低压腔结构的一般特点为： ( 1 ) 电动机可受到进气的冷却。 ( 2 ) 进气被加热的程度较大。 ( 3 ) 排气中油分离较困难，通常在高、低压隔板上开设一个小孑l 回油。 ( 4 ) 需要专用的油泵或主轴上的偏心孔在工作时产生的向上的悬浮力将润 滑油输送至各摩擦面。 ( 5 ) 壳体温度较低，润滑油冷却情况较好。 ( 6 ) 为防止机器在停止运行时产生逆转，排气口应该设止回阀。 全封闭式涡旋压缩机的优点： ( 1 ) 润滑系统简单、可靠。 ( 2 ) 结构简单、设计紧凑、体积小、重量轻。 ( 3 ) 轴向间隙与径向间隙密封可靠，且不随磨损量增加而降低密封效果， 典型的柔性密封机构。 全封闭式涡旋压缩机的缺点： ( 1 ) 电动机处于高温环境中，其寿命和工作效率受到影响，电机绝缘等级 要就较高。 ( 2 ) 安装、维修复杂，对维修操作工技术要求高。 外驱动式涡旋压缩机的优点： ( 1 ) 安装维修简单。 ( 2 ) 电动机位于机外，电机绝缘等级要求较低。 外驱动式涡旋压缩机的缺点： ( 1 ) 密封困难，特别对于可燃、易爆气体密封更是增加密封难度。 ( 2 ) 结构复杂，体积相对偏大。 2 2 涡旋压缩机的工作原理 涡旋压缩机是近十余年来才开始实用化的一种新型压缩机，是目前最先进 的一种压缩机，制冷量范围从4 k w 到4 0 k w 。涡旋压缩机的原理是利用动涡旋 盘和静涡旋盘的啮合，形成多个压缩腔，随着动涡盘的运转，使各压缩腔的容 积不断变化来压缩气体。动、静涡旋体型线完全一样，动涡旋体相对静涡旋体 1 2 硕士学位论文 偏心并相差1 8 0 0 相位对置安装。理论上，动、静涡旋体只在几条啮合线处接触 ( 横截面处为几个点) ，涡旋体的端部与相对涡旋体的端部相接触，从而在动静 涡旋体间形成一系列的月牙形腔体，当动涡旋绕静涡旋中心以定的旋转半径 作无自转的回转平动时，外圈的月牙形腔体便不断向中心处移动使基圆容积 不断缩小，腔体内的气体被压缩，静涡盘的外侧( 吸气孔可开在端部或侧部) 开有吸气孔，在顶部端面中心部位开设有排气孔，压缩机工作时，空气或气体 制冷剂从吸气孔进入动静涡旋体问最外圈的月牙形腔体( 吸气腔) ，随着动涡旋 体的公转平动，气体被逐渐的推向中心空间，其容积不断缩小而压力不断升高 直至与中心排气腔相通，高压气体被排出压缩机。动涡旌盘由一个偏心距很小 的曲柄轴驱动，绕静涡旋盘平动，两者之间的接触线在运转中沿涡旋曲面移动。 它们之问的相对位置，借安装在动涡旋盘和固定部件问的十字滑环来保证。 基圆渐开线型涡旋压缩机的工作过