（机械制造及其自动化专业论文）双螺杆压缩机转子的研究.pdf

摘要 摘要 双螺杆压缩机以其便于制造，结构简单，成本低，效率高等优点，广泛用于空气动 力、工业制冷、中央空调和工艺流程等场合，被称为“通用机械”。双螺杆压缩机的核 心部件是一对相互啮合的转子，其转子型线直接决定压缩机的性能，我国在转子型线的 设计和研究上与世界先进水平存在一定的差距，因此对双螺杆压缩机的转子型线进行研 究和开发新的转子型线具有重要的理论意义和现实作用。 本文对双螺杆压缩机转子型线类型进行了研究，转子型线是生成双螺杆压缩机阴阳 转子的基础，直接反映了双螺杆压缩机阴阳转子的外形尺寸和形状。利用转子型线推导 出阴阳转子接触的啮合线，从而计算出双螺杆压缩机几个重要的性能参数，如泄漏三角 形面积、接触线长度、齿间面积、理论排量和额定功率等。通过整理、总结和归纳近年 来国内外典型的、性能较好的十种转子型线，分析其型线的组成齿曲线的类型结构，基 于曲线理论，利用参数方程的形式完成了这十种转子型线的生成，在此基础上推导了这 十种典型转子型线的啮合线方程，计算了它们各项主要的性能参数，并最终总结了双螺 杆压缩机转子型线的设计原则。 传统的转子型线设计从复杂的方程开始，其效率相对较低，本文提出了新的转子型 线的生成方法，即基于转子啮合线逆向生成双螺杆压缩机的阴阳转子型线，加快了转子 型线开发的过程。该方法是在一典型的啮合线上规定几个控制点，然后按控制点将该啮 合线分为几个功能段，不同的功能段分别控制压缩机转子型线的形状，利用三次样条曲 线，根据控制点的位置和斜率重新生成啮合线。通过坐标系的空间变换，生成新型的转 子型线，并最终计算出生成的转子型线的各项性能参数。调节三次样条曲线的起点及终 点的坐标和斜率，可以生成形状不同的转子啮合线，继而产生不同的转子型线，也就达 到了调节双螺杆压缩机性能的目的。生成的转子型线及啮合线以a s c 格式的文件保存， 使用逆向工程软件i m a g e w a r e 以及三维造型软件u g 4 0 可得到转子的三维实体模型以及 整体的装配模型，利用u g 4 0 的仿真模块完成了阴阳转子的运动学仿真模型的建立、分 析和检查机构的运动规律以及干涉情况。 最后，采用v c + + 编程开发工具并结合m f c 模块，将基于曲线理论生成典型转子型线 和基于啮合线逆向生成转子型线的过程整合，开发可视化应用软件。利用m f c 模块类库 的特征及其封装有大量a p i 函数，编程时可以大幅度降低编程的复杂度和难度。本软件 实现了转子型线及其啮合线的绘制，用户可通过人机交互界面，输入相应啮合线参数生 成啮合线以及相应的转子型线；通过直接选择国内外性能优良且典型的啮合线生成转子 型线。软件利用图形窗口，将得到的结果直观的显示出来，并最终保存相应的数据文件。 关键词：双螺杆压缩机；啮合线；转子型线；功能段；运动仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fc o n v e n i e n tm a n u f a c t u r e ，s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y , t w i n s c r e wc o m p r e s s o r sa r ew i d e l yu s e di na i rd y n a m i c ，i n d u s t r i a lr e f r i g e r a t i o n ，c e t e ra i rc o n d i t i o n a n dt e c h n o l o g yp r o c e s sa n di th a sb e e nc a l l e d g e n e r a lm a c h i n e r y t h ec e n t e rp a r to ft w i n s c r e wc o m p r e s s o r si sap a i ro fr o t o r sm e s h i n gw i t he a c ho t h e r , w h o s ep r o f i l ed e c i d e st h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o m p r e s s o n t h ea b i l i t yt od e s i g na n dd e v e l o pr o t o rp r o f i l ei no u rc o u n t r y i sl o w e rt h a na b r o a d ，s ot h er e s e a r c ho nt h ep r o f i l eo ft w i ns c r e wc o m p r e s s o r sa n dd e v e l o p p i n g n e w p r o f i l ei si m p o r t a n ta n dp r a c t i c a l t h i s p a p e r s t u d i e s t h e t y p eo fr o t o rp r o f i l e f o rt w i ns c r e wc o m p r e s s o r s r o t o r p r o f i l e ，w h i c hd e c i d e s t h es i z ea n ds h a p eo ft h et w i ns c r e wc o m p r e s s o r , i st h eb a s ef o r g e n e r a t i n gr o t o r s f r o mt h er o t o rp r o f i l e ，t h er o t o rs e a l i n gl i n ec a l lb ea b t a i n e d e d u c e df r o mt h e s e a l i n gl i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t w i ns c r e w c o m p r e s s o r , i n c l u d i n gt h eb l o w h o l ea r e a ，t h el e n g t h o f s e a l i n gl i n e ，t h e c r o s s s e c t i o na r e aa n dt h et h e o r e t i c a l d i s p l a c e m e n t c a nb e c a l c u l a t e d t e nt y p i c a lp r o f i l e si na n do u tw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea r ep r e s e n t e db yc l e a r i n g u p ，s u m m i n gu pa n dc o n c l u d i n g t h e s ep r o f i l e sa r ea b t a i n e dw i t hp a r a m e t e rs t y l eb a s e do nt h e c h iv et h e o r yb ya n l y s i n gt h ee l e m e n ta n dv a r i e t yo f p r o f i l e s ，a n dt e ns e a l i n gl i n e sa r ea b t a i n e d b a s e do nt h ep r o f i l e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ef i g u r e do u t ，a n dt h e d e s i g np r i n c i p l ei sc o n c l u d e d c o n v e n t i o n a ld e s i g hm e t h o dt h a ti sl o we f f i c i e n c y , s t a r t sf r o mc o m p l i c a t e de q u a t i o n a n e wm e t h o df o rg e n e r a t i n gr o t o rp r o f i l e s ，t h a tg e n e r a t er o t o rp r o f i l e sf r o ma r b i t r a r ys e a l i n g l i n e s ，i sp r e s e n t e d t h ep r o c e s si st om a r ks e v e r a lc o n t r o lp o i n t so n at y p i c a ls e a l i n gl i n e ，b a s e d o nt h ec o n t r o lp o i n t s ，t h es e a l i n gl i n ei sd i v i d e di n t os e v e r a ls e g m e n t s ，w h i c hd e c i d et h es h a p e o ft h er o t o rp r o f i l e an e wk i n do fs e a l i n gl i n ei sc r e a t e dw i t hc u b i cs p l i n eb a s e do nt h e p o s i t i o na n dg r a d i e n to fc o n c r o lp o i n t s t h ec o r r e s p o n d i n gr o t o rp r o f i l e i sa b t a i n e db y s w i t c h i n gc o o r d i n a t e ，a n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ri sf i g u r e do u t w h e nt h et h ep o s i t i o na n d g r a d i e n t o fc o n c r o l p o i n t sc h a n g e ，t h e d i f f e r e n tr o t o r p r o f i l e s a r ea b a i n d e d ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h et w i ns c r e wc o m p r e s s o ri sa d j u s t e d t h ed a t ao fr o t o rp r o f i l e sa n ds e a l i n g l i n e si ss a v e dw i t ht h et y p eo fa s cf i l e s ，t h e3 da n da s s e m b l e dm o d e la r ea b t a i n e db yt h e s o f t w a r eo fi m a g e w a r ea n du g 4 0 t h ek i n e m a t i cs i m u l a t i o no fm a l ea n df e m a l er o t o r s i n c l u d i n gb u i l d i n gm o d e l ，a n a l y s i s ，c h e c k i n ga n di n t e r f e r e n c ea n a l y s i s ，i sc o m p l e t e dw i t h s i m u l a t i o nm o d u l ei nu g 4 0 v i s u a ls o f t w a r ei sd e s i g n e db yu s i n gv c + + p r o g r a m m i n ga n dm f cg r a p h i c sl i b r a r y b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e m f ci sal i b r a r yt h a tc o n t a i n sm o r et h a nt w ot h o u s a n da p i f u n c t i o n s ，t h a tt h ec o m p l e x t ya n dd i f f i c u l t yf o rp r o g r a m m i n ga r ed e c r e a s e d t h er o t o rp r o f i l e a n ds e a l i n gl i n ea r ea c h i e v e da n dt h ed a t ai ss a v e db yt h i ss o f t w a r e b yi n p u t t i n gp a r a m e t e r s o f s e a l i n gl i n e ，t h ec o r r e s p o n d i n gs e a l i n g l i n ea n dr o t o r p r o f i l ea r e a c h i v e dw i t h h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，o rb yc h o o s i n gt y p i c a lr o t o rp r o f i l ed i r e c t l y , t h er o t o rp r o f i l e i s a c h i v e d t h er e s u l t sa r ed i s p l a y e db yg r a p h i c sw i n d o w , f i n a l l y , t h ed a t af i l e sa r es a v e d k e y w o r d s ：t w i ns c r e wc o m p r e s s o r ；s e a l i n gl i n e ；r o t o rp r o f i l e ；f u n c t i o n a ls e g m e n t s ；k i n e m a t i c s i m u l a t i o n i i 1 4 1 课题研究的意义6 1 4 2 课题研究的内容6 第二章双螺杆压缩机转子及其性能参数7 2 1 引言。7 2 2 转子型线及其发展过程7 2 2 1 对称圆弧型线7 2 2 2 不对称型线8 2 2 3 新型的不对称型线9 2 3 转子型线的性能参数1 0 2 3 1 接触线长度1 0 2 3 2 泄露三角形面积1 0 2 3 3 封闭容积1 1 2 3 4 齿间面积及容积1 1 2 4 转子型线的设计原则1 1 2 5 本章小结1 2 第三章基于曲线理论的转子型线研究1 3 3 i 引言1 3 3 2 转子型线方程和啮合线方程1 3 3 2 1 坐标系的建立及坐标变换1 3 3 2 2 转子齿曲线及其共轭曲线1 5 3 3 双螺杆压缩机转子型线及其啮合线生成方法1 7 目录 3 3 1 原始对称圆弧型线及其啮合线1 8 3 3 2 双边对称圆弧型线及其啮合线2 0 3 3 3 原始不对称型线及其啮合线2 2 3 3 4 单边不对称摆线一销齿圆弧型线及其啮合线2 5 3 3 5a t l a s - x 型线及其啮合线3 0 3 3 6s r m - a 型线及其啮合线3 3 3 3 7g h h 型线及其啮合线3 6 3 3 8s r m d 型线及其啮合线3 8 3 3 9 复胜型线及其啮合线4 1 3 3 1 0 日立型线及其啮合线4 3 3 4 双螺杆压缩机性能参数计算方法4 8 3 4 1 接触线长度解析方法4 8 3 4 2 泄露三角形面积解析方法5 0 3 4 3 齿问面积和面积利用系数5 1 3 4 3 齿间容积及其变化过程5 2 3 5 本章小结5 3 第四章基于啮合线逆向理论的转子型线研究5 5 4 1 引言5 5 4 2 啮合线的生成5 6 4 2 1 样条曲线的基本介绍5 6 4 2 2 样条曲线函数5 7 4 2 3 样条函数的表达方式5 7 4 2 4 啮合线的分段方法5 8 4 3 基于啮合线转子型线的逆向生成6 0 4 3 1 单个齿曲线的逆向生成方法6 0 4 3 2 转子型线的整体逆向生成方法6 2 4 4 新型转子型线的设计6 3 4 4 1 典型转子啮合线对压缩机性能的影响6 3 4 4 2 新旧转子型线的性能对比6 6 4 5 本章小结6 7 第五章双螺杆压缩机的运动学仿真6 9 5 1 引言6 9 5 2u g 运动仿真模块介绍6 9 5 2 1u g 运动仿真模块概述6 9 5 2 2u g 运动仿真模块分析步骤6 9 5 2 3u g 运动仿真模块理论分析7 0 5 3 阴阳转子仿真模型的建立7 l 5 3 1 阴阳转子建模及装配7 1 5 3 2 运动副约束及驱动7 2 目录 5 4 仿真分析及后处理7 3 5 5 本章小结7 4 第六章双螺杆压缩机转子软件系统开发7 5 6 1 引言7 5 6 2m f c 模块的基本介绍7 5 6 2 1m f c 概述7 5 6 2 2m f c 常用的函数j 7 5 6 3 阴阳转子型线及啮合线的软件系统设计7 6 6 3 1 软件系统主界面：7 6 6 3 2 基于样条曲线生成啮合线的软件开发7 7 6 3 3 基于啮合线逆向生成转子型线的软件开发7 8 6 3 4 基于曲线理论生成转子型线的软件开发7 8 6 3 5 性能参数输出的软件开发8 0 6 4 点云数据输出及后处理8 l 6 5 本章小结8 2 第七章总结与展望8 3 7 1 本文工作总结8 3 7 2 思考与展望8 4 致谢8 5 参考文献8 7 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文9 l i i l 目录 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 通常所说的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机。双螺杆压缩机发明于2 0 世纪3 0 年代， 它具有结构简单、操作方便、维护成本低和运转可靠等一系列独特的优点，经过持续的 理论研究和产品开发试验，通过对阴阳转子型线的不断改进和专用转子加工设备的发 展，螺杆压缩机的优越性得到了不断的发挥，被广泛应用于空气动力、制冷、石油、化 工、冶金、医药等工业领域【1 1 。 双螺杆压缩机的核心工作部件是一对啮合的阴阳转子，阴阳转子的好坏直接决定了 螺杆压缩机的性能。转子型线决定了转子的形成，因此转子型线是决定双螺杆压缩机性 能的直接因素。双螺杆压缩机性能的改进以产品的推广是密不可分的，德国、日本、台 湾等都是依靠其新型线的丌发成功而发展的。当i i i 应用较为广泛的转子型线，如日立、 g h h 、复盛、s r m d 等型线，都是由国外螺杆压缩机公司所开发和掌握的，我国在这 方面的整体水平则相对落后，当前我国不少单位所采用的“单边不对称摆线一销齿圆弧型 线”，是我国的国标型线，但与国外型线相比，各方面性能有一定的差距，如压缩机功 耗比，噪声控制，效率等方面【2 】。也有厂家采用与a t l a s x 型线和g h h 型线类似的型线 技术，但要向国外公司高价购买许可证才能被允许生产使用，但其型线技术仍被国外开 发公司掌握，对国内的螺杆压缩机技术的发展毫无帮助。 随着科学技术的迅速发展，各国都在相互利用别国的先进技术加以消化、利用和创 新，在引进先进技术和设备创造好的技术成果和经济效益的同时，还须善于对先进的技 术、设备进行深入的研究、消化、吸收和创新，在此基础上开发出具有自主知识产权的 先进产品，并逐渐形成自主的技术体系，对于国外性能优良的转子型线，如何消化和吸 收先进的转子型线，对于缩小与国外压缩机产品性能上的差距、在市场上占有一席之地 有着十分重要的意义【3 1 。逆向工程又称反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，始于精密测 量和质量检测，反求技术包括影像反求、软件反求及实物反求等三方面，目前相对最多 人研究的是实物反求技术，它是研究实物c a d 模型的重建和最终产品的制造，狭义来 说，三维反求技术是将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分 析、修改及优化等技术【4 】。 相比较逆向工程而言，当前的螺杆转子型线设计大多是一种正向设计，首先设计选 择确定一个转子型线，然后依据共轭条件生成另一转子型线【5 1 。用此种方法在生成第一 个转子型线需花费大量的时间计算推导过程非常复杂【6 1 。而利用逆向工程技术的方法， 可以快速开发新的转子型线。通过逆向设计可以全面地理解螺杆原型的设计思路，发现 其优点和不足，增强产品的可靠性；通过逆向工程技术软件，可以完成基于数字化模型 的产品优化设计，以达到进一步修改原型设计的目的；通过逆向工程方法，可以有效缩 短设计周期，降低设计成本，为新产品的推广和快速占领市场创造条件【3 】。 江南人学硕十学位论文 1 2 压缩机的分类 根据压缩机的结构形式，可以分为三种类型：活塞式压缩机、单螺杆压缩机和双螺 杆压缩机【7 1 。 1 2 1 活塞式压缩机 活塞式压缩机是一种往复式的压缩机。中国古代发明的木质风箱是现代活塞式压缩 机的雏形，它的主要结构特点是在机体内部有单个或多个作往复运动的活塞【7 1 。活塞式 压缩机必须具有几个基本的工作部件：活塞、气缸、气阀和活塞环。活塞式压缩机的形 式有很多种，图卜1 为最常见的立式活塞式压缩机。如下图所示，在机体的内部，竖直 放置一个可以上下运动的活塞，活塞下端连接曲轴，曲轴旋转带动活塞竖直方向作往复 的上下运动8 1 。 图卜1 活塞式压缩机内部结构图 f i g 1 1 t h e i n n e rs t r u c t u r eo fp i s t o nc o m p r e s s o r s 活塞式压缩机的特点如下所示： 1 排气压力范围广，不论流量大小，都能得到所需的压力； 2 材料要求低，在一般的压力范围内，采用普通的钢铁材料； 3 排气稳定，排气量几乎不受排气压力影响； 4 驱动机构简单，大部分采用电动机，且一般不调速； 5 结构复杂笨重，易损部件较多，占地面积大，使用周期较短【9 1 。 2 第一章绪论 1 2 2 单螺杆压缩机 单螺杆压缩机属于回转式压缩机。如图卜2 所示：其结构特点是机体内有一个螺杆 与两个或两个以上的行星轮啮合。螺杆和星轮的外形一般有圆柱形( c ) 和平面形( p ) 两种，因此，根据使用的螺杆和星轮的不同，可组合成四种不同的单螺杆压缩机：p c 型、p p 型、c p 型和c c 型，目前应用最广的为c p 型，即螺杆为圆柱，星轮为平面的组 厶【l o 】 口 。 与活塞式压缩机相比，单螺杆压缩机具有如下特点： 1 零部件数量少，部件受损的几率小，产品的可靠性高； 2 机器结构简单，维护方便； 3 相比较活塞的往复运动，单螺杆压缩机螺杆的回转运动对机体的震动小，机器 产生的噪声低； 4 结构合理，具有理想的力平衡性，主机寿命较长； 5 为满足螺杆和星轮的啮合，减少泄露，机构的加工精度和制造成本相对较高【1 1 】。 星 图1 - 2 单螺杆压缩机内部结构图 f i g 1 2t h ei n n e rs t r u e t u r eo fs i n g l es c r e wc o m p r e s s o r 1 2 3 双螺杆压缩机 通常所说的螺杆压缩机即指为双螺杆压缩机。双螺杆压缩机发展历程较短，是一种 比较新颖的压缩机。如图1 - 3 所示，在双螺杆压缩机的腔体内平行的放置一对相互啮合 的螺旋形转子，称为阴阳转子。阴阳转子的区别为：在节圆外具有凸齿的称为阳转子； 在节圆内具有凹齿的称为阴转子【1 2 】。工作时，一个转子按顺时针转动，另一个转子按逆 时针转动。在压缩机机体的两端，分别开设一定大小和形状的孔口，一个作为吸气用， 称为吸气口；另一个作为排气用，称为排气口【7 】。 双螺杆压缩机的主要特点如下： 1 零部件少，没有易损部件，因此运转寿命长，机器大修的间隔期可达到4 8 万 小时： 江南大学硕十学位论文 图卜3 双螺杆压缩机内部结构图 f i g 1 2t h ei n n e rs t r t l c t u r eo ft w i ns c r e wc o m p r e ss o r 2 自动化程度高，操作维护方便； 3 机器运转时不具有不平衡惯性力，动力平衡好，适合做移动式压缩机； 4 体积小，质量轻，占地面积小； 5 具有强制输送的特点，容积流量几乎不受排气压力的影响，能保持较高的效率； 6 可进行多相流体混合输送。阴阳转子间留有余隙，因此能耐液体冲击，可压送 含液、含粉尘气体【1 3 】。 1 3 国内外双螺杆压缩机的研究现状 1 3 1 双螺杆转子型线检测 螺杆转子的表面为螺旋曲面，随着型线技术的发展，转子型线越来越复杂，检测难 度也随之增大，国内外很多研究人员对型线特征以及其测量方法进行了研究。 江南大学的何雪明等对三坐标测量方法和逆向工程中的数据重构技术进行了大量 且深入的研究，并取得了一定成果。在三坐标测量方法上提出了基于曲率连续的自适应 测量路径规划和基于五阶b 6 z i e r 曲线的自适应测量方、法【1 4 】 1 5 l ：在数据重构上提出了基 于神经网络的3 d 点数据自动排序技术和为散乱点云建立拓扑结构算法【1 6 】 1 7 】【1 8 】。这些技 术和方法已经用于生产实践，为提高双螺杆压缩机转子曲面的测量精度创造了良好条 件。 西北工业大学的李碧浩等对转子的型线特征进行了研究，介绍了压缩机转子型线的 发展，从简单的梯形和方牙形型线，到目前的由点、直线、摆线、圆弧和包络线等多种 曲线类型选择组合，并对转子型线的结构特征进行详细地阐述【l9 1 。 针对转子螺旋面的特征，沈阳工业技术交流中心的石国荣等分析得出螺旋线只与导 程有关，用三坐标测量螺旋线只需沿z 轴定向取点，即可获得转子的导程，并用解析法求 得球心轨迹所在测量曲面上的螺旋线，然后用三坐标测量机沿端面定向取点，形成的扫 描线即是球心轨迹所在测量曲面的端面型线，被测曲面和测量曲面是等距面的关系，采 用角度法去除数据上的杂点【2 0 】。 东北大学的隋天中、王忠本等对转子曲面的测量进行了研究。针对三维曲面测量时， 采用半球形测头的测量方法解决被测曲面螺旋扭曲对探头所造成的干涉，将曲面测量转 化为对曲线的测量，从而简化了测量和数据处理的过程【2 1 1 。 4 第一章绪论 国外对转子曲面测量方面进行大量的研究。瑞典的s r m 公司很早就_ 歼始对对螺杆压缩 机进行研究。德国的g h h 公司对压缩机转子的测量进行了大量的研究并开发了相应的软 件，并实现了阴阳转子实体啮合的动态运动仿真过程。z o n g x i a nl i u h i s a s h it a m u r a 等研究了螺杆转子加工中的误差因素，提出通过三坐标测量的数据，判定接触点位于型 线段上的位置的方法【2 2 】。 1 3 2 双螺杆转子型线设计 西安交通大学开发了螺杆压缩机转子型线设计、计算软件s c c a d ，该软件的特点是设 计的转子型线，可对动力特性、热力性能以及降低噪声等方面进行优化【2 3 】。目前，西安 交通大学利用该软件，已能够根据压缩机的具体应用场合，设计出动力特性和热力性能 好、噪声低的新型转子型线。其转子型线设计采用了世界上最先进的第四代型线，即双 边非对称圆弧包络线，它具有接触线短、排量大、啮合性能好和泄漏三角形小等优点【3 1 。 熊则男等以容积效率和功耗比为目标函数，研究转子型线对压缩机性能的影响，通 过接触线长度，泄漏三角形面积及转子的齿间面积利用系数来描述【2 4 1 。周瑞秋等综合分 析了转子型线常用方程，并且对阴阳转子的共扼关系做了一定的研究，在此基础上，提 出了转子型线的通用方程及其啮合线方程，将这些方程的用于软件设计，生成了h z 一3 、 j b 、s r m 等转子型线【2 5 1 。曹锋等研究了从一个转子的曲线方程推导出另一转子的型线方 程的方法，并利用理查森外推法进行转子型线设计【2 6 】。 邓定国、束鹏程等研究了利用解析法生成转子型纠2 7 】；在转子型线与几何特性关系 的研究上，邢子文总结了型线与转子几何特性的关系并提出了其计算方法【2 8 】；s t o s i c n 根据齿轮间的啮合原理，开发了n 型型线【2 9 1 。并且提出了压力角型线的生成方法。它是 基于轮廓梯度法上的改进，结果表明：生成标准的n 型线与使用压力角方法生成的 型线形状相似，且经过优化后两者的功能差在0 5 以内；d m y t r o z a y t s e v 则对转子啮合 线进行了研究，提出了利用修改啮合线来生成转子型线【3 0 1 。马一太等结合h p m s 处理软 件，设计了一种新型转子型线，该新型线适合于磨削加工【3 1 1 。 n u r b s 技术对于转子型线的设计起着至关重要的作用，并且在转子型线的表达方面也 十分实用。罗泽刚等提出用离散参数曲线和插值n u r b s 曲面来表示转子齿面的方法 3 2 1 。 江洪钧等提出使用编程软件v c + + 作为工具，设计转子型线生成界面并进行数值计算，转 子型线和齿面用n u r b s 方法表裂3 3 】。王可等提出利用插值三次样条曲线来拟合生成转子 型线，并得到了精确的刀具轨迹【3 4 1 。李小华等逆向工程方法生成转子曲面，完成了转子 曲面的重构【3 引。 用进行螺杆压缩机的几何计算时，数值法比解析法更为简便。运用解析法时，一般 先求得三次样条曲线参数【3 ，然后求一阶导数的方法，从而可用数值法对螺杆压缩机 进行几何计算，包括求接触线、共轭型线、啮合线等，并可分析转子几何特性对压缩机 性能的影响。 国外对压缩机转子型线的设计进行了很多研究。转子型线的设计方面，英国伦敦城 市大学的n s t o s i c 教授为首的螺杆压缩机研究团队研究出n 型线系列的双螺杆转子 压缩机，该系列压缩机能够提供更大的流动面积、更少的泄露、更小的内摩擦，且阴转 5 江南大学硕十学位论文 子突出部分具有较大的强度【3 】。该团队对螺杆转子型线做了大量的研究，可根据不同的 压缩机外壳设计其阴阳转子，也可对已存在的螺杆转子进行优化。在转子几何尺寸和转 速等条件相同的情况下，用这两种方法设计出的压缩机额定功率减d x 2 一2 5 、容积提 高6 5 。该团队还针对转子型线开发了s c o r p a t h 软件，在生产和投入使用之前可通 过该软件对设计出的压缩机进行产品的性能评估【4 2 1 。 1 4 课题研究的意义与主要研究内容 1 4 1 课题研究的意义 螺杆压缩机的发明源于国外，他们对螺杆压缩机转子已进行了大量的研究，并且形 成了比较完善的实践经验和相对完整的理论体系，各种高效的转子型线形成了系列化、 标准化。我国对螺杆压缩机的研究起步比较晚，在许多方面落后于国外，尤其在设计、 制造和检测等应用技术方面，差距较大。在一些高精度的应用场合，所使用的螺杆压缩 机主要依赖于国外，因此使得生产成本大幅度增加。 本课题试图对螺杆压缩机转子型线参数化程序设计、阴阳转子的装置设计、运动仿 真等方面进行研究，并开发相应的软件，实现从设计到转子型线数据输出的全部过程。 用户只需要提供必要的参数，就可以得到最终的零件，并且能严格保证所需的精度。 1 4 2 课题研究的内容 通过分析国内外的双螺杆压缩机研究现状，基于参数化设计的思想，着重对转子型 线进行研究，以及利用编程软件v c + + 中的m f c 模块对转子型线和转子啮合线进行程序编 写，开发双螺杆压缩机转子构建系统，设计合理的阴阳转子的实体模型及其装置模型， 最后进行必要的运动仿真讨论。具体的内容如下所示： 1 对双螺杆压缩机转子进行理论分析，着重理解双螺杆压缩机的性能与转子型线 之间的关系，并总结了转子型线的设计原则。 2 研究国内外双螺杆压缩机典型的转子型线，基于曲线理论的思想，将现有的型 线归纳，开发典型转子型线库的，实现系列化、标准化，方便转子型线的选择、 参考和对比。 3 将转子的啮合线按控制点分段，然后用三次样条曲线重新生成转子啮合线，根 据坐标空间变换关系生成新型的转子型线，并计算其各项性能参数。 4 利用i m a g e w a r e l 2 1 逆向软件、u g 4 0 三维造型软件完成阴阳转子的三维实体 设计，并使用仿真软件对其进行运动仿真，以此来分析得到的阴阳转子型线的 合理性、精确度。 5 利用现有的编程软件完成双螺杆压缩机转子构建系统的开发。在这里，本课题 将使用v c + + 软件中m f c 模块进行程序的编写，最终输出双螺杆压缩机转子型 线及啮合线的点云数据。 6 对本课题的内容进行总结，并结合当前国内外双螺杆压缩机的发展趋势，提出 课题进一步的研究方向。 6 第二章舣螺杆压缩机转子及其性能参数 第二章双螺杆压缩机转子及其性能参数 2 1 引言 阴阳转子是双螺杆压缩机中最重要的工作部件，阴阳转子性能的好坏决定了压缩机 的性能。阴阳转子型线是一对啮合的转子齿面与转子轴线的垂直面的截交线，转子型线 是生成阴阳转子的基础。双螺杆压缩机性能的研究，归根结底是对转子型线的研究。 性能参数是评价压缩机性能好坏的依据，对设计和优化转子型线起着导向作用。双 螺杆压缩机转子性能的优劣主要包括两个方面：一是对泄漏的控制；二是转子齿间容积 的大小。体现这两方面的主要性能参数包括接触线长度、泄漏三角形面积、封闭容积、 齿间面积和齿间容积等，在此基础上，本章总结了转子型线原则。 2 2 转子型线及其发展过程 通常可将螺杆压缩机型线分为对称型线和不对称型线。转子型线以阴阳转子中心连 线为对称时，称为对称型线，反之，称为不对称型线。阴阳转子同齿轮一样，具有齿根 圆、节圆和齿顶圆，若只在转子的节圆的一侧具有型线，称为单边型线，在转子节圆的 两侧都具有型线的，称为双边型线【2 8 1 。目前性能比较优良的型线，一般为不对称的双边 型线。 随着转子型线设计和加工技术的发展，以及计算机和自动化技术在转子生成的各项 环节中的应用，转子型线经过了如下三代的发展过程【4 3 】。 2 2 1 对称圆弧型线 典型的对称圆弧型线分为原始对称圆弧型线和双边对称圆弧型线。 在初期的螺杆压缩机产品中，一般使用的是原始对称圆弧型线。如图2 1 所示，原 始对称圆弧型线的组成齿曲线都在节圆内侧，且阴转子的组成齿曲线就是一条圆心在阴 阳转子节点的圆弧，因此又称为单边对称圆弧型线【4 3 1 。原始对称圆弧型线的泄露三角形 面积大，泄露较为严重，但其设计、制造和测量方便，因此到目前还被许多制造商采用。 7 一了 啄 弋、? j n ? 、 1 专u j “? o l 、z 、一- 、。王 ，二：一：f鼯、t ? ，。| 义 八 铁 。渊 m m 酷弋 彳 ：= 、) j j 图2 - 1 原始对称圆弧型线图2 - 2 双边对称圆弧型线 f i g 2 - 1t h eo r i g i n a ls y m m e t r i c a lc i r c l ef i g 2 - 2t h eb i l a t e r a ls y m m e t r i c a l p r o f i l e c i r e l ep r o f il e 相对于原始对称圆弧型线，双边对称圆弧型线在阴转子的节圆外增加一段圆弧和一 7 江南火学硕十学位论文 段摆线，如图2 2 所示。这样做是为了去除转子外侧形成的尖点，从而使各段齿曲线光 滑过度，去除了应力集中，有利于转子的加工和储运。但在节圆外增加齿曲线将使得泄 露三角形的面积进一步加大，因此双边对称圆弧型线的泄露更为严重。 2 2 2 不对称型线 上世纪6 0 年代后，螺杆压缩机的喷油技术得到了广泛的发展。各压缩机生产厂商 开始采用以点、直线和摆线等组成的不对称型线。在螺杆压缩机中使用喷油技术，可以 在阴阳转子的接触线和齿顶间隙中形成油膜，从而形成有效的密封。不对称型线的最大 优点之一，就是泄露三角形面积明显减小。典型的不对称型线包括原始不对称型线、单 边不对称摆线一销齿圆弧形线、瑞典a t l a s 公司的x 型线和s r m a 型线等。以原始不对 称型线为例，简要分析不对称型线的特点。 y 2 u 乒 、| 、i 内硝 ”状 步 h 上一7 、 。上 垤 p 、 断 - l 一 於步! p 、上 图2 - 3 原始不对称型线图2 - 4 单边不对称摆线一销齿圆弧型线 f i g 2 - 3t h eo r i g i n a lu n s y m e t r i c a lf i g 2 - 4t h es o l eu n s y n u n e t r i c a lc y c l o i d p i n c i l c l ep r o f il et o o t hc i r c l ep r o f il e 原始不对称型线如图2 3 所示，与原始对称圆弧型线相比，原始不对称形线的 将阴阳转子的圆弧对圆弧的啮合，改变为点对摆线的啮合，密封的效果增加，泄露 明显减少。但对于这种密封形式，如果摆线的形成点位置不准确或者遭到破坏，反 而会使增大接触线上的泄露量。 图2 4 表示单边不对称摆线一销齿圆弧型线，它是我国的国标型线，目前为不少 压缩机生产商采用。在结构上，单边不对称摆线一销齿圆弧型线在型线的入口处增加 直线段，去除了原始不对称型线外圆上的摆线形成点，同时，将销齿圆弧扩大一定 角度，形成保护角，以保护后面摆线对应的形成点。 ，- | 一。 嘶 弋 ， 叫 ； 一 i、 ； 。 j l“m 。 髟、 多怠 、； 么 、- 、己 图2 - 5a t l a s - x 型线 f i g 2 - 5t h ea t l a s xp r o f i l e ，多= = 了飞飞荭、 少 k i 入 残 7 、| i i 、 j f ” a 矿； j 刀。 i 矿1 珍惫2 。 、j ： 图2 - 6s r m - a 型线 f i g 2 - 6t h es r m ap r o f i l e 第一二章双螺杆压缩机转子及其性能参数 另外两种典型的不对称型线分别为a t l a s - x 型线和s r