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广西大学硕士论文摘要 瓤型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 摘要 随着能源和环境问题的日益紧迫，降低压缩机的泄漏的任务被提到重 要日程。涡旋压缩机作为一种兼具往复式与回转式压缩机优点的机型，代 表了压缩机的发展方向。为了能够有效降低涡旋压缩机的泄漏，本文提出 了一种新型的轴向柔性密封机构，在该机型上进行整体的设计，并对密封 系统进行了优化设计计算，探讨了简便易用的优化设计方法。 一本妾首先分析了当前涡旋压缩机的优点，并介绍了其市场的分布情况， 并综合分析了当前涡旋压缩机在密封应用研究上存在的问题以及介绍了几 种主要的泄漏模型。并根据涡旋压缩机在汽车上的特殊应用情况，列举了 其关键技术。由此提出了一种新型轴向柔性漏旋压缩机结构，此结构具有 能够进行双调节的两个背压室。选取了以易于加工的圆形型线和圆形排气 孔，在防自转与其相位保持机构上采用公转型防自转机构的十字滑环机构， 用带曲柄销的主轴和十字滑环机构的组合方式，实现动涡盘的平面运动和 功率输入。针对其泄漏原理，对泄漏通道，径向泄漏，轴向泄漏分别进行 了分析。建立了其泄漏模型i 根据相应的数学模型，并以实际应用为目的 选取质量泄漏量q 作为优化的目标函数，以生产实际中所面临的实际问题作 为约束条件。优化的过程选取简单迭代的方法，简便易行，能够方便的应 用在实际生产的开发过程中。 通过本文设计的优化程序对新型轴向压缩机的优化设计结果表明，优 化后的新型轴向柔l 生密封结构能有效降低泄漏量。也有效说明了本文提出 的这种能有效降低泄漏的新结构是一种具有实用价值的新型结构，优化方 案是一种具有一定参考借鉴价值的优化途径。 关键字：涡旋压缩机密封优化轴向柔j 陆泄漏 广西大学硕士论文摘要 s t u d yo fan e wt y p ea x i a lc o m p l i a n tm e e h a n i s ml ns c r o l l c o m p r e s s o r sf o ra u t ou s e a b s t r a c t a st h ei n c r e a s i n g l yp r e s s u r eo fe n e 培ya n de n t i m n m e n t ，i ti su 玛e n tt o r e d u c et h el e a k a g eo fs c r o uc o m p r e s s o r s s c r o l lc o m p r e s s o rh a st h ea d v a n t a g e o fr e c i p r o c a t i n gt y p ea sw e l la sr 0 1 1 加gp i s t o nt y p ec o m p r e s s o r ；i ts t a n d sf o rm e ，d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f c o m p r e s s o r f o rr e d u c et h e l e a k a g e o fs r o l l c o m p r e s s o ie f e c t i v e l y ，t h i ss t u d yp u tf o 柳o r dan e wt y p eo fa ) 【i a lc o m p l i a n ta n d d e v i s e di th o l i s t i c a n dt h ep r e s s u r 汰s y s t e mi so p t i m i z e da n dt h em e a i l so f o p t i n l i z e di sf o c u s e do ni nt h i sp a p e r a t 己r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e ds c r 0 c o m p r e s s o r a d v a n t a g e sa n di n c r o d u c e d i t s p e r | 0 r m a n c e i nm a r k e t c u i r e n t l y i n a d d i t i o n ， t 1 1 i s p a p e rs y n t h e t i c a h y a n a l y s e dt h ep r o b l e m si i ls c r o l lc o m p r e s s o rp r e s s u r i z er c s e a r c ha n di i l t r o d u c e d s o m em a i nk i l l d so fl e a k a g em o d e l s d u et os c r o l lc o m p r e s s o rs p e d a l 印p l i e di n a u t o m o b i l e ，m i sp 印e r1 i s t e di t sk e yt e c l l n i q u e s s ot h i sp 印e rp u tf b 州o r dan e w t y p ea x i a lc o m p l i a n tm e c h a n i s ms c r o l lc o m p r e s s o r ，t h i sc o m p r e s s o rh a s 押o d o u b l et e m e rb a c kp r e s s u r ec h 锄b e r - ，n l i s p a p e ru s e de a s i l y m a c h i i 血gr o t u n d i t yp r o f n ea n dr o t u n d i t ye h a u s t b o r e ，a du s e dr e v 0 1 u c i o n a n t i r o t a t i o n s0 1 d h 锄 r i n ga n dp r i n c i p l e a x i s a p p e n d e dd r i v i n gs h a f tk ey b yv i r t u eo fc o n l b i n a t i o no ft h i st w om a c h i n e ，t h i s r e s e a r c ha i m e df o rao r b i c i n gs c r o l l ，p l a n em o v e m e n ta n dp o w e ri n p u t b a s e do n i t sl e a k a g ep r i n c i p l e ，t h i sp a p e ra n a l y s e di t s1 e a k a g ec h a n n e l s ，i t sr a d i a l1 e a k a g e ， i t sa x i a ld r i c t i o n1 e a ：k a g e ，s e tu pi t s1 e a k a g em o d 9 1 ，b a s e do ni t sm a t l l m e t i c s m o d 生鱼堕脚邺h o s e i t sl e a k a g er a t e “a s0 p t i i n i z e s0 b j e 曲e 胁c t i o n ， c h o s ep i a c t i c ep r o d u c t i v e p r o b l e m sa sr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n t h es i n l p l ei t c t a t i v e w a su s e di nt h i so p t 王m i z a t i o np r o c e s s ；i tw a sa p tt ob ea p p l i e di np r a c t i c e p r o d u c ta n dd e v e l o p m e n t p r o c e s s f r o mt h e o p t i m i z e di e s u l to f t h 王sn e wt y p ea ) 【i a l c o m p l i 姐ts c r o l l 广西大学硕士论文摘要 c o m p r e s s o rb y ap r o g r a md e s i g n e di 1 1m i s p a p c r ， w ec a ns e et 1 1 i sn e w m e c h a n i s mc a nr e d u c et h e1 e a k a g ee f f e c t i v e l y a tt h es 锄et i m e ，t h i si 1 1 u n l i n a t e 7 t h e - n e wm e c h a n i s mi sap r a c t i c a b l eo n ea n dt h eo p t i m i z i l l gn o wi saw o r t h i l y r e f e r e n c e dm e t h o d 。 k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r s ；p r e s s u r i z e ；o p t i m i z i n g ；a x i a l c o n l p l i a n t ； l e a k a g e 广西大学硕士论文主要符号表 主要符号表 拉丁字母： 4 ：基圆半径，l ：曲轴转速 ：压缩腔对数c ：流量系数 口：涡圈节距p ：压力，功率 ，：驱动力q ：热量 g ：重力加速度 r ：气体常数 s ：面积 ：涡圈高度，比焓 七：导热系数，弹性系数，丁：温度 一绝热系数一一 m ：介质质量，泄漏量 l ：泄漏线长度 x ：位移m ：力矩 希腊字母： 口：渐开线起始角，热扩散系数， 管道的流量系数，静盘倾斜角度 i 目：总转角 “：摩擦系数，动力粘度 西：涡圈中心面渐开线展开角 下标： 口d ：绝热 s ：吸气疗：切向 b ：背压 4 ：传热面积，管道的面积 c ：比热 f ：力 r ：回转半径 j i l ：对流换热系数 f ：涡圈壁厚，时间 u ：内能 y ：容积 口：主要范围转角6 ：间隙 叩：效率吼：吸气闭合角度 臼：排气角a ：流动摩擦系数 ，：比容p ：密度 丸：涡圈中心面渐开：角速度 线最终展开角 d ：排气，静盘背面r ：径向 “：压缩机的形成容积，预压缩 广西大学硕士学位论文新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 第一章序论 1 1 引言 随着中国经济的持续增长，主要的交通工具汽车的产销量也迅速增长。根据 预测，中国汽车年保有量2 0 0 5 年将比2 0 0 0 年增长3 9 ，2 0 1 0 年又将比2 0 0 5 年增长 6 2 5 ，即达到4 0 0 0 万辆的年保有量“1 。随着我国人民生活水平不断提高，近几年来， 空调装置已经普及到户和进入车内，成为重要的日常生活用品之一。汽车空调装置己 经经历了半个多世纪的发展。作为汽车空调装置的核心部件制冷压缩机也随之得 到了迅猛发展嘲啪啪。 压缩机( c o m p r e s s o r ) 是各种气体压缩设备、制冷设备和空调器的“心脏”，其 应用范围十分广泛，在相关行业中占有举足轻重的地位“1 。我国从1 9 5 3 年沈阳医疗器 械厂试制冰箱压缩机开始，经过半个世纪的发展，迄今年产量已达数千万台，已然成 为了世界压缩机生产大国。然而，必须指出的是，我国虽然自1 9 8 5 年起陆续从国外 引进了数十条压缩机生产线，但其核心技术至今仍然掌握在西方发达国家的手里，可 以说还不是真正意义上的世界压缩机强国。因此，只有走技术内涵发展的道路，才能 使我国压缩机制造业在未来的市场竞争中立于不败之地。但是伴随着汽车工业的迅速 发展，两大问题已经逐渐凸现出来：第一，环保问题；第二，能源问题。 1 1 1 制冷压缩机的作用 制冷压缩机是制冷装置中最主要的设备，通常称为制冷装置中的主机。制冷剂蒸气 从低压提商巍高压以及汽体的不断流动、输送，都是借助于压缩机的工作来完成的，也 就是说，制冷压缩机的作用是： 1 从蒸发器中吸取制冷剂蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力。 2 提高压力，将低压低温的制冷剂蒸气压缩成为高压高温的过热蒸气，以创造在较 高温度( 如夏季3 5 左右的气温) 下冷凝的条件。 3 输送并推动制冷剂在系统内流动，完成制冷循环。叫 1 2 汽车空调用制冷压缩机的种类及工作原理 汽车空调压缩机与家用空调器的压缩机不同，它的负荷较大，运行工况相对恶劣， 广西大学硕士学位论文新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 运行转速也经常变化。另外，由于压缩机靠皮带驱动，安装位置非常有限，车用空调压 缩机对外形尺寸的要求也非常严格。经过几十年的发展，汽车空调压缩机的结构形式主 要经历了以下几种结构类型。 “8 m 1 。 1 ) 往复式压缩机：采用曲柄连杆机构的往复活塞式压缩机是汽车空调用压缩机中采 用较早的一种机型，以美国g 陋公司生产的y o r k 立式双缸压缩机为代表：具有压力范围 广、适应性强等优点，同时也存在结构复杂，易损件多、体积和重量大等缺点。现在往 复压缩机在大中型制冷设备中应用较多，但是在家用或汽车空调中已逐渐被回转式压缩 机所取代。 2 ) 斜盘式压缩机：是现在汽车空调压缩机中采用的主要机型。由于设计和生产工艺 比较成熟，运转比较平稳等，而得到广泛的应用。斜盘压缩机特点是没有曲柄连杆机构， 在圆周方向上可以同时配置若干个气缸，故结构比较紧凑；机器的平衡性能较好，可取 较高的转速。但是，受结构形式及强度的限制，斜盘压缩机的排气量一般较小，其结构 复杂、体积及重量大，工作效率低“3 。目前，斜盘压缩机主要应用于轿车空调，我国最 大的轿车窒调压缩机生产商上海易初通用机器有限公司生产的就是斜盘压缩机。 3 ) 滚动活塞式压缩机：美国在2 0 世纪初开始用做冰箱压缩机，受当时机械加工水平 限制，与往复活塞相比没明显的竞争力，6 0 年代以后，随着精密加工技术的迅速发展， 滚动活塞压缩机技术日臻完善。7 0 年代以后，滚动活塞压缩机在小型全封闭制冷压缩机 中所占比例越来越大，并广泛用于房间空调。冰箱及小型商用制冷设备中。1 9 8 1 年由日 本三菱公司开发为汽车空调用压缩机，体积小、重量轻、效率较高，但扭矩的波动较大。 4 ) 三角转子式压缩机：日本在8 0 年代中期有过生产，但后又终止我国9 0 年代中期 也有厂家生产过，市场使用不多。目前又有学者致力于此机型的研究。此机型具有结构 简单、机械效率高、体积小、重量轻、振动小、噪声低以及适合高速运转等优点，但是 其密封比较困难，低速性能较差。 5 ) 滑片式压缩机：由转子偏置于圆形气缸的结构逐渐发展为转子与类椭圆气缸同心 放置的新型滑片式结构。由于体积小、重量轻、启动力矩小、力矩平衡性能好等优势， 成为一种很有发展希望的新机型。 6 ) 涡旋式压缩机：涡旋压缩机是当前回转压缩机研究的热点，各国学者尤其是日 本、美国对涡旋压缩机的研究一直非常重视。由于具有结构紧凑、高效节能、微振低噪、 工作可靠性高等特点，己成为汽车空调压缩机中最有竞争力的一种机型。涡旋压缩机也 存在轴向力不能稳定平衡，防自转结构不灵活，径向密封不易保证，以及涡形盘加工制 2 广西大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 造工艺要求高，难度大，次品率高，成本高等缺点蚴哪嘲。 1 2 车用涡旋压缩机的历史及现状 制冷压缩机是空调装置的核心，用于汽车空调的压缩机多达3 0 一4 0 种，主要机型 是压缩式容积型的压缩机。其中以往复活塞立式压缩机装入汽车空调为最早，而现在基 本上被斜盘式压缩机替代。斜盘式压缩机是汽车空调最主要的机型，因为斜盘式压缩机 的设计、结构及加工工艺、维修等都比较成熟，以斜盘式作为汽车压缩机约占总压缩机 量的8 0 。从压缩机容积效率、零件数多少、尺寸紧凑、重量指标、节能效果、噪音以 及耐久性等进行比较，人们选择汽车空调器的压缩机重心由传统的往复活塞式转移到回 转式。 汽车空调回转式压缩机主要机型有旋叶式、滚动活塞式、螺杆式、三角转子式、 祸旋式压缩机等。其中最引人注目的是涡旋式压缩机，由于其体积小、重量轻、噪音小、 无气阀、零件少、寿命长等优点，尤其是它的容积效率特别高，等值排量情况下节料性、 节能性极高，一开始出现就引起人们高度的关注。相比条件下，它比往复活塞式容积效 率高2 0 3 0 ，绝热效率高1 0 ，功率下降l o ，体积减少4 0 ，重量下降j 5 咖。 由于汽车空调压缩机转速随车速变化而变化，从节能、车室内保持能量恒定和热舒 适性考虑，变排量压缩机应运而生，变排量压缩机是汽车空调压缩机的发展方向，各种 汽车空调压缩机将全部被变排量型压缩机替代。 回顾汽车空调压缩机的发展和预测压缩机的未来，可称之：往复活塞式压缩机为第 一代压缩机，第二代为斜板式、摇板式和径向辐射式，第三代为回转式压缩机，诸如旋 叶、滚动活塞式、螺杆式、三角转子式，第四代为涡旋压缩机，第五代为变排量压缩机 1 1 1 。 1 9 8 1 年s a n d e n 公司开始生产用于汽车空调的涡旋压缩机t r 一6 0 ( 6 0 c c r e v ) ，得 到了用户的认可，然而，6 0 c c r e v 的排量太小，没能充分发挥涡旋压缩机的1 2 0 0 0 r p m 的高速性能。1 9 8 4 年，t r 一7 0 ( 6 9 c c r e v ) 系列和t r 9 0 ( 8 8 c c r e v ) 系列开始批量生产， 如果考虑到容积效率，分别和活塞式的压缩机的1 3 0 c c 和1 6 5 相当。1 9 8 7 年，新型的 一一一一一 要查芏堕圭堂壁丝塞堑型塑塑墨壁堕塑鎏主皇塑旦塑塑耍塑垫宣i 塑! 查塑窒 一一 t r f 系歹0 产生，t r f 0 9 0 ( 8 6 c c r e v ) 、t r f l 0 5 ( 1 0 5 c c r e v ) 分别和t r 一7 0 、t r 一9 0 体积 相当，但通过优化涡旋参数，排量增加了2 0 。1 9 8 8 年，以定排量的t r f 0 9 0 为基础， 开发了t r c 0 9 0 、t r c l 0 5 变排量涡旋压缩机。此外，为了适应新的制冷剂h f c l 3 4 a 要求， 还开发了新的t r s 9 0 、t r s l 0 5 系列。v i s t e o na u t o m o t i v es y s t e m l 9 9 8 年六月在葡萄牙 的p a l m e l a 投资1 5 亿美元筹建汽车空调用涡旋压缩机厂，占地面积1 8 1 5 0 平方米，产 品主要面向中小型汽车；涡旋压缩机在技术上也做了一些改进，运转更平稳、安静，可 蜊性、耐久性都得到了提高，用于汽车空调的燃油消耗也有所降低。国外生产车用涡旋 一 压缩机的厂家还有日本三菱重工( m i t s u b i s 眦h e a v yi n d u s t r i e sl t d ) 、h i t a c h i 公司、 松下公司、，此外，东芝公司推出了列车空调涡漩式压缩机。 p 我国的车用涡旋压缩机研究工作起步较晚，与国外有较大差距。目前汉江机床有限 公司和西安交通大学压缩机工程研究中心联合研制并成功开发了适用于环保型冷媒 r 1 3 4 a 车用制冷涡旋压缩机，已形成h j s c 系列产品，主要用于中小型客车制冷空调系统。 一种新型的涡旋汽车空调压缩机( 瓤t q 一7 0 ) 由西安交大和邯郸制氧机厂联合研制成功， 并在夏利汽车装机试用取得较好效果，该产品比目前普遍采用的美国或日本斜盘式汽车 空调压缩机效率提高1 1 2 ，比国产三角转子式压缩机效率提高3 9 4 ，比日本产滑片 式压缩机效率提高4 8 。 汽车空调已经历6 0 年的发展历程，环境保护将决定未来车用涡旋压缩机的发展方 向： 1 开发研究适于新型环保制冷剂的涡旋压缩机仍然是主流方向； 2 变排量涡旋压缩机研究也会是一个热点，通过改变传动比，使涡旋压缩机工作在 一个最高效率恒定转速下，从而降低油耗和排放j 同时压缩机的尺寸和重量也变 绲更小；一 3 应未来越来越多的电车应用要求，全封闭式的电驱动涡旋压缩机也是一个方向 n 2 1 锄4 】。 1 3 车用褐旋压缩机的结构、工作原理和特点 汽车工业是我国的支柱产业，汽车空调作为汽车的六大总成之一，在汽车生产与销 售过程中起着举足轻重的地位。如不顾及汽车空调的开发、研究，我国汽车工业将缺乏 竞争能力。汽车空调的普及，不仅仅是人们生活水平提高及豪华的标志，也是提高汽车 4 要查堂堡圭望竺笙塞 堑型垫塑墨堡笙垫墨垩窒塑里塑壁垦望塑里翌苎垄堑要 竞争能力的重要手段之一。随着汽车工业的发展和人民物质文明水平的提高，人们对汽 车的舒适性、可靠性、安全性的要求越来越高。嘲蜘 ” 自本世纪8 0 年代以来，涡旋压缩机以其机构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作 可靠性等特点，在小型制冷及空调领域获得越来越广泛的应用，也因此成为压缩机技术 发展的主要方向之一，其在汽车空调中的应用也越来越引起人们的关注。本报告主要综 述车用涡旋压缩机技术的发展状况和研究动向、原理结构、优势以及涡旋压缩机在我国 汽车空调中的应用前景“3 m 5 m “。 涡旋压缩机的工作原理是一对相同型线的涡旋叶片圈，它们相互错开1 8 0 度组合一 对啮合，动圈2 以回旋半径的圆作不旋转的回旋运动。如( a ) 所示，在吸气完了时， 一对涡旋圈共同形成两对月牙形容积。最大的月牙容积1 l 即将开始压缩。动圈涡旋中 心绕定圈涡旋中心连续公转，原最大的月牙容积实现a 、b 、c 的压缩，达到预定压力， 由排气口9 排出。在月牙1 1 压缩的同时，在动圈和定圈的外周又形成吸气容积4 、8 ， 连续回转运动过程中，也实现了相同的压缩，如此周而复始完成吸气、压缩、排气过程。 过程如图1 1 所示：。“1 c c j ( 5 ) 吸气结柬( b ) 压垴行程( c ) 捧出开始之髓 1 一定囱2 _ 动圈3 一定圈锅旋中心4 5 - 8 8 一翩冷荆气体7 一盎小压缩窖税卜排气日l o 一动碍 。掘旋中心，1 一开船压缩窖积( 最大窖积) 1 2 一回挺半径 图1 一l 涡旋式制冷压缩机工作原理图 f i g1 1p r i n c i p l eo fr o l a r yc o m p r e s s o r ， 国际压缩机工程会议( 普度大学会议) 是压缩机专业的主要国际性学术会议，其目 的在于介绍压缩机领域的最新研究成果及新的设计；考察压缩机发展及使用的现代工艺 水平；为专家同行接触、交流提供机会。从各届会议发表论文情况统计可看到，近10 年来，对往复式压缩机和螺杆式压缩机虽然继续进行研究，但研究的兴趣已转向涡旋式 压缩机。在中、小型空调机中，往复、涡旋、滚动活塞式三类压缩机并存，但各有其不 同的结构特点，下面从效率、噪音、振动等几方面对这三种压缩机进行比较，见表卜1 ： 广西大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 表1 一l 涡旋式、滚动活塞式、往复式压缩机比较 t a b f e1 - 1c o m p a r a “o nb e h v e e nr o t a r y ，r o n gp s t o na n dr e c i p r o c a t j n gc o m p r e s s o r 压缩机类别涡旋式压缩机滚动活塞式压缩机往复式压缩机 比较项目 高压到低压泄露量少 有泄漏 有泄漏( 最大) 吸气阀阻力 无尤有 排气阀阻力无 有 悄 顶端余隙容积无 较小有 能效比 2 9 2 6 2 ，6 以下 噪音 9 01 0 51 0 0 振动 6 04 0 01 0 0 奠；部件数量一 4 0 6 01 0 0 重量 8 57 51 0 0 工作精度 最高高一般 从压缩机会议论文发表情况的统计和对三种压缩机的比较可看出，由于涡旋压缩机 在容积效率、气阀流通阻力、振动噪声等方面与目前汽车空调系统中大量使用的斜盘式 压缩机( 往复式压缩机的一种) 相比有较大的优势，随着汽车生产厂对空调系统噪声、 能耗指标等要求的提高，涡旋式压缩机成为关注的焦点“”“”。 特点： l ，多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄露量少，容积效率 高，可达9 0 9 8 。 2 驱动动涡盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此涡旋式压缩机体积小、重量轻。 3 动涡盘与主轴等运动部件的受力变化小，整机振动小。 4 没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适用于变转速运转和变频调速技 术。 5 由于吸排气过程几乎同时进行，整机噪声很低。 6 轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩视的生产效率，而且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，即涡旋压缩机有可靠的和有效的密封性。 7 压缩机提高了单位安装空间和单位质量的制冷量，机器易达到小型轻量化。 1 4 涡旋式压缩机密封技术研究现状 压缩机( c o m p r e s s o r ) 是各种气体压缩设备、制冷设备和空调器的“心脏”，其应 用范围十分广泛，在相关行业中占有举足轻重的地位“卜跚。我国从1 9 5 3 年沈阳医疗器 广西大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 械厂试制冰箱压缩机开始，经过半个世纪的发展，迄今年产量已达数千万台，已然成为 了世界压缩机生产大国。然而，必须指出的是，我国虽然自1 9 8 5 年起陆续从国外引进 了数十条压缩机生产线，但其核心技术至今仍然掌握在西方发达国家的手里，可以说还 不是真正意义上的世界压缩机强国。因此，只有走技术内涵发展的道路，才能使我国压 缩机制造业在未来的市场竞争中立于不败之地。 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户- 的需要和激烈的市场竞争，研究和开发一 直在广泛而深入的进行着，这些研究的状况和成果，通过许多刊物、国际性会议、专利 和新产品得到充分体现。当今世界上最集中的是下列国际性的学术会议： ， ，l ( 1 )由美国普度大学举办的“国际压缩机工程会议”( t h ei n t e r n a t i o n a l c o m p r e s s o e n g i n e e r i n gc o n f e r e n c e a tp u r d u e ) ； ( 2 )由西安交通大学举办的“国际压缩机技术会议”( t h ei n t e r n a t i o n a l c o m p r e s s o rt e c h n i q u ec o n f e r e n c e ) ； ( 3 )由英国流体机械工程学会与伦敦城市大学举办的“国际压缩机及其系统会 议”( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o ra n di t ss y s t e mc o n f e r e n c e ) ： ( 4 )主要由德国德莱斯登技术大学与奥地利赫尔碧格公司负责的“欧洲往复压 缩机论坛” ( t h ee u r o p e a nf o r u mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ) 。 此外还有俄罗斯流体工程学会与彼得堡技术大学举办的国际压缩机会议，以及国 际制冷大会b 2 学组的有关论文等。这些会议的论文基本体现了当前国际上的压缩机的 研究状况和水平。压缩机研究总的讲，都是围绕下列方向进行的： ( 1 ) 根据生产发展 需要开发新产品；( 2 ) 不断提高已有机器的经济性与可靠性；( 3 ) 应用新工艺与新材 料；( 4 ) 降低制造成本； ( 5 ) 降低噪声。”1 涡旋压缩机是当前回转压缩机研究的热点，各国学者尤其是日本、美国对涡旋压缩 机的研究一直非常重视。由于具有结构紧凑、高效节能、微振低噪、工作可靠性高等特 点，己成为汽车空调压缩机中最有竞争力的一种机型。涡旋压缩机也存在轴向力不能稳 定平衡防售袋结构不灵活，径向密封不易保证，以及涡形盘加工制造工艺要求高，难 度大，次品率高，成本高等缺点。 涡旋压缩机是一种容积式压缩机，它是利用涡旋转子与涡旋定子的啮合，形成多个 压缩室，随着涡旋转子的平动旋转，使得各压缩室的容积不断变化来压缩气体的。涡旋 压缩机的机理，早在1 9 0 5 年由法国入g e u x 提出并申请了专利。但是由于难以得到高精 广西大学硕士学位论文新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 度的涡旋形状，缺乏实用的和可靠的驱动机构以及摩擦磨损问题不能妥善解决，因此涡 。 ， 旋压缩机在近7 0 年的时间内未能得到普及使用。 知道7 0 年代初，由于能源危机的加剧及数控加工技术的进步，给涡旋式压缩机的 发展带来新的机遇。美国a d l 公司经过广泛的研究，于1 9 7 4 年提出了氮气压缩机的报 告，并在1 9 7 3 一1 9 7 6 年间，美国和瑞士先后开发出了空气、氮气、氟利昂等涡旋式压缩 机。1 9 8 7 年，美国第一次成立涡旋压缩机制造公司，它的压缩机无论在数量还是质量上 都为美国赢得了国际赞誉。之后，美国c a r r i e r 公司以及t r a n e 公司也开始批量生产涡 旋式压缩机。日本于1 9 8 1 年推出了用于汽车空调器的涡旋式压缩机。1 9 8 3 年日本目立 公司开发出了2 2 3 7 k w 的全封闭涡旋压缩机，并用于单元式空调机上。进入9 0 年代， 日本松下电器公司生产出用于家用空调机的小型全封闭涡旋压缩机。东芝公司推出了列 车用空调压缩机。我国的研究开发始于1 9 8 5 年，由西安交通大学研制成功第一台涡旋 压缩机，并经过十余年的努力，已形成比较成熟的涡旋式空调及制冷压缩机的设计制造 技术，2 2 5 9 k w 的柜式空调用涡旋压缩机已经工业化小批量生产，其他用途的涡旋压 缩机也在研究开发之中。目前涡旋压缩机的功率范围在o 7 5 1 1 k w 之间。 纵观涡旋压缩机的发展历史，可以看出，涡旋压缩机作为一种新型压缩机，它具有 效率高、可靠性强、噪声低，尺寸小和重量轻等特点。倍受国内外重视，被成为新一代 压缩机。它与相同容量的容量的往复式压缩机相比，体积小4 0 ，重量轻1 5 ，零件 数少蔼5 效率高一_ l o ，噪声低5 d b ( a ) 。而且自石油危机以来油干在供暖、空调 与制冷应用中，主要能量消耗于压缩机，高效压缩机对美国市场己成为重要因素。在欧 洲和日本，低噪声、低振动的需要也很突出。因而，兼有高效、低噪两大优势的涡旋压 缩机成为换代产品己是必然趋势。 同时又要看到，尽管涡旋式压缩机在原理上有一系列突出的优点，但是制造它需 要有高精度的加工设备及方法，以及精确的调试装配技术，这就限制了它的普遍使用。 目前多用于小型空调器中0 7 “”1 。 。 7 今后一段时间内，涡旋压缩机的研究动向是： ( 1 ) 工作腔内的气体密封问题。油干涡旋压缩机普遍采用间隙密封的方法，使该 类机械具有很高的可靠性，但同时产生了压缩机泄漏量控制的难点。型线的加工精度要 求大为提高，成本提高。因此，必须降低其泄漏量。 ( 2 ) 通过压缩过程的模拟及优化设计，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。 广西大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 ( 3 ) 拓宽应用范围和使用领域，扩大变频调速技术和热泵技术的应用。 ( 4 ) 适应新的制冷工质对涡旋压缩机结构的要求。 可以预见涡旋压缩机存我围也将会有广阔的发展前景。“8 1 1 5 本课题的意义及主要研究内容 压缩机是气体压缩设备、制冷设备和空调器的“心脏”，其应用范围十分广泛，在 相关行业中占有举足轻重的地位。卜。1 ，其技术水平的高低直接关系到相关产品的市场竞 争力。理论分析和实际试验均表明，摩擦损失与泄漏损失是影响压缩机性能指标的两个 关键因素。本课题以应用于汽车空调器的涡旋压缩机为研究对象，探索具有新型柔性结 构特征的涡旋压缩机的减摩与密封的新原理、新方法和新技术。本课题从机构学、运动 学、热工学、摩擦学和密封理论等角度切入，通过建立压缩机的数学模型，采用计算机 仿真、虚拟设计和虚拟实验等分析手段，寻求突破涡旋类旋转压缩机传统采用的密封结 构，最终获取具有自主知识产权的、面向产品的、具有低泄漏概念的创新结构压缩机， 从而有效提高压缩机的性能指标和使用寿命，并籍此提升其相关产品的市场竞争力。 然而压缩机的减摩与密封是一个复杂的系统性的工作，仅仅对某一部分进行改进优 化并不能使压缩机达到未来更严格的使用要求，大量文献证明必须对压缩机的结构、工 质、材料和转配精度等进一步进行系统的优化。本课题的开展有利于对汽车空调用涡旋 压缩机密封技术的消化吸收，希望为国内进一步降低压缩机的泄漏和摩擦的研制和开发 提供一定的参考。 课题来源于广东省自然科学基金项目( 1 广东省自然科学基金项目“旋转压缩机减 摩技术与密封结构的研究”( 项目编号0 4 0 1 1 7 5 7 ) ：2 广东省自然科学基金项目“滑片类 旋转压缩机减摩与防漏关键技术的研究”( 项目编号0 5 1 0 7 3 9 7 ) 。 本课题主要内容如下： l 、根据市场上已有和正在研究前沿的进展，提出新的压缩机结构。 2 、建立此压缩机的泄漏模型。 3 、针对此模型的数学模型进行优化。 4 、取得优化结果。 5 、新机型的未来展望。 广函大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车室调用涡旋压缩机密封技术研究 第二章涡旋式汽车空调压缩机密封关键技术 2 一一涡旋雎缩析目前的应用情况 涡旋压缩机用于汽车空调领域，具有其它型式的压缩机无法比拟的一些优良性能， 如效率高、噪声低、振动小、运行平稳、可靠性高、寿命长等，是近2 0 年末汽车空调 压缩机领域的研究热点。国外上世纪7 0 年代末开发出样机，8 0 年代开始应用和推广， 9 0 年代以后大量装备汽车。国内对车用涡旋压缩机的研究起步干8 0 年代末期，对生产 的尝试则开始干9 0 年代中期。但因国内加工设备滞后及进口设备价格昂贵，同时也由 于投资需求庞大、我国汽车产业滞后等因素，产品一直采走入市场。进入新世纪以后， 国内经济尤其是汽车产业迅猛发展，车用涡旋压缩机的生产又迅速升温。广州万宝集团 在其全封闭涡旋压缩机生产技术的基础上开发出了中小排量的汽车空调用涡旋压缩机； 重庆建设集团引进了日本精工小排量涡旋技术；南京奥特佳自主开发的车用涡旋压缩机 己装备于众多的微型车中，并向大排量发展；江苏新世纪则与高校合作，迅速推出了中 小排量的全系列车用涡旋压缩机，可满足中型客车、轿车直至微型车的装备需求；上海 易初正拟与日本三电公司合资建厂；一些经济和常4 造业发达地区的企业也正跃跃欲试甚 至己投身其中“”。 因特殊的应用场合及使用要求，与涡旋机械的最大应用领域一单元空调压缩机相 比，车用涡旋压缩机的结构及一些关键问题的解决手段有其独到之处。以下问题是制约 车用涡旋压缩机性能及可靠性的关键所在，这些技术手段代表了国内外车用涡旋压缩机 研究及生产的领先水平，具有较大的借鉴意义和指导价值“6 儿玎3 。 车用涡旋压缩机的生产厂家，国外主要有三电公司、日本三菱重工、松下、f o r d 欧洲v i s t e o n 等，国内有汉江机床有限公司、邯郸制氧机厂。主要产品见表2 1 。 1 0 一 、 一：? 广西大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 。_ 。_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ 1 - _ ，- _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ 。_ _ _ - - - - 。_ 1 _ _ - _ 。- _ 。1 。_ 。- 一。1 _ _ - - 。- _ 。- 一 表2 1 涡旋压缩机主要生产厂家 t a b l e2 - 1m a nm a n u f a c t u r e so fr o t a 吖c o m p r e s s o r 注：相当容积( c c r e v ) 标准传动比为1 4 7 厂缘型号 外壳直行程窖积相当容积制挣量( w ) 许用转速( r p m ) l 径衄) ( c c r e v )( c c r e v ) 1 1 2 03 5 0 0连续。瞬时 _p， ( r p m ) ( r p m ) 日定t r 7 01 1 86 9 5 1 3 0 2 1 4 0 3 7 1 07 0 0 - 1 0 0 0 01 3 0 0 0 本 排 ， 4 5 9 47 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 = 量 t r 9 01 2 88 8 31 6 52 鸥7 电 1 讦0 9 0 1 1 88 5 71 6 52 6 6 34 4 1 鲁7 0 0 _ 1 0 0 0 01 2 0 0 0 t r f l 0 51 2 81 0 5 42 0 03 2 8 05 4 2 07 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 t r s 0 9 0 8 5 71 6 57 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 t r s l 0 5 1 0 5 42 0 07 0 p 1 0 0 0 01 2 0 0 0 变 t r c 0 9 02 6 o 一8 5 74 & 6 1 6 58 0 8 2 6 6 31 3 4 l 一4 4 1 9 7 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 排 量 t r c l 0 53 1 1 1 0 4 85 8 2 一1 9 69 6 6 3 2 5 7 1 5 9 9 5 3 8 97 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 t r v 0 9 02 p 8 5 74 8 6 一1 6 5 7 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 t r v l 0 53 1 1 1 0 4 85 8 2 1 9 6 7 0 0 一1 0 0 0 01 2 0 0 0 i 汉江机床一一h j s c l 3 5 1 5 4。1 3 5 2 5 51 8 0 02 5 2 0 7 0 0 _ 8 0 0 0 j 有限公司 ( r d )( r p m ) 7 6 0 3 1 0 6 4 4 _ 邯郸制氧 一7 0 | l 机厂 l 日本三菱 f x - 8 。 l3 川 | l 重罩 f x - a ( 5 h p ) 9l l 一 广西大学硕士学位论文 新型轴向柔性结构汽车空调用渴旋压缩机密封技术研究 2 ：2 涡旋压缩机目前结构存在的问题【1 8 】【2 2 】 2 2 动盘防自转及轴向支撑 涡旋压缩机的工作方式决定了其动涡盘需要个防自转及一个轴向支撑机构。传统的 车用涡旋压缩机将这两种机构合二为一，由5 个零件构成，称为球形联接器( b a l l c o u p l i n g ) ，如图2 1 所示。这种机构较好地满足了车辆空调结构紧凑及润滑条件差的 使用要求，制造也比较容易，但对加工和装配的精度要求较高，卡环上的锥孔由铣床加 工而成，生产效率不高，且最重要的锥形工作表面加工质量不易保证。b a l lc o u p l i n g 结构在运转过程中只有不到一半的钢球处干受力状态，各钢球轮流与卡环接触，会产生 冲击噪声。图中所示的另一种新型压制环槽板动盘防自转及支撑机构( e mb r g ) 简化了 b a l lc o u p l i n g 结构，它将卡环与支撑板合二为一，并变成冲压件。环状板上有若干中 间凸起的弧状环槽，槽底直径与主轴回转半径相等，钢球在沟槽内绕中心凸起作圆周运 动百一如表一r - 所示，这种装置相比于b a l lc o u p l i n g 结构，高度降低3 1 ，重量减轻4 6 ，钢直径减小3 0 ，零件数减少，噪声降低，受力状况和磨损情况也得到很大改善， 对加工和安装的要求也降低，生产率也大幅度 j 高。 这两种结构尽管存在差异，但工作原理相同j 这也决定了它们共同的固有缺陷，即 在与车用涡旋压缩机中必不可少的关键结构径向调节装置配合工作时无法同时兼 顾严格的相位保持及随意的径向调节功能。如果径向调节机构的最大可能回转半径小于 实际回转半径，则两涡盘侧壁无法接触，导致周向泄漏；如果径向调节机构的最大可能 甸转半径大于实际回转半径，则两涡盘侧壁能够接触并实现密封。同时，导致两涡盘相 位角产生偏移，一侧涡盘壁靠紧而另一侧分离，增加了周向泄漏。严格接触并保证理论 相位是不现实的，目前的解决手段多寻求并摸索合适的经验公差，使二者基本同时得到 兼顾这对新产品的开发是严重的制约。 广西大学硕士学位论文新型轴向柔性结构汽车空调用涡旋压缩机密封技术研究 图2 1 进球式防自转支撑联结器 f j g2 - 1c o u p n gw a r eo fa d v a n c e dd e f o n dr o t a t i o ns u s t a i n 项口 e 轴b r gb 州c 椰p i i n g 藤爨 l5 0g2 7 6g 高度 ，8mml4 2mm 零件数 3 5 噪声 5， 机搬效率 s 5 惯性力3 l 。帮 55 生产宰 53 表2 一l 两种球形联接机构对比 t a b i e2 - 1c o m p a r eo ft w ok i n d so fs p h e r ej o j nf r a m e w o r k 与球形联接机构不同的是十字滑环( 0 l d h a m r i n g ) 结构可在动盘回转半径随