邵兵，任嶸

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

無油渦旋壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)分析與研究

邵兵，任嶸

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

為了研究無油渦旋壓縮機(jī)主要部件的動(dòng)力學(xué)特性，采用理論分析與軟件仿真相結(jié)合的方法，建立了無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，通過動(dòng)力學(xué)仿真分析了主要運(yùn)動(dòng)部件的受力情況。研究結(jié)果表明，動(dòng)渦盤所受的軸向氣體力和切向氣體力是影響氣體泄漏的關(guān)鍵因素，仿真結(jié)果也為后續(xù)進(jìn)一步壓縮機(jī)研究提供了參考。

無油渦旋壓縮機(jī)；動(dòng)力學(xué)；ADAMS；仿真分析

1 引言

渦旋壓縮機(jī)自問世以來就以其高效可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、污染小而著稱。隨著能源危機(jī)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，渦旋壓縮機(jī)的研究理論日益豐富，產(chǎn)品制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，取得了大量的研究成果。

渦旋壓縮機(jī)的主要零部件如動(dòng)靜渦旋盤、軸等的動(dòng)力學(xué)特性，直接影響到渦旋壓縮機(jī)的工作效能和壽命。許多學(xué)者已經(jīng)在動(dòng)力學(xué)研究方面取得了不少理論成果，其中江蘇理工大學(xué)的張立群為了得到渦旋壓縮機(jī)渦旋盤在實(shí)際工作環(huán)境下的變形規(guī)律，首先對(duì)實(shí)際工況下的渦旋盤所受載荷進(jìn)行了分析，然后據(jù)此建立了相應(yīng)的有限元模型，再使用有限元分析軟件對(duì)靜渦旋盤進(jìn)行了相應(yīng)的變形分析，從而為渦旋盤改進(jìn)提供了第一手資料[1]；蘭州理工大學(xué)的劉振全教授也使用有限元分析的方法建立了模型，從而得出了渦旋盤吸氣結(jié)束瞬間及主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的應(yīng)力及變形[2]；蘭州理工大學(xué)的李超教授在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行了綜合分析，把渦旋盤在氣體力、溫度場和慣性力綜合作用下的應(yīng)力和變形分布情況進(jìn)行整體研究，得出了最大應(yīng)力發(fā)生部位[3]；天津大學(xué)的趙樹峰等則分析了整個(gè)載荷循環(huán)過程中，壓縮機(jī)渦旋盤所發(fā)生的應(yīng)力及應(yīng)變情況[4]；蘭州理工大學(xué)的趙嫚、李超等人分析了軸承所受徑向的載荷力和徑向間隙問題及產(chǎn)生的傾覆力矩等相關(guān)參量對(duì)滾針軸承受力特征和性質(zhì)的影響，為動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)的耦合問題研究提供了一定的理論依據(jù)[5]；吉林化工學(xué)院的高艷等人推導(dǎo)了雙頭渦旋齒渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的受力公式[6]。以上研究多以有限元方法為基礎(chǔ)進(jìn)行分析研究，而很少采用虛擬樣機(jī)研究的方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析研究。

所以本文采用虛擬樣機(jī)研究的方法對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)主要零部件動(dòng)渦旋盤進(jìn)行了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析以及探究，從虛擬仿真結(jié)果中可以得出動(dòng)渦旋盤在氣體力作用下的受力變化，為樣機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及進(jìn)一步研究渦旋壓縮機(jī)提供可靠依據(jù)。

2 渦旋壓縮機(jī)理論基礎(chǔ)

無油渦旋壓縮機(jī)的主要零部件有相互嚙合在一起的動(dòng)、靜渦旋盤、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲軸、殼體等。其中2個(gè)動(dòng)、靜渦旋盤對(duì)插在一起，在曲軸的與防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的約束下，從而實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)平動(dòng)。隨著動(dòng)渦旋盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使得形成的數(shù)對(duì)閉合的壓縮腔容積周期性的由大變小，實(shí)現(xiàn)壓縮過程，如圖1所示。

渦旋壓縮機(jī)基本參數(shù)，見表1。

圖1 渦旋壓縮機(jī)基本機(jī)構(gòu)

表1 渦旋壓縮機(jī)主要變量參數(shù)表

3 運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)力學(xué)模型

渦旋壓縮機(jī)動(dòng)、靜渦旋盤所受的力有氣體力和非氣體力兩大類。由于渦旋壓縮機(jī)動(dòng)、靜渦旋盤是對(duì)插在一起的，因此所受氣體力大小相等、方向相反。而靜渦旋盤中產(chǎn)生的氣體力則會(huì)作用到外壁上，這種沖擊力使壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而形成噪聲。但是這些振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的相對(duì)影響比其他類型的壓縮機(jī)還是很小的。即便是影響很小，只要?dú)怏w力對(duì)無油壓縮機(jī)的動(dòng)渦旋盤產(chǎn)生作用，就會(huì)直接改變渦旋壓縮機(jī)的容積效率和機(jī)械效率，因此對(duì)這些氣體力的研究對(duì)提高壓縮機(jī)工作能力有著不可或缺的作用。通常情況下作用在壓縮腔渦旋盤上的氣體力，根據(jù)作用方向的不同，可以分為軸向氣體力、切向氣體力以及徑向氣體力，以下以動(dòng)渦旋盤為研究對(duì)象。

3.1 軸向氣體力

軸向氣體力是檢測無油渦旋壓縮機(jī)性能的重要因素，是渦旋盤受力中占主導(dǎo)地位的氣體力，軸向氣體力如果過大會(huì)使得動(dòng)渦旋盤沿著軸向會(huì)發(fā)生脫離，軸向間隙相應(yīng)的也會(huì)增大，進(jìn)而增大了徑向氣體泄漏量[7]。

由于r＜2a，故基圓之間圍城的面積SL1為

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角θ隨著壓縮過程進(jìn)行變化時(shí)，其中心壓縮腔內(nèi)軸向氣體力的作用面積A也在變化。

式中ρi——壓力比，ρi={（5.5-θs/π）/（2i-1-θ/π）}k

k——等熵指數(shù)，k=1，2

θs——吸氣結(jié)束角，θs=π/s

ps——吸氣壓力，ps=1.01 Pa

θ——主軸轉(zhuǎn)角，0≤θ≤2π

3.2 切向氣體力

切向氣體力垂直于動(dòng)、靜渦盤的基圓中心連線方向上，其徑向方向上的氣體力會(huì)推動(dòng)渦盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

切向氣體力為

3.3 徑向氣體力

徑向氣體力方向沿兩渦盤的基圓中心連線，其徑向方向上作用的氣體力導(dǎo)致動(dòng)渦盤中心向靜渦盤中心移動(dòng)，使切向氣體力隨著徑向間隙變大而增加。

徑向氣體力

式中pd——排氣壓力，pd=6.0 Pa

4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

4.1 三維模型的建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)無油壓縮機(jī)實(shí)體尺寸，用三維繪圖軟件Pro/E對(duì)渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行建模，并在虛擬環(huán)境中完成裝配，見圖2。

圖2 建模實(shí)體圖

4.2 添加約束及驅(qū)動(dòng)方式

緊接著把前面已經(jīng)建立好的虛擬樣機(jī)導(dǎo)入ADAMS中，在ADAMS中進(jìn)行仿真分析。以無油渦旋壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況為依據(jù)，在虛擬樣機(jī)上添加約束和驅(qū)動(dòng)方式[8-9]。壓縮機(jī)外殼與地面、靜渦旋盤和外殼、平衡塊和曲軸分別相對(duì)靜止，分別給這幾個(gè)部件添加固定副；曲軸作圓周運(yùn)動(dòng)，故添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；動(dòng)渦盤作公轉(zhuǎn)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，故施加圓柱副，而在十字滑環(huán)上施加移動(dòng)副。

電機(jī)帶動(dòng)無油壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)，故在曲軸上創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)速為2890 r/min，即大小為17340°/s。

4.3 施加驅(qū)動(dòng)力

在無油渦旋壓縮機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真分析中，需要施加的力主要是氣體力，分別為軸向氣體力、切向氣體力和徑向氣體力。這3種氣體力相對(duì)復(fù)雜，故根據(jù)3.1-3.3中氣體力公式，借助STEP和IF函數(shù)來模擬氣體力。

5 動(dòng)力學(xué)仿真分析

經(jīng)過以上步驟，無油渦旋壓縮機(jī)仿真條件設(shè)置完畢，通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真，得到無油渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦盤所受氣體力在一個(gè)周期內(nèi)的變化曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出軸向氣體力對(duì)壓縮機(jī)的作用大于切向氣體力和徑向氣體力。

圖3 動(dòng)渦盤氣體力隨轉(zhuǎn)角變化圖

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)渦旋壓縮機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件即動(dòng)渦盤上所受的氣體力的仿真分析可知，軸向氣體力隨主軸轉(zhuǎn)角變化幅度最大，對(duì)壓縮機(jī)工作性能影響最大，徑向氣體力與主軸轉(zhuǎn)角無關(guān)。同時(shí)，軸向氣體力過大不僅會(huì)影響軸向間隙，還會(huì)導(dǎo)致徑向氣體泄漏量的變化；而徑向氣體力過大也會(huì)使徑向間隙增大，從而徑向間隙的氣體泄漏量增加，必須控制氣體力的作用，并采取措施改進(jìn)。

（2）因此，本文為后續(xù)研究平衡軸向氣體力，降低摩擦功耗，防止泄漏量增大提供了參考；同時(shí)相比較理論計(jì)算，使用虛擬樣機(jī)軟件Pro/E和ADAMS進(jìn)行建模仿真，能更形象反映運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而縮短了產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，為進(jìn)一步分析、優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

[1]張立群，劉振全.渦旋壓縮機(jī)靜渦旋盤實(shí)際工況下的變形分析[J].流體機(jī)械，2000，28（2）：18-20.

[2]劉振全，戚智勇.渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦旋盤應(yīng)力及變形的研究[J].流體機(jī)械，1995，23（10）：23-26.

[3]李超，謝文君，趙嫚.多場耦合作用下動(dòng)渦旋盤的變形和應(yīng)力研究[J].流體機(jī)械，2013，41（8）：16-20.

[4]趙樹峰，陳旭，田濤.渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦盤的應(yīng)力及變形分析[J].化工機(jī)械，2003，30（1）：17-20.

[5]趙嫚，李超，俞樹榮，等.渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承的力學(xué)特性研究[J].振動(dòng)、測試與診斷，2013，33（1）：18-20.

[6]高艷，劉躍卓，劉振全.雙頭渦旋齒渦旋壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件受力模型研究[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2014，243（1）：9-11.

[7]李連生.渦旋壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[8]耿葵花，杜時(shí)光，唐萌，等.平動(dòng)活塞式空氣壓縮機(jī)的虛擬仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，（11）：28-30.

[9]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

Dynamics Analysis and Research of Oil-free Scroll Compressor

SHAO Bing,REN Rong
(School of Mechatronics Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to study the dynamics characteristic of oil-free scroll compressor,the dynamics model was established based on theoretical analysis and dynamics simulation and the forces of the main moving parts were studied and analyzed.The conclusion shows that the axial gas forces and tangential gas forces are the key factors that influence the gas leakage,and the simulation results also provide references for subsequent research on scroll compressor.

oil-scroll compressor;dynamics;ADAMS;simulation analysis

TH455

A

1006-2971（2015）03-0017-04

邵兵（1969-），男，甘肅天水，副教授，主要從事機(jī)械理論研究、渦旋壓縮機(jī)等方面的研究工作。E-mail：bingshao1215@163.com

2014-11-28