（制冷及低温工程专业论文）冰箱用往复式压缩机吸气簧片阀工作特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文以冰箱用往复式压缩机吸气簧片阀为研究对象，在前人工作的基础上，系统、 深入地研究了其工作特性，进而分析了影响吸气簧片阀的经济性及可靠性的因素，提 出了一些改善往复式压缩机吸气簧片阀经济性及可靠性的措施。主要工作内容如下： 。f ( 1 ) ) 在分析和总结了当前国内国际对冰箱用往复式压缩机吸气簧片阀的研究结 果的基础上，提出了进行本课题研究的理论和实际意义。 、 2 ) 在分析了往复式压缩机吸气簧片阀运动特性的基础上，并针对前人所建立 的吸气簧片阀运动的单质点数学模型，对其进行计算机模拟和仿真。 ( 3 给出了吸气簧片阀在受到冲击载荷下的动态响应运动特性以及吸气簧片阀 、7 7 有限元形式的数学模型平板振动系统力学模型。i 平板模型可较精确地了解气阎运 动规律，掌握阎片在不同时刻的变形状况。 ( 4 ) 通过对冰箱压缩机吸气簧片阀断裂实验的阀片断裂情况进行微观和综合分 析，得出了吸气阀断裂的主要原因是阀片的弯曲拉压、振动疲劳断裂，验证了冲击载 荷下吸气簧片阀数学模型进行数学模拟和仿真结果正确性，同时对吸气簧片阀的结构 形式提出了两种改进意见。 ( 5 ) 对吸气簧片阀的两维平面薄板振动数学模型采用相对应的有限元法，求解 、夕一、一 阀片动力学方程和流动方程联立形式的阀片运动规律方程组，l 角冲击载荷下吸气簧片 阀数学模型进行了数学模拟和仿真和强度分析，实现对簧片阀动态响应的快速和准确 。 模拟，优化阀片的形状，改善阀片的可靠性。 关键词，往复式压缩机 吸气簧片阀十莲磅几，密闭刮 莉) 气悉心j ：j 专j 华中科技大学项士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o rs u c t i o nr e e dv a l v eo fr e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o rf o rr e f r i g e r a t o ra r ei n v e s t i g a t e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , t h ee c o n o m y a n d r e l i a b i l i t y o ft h ev a l v ea r et h u s a n a l y z e d ，s o m e m e a s u r e sw h i c hc a n i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f t h er e e dv a l v ea r es u g g e s t e d ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o no ft h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o rs u c t i o n r e e dv a l v eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rf o rr e f r i g e r a t o ri nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e p o r t s ，a d v a n c e t h et h e o r ya n d p r a c t i c a lp u r p o s e o f t h e p a p e r ( 2 ) b a s e do nt h er e s e a r c hf o rt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs u c t i o nr e e dv a l v e ，t h e s i n g l ep a r t i c l em a t h e m a t i c a lm o d e la n d s i m u l a t i o n p r o g r a m f o rs u c t i o nr e e dv a l v ei sb u i l t ( 3 ) t h ef i n i t ee l e m e n t sm a t h e m a t i c a lm o d e l f o rt h ed y n a m i c r e s p o n s eo fs u c t i o nr e e d v a l v eu n d e ri m p a c t1 0 a d , t h ep l a t ev i b r a t i o ns y s t e mm e c h a n i c sm o d e l ，i sb u i l t t h ep l a t e m o d e lc a nl e a r nt h em o v e m e n tl a wa n dd i s t o r t i o nc o n d i t i o na td i f f e r e n tt i m eo ft h er e e d v a l v e e x a c t l y ( 4 ) t h r o u g ht h em i c r o c o s m i ca n di n t e g r a t e da n a l y s i so f t h er u p t u r ei ns u c t i o nr e e d v a l v eu n d e ri m p a c tl o a de x p e r i m e n t ，t h em a i nr e a s o no ft h es u c t i o nr e e dv a l v er u p t u r ei s b e n d ，l i b r a t i o nf a t i g u er u p t u r e t h ec o r r e c to f t h ef i n i t ee l e m e n t sm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e ri m p a c tl o a dt os i m u l a t et h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs u c t i o n r e e dv a l v ei sv a l i d a t e d s o m ei d e at oi m p r o v et h et e e dv a l v es t r u c t u r ei sg i v e n ( 5 ) u s i n g t h et w od i m e n s i o np l a t ev i b r a t i o ns y s t e mm e c h a n i c sm o d e lo ft h es u c t i o n r e e dv a l v ea n dt h ef i n i t ee l e m e n t sm e t h o d ，s o l v et h ed y n a m i ce q u a t i o na n df l u e n te q u a t i o n u s i n g t h ef i n i t ee l e m e n t sm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e ri m p a c tl o a d t os i m u l a t et h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s u c t i o nr e e dv a l v ea n d a n a l y s i st h ev a l v ei n t e n s i t y , i m p l e m e n tt h eq u i c ka n de x a c ts i m u l a t i o no ft h es u c t i o nr e e dv a l v ed y n a m i cr e s p o n s e o p t i m i z e t h ev a l v e s h a p e ，i m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo f t h er e e dv a l v e k e y w o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r s u c t i o nr e e dv a l v e w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 本课题的意义 随着世界范围内能源危机的到来，各国政府都在为经济可持续发展的目的积极地 推广节能技术。进入九十年代以后，大气污染、地球温室效应日益严重，直接影响到 人类的生存和发展。因此，提高能源效率和加强环境保护，已成为世界各国政府的迫 切任务。目前，我国能源利用效率只有3 2 左右，比国外先进水平低1 0 多个百分点， 所以节能潜力巨大。仅以电冰箱为例，我国每年电冰箱销售量9 0 0 多万台，如果每台 电冰箱平均节电0 1 k w h 2 4 h 1 0 0 l ，全国每年节电量价值将达1 0 亿美元。因而，电冰 箱的节能已成为能源工作的重要组成部分。 对于电冰箱节能技术，各国都给予很大的注意f 1 p l ，主要原因是：与其他家用电 器相比，电冰箱是全年运行，总用电量很大。美国能源部将电冰箱能耗标准每三年提 高一次，提高幅度高达1 0 - 2 5 ，而且各产品的能耗情况必须贴在电冰箱上，实行优 质优价，以供顾客选择，因而迫使各制造厂不断优化设计，进行节能技术研究。一般 通过选用高效节能型压缩机，并通过模糊逻辑控制；强化蒸发器、冷凝器传热机理， 优化其翅片结构，采用最佳制冷系统匹配；优化毛细管尺寸及制冷剂充注量：对化霜 加热系统进行改进，采用多层门封或多气囊密封技术，强化泡沫隔热特性等措施，以 达到节能省电目的f 3 】。日本为了加快推广节能家电，从2 0 0 0 年下半年起实旖了强制性、 可比较性的能源效率标识计划，冰箱属于标识活动首先开展的产品之一。在降低冰箱 耗电量上，日本政府从标准制定、到消费者使用等方面都采取了一系列积极措旌。生 产企业在开发节能冰箱上也有长足的进步，在提高压缩机运行效率、合理配置内送风 结构、提高冰箱隔热效果、有效匹配冷却系统等方面不断研究，使压缩机能耗大大降 低 4 1 。 我国的电冰箱压缩机和电冰箱生产厂家也在这些方面作了很大努力。我国自1 9 8 9 年1 2 月发布g b l 2 0 2 1 2 8 9 家用电冰箱电耗限定值及测试方法以来，随着科学技 术的不断进步，家用电冰箱的研制、生产有了很大提高，目前国家对该标准进行了修 订，出台了新标准g b l 2 0 2 1 2 1 9 9 9 家用电冰箱电耗限定值及能源效率等级。该标 1 华中科技大学硕士学位论文 准是充分考虑我国家用电冰箱发展现状，同时参考了美国、欧盟等国和地区的家用电 冰箱电耗限定值标准及规范而制定的。 虽然电冰箱的节能已经取得了一定的成绩，但要求继续降低电耗的呼声仍然很 高，美国能源部制定了2 0 0 0 年7 月1 日后制造的电冰箱新标准，要求新一代冰箱必 须节能3 0 ，我国参照欧洲标准制定的电冰箱能耗新标准也已出台，这些都极大的推 动了电冰箱节能技术的进一步发展。已经采用的节能措施效果毕竟有限，而且其中的 一些措施是以损害电冰箱其他性能为代价的，如加厚隔热层则减小了冰箱空间的有效 利用程度，而且增加了隔热材料的消耗。压缩机是制冷系统的“心脏”，压缩机的耗 电量占整个冰箱耗电量的8 0 ，因此提高压缩机效率是降低能耗的重要课题，其品种 和质量直接影响着冰箱的多种性能，对整台冰箱能耗大小起着决定性作用，因而开发、 生产和采用高效压缩机是冰箱节能的关键。在此情况下，对电冰箱采用变频技术的思 想应运而生。 容积式变频压缩机主要有往复式和回转式两种，而回转式又主要分为滚动转子式 和涡旋式。7 0 年代后，由于节能和舒适性要求越来越高，滚动转子式压缩机在小型空 调、热泵中的使用越来越广泛，在家用冰箱也开始得到应用，在小容量范围( 0 3 - 5 k w ) 有替代往复式压缩机的趋判蚓。但由于电冰箱的制冷量小( 一般在2 0 0 w 以下，电机 功率1 6 0 w 左右，中小型冷柜的制冷量也仅有3 0 0 - - 4 0 0 w ) ，制冷温度低( 蒸发温度小 于- 2 3 ) ，滚动转子式压缩机的缺点便显得相当突出：这种压缩机转子表面大多是复 杂的曲面，加工和检测均十分困难( 和具有相同制冷量的往复式压缩机相比，滚动转 子式压缩机体积仅为往复式1 2 左右) ；这种压缩机的各部件常以保持一定的运动间隙 来达到密封，气体通过间隙势必会引起泄漏，从而导致回转式压缩机难以达到较大的 压比，而此时往复式压缩机在小流量时效率高的优点便显示出来了。据统计，在1 9 8 0 年即有变频压缩机投放市场的日本【7 1 ，目前使用旋转式压缩机的冰箱也仅占很小一部 份市场，而我国目前绝大多数冰箱生产线均使用往复式压缩机。因此，针对冰箱用往 复式变频压缩机进行工作特性研究是符合我国国情的，也是具有实际意义的。 一些发达国家已经在这一方面作了很多研究工作。研究表明，当电冰箱采用变转 速压缩机进行连续性调节时，具有十分明显的节能效果，并提出了变速往复制冷压缩 2 华中科技大学硕士学位论文 机的理论模型。美国近几年开发的高效s s g 和h g 系列压缩机除了压缩机本身采取技 术措施外，尚采用风扇冷却压缩机、p t c 启动、电容运转等措施，使c o p 值从原来 的1 1 左右提高到1 5 1 6 。日本三菱电机对m r j f 4 8 d 、m r j 4 5 r 两款冰箱采用变频 压缩机，正常转速为3 0 0 0 转分( 频率5 0 h z ) ：夜间或白天无人开门时，其转速降为 2 7 0 0 转，分( 频率4 5 h z ) ，进入超静节能运行状态：当放入食品需要急冻制冰时，其 转速升高为3 6 0 0 转，分( 频率6 0 h z ) 。整个过程通过变频i c 自动控制，大大提高了制 冷效率，节能在3 0 以上。 我国当前冰箱的保有量已达1 2 亿台，年生产i 千多万台，冷柜年产也达数百万 台，其年总耗电量巨大，采用变频冰箱后，节能效果显著。我国海尔和科龙目前全套 进口电冰箱变频压缩机和变频控制器已经生产了少量变频冰箱投放市场，反映良好， 但售价较高。采用变频压缩机的变频冰箱不仅具有节能效果显著的主要特点，而且还 具有：( 1 ) 振动小、运转平稳，噪声低。( 2 ) 箱内温度控制精度高，具有明显的保鲜 功能。( 3 ) 降温速度快，具有优异的急冻能力。目前，变频式电冰箱已被视为未来电 冰箱发展的主要方向之一，世界上许多主要的电冰箱生产企业都已投入巨资进行研究 并已取得一定成绩，而我国则起步较晚，到目前也仅有个别企业利用国外产品进行了 少量变频电冰箱的生产，因此对电冰箱用变频压缩机的研究就非常有意义。 大量的资料表明，随着冰箱行业的迅速发展，冰箱的节能成为制冷行业的一个大 的方向，科学家们采用各种方法来解决这个问题，而应用变频控制技术的变频式电冰 箱己被视为未来电冰箱发展的主要方向之一。因此，对冰箱用往复式制冷压缩机采用 变频技术进行调速时所产生的问题和要求进行研究。为冰箱用往复式变频制冷压缩机 的设计生产应用提供技术支持，这对于节约能源、降低使用成本等都有重要的意义。 气阀是安装在压缩机气缸上控制气体进出的部件，它控制着压缩机的吸气、压缩、 排气和膨胀四个过程。在往复式压缩机中，气阀是最重要也是最易损坏的部件之一， 因此往复式压缩机运行的经济性及可靠性很大程度上取决于气阀的完善性。一般来 说，压缩机的转速越高，气阀的经济性与可靠性越难保证，因此，气阎又是限制压缩 机实现高速运转的因素，同时也限制了压缩机外形尺寸的降低和质量的提高。正因为 气阀在压缩机中占有如此重要的地位，因此气阀常被人们比作压缩机的“心脏”。 华中科技大学硕士学位论文 在冰箱用往复式压缩机中，普遍采用簧片阀。簧片阀又称舌簧阀、翼状阀。簧片 阀阀片在气体推力及阀片自身弹力作用下，不断启、闭，保证压缩机完成各工作过程。 簧片阀具有结构简单、运动质量轻、余隙容积小、启闭迅速的特点，从而被广泛地用 于微小型、高转速空气压缩机及制冷压缩机中，尤其是它所形成的余隙容积是所有气 阀中最小的一种，这在高压力比压缩机中具有更重要的意义。最简单的簧片阀。其阀。 片是薄的等宽度弹簧片，一端固定，另一端自由，阀片关闭时平贴在阀座上，开启时 阀片翘起。 压缩机变频工作时，当压缩机低速运转时，阀片振荡得最厉害。因为压缩机在低 转速情况下，流过气阀的气体质量流量小，气体对阀片的推力小，阀片相对气体力较 硬。另外，压缩机在低转速情况下，吸、排气时间相对较长，阀片的自振有充分的发 展。由于阀片振荡，气阀延迟关闭。但由于流过气阀的气体质量流量小，阀孔流通面 积相对较大，吸排气压力损失较小。压缩机高速为运转时，阀片振荡缓和。因为压缩 机在高转速情况下，流过气阀的气体质量流量大，气体对阀片的推力大，阀片相对气 体力较软，吸、排气过程中，阀孔处的平均升程较高。另外，压缩机在低转速情况下， 吸、排气时间相对较短，阀片的自振没有充分的发展。由于流过气阀的气体质量流量 大，阎孔流通面积相对较小，气体不能及时流过气阀，曲轴转角为1 8 0 。和3 6 0 。时， 吸、排气阀两端压力仍不平衡，气阀延迟关闭，吸排气压力损失较大。 从以上分析我们可以看出，当压缩机低频运转时，气阀振荡加剧，从而会严重影 响到压缩机的效率；当压缩机高频运转时很容易引起吸气阀片的疲劳失效。因此我们 很有必要针对变频运行工况下压缩机吸气簧片阀的运动特性进行研究，以解决压缩机 变频运行中出现在效率低下、阀片容易断裂的问题。我们在黄石东贝电器股份有限公 司进行本课题的前期实验q d 8 8 y g 和q d l 0 0 y 压缩机匹配某型号冰箱的实验时， 发生一定数量的压缩机吸气阀片断裂的现象也说明了对变频运行工况下压缩机吸气 簧片阀的运动特性进行研究的现实意义。同时，对于变频工况下压缩机运行特性的研 究也有助于我们对定频压缩机进行更为深入的了解。总之，要发展变频电冰箱，必须 首先对往复式制冷压缩机采用变频技术进行调速时所产生的问题和要求进行技术攻 关，为往复式变频制冷压缩机的设计、生产及应用提供技术支持，为电冰箱和冷柜的 4 华中科技大学硕士学位论文 进一步节能提供基础。 1 2 国内外研究现状总结及评述 由于气阀在往复式压缩机中占有很重要的地位，在压缩机行业中，气阀的研究一 直得到普遍的、足够的重视，国f q # i - 许多研究人员为此做了大量的工作。在往复式压 缩机中，几乎普遍采用自动阀。所谓自动阀是指其阀片的运动仅受它两侧气体压力间 的差值而进行动作，它与压缩机之间没有任何机械的或运动的直接关系，只受到压缩 机中与气阀本身有关的某些工况的影响。这一情况使气阀的结构与安装具有很大的独 立性，但也使气阀的工作情况变得复杂化，以致对气阀的研究发生很大困难。 在往复式压缩机存在的百余年中，随着科学技术的发展对气阀的研究也有不同的 历程。可以说，很久以来，直至最近3 0 一4 0 年为止，由于往复式压缩机转速不高，气 阀的寿命和经济性问题并不突出，对气阀的研究还只限于能否达到控制气流的作用问 题，所以在气阀的结构形式上考虑得多一些。例如从单通道趋向于多通道，并发展出 各种形式的片形阀等。基于这一系列的过程，目前常见的自动阀形式，在控制气流的 作用上，被认为是基本满意的。 近3 0 一4 0 年来，由于往复式压缩机转速的提高，其气阀的寿命和经济性问题也日 益突出，另外，随着对往复式压缩机产品质量要求的进一步提高，使得人们对气阎的 研究除了在结构形式这一方面之外，还着重于更细致的方面，例如如何使气阀工作得 更好，达到更高的要求，气阀中的各参数应该怎样地相互配合等等。同时，也由于现 代测试技术的发展，科研成果和电子计算机在实践中的广泛应用，自动阀的研究工作 也被大大地促进了。 首先，气体通过气阀的压力损失是与气阀的几何尺寸有关的，这方面的课题属于 气阀静态特性的研究：即将气阀看成一个孤立的组件，研究阀片静止阶段流动阻力损 失，以便寻求降低阻力损失的途径。 同时，气阀的经济性与可靠性还与气阀是否启闭及时和迅速有关，或者说与气阀 阀片的运动规律有关。这方面课题属于气阀动力学的内容：即将气阀的参数、气体参 数、压缩机参数联系起来，建立气阀数学模型求解。 气阀静态特性的研究最终归纳出气阀的有效通流面积、流量系数、推力系数与气 华中科技大学硕士学位论文 阀几何尺寸之间的关系，由相应的静态特性试验所谓静欧风试验得出有用的性能 曲线。 文献 8 - 1 1 是关于气阀研究较经典的著作，它们都是以气阀为研究对象，通过对 气阀的分析和试验研究，寻找出影响压缩机性能的因素，分别提出了经典的气阀设计 准则和压缩机的模拟模型。 气阀动力学研究是从1 9 5 0 年开始的，即由英国的c o s t a g l i o l a 建立的第一个气 阀数学模型开始。从现今的角度来看，这是一个简单的气阀数学模型，但是却是一个 评价极高的气阀数学模型。当时在没有电子计算机的情况下，用图解法解得的曲线与 实验曲线相比较已经被认为是“基本正确”的。以后由于电子计算机的发展，数学模 型更有所发展，但是一定程度上均以c o s t a g l i o l a 最初提出的分析为基础。1 9 6 7 年 n e ws o u t hw a l a s 大学的u p f o l d 在c o s t a g l i o l a 的基础上再考虑了热交换和阀片的阻 尼作用。1 9 6 7 年意大利的t r a v e r s a r i 和l a c i t i g n o l a 以c o s t a g i o l a 的数学模型为 基础，建立了气垫阀的数学模型，并考虑了由于油的粘滞作用使阀片开启延迟的现象。 】9 7 0 年英国的s t r a t b c l g d e 大学的m a c l a r e n 和k e r r 也在c o s t a g i o l a 的基础上建立 了一个数学模型。以上这些数学模型都是假定气阀阀片是作单自由度的单质点运动， 因此都是简单模型。 对于压缩机簧片阀，阀片在气体力作用下，求得其弹性变形及所受应力较大。当 阎片的形状较简单时，如等宽度簧片阀，阀片可简化为一伯努利- 欧拉梁：对结构复杂 的簧片阀，阀片则需用有限元离散化，求得其弹性变形及所受应力的数值解。1 9 6 7 年p u r d u e 大学的w a m b s g a n s s 和c o b e n 对簧片阀提出了一个阀片被看作是多自由度的 弯曲梁的数学模型，其计算曲线和实验曲线获得了良好的吻合。 国际制冷学会历届有关会议有不少簧片阀的研究报道，文献 1 2 1 4 即是有关簧 片阀的理论模拟计算和实验研究。普渡国际压缩机工程会议关于簧片阀的报导也有很 多。文献 1 5 2 5 即是关于簧片阀动力特性的有限元分析、动态特性的数值分析、应 力和阀片失效的研究，以及簧片阀中的流动实验研究等。 最近又有人把簧片阀作为三维的平板振动来处理，应用有限元法和振型叠加法技 术，建立阀片运动规律微分方程组，获得阀片的位移和应力场，计算结果和实验值比 6 华中科技大学硕士学位论文 较吻合。 在我国，对于压缩机气阀的研究也得到了高度的重视，1 9 8 0 年华中工学院杨乐之 副教授的论文 2 6 是国内学术机构研究簧片阀的序幕。西安交通大学吴业正、林梅教 授也较早地在高校教材上对簧片阀的构造、运动方程、气流推力等做了阐述”7 。文 献 2 9 - 4 4 分别报道了有关簧片阀的数学模拟、试验研究、工程计算方法、阀片应力 的有限元分析和计算以及簧片阀部分形状的优化等研究工作。应用电子计算机及数学 模型研制往复式压缩机始于1 9 7 3 年，最初的工作针对l 2 1 0 8 型空压机性能的提高， 为了降低该机的能耗，进行了压缩机气阀的理论和试验研究。 由于对气阀静态及动力学的研究给气阀设计提供了崭新的设计方法和气阀数学 模型的建立，而使得气缸内吸排气过程的计算也成为可能。在此基础上大大促进了压 缩机气缸内工作过程的模拟以及压缩机的优化设计工作的开展。 往复式压缩机的气阀，其工作原理虽然简单，但用数学模型描写其运动规律并非 容易。用数学模型描写气阀运动规则律，至少需应用两个微分方程式，一个是流动微 分方程式，用以描写气体流经气阀的流动情况；另一个是运动微分方程式，用以描写 阀片在各种力作用下的运动。方程式中各变量均随时间变化，因此与曲轴转角有一定 的联系。英国的c o s t a g i o l a 提出的数学模型中，包括了大约5 0 个变量，微分方程 组是非线性的。由于只能用简单的计算工具或图解法求解，不但十分枯燥，也不能保 证计算的精度。电子计算机的进步惊人地改变了这种状况。用电子计算机求解上述非 线性方程组时，既快又精确。取得这一突破性进展的时间为1 9 6 7 年，当年有四篇论 文在马德里举行的第十二届国际制冷大会上发表。这四篇论文均以c o s t a g l i o l a 提出 的数学模型为基础，用电子计算机求解。 压缩机气阀的优化设计，离不开压缩机工作过程的数学模型，后者是前者的基础 和条件。目前，关于活塞式压缩机的模拟模型及应用研究较完善，文献 4 5 4 6 建立 了描述气阀动力特性和制冷压缩机工作过程的模型，并报道了模拟过程及结果。以后， 许多研究者开始考虑了管道的压力脉动，减少了更多的简化假设，使数学模型更为精 确，压缩机模型的应用也更为广泛。文献 4 7 - 5 0 即报道了压缩机气阀模拟及应用方 面的研究工作。正是有了压缩机工作过程模拟模型的发展和完善，才为压缩机及气阀 华中科技大学硕士学位论文 的优化设计提供了可能性，也正是在往复式压缩机工作过程模拟及其机理设计的基础 上，压缩机及气阎的优化设计才得以应用和发展。 马德里会议后，对往复式压缩机数学模型的研究有了更快的发展。研究目标之一， 是减少建立数学模型时所做的一些假定，以获得更精确的数学模型。以往的数学模型 中，假定气体流经气阀的流动可用一维稳定流动理论计算，流量系数和推力系数均在 稳定流动试验台上测定。实际上，气阀开启和关闭时气流是不稳定的，因此需要进一 步测定不稳定流动时的流量系数和气体推力系数。在以往的数学模型中，另一个假定 是吸、排气腔压力为常数。实际上，流入和流出的气流是间歇性的。由于吸、排气腔 及其连接管道内的空间有限，腔内和管道内的气体压力是脉动的。压力脉动值受吸、 排气过程中活塞速度变化的影响，以及阀隙通流面积变化的影响，它随时问变化的规 律是很复杂的。 迄今在多数数学模型中，假定气缸内压力的分布是均匀的。随着计算机容量及速 度的增加，这一假定将被取消。计算气缸内气体的速度场和压力场已成为研究工作的 一个活跃的领域。气体流经气阀时，其压力随着时间变化的规律，对于计算阀片的位 移及其对阀座的撞击速度有重要影响，必须精确确定。只有做到这一点，才能可靠地 计算阀片弯曲和撞击时的动应力。 建立可靠的数学模型后，设计人员便能快速地确定各种参数变化对压缩机的影 响。他们的任务是在满足规定的要求下做出最佳设计，由于不可能对每个参数完全独 立地进行实验研究，并由于参数问存在着相互影响而这些相互影响又难以直接测定， 因而设计者常利用数学模型对一些彼此有关联的参数作综合研究，以获得参数间的最 佳匹配。 较早将优化思想应用于压缩机设计的是英国斯特列斯大学，美国普渡大学的优化 工作也开展得较早。英国斯特列斯大学发表的最优化设计的论文 5 卜5 4 ，分别以气 阀效率和压缩机的热效率作为目标函数，采用的数学模型是不包括气流脉动的较为简 单的模型，采用的优化方法为“修正的复合型法”。以上这些优化研究大多显示了优 化后计算的压缩机效率提高了l o 左右。从1 9 7 2 年开始美国普渡大学每两年举行一次 压缩机技术会议，不断交流，总结新成就，促进了压缩机技术的进步。 华中科技大学硕士学位论文 国内往复式压缩机的优化工作起步较晚，于8 0 年代才开始得到研究和应用，但 近年来发展也较快，西安交通大学的束鹏程和吴业正教授在国内率先进行了往复式空 气压缩机和制冷压缩机的优化工作，在8 4 年普渡压缩机技术会议上论文 5 5 5 6 3 报道 了他们的优化研究和应用工作。为建立正确的数学模型，已进行了许多卓有成效的研 究，但仍有许多领域等待人们探索。当前的趋势是不但要加深研究的深度，并且要扩 大研究的广度。在加深研究深度方面，内容很多，以气阀为例，这是数学模型的最早 研究领域，但迄今为止对气阀内部的速度场、压力场、动态下的流量系数和推力系数 仍未彻底弄清，当前最大的困难是缺少测量手段，使模型的建立缺乏实验依据。 在研究的广度方面，有两个特点：一是将压缩机模拟与系统模拟结合，这样可以 从总体上考虑节能和寿命；二是将热物理过程的数学模型与零、部件应力分析，运动 件润滑的改善，以及驱动电机的设计制造相结合，使产品不但效率高，而且体积小、 重量轻。 随着理论研究的不断深入，测试条件的不断完善，以及计算机技术的迅速发展， 已开始进行压缩机的计算机辅助设计和辅助制造，因此，数学模型必将发挥更大的作 用。电子计算机的应用使压缩机技术得到迅速的发展。有了计算机，才能完成数学模 型的求解，并通过与试验结果相比较，以估计数学模型的可靠性。通过试验积累的许 多新知识又反过来促进了计算机的应用。 从簧片阀的最早使用到现代簧片阀的应用，国内外关于簧片阀的研究有着十分丰 富的理论和实验资料。但遗憾的是，迄今为止，对簧片阀在变频条件下的运动特性进 行研究，并将簧片阀和压缩机工况结合起来进行最优化设计，这两方面的研究工作在 国内外虽然已经开始进行，但有效的解决方法并不多8 7 。本文的研究工作正是为了 填补有关压缩机簧片阀在变频工作条件下的动态特性和应力应变特性方面的空白，也 是为了丰富簧片阀研究的实践经验，为以后对簧片阀进行更深入的研究和应用做一些 有价值有意义的基础工作，这也正是本文研究的意义所在。 1 3 本文所傲的工作 ( 1 ) 在往复式压缩机簧片阀运动特性的基础上，建立了簧片阀运动的单质点数 学模型并对其进行计算机模拟。单质点数学模型较简单，易于掌握，计算工作量较小， 9 华中科技大学硕士学位论文 基本上能反映气阀的运动规律，主要用来一般了解阀片运动规律或指导簧片阀的设计 计算。 ( 2 ) 采用有限元法，把气阀离散化，对阀片进行模态分析。把阀片与阀座碰撞 过程中所受载荷简化为一系列作用点、作用时刻不同的冲击载荷，采用振型叠加法， 求得阀片在受到冲击载荷作用时和碰撞过程中的位移、速度响应，同时求得阀片在受 到冲击载荷作用时和碰撞过程中的应力。 ( 3 ) 通过对冰箱压缩机吸气簧片阀断裂实验的阀片断裂情况进行微观和综合分 析，得出了吸气阀断裂的主要原因是阀片的弯曲拉压、振动疲劳断裂，同时对吸气簧 片阀的结构形式提出了一些改进意见，并提出了两种气阀改进方案。 ( 4 ) 在冰箱压缩机吸气簧片阀工作过程研究的基础上，对压缩杌吸气簧片阀进 行数学模拟、仿真与优化设计。在压缩机气阀的优化设计过程中，综合考虑气阀的经 济性及可靠性，对实际气阔的设计提供了理论指导。 本课题的研究工作是在很少有前人经验借鉴的条件下进行的，且涉及到变频条件 下气阀的运动特性和应力应变情况，还涉及到气阀的优化设计，具有一定的复杂性， 其研究内容较为新颖全面实用，因此本课题既具有前沿性的研究价值又具有较大的实 际意义。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 吸气簧片阀单质点数学模型及计算机模拟 2 1 引言 生产和科学技术的发展对往复式压缩机的性能提出了更高的要求，也提供了更加 充分的研究条件。人们在实践中发现，简化的热力学关系式未能解释压缩机工作过程 中一些令人困惑的现象。例如：用同样方法设计的气阀，其寿命有高有低，且相差悬 殊。针对上述问题进行的大量试验研究，虽然找到了一些问题产生的原因，并在一定 程度上使用得到解决，但却花费了大量的时间和资金。在这种情况下，提出描述压缩 机工作过程的数学模型，并用现代的计算工具将这些数学模型应用于分析研究压缩机 的工作过程，是我们面临的重要任务。 压缩机数学模型，是压缩机工作过程的数学描述。数学模型的形式不仅取决于实 际对象的性质，还取决于待解决的任务以及求解数学模型的条件。数学模型太简单， 不足以充分反映问题的物理本质，使问题不能很好的解决。但过分复杂的数学模型将 超越现有的求解手段，这样的模型又不能用于解决实际问题，因此数学模型的发展与 模型的求解方法及计算工具的水平紧密相连。 在设计和研究工作中应用数学模型，有下列优点： 1 在设计阶段可进行大量方案的比较，以及主要零部件的计算，为新样机的研 制提供坚实的基础。 2 在试验阶段，可使试验工作量减少。由于预先用数学模型对各种参数的影响 进行充分的分析计算，使试验工作只限于一些最必需的项目。在有些场合，如有引起 爆炸危险时，或因机器尺寸过小难以安装传感器时，往往用数学模型的分析替代试验。 3 降低对试验环境的要求。利用数学模型分析压缩机的性能，将省略在特别高 的温度或特别低的温度下的试验，节省大量时间和资金。 4 为压缩机优化设计提供基础。由于影响压缩机性能的因素很多，压缩机的优 化设计几乎难以通过试验而完成。有了描述压缩机工作过程的数学模型，就可以借助 数学上的各种优化方法，比较方便地求得各种最佳参数。在此基础上，再辅助以少量 的试验，即可得到性能良好的产品。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 1 簧片啊的设计要求 1 气阕阻力损失小 由于气缸直径小，限制了簧片阀的大小。在结构上要选取合理的形状，使气阀结 构紧凑，阀隙通道面积大，阀片完全开启时流经气阀的阻力损失尽量小。气阀的阻力 损失应控制在压缩机指示功率的6 - 1 2 范围内。设计不良时，此项阻力损失可达 1 5 2 0 。 2 使用寿命长 要求在反复冲击时载荷小，阀片使用寿命长，不致于过早损坏。为此要确定合理 的阀片几何尺寸以保证阀片有良好的气阀运动规律，使撞击速度低。 3 阉片对门座的撞击遮度低 簧片阎阀片对阀座的撞击，是阀片损坏的重要原因。过分大的撞击应力使阀片出 现裂纹。因此，降低阀片对阀座的撞击速度，以保护阀片，是提高气阀寿命的重要措 施。阀片对阀座的撞击速度与升程有关，提高升程会使撞击速度增加。因此，设计气 阀时应慎重确定升程。 4 余琼容积小 1 容积系数九，的表达式为五。= l c ( 6 ”一1 ) ( 2 1 ) 式中：c 相对余隙容积； 艿压力比； 坍膨胀过程指数。 公式表明，降低相对余隙容积会使压缩机排气量增加，因此，设计气阀时应尽量 减少余隙容积。微型空压机和小型制冷压缩机一般均为单级压缩，压力比高，余隙容 积大小特别重要，它直接影响压缩机的容积效率。 5 噪声低 气阀噪声的产生，或是由流经气阀的气流所引起，或是由阀片对阀座的金属撞击 所引起。设计时应尽可能减小这些噪声。 6 运动质量小 因微型空压机和小型制冷压缩机转速高，要求阀片的运动质量小，以保证阀片及 1 2 华中科技大学硕士学位论文 时启闭。簧片阀具有运动质量小的特点。 此外，还要求气阀结构简单，制造方便，易于维修，零件的标准化、通用化程度 高等。 2 1 2 簧片阔的结构设计要点 i 阿骧马赫数 阀隙马赫数定义为牙= 生 ( 2 2 ) c 式中厨为阀隙马赫数；瓦为气体流经阀隙时的平均阀隙速度；c 表示在阀隙处气体的 声速c = 斌丁：阀隙马赫数对压缩机的绝热指示效率有重大影响。 压缩机绝热指示效率与相对吸、排气压力损失以及压缩和膨胀过程指数有关。 指示效率 = ，( 坑，0 ，m ，聆) ( 2 3 ) 式中：t 平均相对吸气压力损失，瓯：监： 西平均相对排气压力损失，以 p j p 4 p ，名义吸气压力，n m 2 ； 卸。平均吸气压力损失，n m 2 ； p d 名义排气压力，n m 2 ； 印。平均排气压力损失，n m 2 ； ”压缩过程指数： m 膨胀过程指数。 吸、排过程中，平均相对压力损失为 占：造型：竺：垫竺!沼。， x 2 一z l 式中：x l 、x 2 分别表示阀片开启和关闭时对应的活塞位移，m ； 曰l 对应于x l 的曲轴转角，r a d ： 曰厂对应于x 2 的曲轴转角，r a d ： 华中科技大学硕士学位论文 阀隙马赫数； ，曲柄半径，m ： 五曲轴半径与连杆大、小头中心距之比。 因平均相对压力损失与m 数平方成比例，故在判别气阀对压缩机绝热指示效率 的影响时需用阀隙马赫数的平方衡量。为减少流动阻力损失，提高压缩机效率，阀隙 马赫数就尽量小。由于氟里昂等制冷工质的分子量大，气体常数r 较小，因此氟里昂 气体的声速较低，阎隙马赫数较高。为此，应注意结构参数的选择，以降低阀隙马赫 数。 2 一片厚度的确定 簧片阀的工程设计中，阀片厚度是另一个主要结构参数。阎片厚度直接影响簧片 阀弹性力和阀片刚性系数的大小。气阀研究表明：选用合理的气阀弹性力准则，可 以获得良好的气阀运动规律，保证气阀具有良好的经济性和可靠性。值的计算公式 为老 ( 2 5 ) 不论是单孔阀或多孔阀，弹性力只和气体力只均作为集中力作用在阀片的几何位置 上。f 表示阀片全开时，阀片变形产生的弹性力。选取后，可以计算出新设计簧片 阀单位宽度阀片的刚性系数值，然后乘以阀片固定端实际宽度得到新设计阀片的 刚性系数e 值。对形状简单的条状簧片阀，可以用阀片刚性系数的理论计算公式求 出阀片的厚度最。如果形状复杂无法计算，则可通过实验来确定新设计阀片厚度蠡。 2 2 吸气过程的流动微分方程式及簧片霸运动徽分方程式1 2 7 , 2 8 】 2 2 i 吸气过程的流动徽分方程式 实际压缩机进排气过程是相当复杂的。首先，进排气过程中气体要克服气阀自身 弹力和流动阻力，气缸内气体压力不等于名义压力，且相对于活塞位置而言是变化的。 其二，进排气过程中存在着热传导，气体温度是变化的，气体比熟相应也是变化的。 其三，由于往复式压缩机周期性工作的特点，会带来压力脉动，使吸、排气腔内的压 力也是变化的。 为建立进排气过程的流动微分方程，对于上述复杂情况，必须加以简化： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 1 假定气缸中任一点的温度、压力、气体密度是一样的。即为同一种热力学性 质的工质，任何外部的影响立即传给气缸e f 的所有质点，也即认为气缸中的工质与外 部工质的相互作用为假想的平衡过程。 2 由于压缩机转速较快，可以认为在吸排气过程e e 不发生热交换，假定是绝热 流动过程。 3 用定比热来代替随温度而变化的比热。 4 当压缩机有一定缓冲容积时，可假定吸排气腔的压力是恒定的。 基于上述假定，吸排气过程的流动方程是从能量守恒定律出发，运用理想气体的 一系列性质和绝热过程方程、质量守恒方程导出。 当余隙容积中的气体膨胀，其压力略低于进气管中的名义压力时，气体便进入气 缸，进气过程开始，直到活塞运动到另一个止点。根据能量守恒定律，在整个进气过 程e f ，流入气缸工作容积的气体所具有的能量，主要使得气缸工作容积e e 气体的总能 量提高和消耗在气体对活塞所做的功上。 那么当有d m 公斤的气体通过气阀流入气缸时，带入的能量为 ，d m ；d u + p a y ( 2 6 ) 式中 ，进气阀前单位质量气体的滞止焓： d e ，气缸工作容积中气体总能量的变化； p 气缸内气体压力； pd v 气缸工作容积的变化量。 d u = d ( m u ) = c ，d m t = c ，壶d ( p 功= c ，( 夤d y + 要咖) ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 中 丸d m ；c ，唼+ 簧勿) + c t d m = e 印+ 铷+ 罕p d v c ，t , d m = 半勿+ 警 华中科技大学硕士学位论文 饵咖= 簧咖+ 妄 d p + e p d v r 螺了d m = 0 ( 2 - 8 ) 式中有下角标s 的各参数为气阀前的，无下角标s 的各参数为气缸内的。 又因p ，v ，= 胄瓦贝0 勿+ 印等吨v ，等= o ( 2 - 9 ) 而流过阀隙处的气体质量d m ：n a ，口，生西 ( 2 - 1 0 ) 式中n 同名阀的个数； t 2 v 口。一个气阀的有效通流面积： v 阀隙处的气体比容； ”瞬时阀隙速度： f 时间。 瞬时阀隙速度由可压缩流体的伯努利方程导出，因为气阀前的气体流动面积相对 阀隙处通流面积大得多，可假定气阀前的流速近似等于零。则 j ，- 。丛：土。旦+ 芷 ( 2 1 1 ) k i p 。 k 一1 p 2 因为是绝热流动上；丛：( 丛) i ( 2 1 2 ) v ，pp 式中p 气体的密度。 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 1 ) ，并经整理得 = 厝j 卜印竿2 、j 百q 式( 2 1 3 ) 代入式( 2 - 1 0 ) 中得 j 2 棵l 、k 一1 d m = n a 。a ， v 式( 2 1 4 ) 代入式( 2 8 ) ，并经过演变得 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 1 6 华中科技大学硕士学位论文 d v v - k p s 暮c 厣一n c t , a v d t = 。 协 若令旦= p 则， 圳妒警一t 辱tt i 毋k - i 半：。 式( 2 1 5 ) 或式( 2 1 6 ) 就是吸气过程流动微分方程。 2 2