旋片压缩机的设计和原理

压缩机工作原理及设计摘要论文在对旋叶式压缩机进行了深入细致的研究的基础上，建立统一的叶片运动学模型，应用等距曲线包络原理对旋叶式压缩机缸体型线进行设计与分析，形成一套新型的旋叶式压缩机型线设计理论并开发出一套适用于旋叶式压缩机型线设计与分析的计算机辅助设计软件系统，对指导新型旋叶式压缩机产品的设计和缩短产品研发周期均具有重要的理论意义和工程价值。本文突破传统的设计理念，提出新的设计思想，将缸体型线的设计归结为叶片运动规律的模型建立，模型包含缸体型线设计所期望的容积效率、压缩效率、低泄漏等，并由此形成一套型线的设计理论，为旋叶式压缩机的开发奠定了核心理论基础，对推动旋叶式压缩机的发展具有重要的理论意义和应用价值。关键词：旋叶式压缩机；运动规律；包络原理目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章旋叶式压缩机结构及工作原理 1\o"CurrentDocument"旋叶式压缩机的结构 1\o"CurrentDocument"旋叶式压缩机的工作原理 2\o"CurrentDocument"第二章旋叶式压缩机叶片运动规律的选择 4\o"CurrentDocument"第三章旋叶式压缩机缸体型线的设计 5\o"CurrentDocument"旋叶式压缩机型线要求 5\o"CurrentDocument"新型缸体型线的设计 6\o"CurrentDocument"缸体型线的加工工艺 7\o"CurrentDocument"第四章旋叶式压缩机辅助设计系统 9\o"CurrentDocument"软件实现和系统模型的建立 9\o"CurrentDocument"旋叶式压缩机辅助设计系统介绍 9\o"CurrentDocument"结语 11\o"CurrentDocument"参考文献 12第一章旋叶式压缩机结构及工作原理压缩技术作为汽车空调系统的核心，其发展一直受到全世界汽车制造商的关注。压缩机是汽车空调系统的核心。按照不同的工作方式，压缩机一般分为往复和旋转两种类型。一般往复压缩机主要包括曲轴连杆式和轴向活塞式，共旋式压缩机有两种类型：旋转叶轮式和涡旋式。1.1旋叶式压缩机的结构旋叶式压缩机是汽车空调系统中使用最为广泛的一种。汽车空调系统采用单工位结构和双工位结构两种形式。目前，带4~5个叶片的双叶片旋叶式压缩机应用较广，其整体结构如图1所示。图1旋叶式压缩机目前，常用的旋转叶片双工作空间压缩机如图2所示。受压工作介质的压力因结构的对称性而相互平衡，因此定子轴承不能承受工作介质的可变载荷，因而使用寿命更长，工作更稳定。居中桨和偏心桨是两种类型。桨叶正、负向作用力和叶片凹槽摩擦增加，机械效率下降；具有偏心叶片的旋转叶片压缩机(图2(b)中的0e)比具有定心叶片的旋转叶片压缩机压缩得更多。该机优点突出，定子的中心部具有足够的强度。在较高位置，偏置叶片具有较好的受力形状，定子整体反力线基本平行；叶轮中心线相对于叶轮有较小的侧向分量，因此叶轮和叶槽之间的摩擦较小，如图2(c)和图2(d)所示，旋转叶轮压缩机一般采用Typ-型偏置叶轮［1］。

图2旋叶式压缩机几何示意图1.2旋叶式压缩机的工作原理旋叶式压缩机横断面如图3所示。由于转子因离心力和反压力的作用而转动，因此，叶片被抛出并粘附在缸腔的表面上，从而把缸腔分割成若干体积，形成一个角度变化的小空间。基本元件体积随转子转动而由小变大，由大变小周期性变化。具有适当的入口和出口可以完成气体的吸入、压缩和释放过程。旋压机转子在每一个运动周期内都有多个工作单元，它们按相同的顺序进行工作。只要掌握了其中一个工作单元的全部工作技能，你就可以全面了解压缩机工作的全貌。这就是所谓的转叶式压缩机的基本部件。每一个基本元素在转子旋转一周内，其体积由最小逐渐增大到最大，再由最大逐渐减小到最小。当转子连续转动时，根据上述规律，基本元件的体积会周期性地变化。假定转子旋转周期T,图元完成整个压缩机工作过程（称为占空比）[2]'从而使图元体积随着转子角度的变化而变化，如图3所示。图中，假设最小单元体积为零，并且将最小单元体积的位置作为计算旋转角的起点。理论上,当每个元素的体积增加时,它会与吸管连接,吸进气体；当元素体积达到最大时,就停止吸进气体；然后关闭元件,继续减少体积,压力继续上升（2-3）。最终,当压力上升到要求的压力时,元件与排气管相连,并将内部气体引入排气管（排出过程3-4）。[3]1—缸体2—转子3—叶片4—排气口5—进气口图3旋叶式压缩机示意图

(a)基元容积随转子转角的变化(b)理论工作循环的P-V图图4旋叶式压缩机的理论工作循环第二章旋叶式压缩机叶片运动规律的选择叶头轮廓直接与柱面轮廓相接触，使叶片相互相对运动。叶头型线与汽缸型线之间的有效锁紧，可减少相对运动引起的摩擦磨损。对于旋叶式压缩机的设计与应用，早在已知气缸体结构时，就对其大部分叶片运动进行了分析，而对于旋叶式压缩机的设计，很少单独根据叶片运动规律进行研究。要说明叶片的运动规律，首先要了解旋转叶片式压缩机的工作过程，才能满足工作要求。此外，还应考虑叶片的运动和动态特性，以及压缩机的效率和稳定性等因素。叶片运动规律的选择和设计应考虑以下几个因素：（1）当压缩机对叶片运动规律有特殊要求时，单独采用单一的运动规律难以满足这些要求时，可考虑采用符合要求的组合运动规律。（2）在解释桨叶运动规律时，除桨叶的冲击特性外，还必须考虑桨叶最大速度、最大加速度、最大跳跃率三个参数。工作台的最高加速度越大，惯性力就越大。转动惯量引起的动压力对零件的强度和耐磨性有很大的要求。常见的叶片运动定律中，恒速运动定律存在着导致刚性碰撞的无限加速度突变；而恒速及其它减速运动定律和简单谐波运动定律存在着有限的加速度突变，只能导致弹性碰撞。桨叶的运动规律有多种类型，对旋转桨叶等高速旋转机械来说，冲击问题更为严重。所以人们希望得到具有更好特性的叶片运动规律，从而满足旋转叶片压缩机的工作性能要求。叶片的运动规律设计应满足如下要求：（1）应确保能够达到最大的进气量，叶片的伸缩速度应尽可能快，以达到最大的吸排气效率。（2）为保证旋转叶片式压缩机的稳定性和可靠性，应确保压缩机部件尽可能少的冲击和振动。两者的要求是矛盾的，设计问题应根据具体情况适当解决。第三章旋叶式压缩机缸体型线的设计旋叶式压缩机因其结构简单、性能优良而得到广泛应用。但现有的旋叶式压缩机存在着明显的缺点：缸体形状使密封性能下降，旋叶式压缩机叶片容易携带、压紧。国内外科学家也进行了大量的研究工作。对常用简谐轮廓进行了分析，并进行了对比。遗憾的是，还没有找到一个普遍适用的理论推导公式。［4］对偏心旋叶式压缩机的缸体结构进行了研究，并在此基础上创造性地研制出一种与基本设计参数密切相关、易制造、磨损均匀、密封性好的新型缸体结构。它克服了传统设计方法的不足，从理论上提高了旋叶式压缩机的工作安全性和压缩效率。3.1旋叶式压缩机型线要求双叶腔旋转叶片压缩机的缸体外形具有连续、封闭、光滑的曲线。在圆筒中心到圆筒轮廓的任何一点之间的矢量直径P是旋转角函数，P的最大值表示圆筒的长方体轮廓，P的最小值为圆筒的最大值。理论上，轮廓半径等于转子半径［5］。在提高压缩机性能和使用寿命方面，提出了对汽缸外形的以下基本要求。（1） 形成的工作室较大。随着圆筒外形的增大，压缩机的尺寸和重量也随之减小。所以圆柱型线必须连续、光滑，而且圆柱型线必须有相同的结构参数（长径和短径）。车体线条产生的工作腔要尽量大。考虑到叶片的运动特性，必须使叶片迅速伸展，使其内部吸气部分在一定时间内保持较大的位移，以保证吸气腔有足够的空间。（2） 汽缸表面短时间的脱水通常称为叶片的“空泡”［6］。在叶片和气缸受到冲击时，会产生噪音，损坏密封，导致泄漏和压缩机失效。为避免这一现象，叶片沿气缸内表面滑动时，其径向加速度必须小于滑动叶片的向心加速度，这样才能使离心力大于叶片膨胀运动的惯性力，并保持压紧力。将叶片靠近汽缸的内侧面。（3） 加强铲子力量。在柱面上给定点的法线方向和叶片的运动方向之间的角度叫做柱面的压力角。用p=p3）的极坐标方程描述柱形，其中e是一个极角。叶头的接触点J和叶筒的共同法线n-n与叶片中心线的平行线之间的夹角为Y。⑺缩机机械效率。由上述计算可知，压力角直接依赖于柱形方程p=p3）和/dd，而运动模型显示/dd与叶片的速度有直接关系。所以，为了防止压力角过大，应该限制沿叶片槽滑动的最大叶片速度。（4）叶片的冲击力、振动和噪音应小。理论上，当对应的叶片速度在缸体轮廓的某一点发生变化时，其加速度为正无穷或负无穷。若为+*，叶片会在变更点立即离开圆柱；若为心，叶片会对圆柱有很大的影响。这两种情况都会导致冲击声和严重磨损。为了避免速度的突然改变，气缸体必须在任何位置保持平滑连续，并在转折点处有一个正切［8］。加速反映了叶片运动的惯性力，所以通常我们希望叶片与气缸之间的压缩力不要突然改变。在保证叶片平滑运动、限制叶片振动及对缸体冲击的前提下，还应限制叶片加速度的变化率。加速变化的速率表示为振动支撑力。它的数值越大，加速度的变化越大，振动辅助作用越强。当发生辅助振动时，惯性力的突然变化会使叶片与缸体表面的平衡接触状态受到破坏，并刺激叶片对缸体的冲击振动，从而产生噪声。为提高压缩机的性能和使用寿命，气缸体型线的速度、加速度和跳跃特性必须连续、平稳，不能突然改变，而且气缸体型线的所有特性最大值的无穷大点数由最大转速值减小。［9］合理的桨叶与汽缸之间的接触压力角大小受限制，最大加速度受桨叶所满足的条件限制。不能离开气缸表面，低噪声要求限制了最大跳跃值。简而言之，气缸体外形设计的两个基本原则是：确保旋叶式压缩机在工作时能得到最大的元件体积，以提高吸气和压缩效率，并确保均匀排放；铲斗应具有良好的运动规律，即铲斗沿铲斗槽滑行的速度、加速度曲线是连续的、无突变的，正、负加速度的绝对值限制在刀面允许的范围内，接触电压应小，保证切削工具平稳、安静、可靠地工作。3.2新型缸体型线的设计针对旋叶式压缩机缸体外形设计的要求，从基本设计理论出发，深入、细致地研究了旋叶式压缩机缸体与缸体的相对运动关系、最佳腔体状态和动特性。探讨了一种新型的多段组合缸体结构形式，该结构形式与基本的设计参数密切相关，易于制造，并具有良好的密封性，克服了传统设计方法的不足，并对旋叶压缩机的设计理论进行了改进。高吸力、高压缩效率，保证压缩密封、铲斗运转顺畅。所述组合式汽缸体轮廓有多个部分，其特征是沿转子角逆时针方向由0~360°向下分布于各工作腔上，然后由第一圆弧和第一叶片延伸部分进行分割。线段：第二个圆弧部分，第一个叶片收缩部分，第三个圆弧部分，第四个圆弧部分，第二个叶片扩展部分，第五个叶片收缩部分，第六个圆弧部分。采用此外形结构后，可增加叶片体积。在图6和图7中，分别显示了新气缸体的模型线、与传统轮廓线的对比表和新气缸体通过采用新轮廓线得到的结果。[10]图6新型缸体型线 图.7新型缸体新的多层组合缸体模具生产线具有以下优点：已有的简单谐波缸：转子转动75°，以获得最大面积。组合的新汽缸：旋转53°转子就达到它的最大面积。转动角增大22°，最大吸收率提高11%。新的组合线性气缸在随后的运动中，叶片具有相对稳定的速度，叶片相对较小的加速度，以及叶片向内退缩的惯性力较小。通过后续的压缩，提高了叶片与气缸之间的密封性能。3.3缸体型线的加工工艺旋片压缩机气缸体的设计和尺寸标志与其制造工艺密切相关。常见的处理方法有：根据坐标值进行线描处理、轮廓处理和轮廓处理。画线的方法是最简单的：先在坯料上画出气缸体的实际形状，再用铣削、刨等方法加工，最后手工切割。这种处理方法只适合单件生产，因为绘图和处理的精度较低。成形过程是对成型机床进行成形处理，以得到所需的圆柱形貌。外形零件需预先准备，更适合批量生产。以坐标值为基准的处理方法应用广泛。依赖机床根据工况图上规定的坐标值改变毛坯与旋叶的相对位置来加工缸体。一般情况下，它能在数控机床上自动连续执行。利用铣刀或砂轮在机床上加工缸体轮廓时，通常尽量采用直径和刀头轮廓线的主要圆弧半径相同的旋叶来加工缸腔，所跟踪的缸体轮廓线与所跟踪的缸腔理论模型线重合，且旋叶中心的轨迹方程为所跟踪的缸腔理论模型线的方程。图8缸体型线加工工艺如图8所示，当用旋叶加工圆柱体内腔轮廓时，旋叶中心轨迹曲线为等距离曲线，实际半径为一点。举例来说，假设旋叶半径为RC,旋叶中心的轨迹曲线为等距曲线，其半径为0CRR，其与理论模型曲线的距离为0。若RC>R0，则旋叶中心为一系列假设滚子圆的外圈，以圆柱腔理论模型线上每一点为中心；若R0>RC，则旋叶中心为假设滚子圆族内包线上每一点为中心的轨迹曲线；若R0>RC，则旋叶中心为假设滚子圆族内包线上每一点为中心的轨迹曲线。可见，将公式中的R0替换为0CRR，可得到旋叶中心路径的直角坐标方程。[11]第四章旋叶式压缩机辅助设计系统4.1软件实现和系统模型的建立对于大型复杂系统的开发，首先要对现有系统进行广泛的科学研究，即进行软件分析。对用户需求进行分析是软件分析的主要任务。它是软件需求的逐步完善和完善过程。在软件生命周期中，软件分析是最重要、最关键的环节。建立完整完善的目标逻辑功能体系，确定设计约束条件和软件有效性要求；程序设计人员在软件分析阶段必须做以下工作：（1）收集并分析相关资料；（2）描述现行系统的工作流程，并指出其局限和不足；（3）找出几种可行的解决方案，并选择一种较好的适用方案；（4）编写软件说明书。4.2旋叶式压缩机辅助设计系统介绍本CAD系统充分考虑了面向对象的设计思想，由三大模块和七个子模块组成，其中还包括设计所需要的其它功能。以窗口为基本单元的功能模块。控制系统的主视窗。各子窗为旋叶式压缩机实现一个功能模块和一组相关设计参数。系统执行模块间的参数；齿轮箱的控制极大地提高了整个系统设计的可靠性，加速了设计过程。因为数据可以在系统的不同模块之间流动，每当一个模块的数据发生变化时，其他模块的输出结果和图形就会发生变化，从而实现了产品设计的协作，设计、分析和生产的一体化。这个过程可以用一个循环的“设计分析评估”过程来描述，它能让设计者在最大程度上方便地开发出满意的产品。模块间数据交换是否合理是软件设计的关键。它包括三个模块：原型线分析、叶片运动规律分析和新线设计。系统间各模块的数据信息相互协调。信息在模块间是双向的，这样设计者就可以方便地实现对产品设计的协调控制。（1）原型线分析模块原型线分析模块主要包括原型线的测试数据分析和原型线的运动性能分析两大部分。样机试验数据的分析与旋叶式压缩机的尺寸及结构参数密切相关：长半波尺寸R，短半波尺寸r,叶片位移e叶片数z,等试验参数，通过数据拟合进行传递。得到符合原型线型参数的轮廓方程并进行分析计算。在此基础上，以建立的旋片压缩机运动分析统一模型为基础,对样机曲线进行动态分析,得出相应的运动曲线和旋片角度数据,并输出。（2）叶片运动规律分析模块叶片运动规律分析模块主要由以下两部分组成：一般运动规律分析和新运动规律构建。在分析模块的基础上，通过对叶片运动的一般规律进行分析比较，得到叶片的动态运动曲线和主要特征参数值，作为进行设计时参考叶片运动规律的依据，从而得到压缩机的设计参数。（3）新型线设计模块新线设计主要包括以下两个方面：新线优化设计与新线工况参数比较。动作分析模块接收生产线新的动作分析数据。通过对不同规格压缩机的结构参数的比较，可以同时对压缩机外形的相应参数进行调整以达到最佳性能，通过对空气效率和压缩效率等参数的比较，可以直观地体现新生产线的优点。本模块利用AutoCAD的数据通信功能，利用合并线的复杂数据，在AutoCAD绘图的基础上，直接获取组合线的二维图形。[12]实现了数据的动态联接与通信；信息流动的传递与整个系统动态相连。不但作为各模块的设计参数，信息也在各模块之间有序地流动。详细分析了设计方案，并实际完成了“再设计分析”。设计者可以灵活地控制信息流和接收信息流，使各模块彼此独立并相互连接。结语通过对旋片式压缩机的深入研究，建立了统一的叶片运动学模型，分析了叶片运动学模型对旋片式压