邵兵，任嶸

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050）

無油渦旋壓縮機動力學分析與研究

邵兵，任嶸

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050）

為了研究無油渦旋壓縮機主要部件的動力學特性，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的動力學模型，通過動力學仿真分析了主要運動部件的受力情況。研究結(jié)果表明，動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)進一步壓縮機研究提供了參考。

無油渦旋壓縮機；動力學；ADAMS；仿真分析

1 引言

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

渦旋壓縮機的主要零部件如動靜渦旋盤、軸等的動力學特性，直接影響到渦旋壓縮機的工作效能和壽命。許多學者已經(jīng)在動力學研究方面取得了不少理論成果，其中江蘇理工大學的張立群為了得到渦旋壓縮機渦旋盤在實際工作環(huán)境下的變形規(guī)律，首先對實際工況下的渦旋盤所受載荷進行了分析，然后據(jù)此建立了相應的有限元模型，再使用有限元分析軟件對靜渦旋盤進行了相應的變形分析，從而為渦旋盤改進提供了第一手資料[1]；蘭州理工大學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)動一周的應力及變形[2]；蘭州理工大學的李超教授在前者的基礎上進行了綜合分析，把渦旋盤在氣體力、溫度場和慣性力綜合作用下的應力和變形分布情況進行整體研究，得出了最大應力發(fā)生部位[3]；天津大學的趙樹峰等則分析了整個載荷循環(huán)過程中，壓縮機渦旋盤所發(fā)生的應力及應變情況[4]；蘭州理工大學的趙嫚、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)參量對滾針軸承受力特征和性質(zhì)的影響，為動力學與摩擦學的耦合問題研究提供了一定的理論依據(jù)[5]；吉林化工學院的高艷等人推導了雙頭渦旋齒渦旋壓縮機的運動構(gòu)件的受力公式[6]。以上研究多以有限元方法為基礎進行分析研究，而很少采用虛擬樣機研究的方法進行動力學分析研究。

所以本文采用虛擬樣機研究的方法對無油渦旋壓縮機主要零部件動渦旋盤進行了相應的動力學分析以及探究，從虛擬仿真結(jié)果中可以得出動渦旋盤在氣體力作用下的受力變化，為樣機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及進一步研究渦旋壓縮機提供可靠依據(jù)。

2 渦旋壓縮機理論基礎

無油渦旋壓縮機的主要零部件有相互嚙合在一起的動、靜渦旋盤、電機驅(qū)動的曲軸、殼體等。其中2個動、靜渦旋盤對插在一起，在曲軸的與防自轉(zhuǎn)機構(gòu)的約束下，從而實現(xiàn)公轉(zhuǎn)平動。隨著動渦旋盤轉(zhuǎn)動，使得形成的數(shù)對閉合的壓縮腔容積周期性的由大變小，實現(xiàn)壓縮過程，如圖1所示。

渦旋壓縮機基本參數(shù)，見表1。

圖1 渦旋壓縮機基本機構(gòu)

表1 渦旋壓縮機主要變量參數(shù)表

3 運動部件動力學模型

渦旋壓縮機動、靜渦旋盤所受的力有氣體力和非氣體力兩大類。由于渦旋壓縮機動、靜渦旋盤是對插在一起的，因此所受氣體力大小相等、方向相反。而靜渦旋盤中產(chǎn)生的氣體力則會作用到外壁上，這種沖擊力使壓縮機產(chǎn)生振動進而形成噪聲。但是這些振動和噪聲產(chǎn)生的相對影響比其他類型的壓縮機還是很小的。即便是影響很小，只要氣體力對無油壓縮機的動渦旋盤產(chǎn)生作用，就會直接改變渦旋壓縮機的容積效率和機械效率，因此對這些氣體力的研究對提高壓縮機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，以下以動渦旋盤為研究對象。

3.1 軸向氣體力

軸向氣體力是檢測無油渦旋壓縮機性能的重要因素，是渦旋盤受力中占主導地位的氣體力，軸向氣體力如果過大會使得動渦旋盤沿著軸向會發(fā)生脫離，軸向間隙相應的也會增大，進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

當曲軸轉(zhuǎn)角θ隨著壓縮過程進行變化時，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、靜渦盤的基圓中心連線方向上，其徑向方向上的氣體力會推動渦盤轉(zhuǎn)動。

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致動渦盤中心向靜渦盤中心移動，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 動力學仿真分析

4.1 三維模型的建立

根據(jù)實驗樣機無油壓縮機實體尺寸，用三維繪圖軟件Pro/E對渦旋壓縮機進行建模，并在虛擬環(huán)境中完成裝配，見圖2。

圖2 建模實體圖

4.2 添加約束及驅(qū)動方式

緊接著把前面已經(jīng)建立好的虛擬樣機導入ADAMS中，在ADAMS中進行仿真分析。以無油渦旋壓縮機的實際運動情況為依據(jù)，在虛擬樣機上添加約束和驅(qū)動方式[8-9]。壓縮機外殼與地面、靜渦旋盤和外殼、平衡塊和曲軸分別相對靜止，分別給這幾個部件添加固定副；曲軸作圓周運動，故添加轉(zhuǎn)動副；動渦盤作公轉(zhuǎn)平動運動，故施加圓柱副，而在十字滑環(huán)上施加移動副。

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

4.3 施加驅(qū)動力

在無油渦旋壓縮機的虛擬樣機仿真分析中，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種氣體力相對復雜，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 動力學仿真分析

經(jīng)過以上步驟，無油渦旋壓縮機仿真條件設置完畢，通過動力學仿真軟件ADAMS動力學仿真，得到無油渦旋壓縮機動渦盤所受氣體力在一個周期內(nèi)的變化曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出軸向氣體力對壓縮機的作用大于切向氣體力和徑向氣體力。

圖3 動渦盤氣體力隨轉(zhuǎn)角變化圖

6 結(jié)論

（1）通過對渦旋壓縮機主要運動部件即動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，對壓縮機工作性能影響最大，徑向氣體力與主軸轉(zhuǎn)角無關(guān)。同時，軸向氣體力過大不僅會影響軸向間隙，還會導致徑向氣體泄漏量的變化；而徑向氣體力過大也會使徑向間隙增大，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。

（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；同時相比較理論計算，使用虛擬樣機軟件Pro/E和ADAMS進行建模仿真，能更形象反映運動特性，進而縮短了產(chǎn)品研發(fā)時間，為進一步分析、優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

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

[2]劉振全，戚智勇.渦旋壓縮機動渦旋盤應力及變形的研究[J].流體機械，1995，23（10）：23-26.

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

[4]趙樹峰，陳旭，田濤.渦旋壓縮機動渦盤的應力及變形分析[J].化工機械，2003，30（1）：17-20.

[5]趙嫚，李超，俞樹榮，等.渦旋壓縮機驅(qū)動軸承的力學特性研究[J].振動、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運動構(gòu)件受力模型研究[J].壓縮機技術(shù)，2014，243（1）：9-11.

[7]李連生.渦旋壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[8]耿葵花，杜時光，唐萌，等.平動活塞式空氣壓縮機的虛擬仿真分析[J].機械設計與制造，2012，（11）：28-30.

[9]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[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，主要從事機械理論研究、渦旋壓縮機等方面的研究工作。E-mail：bingshao1215@163.com

2014-11-28