安吉閣

（中山市技師學(xué)院 廣東中山 528400）

基于Pro/E的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

安吉閣

（中山市技師學(xué)院 廣東中山 528400）

目前滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)器中，壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的“心臟”，在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，滑片行程隨時(shí)間變化的函數(shù)規(guī)律是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)，而常規(guī)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法動(dòng)態(tài)地分析這個(gè)問(wèn)題。本文運(yùn)用Pro/E軟件建立滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)構(gòu)，不但可以直觀快捷的了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，還可以生成滑片的位移、速度和加速度曲線。

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)；Pro/E；運(yùn)動(dòng)仿真

1 引言

空調(diào)用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)最早由美國(guó)GE公司研制并生產(chǎn)，由此引發(fā)了空調(diào)用壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)上的巨大進(jìn)步[1]。將壓縮機(jī)分為泵體組件、殼體組件和電機(jī)組件三個(gè)部分，其中泵體主要包括：上法蘭、下法蘭、曲軸、滾子、滑片、氣缸和曲軸；殼體組件主要包括：上蓋、下蓋、殼體、分液器等；電機(jī)組件主要包括：定子組件和轉(zhuǎn)子組件等，如圖1所示。

運(yùn)動(dòng)仿真是使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬和分析真實(shí)事物的運(yùn)動(dòng)和變化過(guò)程,并獲得相應(yīng)的結(jié)果[2]。 Pro/E提供了完善的仿真功能，使用三維實(shí)體建模模塊創(chuàng)建模型后，即可模擬模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移及干涉問(wèn)題，還可以將仿真的結(jié)果輸出，生成MPG、AVI等格式的文件。

在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為減少滑片端部的泄漏以及降低功率損耗，滑片的運(yùn)動(dòng)特性是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)創(chuàng)建位移函數(shù)，然后求導(dǎo)得到滑片運(yùn)動(dòng)的速度和加速度函數(shù)，求解過(guò)程非常復(fù)雜。用Pro/E建立滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的三維仿真模型就可直觀地分析滑片的運(yùn)動(dòng)情況，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期[3]。

2 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)工作原理與運(yùn)動(dòng)模型

2.1 工作原理

如圖2所示滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，圓形氣缸的徑向開(kāi)設(shè)有吸氣孔口和排氣孔口，滾子裝在曲軸上，滾子沿氣缸內(nèi)壁滾動(dòng)，與氣缸形成一個(gè)月牙型的工作腔，它的兩端有上下法蘭密封，構(gòu)成壓縮機(jī)的工作腔?；勘巢繌椈闪蜌怏w力的作用與滾子緊密接觸，將月牙形的工作腔分隔為兩部分，與吸氣口相通的吸氣腔，與排氣口相通的排氣腔，滑片隨滾子的滾動(dòng)

沿滑片槽作往復(fù)運(yùn)動(dòng)[4]。

圖1 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 滑片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖4 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)泵體裝配圖

圖5 運(yùn)動(dòng)仿真模型圖

2.2 運(yùn)動(dòng)模型

圖3為滑片運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖，用CD表示滑片，視滑片為剛體，則其上任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)代表滑片的運(yùn)動(dòng)。在壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子中心O1繞氣缸中心O順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，其軌跡是一個(gè)半徑為曲軸偏心距的圓，滑板受氣體力和彈簧力的作用，緊壓在轉(zhuǎn)子上，作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連接CD、O1D、O1O的粗實(shí)線恰與往復(fù)壓縮機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)相似[5]。如果規(guī)定滑片被滾動(dòng)轉(zhuǎn)子完全推出氣缸內(nèi)孔時(shí)，其端部D點(diǎn)的位移為零，D點(diǎn)向氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移為正，在任意轉(zhuǎn)角θ時(shí)，滑片位移為：

對(duì)式（1）求導(dǎo)，則得滑片運(yùn)動(dòng)的速度及加速度計(jì)算公式（2）和（3）：

由上述計(jì)算可知滑片位移、速度和加速度均為轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)，在計(jì)算過(guò)程中θ和w關(guān)系的轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，而運(yùn)用Pro/E進(jìn)行的仿真過(guò)程可以避免這一復(fù)雜運(yùn)算。

3 零件建模與裝配設(shè)計(jì)

在零件建模過(guò)程中其主要參數(shù)如下：氣缸直徑D=57.181mm；滾子外圓直徑d=45.88mm；曲軸偏心距e=5.9mm。

裝配是運(yùn)動(dòng)仿真的前提保障，裝配關(guān)系的正確與否直接影響著運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果，裝配前首先要確定運(yùn)動(dòng)的各構(gòu)件以及各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副[6]。

運(yùn)用Pro/E零件設(shè)計(jì)完成泵體主要零件的創(chuàng)建，依據(jù)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)泵體裝配關(guān)系完成泵體裝配如圖4所示。為盡量簡(jiǎn)化模型，對(duì)不參與運(yùn)動(dòng)的上法蘭等不添加運(yùn)動(dòng)模型中來(lái)。

4 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Pro/E Mechanism工作環(huán)境中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真主要通過(guò)以下4個(gè)步驟進(jìn)行：（1）定義運(yùn)動(dòng)副；（2）添加驅(qū)動(dòng)；（3）進(jìn)行分析測(cè)量；（4）輸出分析結(jié)果。

4.1 定義運(yùn)動(dòng)副

根據(jù)滾動(dòng)式壓縮機(jī)的工作原理,首先應(yīng)確定仿真分析中各零件部件的連接方式，其中氣缸采用剛性連接, 曲軸有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度曲軸與下法蘭銷釘連接，滾子與曲軸銷釘連接，滑片與氣缸滑動(dòng)桿連接，滑片與滾子凸輪連接，如圖5所示。

4.2 添加驅(qū)動(dòng)并定義測(cè)量

要讓機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生動(dòng)作必須要加入動(dòng)力條件,即模型中添加驅(qū)動(dòng)器。在Pro/E Mechanism模塊中

為所建模型添加驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的動(dòng)力由曲軸上輸入，故將曲軸軸線銷釘連接處作為添加伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心，定義運(yùn)動(dòng)軸為轉(zhuǎn)子中心線，伺服電機(jī)速度為常數(shù)，在這里把伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為60deg/s，即每6秒旋轉(zhuǎn)l周[7]。

圖6 滑片位移—時(shí)間曲線

圖7 滑片速度—時(shí)間曲線

圖8 滑片加速度—時(shí)間曲線

4.3 仿真結(jié)果

選擇滑片底部中心點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，分析的結(jié)果可用圖表的形式輸出，這樣從圖表可以判斷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果是否與設(shè)計(jì)一致，從而提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[8]。

圖6所示為滑片位移—時(shí)間曲線，圖7所示為滑片速度—時(shí)間曲線，圖8所示為滑片加速度—時(shí)間曲線。

5 結(jié)論

本文首先建立了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型，并在Pro/E中建立其裝配模型，利用Mechanism模塊對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，從而不需要通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)就可以比較直觀地判別滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)的合理性，從運(yùn)動(dòng)的角度保證了壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，并能夠簡(jiǎn)單快捷地得到滑片的位移、速度和加速度曲線，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析、敏感度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。

[1] 張華俊，袁秀玲，劉勇等．滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．制冷與空調(diào).2004(4)：14-16．

[2] 祝凌云,李斌Pre/Engineer運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析[M].北京:人民郵電出版社，2004：3.

[3] 馬國(guó)遠(yuǎn)，李紅旗.旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003:28.

[4] 蔡曉君，羅福華. 基于Pro/E Mechanism的旋葉式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，2006(5)：24-26．

[5] 吳業(yè)正，李紅旗，張華等.制冷壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：92.

[6] 王凱，曹西京．基于Pro/E的機(jī)械產(chǎn)品機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真設(shè)計(jì)[J]．輕工機(jī)械，2006(3)：62-64．

[7] 錢(qián)珊．基于Pre/MECHANISM的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)構(gòu)的建立與分析[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，2009(2):6-9．

[8] 呂顥，任挪穎，顏俊等．基于Pro/E實(shí)現(xiàn)活塞壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，2006(6):13-16．

Motion simulation of rotary compressor base on Pro/E

AN Jige
（ZhongShang Technician College Zhongshan 528400）

The rotary compressor is widely used in household air conditioner. Compressor is the heart of air conditioning system，and pump body is the heart of compressor. In the development and design of rotary compressor, function rule of the vane traveling distance along with the time variation are often the points which the designers pay attention. The conventional design method is unable to solve the above problems. This paper aims at setting up simulation mechanism of rotary compressor which established by Pro/E. It not only solved the above problem visually and quickly, but also build the characteristic curve.

Rotary compressor; Pro/E; Motion simulation