王 滿 潘樹林 周盛杰

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擺動轉子壓縮機導軌處優(yōu)化設計與泄漏分析

王 滿 潘樹林 周盛杰

（廣西大學廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室 南寧 530004）

運用SolidWorks軟件建立擺動轉子壓縮機各零件三維模型及裝配模型，利用干涉檢查優(yōu)化設計出能減小余隙容積的導軌結構。對優(yōu)化后的結構進行有限元分析，結果表明這種結構運行可靠。對優(yōu)化后的導軌處建立泄漏模型，運用MATLAB軟件進行數(shù)值模擬，分析了各個因素對泄漏量的影響，研究結果為指導擺動轉子壓縮機導軌處的設計提供理論依據(jù)。

擺動轉子壓縮機；導軌；優(yōu)化設計；泄漏

0 引言

擺動轉子壓縮機在20世紀早期就被作為空氣壓縮機和真空泵運用于工業(yè)上[1]，但其加工較為復雜很少用于空調制冷中。隨著新制冷劑的深入研究和工藝水平的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)擺動轉子能承受更大的壓力差更適用于R410A的房間空調器或單元式空調機中，甚至被個別制造廠大量生產[2]。擺動轉子壓縮機主要的零件包括：氣缸體、擺動轉子、偏心輪軸、導軌和前后端蓋。其中擺動轉子與導軌的加工和設計難度較大，導軌處設計不好很容易使壓縮機卡死同時影響壓縮機效率；導軌處泄漏通道較多泄漏過程復雜，泄漏影響擺動轉子壓縮機容積效率，研究影響泄漏的因素對壓縮機的機理設計和性能預測具有重要意義[3]。

1 擺動轉子壓縮機的建模與優(yōu)化

1.1 工作原理

擺動轉子壓縮機在氣缸體內裝有擺動轉子，擺動轉子由滾環(huán)和擺桿一體化組成。滾環(huán)套在偏心輪上，擺桿在導軌中上下滑動并隨導軌左右擺動。擺動轉子將氣缸分成兩個氣腔，氣腔容積隨偏心輪旋轉周期性地擴大和縮小，配合吸、排氣口實現(xiàn)制冷劑的吸入、壓縮和排出等過程。壓縮機兩個氣腔同時工作，工作過程連續(xù)進行，偏心輪軸每轉一周完成一個工作循環(huán)。

1.2 零件的建模與導軌處的優(yōu)化設計

擺動轉子壓縮機的擺動轉子作復雜的平面運動，一端隨轉子做轉動，另一端隨導軌作擺動并在導軌中上下滑動。由此使得導軌和擺動轉子的結構設計困難，加工要求精密[2]。在SolidWorks中，用戶不但可以對整個裝配體或在裝配體中選定的零部件之間進行靜態(tài)的干涉檢查，而且可以進行動態(tài)的干涉檢查。對氣缸體和偏心輪軸、擺動轉子、導軌建立如圖1所示模型。確定各運動件之間的運動關系后，插入氣缸體固定，然后分別插入偏心輪軸、擺動轉子和導軌添加配合關系完成裝配。為盡量簡化模型，對不參與運動的端蓋等不添加到運動模型中來，完成后的裝配體模型如圖2所示。

圖1 零部件三維模型

圖2 裝配體模型

在擺動轉子壓縮機設計過程中，提高壓縮機的容積效率最有效的方法是減小余隙容積和泄漏量。裝配體裝配完成后，運用碰撞檢查功能檢查零部件之間是否存在干涉和碰撞。如果零件之間發(fā)生干涉現(xiàn)象，干涉的部分會以高亮的形式顯示出來，再對其進行修改得到優(yōu)化的結果。如圖3所示為導軌處優(yōu)化設計后的運動過程。

圖3 優(yōu)化后導軌處的運動過程

優(yōu)化后的導軌由兩個對稱的滑塊組成，滑塊的根部為一圓弧面，圓弧的直徑與氣缸內徑相同。通過以上優(yōu)化后排氣封閉容積和滑槽內的余隙容積幾乎為0。

2 優(yōu)化后的壓縮機模型參數(shù)求解

2.1 工作腔容積理論模型

由擺動轉子壓縮機工作原理可知，吸氣終了時擺動轉子擺桿部分完全位于氣缸內孔之外，即工作容積為：

式中：為氣缸的內半徑，mm；為擺動轉子滾環(huán)的外半徑，mm；為氣缸軸向高度，mm。

壓縮機內氣體開始壓縮時，擺動轉子壓縮機的幾何關系如圖4所示。根據(jù)幾何關系，重新推導出偏心輪軸轉動任意角時，壓縮腔的容積為：

式中：為氣缸與導軌的中心距，mm；為偏心距，mm；B為擺桿的厚度，mm。

圖4 擺動轉子壓縮機幾何關系

2.2 工作腔內氣體的壓力理論模型

由擺動轉子工作過程可知，當偏心輪軸轉角轉過吸氣孔下邊緣時氣體開始壓縮。氣體吸入、壓縮、排出速度快，此過程中散發(fā)的熱量極少近似認為是絕熱過程[4]，則氣體壓縮過程中壓縮腔內壓力2為：

式中：1為吸氣壓力，Pa；為吸氣孔口下邊緣角，rad；為多方指數(shù)。

2.3 運動模型

為便于分析，用如圖5所示機構簡圖來表示真實的擺動轉子運動機構[2]。以O為原點建立坐標系，B表示導軌，OA表示偏心輪軸偏心距為，OB表示氣缸與導軌的中心距為。OA繞O點以角速度作勻速轉動與軸夾角為，AC與軸夾角為。

圖5 擺動轉子的運動分析

V表示擺動轉子沿CA方向的速度，將V分解為垂直于OA的速度V和垂直于AC的速度V，且V=，則：

導軌作擺動，其外表面的線速度為：

（6）

式中：r為導軌半徑，mm。

3 優(yōu)化后的氣缸有限元分析

3.1 樣機主要結構參數(shù)

針對制冷劑為R410A的家用房間空調器[5]，本文設計的擺動轉子壓縮機樣機主要參數(shù)如下：氣缸直徑=24mm；擺動轉子滾環(huán)外徑=18mm；偏心輪軸偏心距=6mm；氣缸軸向高度=14mm；氣缸與導軌的中心距=27mm；擺桿的厚度B=3mm；導軌的半徑r=4mm電動機的轉速=3000r/min；為使運動件之間有良好的潤滑和密封，各配合間隙應保持在8～25μm[2]。

3.2 有限元分析

為保證導軌在壓縮機整個運行過程中不會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，本文通過運用SolidWorks Simulation對氣缸在壓縮機第一次壓縮結束、平穩(wěn)工作后吸氣結束和壓縮結束三種狀態(tài)下作應力分析得出氣缸變形后的位移分別如圖6（a）、（b）、（c）所示。從圖中可以看出最大位移均不是發(fā)生在與導軌配合處，與導軌配合處的最大位移分別為2.028×10-3mm、1.233×10-3mm、1.422×10-3mm均在公差允許的范圍內。

（a）第一次壓縮結束

（b）平穩(wěn)工作后吸氣結束

（c）平穩(wěn)工作后壓縮結束

4 泄漏特性數(shù)值模擬分析

4.1 導軌處泄漏模型

由于導軌與氣缸、擺動轉子之間存在間隙，壓縮機氣缸外部的潤滑油[6]會通過此間隙向壓縮腔和吸氣腔泄漏。如圖7所示，四個泄漏通道泄漏量分別為m1、m2、m1、m2。實際上，由于潤滑油在泄入工作腔的過程中，因壓力的變化而使制冷劑在油中的溶解度發(fā)生變化，泄入氣缸的是氣、油兩相混合物，其機理復雜[7]。

圖7 導軌處的泄漏通道

圖8 導軌處的泄漏模型

經簡化處理假定泄漏過程按均相流動，泄漏流體與壁面無熱交換，并認為流動過程為等溫過程[8]。由于四個泄漏通道間隙都很小，都可以近似按平行平板間不可壓縮粘性流動處理[9]，如圖8。由流體力學—方程和連續(xù)性方程可求得潤滑油泄漏到吸氣腔的流量m1、m2和壓縮腔的流量m1、m2為：

（8）

（9）

則擺動轉子壓縮機導軌處的泄漏量為：

（11）

壓縮機每轉一周導軌處泄漏量為：

4.2 泄漏特性分析

為便于分析各因素對泄漏量的影響，本文假設四個泄漏通道的泄漏間隙相等。潤滑油采用PVE-68[10]，泄入氣缸的混合物密度和粘度由文獻[7]計算得到，通過MATLAB編程模擬得到各因素對泄漏量影響的特性曲線。

4.2.1 轉角變化對泄漏量的影響

圖9、圖10分別為吸氣腔和壓縮腔泄漏量與轉角的關系，其中吸氣腔泄漏量將影響容積效率。從圖9中可以看出泄漏量m2比泄漏量m1變化的范圍廣。從圖10中可以看出壓縮腔泄漏量m1排氣前一直減小，開始排氣后泄漏量基本不變，泄漏量m2先增大后減小然后反向泄漏。比較圖9和圖10可知一個周期內吸氣腔總泄漏量大于壓縮腔總泄漏量。

圖9 吸氣腔泄漏量與轉角的關系

圖10 壓縮腔泄漏量與轉角的關系

4.2.2 壓縮機轉速變化對泄漏量的影響

圖11為每轉泄漏量與壓縮機轉速的關系，從圖中可以看出隨著壓縮機轉速的改變，壓縮機每轉導軌處的泄漏量保持不變，即壓縮機轉速的改變不會影響導軌處每周期內的泄漏量。

圖11 每轉泄漏量與壓縮機轉速的關系

4.2.3 泄漏間隙對泄漏量的影響

圖12為導軌處泄漏量與泄漏間隙的關系，從圖中可以看出隨著間隙值的增大泄漏量增大，間隙值小于10μm時泄漏量基本相同且隨轉角變化的范圍很小。

圖12 導軌處泄漏量與泄漏間隙的關系

5 結論

本文通過SolidWorks三維設計軟件對擺動轉子壓縮機進行建模，并運用干涉檢查對導軌處重新設計，優(yōu)化得到能使排氣封閉容積和滑槽內的余隙容積幾乎為0的結構。通過SolidWorks Simulation有限元分析得出這種結構在工作過程中不會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。對優(yōu)化的結構導軌處的泄漏進行數(shù)值模擬分析得出以下結論：

（1）一個周期內吸氣腔泄漏量大于壓縮腔泄漏量，當壓縮到排氣壓力后壓縮腔開始反向泄漏。

（2）壓縮機轉速的改變不會影響導軌處每周期內總泄漏量。

（3）間隙值對導軌處泄漏量影響較大，當間隙值小于10μm時泄漏量變化不大，因此在設計擺動轉子壓縮機時，建議導軌處各配合間隙設計在10μm。

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Optimization Design and Characteristic Analysis of Leakage at the Swing Bushes of Swing Compressor

Wang Man Pan Shulin Zhou Shengjie

( Guangxi Key Lab. of Petro. Resource Processing and Process Intensification Technology, Guangxi University, Nanning, 530004 )

The three dimensions model of each part of the swing compressor and its assembly model was established by SolidWorks. A optimized structure of the swing bushes that can decrease clearance volume was designed by interference checking module. The finite element analysis of the optimized structure was carried out. The results show that the new structure was reliable operation. The leakage model at the optimized swing bushes was established and the elements that influence leakage were analyzed by MATLAB, the research provides theoretical basis for designing the swing compressor at the swing bushes.

swing compressor; swing bushes; optimization design; leakage

1671-6612（2017）03-229-06

TB652

A

廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室主任課題基金資助項目（NO：2015Z002）

王 滿（1991.09-），男，在讀碩士研究生，E-mail：wangmanbest@163.com

潘樹林（1970.04-），男，博士，教授，E-mail：panshulin@163.com

2016-04-12