石冬宇

（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院， 南寧530000）

0 引言

滾動活塞式旋轉(zhuǎn)壓縮機因與往復(fù)式壓縮機相比，具有體積小、重量輕、成本低、性能高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代空調(diào)等小容量制冷系統(tǒng)中[1-3]。圖1給出了滾動活塞式旋轉(zhuǎn)壓縮機的結(jié)構(gòu)示意圖。滾動活塞1被安裝在軸8偏心裝置上，滑片4由于背部氣體壓力和彈簧力的作用下與滾動活塞緊密接觸從而將中間的氣缸7分為兩個密閉氣腔－吸氣腔2和壓縮腔6。壓縮機工作時，隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，滾動活塞隨著偏心輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，滑片作高速往復(fù)運動。從上可知，滑片始終受到很高的氣體壓力作用，了解其中滑片受力情況對滾動活塞壓縮機的設(shè)計，性能改進，故障分析都有著至關(guān)重要的作用[4-7]。

圖1 滾動活塞結(jié)構(gòu)簡圖

在文獻[4]中，作者認為在滾動活塞轉(zhuǎn)動的一周過程中，理論上壓縮腔內(nèi)氣體力變化可分為三個階段，但由于吸氣孔和排氣孔口的影響，準確來說其壓力的變化理論式子可分為五個階段來表示；在文獻[8]中，認為滑片圓弧端部所受氣體力方向是在豎直方向上的，但實際上氣體力方向應(yīng)是與滑片圓弧端垂直的。在已有的文獻中為了方便計算，而作出了上述的簡化，但更為深入地了解滑片實際受力情況，能給壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更有力的幫助。

1 工作腔氣體壓力變化

圖1 中的A、B點排氣孔下邊緣點、排氣孔上邊緣點。設(shè)滾動活塞初始點為滑片未伸進氣缸，其與滑片的接觸點。與文獻[4]相比，多考慮了A、B點對壓縮腔內(nèi)壓力的影響。在滾動活塞與氣缸的接觸點經(jīng)過點A時，壓縮腔因排氣孔口的存在，將與吸氣腔連通，此階段，壓縮腔內(nèi)壓力迅速減小至吸氣壓力；隨著滾動活塞的轉(zhuǎn)動，在接觸點經(jīng)過B點后，由于容積變小至零，其內(nèi)壓力理論上應(yīng)為無限大，但由于設(shè)計間隙的存在，此后壓力與吸氣腔壓力相同。結(jié)合文獻[4]中所述，壓縮腔氣體壓力更為具體的計算式可由下式表示：

其中，α1、α2為吸氣孔上邊緣角和排氣閥打開時角度；α3、α4排氣孔下邊緣角和上邊緣角；Vy為壓縮腔容積。

2 滑片所受氣體力

滑片伸進氣缸內(nèi)部分所氣體力如圖2所示，其中Fh為壓縮腔和吸氣腔壓差產(chǎn)生的力，F(xiàn)s、Fd分別為吸氣腔、壓縮腔內(nèi)對滑片圓弧端部的力，Ov為滑片圓弧中心，Od為滑片與滾動活塞接觸點。分別另α為滑片－滾動活塞的法向接觸力與滑片軸線的夾角，β為Fs與滑片軸線的夾角；γ為Fd與滑片軸線的夾角。與文獻[8]相比，本文把滑片的圓弧端部形狀考慮在內(nèi)，更貼近實際。根據(jù)圖2中幾何關(guān)系得：

圖2 滑片伸進氣缸部分受力情況

其中，r為滾動活塞外圓半徑，rv為滑片圓弧端半徑，t為滑片厚度。

3 MATLAB實例計算

以下將利用Matlab軟件，以某型號單缸立式滾動活塞壓縮機為例，模擬仿真在其工作腔壓力和滑片受力的變化情況。計算參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果如圖3、4、5所示。

表1 某變頻滾動活塞壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖 3 為滾動活塞轉(zhuǎn)一周時，兩工作腔壓力變化曲線。從圖中可以更明顯看出，在階段時，兩工作腔內(nèi)壓力相等且都為吸氣壓力。在階段，壓縮腔內(nèi)壓力指數(shù)型上升到額定的排氣壓力；階段3，壓縮腔內(nèi)壓力逐漸減小到殼體內(nèi)部壓力；階段－滾動活塞轉(zhuǎn)過排氣閥口下邊緣時，排氣腔內(nèi)壓力迅速減小到與吸氣腔相同。階段，滾動活塞轉(zhuǎn)過排氣孔上邊緣點，壓縮腔內(nèi)壓力與吸氣腔相同。

圖3 兩工作腔氣體壓力變化曲線

圖4 為滑片水平方向所受氣體力變化情況。從中可以看出，在水平方向上，滑片側(cè)面為氣體力主要受力面，其為兩氣腔的壓力差產(chǎn)生的力；而滑片端部則相對很小，且吸氣腔內(nèi)對端部的力始終大于吸氣腔一側(cè)。

圖4 滑片水平方向受氣體力變化曲線

圖5 為伸進氣缸內(nèi)滑片豎直方向上受力變化曲線，從圖中可看出，相比較于圖4中水平方向上，豎直方向的Fd和Fs所占比例更大，在一開始時，兩者差不大，在壓縮腔開始壓縮氣體后，F(xiàn)d2要大于Fs2。

圖5 滑片豎直方向受氣體力曲線

4 總結(jié)

本文對已有文獻中滑片所受氣體力的情況分析不足，結(jié)合滾動活塞壓縮機結(jié)構(gòu)實際情況，認為壓縮腔內(nèi)氣體的壓力變化可分為5個階段；接著對滑片伸進氣缸部分所受氣體力進行分析，考慮了滑片圓弧端部的影響；最后利用MATLAB仿真分析氣體力的變化情況，仿真結(jié)果可為后續(xù)滑片動力學(xué)的研究提供一定理論基礎(chǔ)。