三維滾動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展摘要：渦旋壓縮機(jī)因?yàn)槠涓咝?，低振?dòng)的優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。為了進(jìn)一步提高渦旋壓縮機(jī)性能，作者發(fā)展了一個(gè)新的三維壓縮機(jī)制（立體滾動(dòng)） ，即通過(guò)添加一個(gè)軸向壓縮，到傳統(tǒng)的徑向壓縮。三維壓縮的實(shí)現(xiàn)，使得傳統(tǒng)壓縮機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的更高效率，更高的可靠性，體積小得以實(shí)現(xiàn)。由于立體滾動(dòng)從滾動(dòng)頂端到端板有步驟，使得三維壓縮效率提高的關(guān)鍵點(diǎn)是要盡量減少氣體在端板出的泄漏。通過(guò)氣缸壓力測(cè)量及可視化試驗(yàn)，可獲得端板泄漏特性，得到了最佳間隙范圍。在此基礎(chǔ)上，作者開(kāi)發(fā)了高效率，體積小，重量輕的立體滾動(dòng)商用空調(diào)壓縮機(jī)。所研發(fā)的三維滾動(dòng)與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)相比，壓縮機(jī)體積減小 35%，重量減輕 26%，效率提高 5.5%。關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)，制冷，控制，性能，開(kāi)發(fā)，仿真1 引言從環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對(duì)全球變暖的角度出發(fā)，節(jié)約能源的要求越來(lái)越緊迫。由于大多數(shù)的制冷和空調(diào)電器是由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化的能源，因此它的效率的提高是節(jié)能不可缺少的。同時(shí)，這些設(shè)備往往在其安裝空間受到限制。因此，每個(gè)組件，包括壓縮機(jī)都應(yīng)小型化，從而提高了安裝的靈活性。今天，渦旋壓縮機(jī)，它具有高效率，低振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，已為各種電器使用，以滿(mǎn)足對(duì)節(jié)約能源的需求和它的更廣泛的使用。為了進(jìn)一步提高渦旋壓縮機(jī)性能，作者發(fā)展了一個(gè)新的三維壓縮機(jī)制（立體滾動(dòng)） ，即通過(guò)添加一個(gè)軸向壓縮，到傳統(tǒng)的徑向壓縮。本文介紹了三維滾動(dòng)的效率改進(jìn)技術(shù)和立體滾動(dòng)商業(yè)空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展。2 三維結(jié)構(gòu)渦旋2.1 三維滾動(dòng)的立體特征圖 1 三維滾動(dòng)渦旋壓縮機(jī)圖 1 展示了商用立體滾動(dòng)壓縮機(jī)和其立體滾動(dòng)渦旋型線(xiàn)。從圖中看出氣體達(dá)到了壓縮室正從外側(cè)壓縮到內(nèi)側(cè)。壓縮機(jī)的制冷劑是從固定渦旋的中心流出。圖 2 傳統(tǒng)壓縮和三維滾動(dòng)的剖視圖圖 2 從剖視結(jié)構(gòu)揭示了常規(guī)壓縮和立體滾動(dòng)的原理。傳統(tǒng)渦旋齒的高度在整個(gè)壓縮過(guò)程為常數(shù)，壓縮制冷劑從外側(cè)到壓縮腔內(nèi)側(cè)數(shù)量不斷變小。對(duì)于立體滾動(dòng)，相反，在頂端和末端通過(guò)安裝使得外側(cè)端板比內(nèi)側(cè)端板高。從而使得三維壓縮，即徑向和軸向方向成為可能。三維滾動(dòng)具有以下特點(diǎn)。1) 通過(guò)徑向和軸向壓縮得到了更高的壓縮比。2)由于降低了內(nèi)側(cè)齒的重量，渦旋齒的強(qiáng)度得到提高，獲得了高的可靠性，這樣便減輕了一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。3)由于增加了外齒的高度，滾動(dòng)外徑?jīng)]有擴(kuò)展，使得壓縮空間更大，因此三維壓縮的積小，重量更輕。2.2 壓縮機(jī)制和立體滾動(dòng)間隙泄漏在圖 3 中展示了三維滾動(dòng)的壓縮機(jī)制。從滾動(dòng)頂端到端板，三維壓縮是有步驟進(jìn)行的。當(dāng)不符合這些壓縮步驟時(shí)（見(jiàn)圖3（b）到（d）項(xiàng)）切線(xiàn)看，壓縮腔具有相同的壓力因此，在這一過(guò)程中沒(méi)有泄露。另一方面，當(dāng)符合這一壓縮步驟時(shí)（見(jiàn)圖3（a）到（c）項(xiàng)） ，密封線(xiàn)是由兩個(gè)步驟結(jié)合而來(lái)的。圖 3 也顯示了第一步的局部放大圖和在軌道縱向方向滾動(dòng)剖面圖。每?jī)刹降拈g隙（以下簡(jiǎn)稱(chēng)步間隙） ，大致可分為末端間隙和側(cè)面間隙，氣體從高壓腔到低壓腔的泄露是從這些間隙發(fā)生的。因此，立體滾動(dòng)壓縮效率提高的關(guān)鍵點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化步間隙來(lái)減少氣體在步間隙的泄露。圖 3 三維滾動(dòng)的壓縮機(jī)制0.8 m3/min 渦旋式空氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介摘 要渦旋式壓縮機(jī)是一種高效、節(jié)能、省才和低噪聲的新型容積式壓縮機(jī)，可廣泛的應(yīng)用在空調(diào)、制冷、真空和各類(lèi)氣體壓縮等方面，且可望取代傳統(tǒng)的其他類(lèi)型的小型壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)主要有動(dòng)渦旋、靜渦旋、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：一是渦旋齒的型線(xiàn)選擇及其修正；二是基本參數(shù)的選取；三是防自傳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；四是動(dòng)平衡的設(shè)計(jì)；五是軸承的選擇；六是曲軸及渦旋齒面強(qiáng)度的校核；七是機(jī)體運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑及其整機(jī)密封的設(shè)計(jì)。本壓縮機(jī)采用圓漸開(kāi)線(xiàn)型線(xiàn)，防自傳機(jī)構(gòu)采用十字環(huán)，驅(qū)動(dòng)方式采用直連式，整機(jī)采用壓差供油潤(rùn)滑。關(guān)鍵詞： 渦旋式壓縮機(jī) 型線(xiàn) 防自傳機(jī)構(gòu) 動(dòng)平衡AbstractSummary of scroll compressor is an efficient, energy saving, low noise Province before and the new positive displacement compressor can be widely used in air conditioning, refrigeration, vacuum and various gas compression, etc., and the other is expected to replace the traditional types of small compressors. scroll compressor is mainly composed of a fixed scroll 、an orbiting scroll and antirotation .Compressor design has the following key issues: First, wrap the type of line selection and correction; the second is the selection of basic parameters; Third, the design of anti-autobiography institutions; Fourth, the design of dynamic balance; Fifth bearings choice; Sixth, the crankshaft and check the strength of tooth surface vortex; seventh, lubricating moving parts of the body and the whole seal design. The compressor Involute circle, anti-autobiography organizations to adopt cross ring, using direct-attached drive, the machine uses pressure lubrication. Keywords: scroll compressor body type line balancing anti-autobiography.一、概論渦旋壓縮機(jī)原理于 1905 年由法國(guó)工程師克拉斯( Cruex) 發(fā)明并在美國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利 。之后近 70 年都沒(méi)有得到更深入的研究和發(fā)展。其原因在于其重要性未被充分認(rèn)識(shí), 客觀上則由于尚沒(méi)有高精度的渦旋型線(xiàn)加工設(shè)備。70 年代的能源危機(jī)和數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展給渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。渦旋壓縮機(jī)是一種新型、節(jié)能、省材和低噪的容積式壓縮機(jī)。該機(jī)主要原理是利用動(dòng)、靜渦旋齒的相對(duì)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成閉死容積的連續(xù)變化,實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的目的,主要用于空調(diào)、制冷、一般氣體壓縮及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器和真空泵小型往復(fù)式壓縮機(jī)。與同容零件數(shù)少、無(wú)易損件、可靠性好。沖擊韌性均均勻等,可以取代傳統(tǒng)的中、量的往復(fù)式壓縮機(jī)，與之相比,其效率可提高 10 % , 重量減輕 15 % , 體積減少 40 % , 噪聲減少 5～6 dB , 且零部件減少 85%。渦旋壓縮機(jī)以其自身的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域和其它特殊領(lǐng)域。二、壓縮機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)及方案評(píng)比2.1 基本機(jī)構(gòu)2.1.1 渦旋定子和渦旋轉(zhuǎn)子渦旋定子的中心有排氣孔，而吸氣口開(kāi)在端面外側(cè)或側(cè)面，周邊與機(jī)身緊固；渦旋轉(zhuǎn)子的背側(cè)設(shè)有渦旋轉(zhuǎn)子配重，使整個(gè)渦旋轉(zhuǎn)子質(zhì)心正好在渦旋轉(zhuǎn)子的中心上，另外，在渦旋轉(zhuǎn)子的端板上設(shè)一對(duì)凹?jí)K與十字連接環(huán)相配合，渦旋轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)軸設(shè)在渦旋壁的基圓中心。2.1.2 防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為了使渦旋轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)平動(dòng)必須設(shè)有防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，此處用到的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由一面圓環(huán)與上下互為正交的十字形凹槽構(gòu)成，凹槽與渦旋轉(zhuǎn)子背側(cè)的凹?jí)K相滑配，當(dāng)曲軸帶著渦旋轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)是，使渦旋轉(zhuǎn)子只能公轉(zhuǎn)而不能自轉(zhuǎn)，從而使機(jī)構(gòu)能正常工作。2.1.3 曲軸渦旋壓縮機(jī)的曲軸的曲柄很小相當(dāng)于一凸輪軸，為了平衡渦旋轉(zhuǎn)子的慣性力與力矩，在主軸頸上套有平衡鐵，這一偏心距很小的曲軸來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)。2.2 工作原理渦旋壓縮機(jī)能夠正常工作的條件就是動(dòng)渦盤(pán)與靜渦盤(pán)在壓縮腔內(nèi)能夠嚙合。常見(jiàn)的渦旋型線(xiàn)有基圓漸開(kāi)線(xiàn)、正多邊形漸開(kāi)線(xiàn)、線(xiàn)段漸開(kāi)線(xiàn)、半圓漸開(kāi)線(xiàn)、阿基米德螺旋線(xiàn)、代數(shù)螺旋線(xiàn)、變徑基圓漸開(kāi)線(xiàn)、包絡(luò)型線(xiàn)、以及通用型線(xiàn)等。由于圓的漸開(kāi)線(xiàn)容易加工, 并且該型線(xiàn)的壓縮機(jī)有良好的工作性能, 所以目前應(yīng)用的型線(xiàn)以圓漸開(kāi)線(xiàn)為主。固定渦旋盤(pán)和運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)相互交插組裝在一起，兩者相互之間有 180°相差，因而彼此間在幾條直線(xiàn)上接觸并形成兩組月牙行的空腔。壓縮機(jī)的吸氣口在固定渦旋的外側(cè)，當(dāng)曲軸驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)順時(shí)正時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體就被從渦旋體外側(cè)吸入并被封閉在月牙行的空腔中，隨著接觸點(diǎn)沿著渦線(xiàn)向中心移動(dòng)時(shí)，月牙行空腔的容積逐漸的縮小，其中氣體壓力逐漸提高。曲軸大約轉(zhuǎn)動(dòng) 2.5 轉(zhuǎn)，被壓縮的氣體就通過(guò)定渦旋中心處的排氣孔排走。由于曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，都有一對(duì)月牙行的空腔形成，所以壓縮機(jī)的吸氣-壓縮-排氣過(guò)程被連續(xù)不斷的重復(fù)。在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，其排氣流量是不變的。而且，由于排氣孔與低壓側(cè)不直接相連，壓縮機(jī)上可以不設(shè)有氣閥。三、基本性能參數(shù)的確定及其計(jì)算根據(jù)任務(wù)書(shū)及其技術(shù)要求確定電動(dòng)機(jī)了型號(hào)、基圓半徑、齒高、齒厚、回轉(zhuǎn)半徑、漸開(kāi)線(xiàn)的初始角以及壓縮功率等。四、主要零部件的受力分析及其強(qiáng)度計(jì)算4.1 氣體力的分析為了進(jìn)行渦旋壓縮機(jī)零件的強(qiáng)度、剛度及其平衡的計(jì)算。必須分析渦旋盤(pán)在回轉(zhuǎn)過(guò)程過(guò)程中所受力與力矩，作用在渦旋盤(pán)上的力主要有氣體力、慣性力及其摩擦力，并且由此產(chǎn)生的徑向力、法向力、軸向力。氣體作用在渦旋轉(zhuǎn)子的切向力為各壓縮室氣體垂直作用于曲軸上的合力，即各工作腔氣體垂直作用與曲軸并與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反的合力。徑向力是指垂直于曲軸的平面內(nèi)，方向與曲軸方向一致并垂直于切向力方向的氣體力。軸向力是指垂直與渦旋盤(pán)軸向截面的氣體力合力渦旋壓縮機(jī)的各同名壓縮腔都是對(duì)稱(chēng)的, 所以動(dòng)、靜渦旋盤(pán)上承受著相同的氣體力。作用在靜渦旋盤(pán)上的氣體力最終傳遞到殼體上, 引起壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲 , 作用在動(dòng)渦旋盤(pán)上的氣體力直接影響著壓縮機(jī)的容積效率和機(jī)械效率。所以說(shuō)渦旋壓縮機(jī)一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)就是氣體力的平衡。軸向氣體力平衡是渦旋壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。五、設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題說(shuō)明5.1 渦旋轉(zhuǎn)子由于渦旋線(xiàn)是不對(duì)稱(chēng)的基圓漸開(kāi)線(xiàn)其中心不在渦線(xiàn)的基圓中心，因此，必須平衡質(zhì)心這需要在渦盤(pán)的背面配重或去重，渦旋壓縮機(jī)的壓縮腔有一定的徑向、軸向的間隙，這些間隙必須采取有效的密封措施。5.2 渦旋定子其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)渦盤(pán)基本相同，不同的是在渦旋定子的中心開(kāi)有排氣孔。進(jìn)氣口的大小 尺寸的確定要兼顧其齒高、進(jìn)氣速度等因素。排氣口的確定是個(gè)難點(diǎn)，它的大小尺寸及其形狀要考慮效率等諸多因素。此外，散熱片的設(shè)計(jì)亦不可小覷。5.3 曲軸曲軸在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮其外行尺寸及其材質(zhì)問(wèn)題，此外，還應(yīng)考慮其熱處理工藝要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定其尺寸時(shí)要兼顧其強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能以及與軸承、聯(lián)軸器等標(biāo)準(zhǔn)件配合時(shí)的相互影響、相互制約的問(wèn)題，還要考慮軸上零件的定位、裝配問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程要兼顧諸多要素盡量做到合理。5.4 支架體支架體在渦旋壓縮機(jī)中是起到支撐、保護(hù)的作用，在設(shè)計(jì)中采用灰鑄鐵鑄造的方法。在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，盡量減小其體積和重量。另外，支架體還要設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油路和通孔使整個(gè)機(jī)器有較好的潤(rùn)滑系統(tǒng)。5.5 十字滑環(huán)要考慮動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)和尺寸以及支架體上與之相配的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。六、研究展望綜觀目前渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況, 對(duì)今后幾年渦旋壓縮機(jī)的研究發(fā)展方向歸納為: (1) 降低渦旋壓縮機(jī)的加工成本,主要是渦旋盤(pán)的加工。尋找加工復(fù)雜但具有良好性能型線(xiàn)的 簡(jiǎn)單方法。 (2) 研究新的環(huán)保型制冷劑對(duì)渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的新要求(3) 增大渦旋壓縮機(jī)的功率范圍,拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域,特別是研究其變頻特性以及在空調(diào)熱泵中的應(yīng)用。(4) 改進(jìn)壓縮機(jī)的平衡機(jī)構(gòu),特別是軸向氣體力的平衡。減少氣體的泄漏 ,減少機(jī)械摩擦損失, 從而提高渦旋壓縮機(jī)的工作效率和可靠性。參考文獻(xiàn)[1] 卜嘯華 渦旋壓縮機(jī)[J][2] 楊可楨，程光蘊(yùn) 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[J] 高等教育出版社，2004[3] 濮良貴，紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì)[M] 高等教育出版社，2002[4] 吳宗澤，羅圣國(guó) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M] 高等教育出版社。1998[5] 杜桂榮 渦旋壓縮機(jī)的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[J] 甘肅工業(yè)大學(xué)出版社[6] 郁永章 容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M] 機(jī)械工業(yè)出版社[1] 包麗萍,楊延釗,韋學(xué)臣,等. 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For the purpose of further performance improvement in scroll compressor, the authors have developed a new conceptual three-dimensional compression mechanism (three-dimensional scroll) by adding an axial compression to the conventional radial compression. By realizing three-dimensional compression, which has been impossible for the conventional scroll, higher efficiency, higher reliability, and smaller size are achieved. Since the three-dimensional scroll has steps in scroll tip and end plate, the key point of efficiency improvement in the three-dimensional scroll is to minimize the gas leakage in the steps. Through cylinder pressure measurements and visualization tests, characteristics of the leakage in the steps are obtained and the optimum clearance ranges are determined. Based on this, the authors have developed high efficiency, small size, and lightweight three-dimensional scroll compressor for commercial air-conditioner. The developed three-dimensional scroll compressor archived 35 per cent smaller size, 26 per cent lighter weight, and 5.5 per cent improvement of efficiency compared with the conventional one.Keywords: compressors, design, refrigeration, control, performance, development, simulation1 INTRODUCTIONA demand for saving energy has been extensively increasing from the viewpoint of environmental conservation against global warming. Since most energy in refrigerating and air-conditioning appliances is consumed by the compressor, its efficiency improvement is indispensable for saving energy. Meanwhile,these appliances are often restricted in their installation space. Therefore, miniaturization of each component including the compressor is required to enhancethe flexibility of installation. Today, scroll compressor, which has advantages such as high efficiency and low vibration, has been used for various appliances to meet the demandfor saving energy and its use is expected to spread increasingly. For the purpose of further performance improvement in scroll compressor, the authors have developed a new conceptual three-dimensional compression mechanism (three-dimensional scroll) that adds an axial compression to the conventional radial compression. This article describes the efficiency improvement technology in the three-dimensional scroll and the development of the three-dimensional scroll compressor for commercial air-conditioner.2 STRUCTURE OFTHETHREE-DIMENSIONAL SCROLL2.1 Features of the three-dimensional scrollFig. 1 Three-dimensional scroll compressorFigure 1 shows the developed three-dimensional scroll compressor forcommercial air-conditioneranda photograph of the orbiting scroll.Refrigerant gas flows into the compressor through the suction pipe placed on the side body. Then, it reaches the compression chamber getting compressed from the outer side to the inner side. The compressed refrigerant is discharged from the centre of the fixed scroll.Fig. 2 Sectional view of the conventional and the three-dimensional scrollFigure 2 shows a schematic diagram of the sectional view of the conventional and the three-dimensional scroll. The wrap height of the conventional scroll is constant throughout the compression process, and the refrigerant is compressed two-dimensionally from the outer side to the inner side as the compression chamber continuously becomes smaller in volume.For the three-dimensional scroll, in contrast, the outer wrap is higher than the inner one by installing steps in the scroll tip and the end plate. Therefore, threedimensional compression, radial and axial direction, becomes possible. The three-dimensional scroll has the following features.1. Higher compression ratio is obtained by radial and axial compression.2. The strength of scroll wrap is improved and higher reliability is obtained by decreasing the height of inner wrap, which receives a heavy load.3. Larger capacity is obtained without extension of the outer diameter of scroll by increasing the height of outer wrap, and thus the three-dimensional scroll has smaller size and lighter weight.2.2 Compression mechanism and leakage clearances in the three-dimensional scrollFig. 3 Compression mechanism of the three-dimensional scrollThecompressionmechanismof the three-dimensional scroll is shown in Fig. 3. The three-dimensional scroll has steps in the scroll tip (tip step) and the end plate (bottom step). When these steps are not engaged (see Figs 3(b) and (d)), compression chambers across the step have the same pressure. Therefore, no leakage occurs in the steps. On the other hand, when these areengaged (see Figs 3(a) and (c)), seal lines are formed by the engagement of both steps.Figure 3 also shows the enlarged view of the step and the sectional view in the longitudinal direction of the orbiting scroll. Leakage clearances in the step (hereafter called step clearances) can be broadly classified into tip clearance and side clearance, and the gas leakage occurs from the high-pressure chamber to the low-pressure chamber through these clearances. Therefore, the key point of efficiency improvement in the three-dimensional scroll is to minimize the gas leakage in the steps by optimization of step clearances.三維滾動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展摘要：渦旋壓縮機(jī)因?yàn)槠涓咝?，低振?dòng)的優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。為了進(jìn)一步提高渦旋壓縮機(jī)性能，作者發(fā)展了一個(gè)新的三維壓縮機(jī)制（立體滾動(dòng)） ，即通過(guò)添加一個(gè)軸向壓縮，到傳統(tǒng)的徑向壓縮。三維壓縮的實(shí)現(xiàn)，使得傳統(tǒng)壓縮機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的更高效率，更高的可靠性，體積小得以實(shí)現(xiàn)。由于立體滾動(dòng)從滾動(dòng)頂端到端板有步驟，使得三維壓縮效率提高的關(guān)鍵點(diǎn)是要盡量減少氣體在端板出的泄漏。通過(guò)氣缸壓力測(cè)量及可視化試驗(yàn)，可獲得端板泄漏特性，得到了最佳間隙范圍。在此基礎(chǔ)上，作者開(kāi)發(fā)了高效率，體積小，重量輕的立體滾動(dòng)商用空調(diào)壓縮機(jī)。所研發(fā)的三維滾動(dòng)與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)相比，壓縮機(jī)體積減小 35%，重量減輕 26%，效率提高 5.5%。關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)，制冷，控制，性能，開(kāi)發(fā)，仿真1 引言從環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對(duì)全球變暖的角度出發(fā)，節(jié)約能源的要求越來(lái)越緊迫。由于大多數(shù)的制冷和空調(diào)電器是由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化的能源，因此它的效率的提高是節(jié)能不可缺少的。同時(shí)，這些設(shè)備往往在其安裝空間受到限制。因此，每個(gè)組件，包括壓縮機(jī)都應(yīng)小型化，從而提高了安裝的靈活性。今天，渦旋壓縮機(jī)，它具有高效率，低振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，已為各種電器使用，以滿(mǎn)足對(duì)節(jié)約能源的需求和它的更廣泛的使用。為了進(jìn)一步提高渦旋壓縮機(jī)性能，作者發(fā)展了一個(gè)新的三維壓縮機(jī)制（立體滾動(dòng)） ，即通過(guò)添加一個(gè)軸向壓縮，到傳統(tǒng)的徑向壓縮。本文介紹了三維滾動(dòng)的效率改進(jìn)技術(shù)和立體滾動(dòng)商業(yè)空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展。2 三維結(jié)構(gòu)渦旋2.1 三維滾動(dòng)的立體特征圖 1 三維滾動(dòng)渦旋壓縮機(jī)圖 1 展示了商用立體滾動(dòng)壓縮機(jī)和其立體滾動(dòng)渦旋型線(xiàn)。從圖中看出氣體達(dá)到了壓縮室正從外側(cè)壓縮到內(nèi)側(cè)。壓縮機(jī)的制冷劑是從固定渦旋的中心流出。圖 2 傳統(tǒng)壓縮和三維滾動(dòng)的剖視圖圖 2 從剖視結(jié)構(gòu)揭示了常規(guī)壓縮和立體滾動(dòng)的原理。傳統(tǒng)渦旋齒的高度在整個(gè)壓縮過(guò)程為常數(shù)，壓縮制冷劑從外側(cè)到壓縮腔內(nèi)側(cè)數(shù)量不斷變小。對(duì)于立體滾動(dòng)，相反，在頂端和末端通過(guò)安裝使得外側(cè)端板比內(nèi)側(cè)端板高。從而使得三維壓縮，即徑向和軸向方向成為可能。三維滾動(dòng)具有以下特點(diǎn)。1) 通過(guò)徑向和軸向壓縮得到了更高的壓縮比。2)由于降低了內(nèi)側(cè)齒的重量，渦旋齒的強(qiáng)度得到提高，獲得了高的可靠性，這樣便減輕了一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。3)由于增加了外齒的高度，滾動(dòng)外徑?jīng)]有擴(kuò)展，使得壓縮空間更大，因此三維壓縮的積小，重量更輕。2.2 壓縮機(jī)制和立體滾動(dòng)間隙泄漏在圖 3 中展示了三維滾動(dòng)的壓縮機(jī)制。從滾動(dòng)頂端到端板，三維壓縮是有步驟進(jìn)行的。當(dāng)不符合這些壓縮步驟時(shí)（見(jiàn)圖3（b）到（d）項(xiàng)）切線(xiàn)看，壓縮腔具有相同的壓力因此，在這一過(guò)程中沒(méi)有泄露。另一方面，當(dāng)符合這一壓縮步驟時(shí)（見(jiàn)圖3（a）到（c）項(xiàng)） ，密封線(xiàn)是由兩個(gè)步驟結(jié)合而來(lái)的。圖 3 也顯示了第一步的局部放大圖和在軌道縱向方向滾動(dòng)剖面圖。每?jī)刹降拈g隙（以下簡(jiǎn)稱(chēng)步間隙） ，大致可分為末端間隙和側(cè)面間隙，氣體從高壓腔到低壓腔的泄露是從這些間隙發(fā)生的。因此，立體滾動(dòng)壓縮效率提高的關(guān)鍵點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化步間隙來(lái)減少氣體在步間隙的泄露。圖 3 三維滾動(dòng)的壓縮機(jī)制0.8 m3/min 渦旋式空氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介摘 要渦旋式壓縮機(jī)是一種高效、節(jié)能、省才和低噪聲的新型容積式壓縮機(jī)，可廣泛的應(yīng)用在空調(diào)、制冷、真空和各類(lèi)氣體壓縮等方面，且可望取代傳統(tǒng)的其他類(lèi)型的小型壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)主要有動(dòng)渦旋、靜渦旋、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：一是渦旋齒的型線(xiàn)選擇及其修正；二是基本參數(shù)的選?。蝗欠雷詡鳈C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；四是動(dòng)平衡的設(shè)計(jì)；五是軸承的選擇；六是曲軸及渦旋齒面強(qiáng)度的校核；七是機(jī)體運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑及其整機(jī)密封的設(shè)計(jì)。本壓縮機(jī)采用圓漸開(kāi)線(xiàn)型線(xiàn)，防自傳機(jī)構(gòu)采用十字環(huán)，驅(qū)動(dòng)方式采用直連式，整機(jī)采用壓差供油潤(rùn)滑。關(guān)鍵詞： 渦旋式壓縮機(jī) 型線(xiàn) 防自傳機(jī)構(gòu) 動(dòng)平衡AbstractSummary of scroll compressor is an efficient, energy saving, low noise Province before and the new positive displacement compressor can be widely used in air conditioning, refrigeration, vacuum and various gas compression, etc., and the other is expected to replace the traditional types of small compressors. scroll compressor is mainly composed of a fixed scroll 、an orbiting scroll and antirotation .Compressor design has the following key issues: First, wrap the type of line selection and correction; the second is the selection of basic parameters; Third, the design of anti-autobiography institutions; Fourth, the design of dynamic balance; Fifth bearings choice; Sixth, the crankshaft and check the strength of tooth surface vortex; seventh, lubricating moving parts of the body and the whole seal design. The compressor Involute circle, anti-autobiography organizations to adopt cross ring, using direct-attached drive, the machine uses pressure lubrication. Keywords: scroll compressor body type line balancing anti-autobiography.一、概論渦旋壓縮機(jī)原理于 1905 年由法國(guó)工程師克拉斯( Cruex) 發(fā)明并在美國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利 。之后近 70 年都沒(méi)有得到更深入的研究和發(fā)展。其原因在于其重要性未被充分認(rèn)識(shí), 客觀上則由于尚沒(méi)有高精度的渦旋型線(xiàn)加工設(shè)備。70 年代的能源危機(jī)和數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展給渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。渦旋壓縮機(jī)是一種新型、節(jié)能、省材和低噪的容積式壓縮機(jī)。該機(jī)主要原理是利用動(dòng)、靜渦旋齒的相對(duì)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成閉死容積的連續(xù)變化,實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的目的,主要用于空調(diào)、制冷、一般氣體壓縮及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器和真空泵小型往復(fù)式壓縮機(jī)。與同容零件數(shù)少、無(wú)易損件、可靠性好。沖擊韌性均均勻等,可以取代傳統(tǒng)的中、量的往復(fù)式壓縮機(jī)，與之相比,其效率可提高 10 % , 重量減輕 15 % , 體積減少 40 % , 噪聲減少 5～6 dB , 且零部件減少 85%。渦旋壓縮機(jī)以其自身的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域和其它特殊領(lǐng)域。二、壓縮機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)及方案評(píng)比2.1 基本機(jī)構(gòu)2.1.1 渦旋定子和渦旋轉(zhuǎn)子渦旋定子的中心有排氣孔，而吸氣口開(kāi)在端面外側(cè)或側(cè)面，周邊與機(jī)身緊固；渦旋轉(zhuǎn)子的背側(cè)設(shè)有渦旋轉(zhuǎn)子配重，使整個(gè)渦旋轉(zhuǎn)子質(zhì)心正好在渦旋轉(zhuǎn)子的中心上，另外，在渦旋轉(zhuǎn)子的端板上設(shè)一對(duì)凹?jí)K與十字連接環(huán)相配合，渦旋轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)軸設(shè)在渦旋壁的基圓中心。2.1.2 防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為了使渦旋轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)平動(dòng)必須設(shè)有防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，此處用到的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由一面圓環(huán)與上下互為正交的十字形凹槽構(gòu)成，凹槽與渦旋轉(zhuǎn)子背側(cè)的凹?jí)K相滑配，當(dāng)曲軸帶著渦旋轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)是，使渦旋轉(zhuǎn)子只能公轉(zhuǎn)而不能自轉(zhuǎn)，從而使機(jī)構(gòu)能正常工作。2.1.3 曲軸渦旋壓縮機(jī)的曲軸的曲柄很小相當(dāng)于一凸輪軸，為了平衡渦旋轉(zhuǎn)子的慣性力與力矩，在主軸頸上套有平衡鐵，這一偏心距很小的曲軸來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)。2.2 工作原理渦旋壓縮機(jī)能夠正常工作的條件就是動(dòng)渦盤(pán)與靜渦盤(pán)在壓縮腔內(nèi)能夠嚙合。常見(jiàn)的渦旋型線(xiàn)有基圓漸開(kāi)線(xiàn)、正多邊形漸開(kāi)線(xiàn)、線(xiàn)段漸開(kāi)線(xiàn)、半圓漸開(kāi)線(xiàn)、阿基米德螺旋線(xiàn)、代數(shù)螺旋線(xiàn)、變徑基圓漸開(kāi)線(xiàn)、包絡(luò)型線(xiàn)、以及通用型線(xiàn)等。由于圓的漸開(kāi)線(xiàn)容易加工, 并且該型線(xiàn)的壓縮機(jī)有良好的工作性能, 所以目前應(yīng)用的型線(xiàn)以圓漸開(kāi)線(xiàn)為主。固定渦旋盤(pán)和運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)相互交插組裝在一起，兩者相互之間有 180°相差，因而彼此間在幾條直線(xiàn)上接觸并形成兩組月牙行的空腔。壓縮機(jī)的吸氣口在固定渦旋的外側(cè)，當(dāng)曲軸驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤(pán)順時(shí)正時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體就被從渦旋體外側(cè)吸入并被封閉在月牙行的空腔中，隨著接觸點(diǎn)沿著渦線(xiàn)向中心移動(dòng)時(shí)，月牙行空腔的容積逐漸的縮小，其中氣體壓力逐漸提高。曲軸大約轉(zhuǎn)動(dòng) 2.5 轉(zhuǎn)，被壓縮的氣體就通過(guò)定渦旋中心處的排氣孔排走。由于曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，都有一對(duì)月牙行的空腔形成，所以壓縮機(jī)的吸氣-壓縮-排氣過(guò)程被連續(xù)不斷的重復(fù)。在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，其排氣流量是不變的。而且，由于排氣孔與低壓側(cè)不直接相連，壓縮機(jī)上可以不設(shè)有氣閥。三、基本性能參數(shù)的確定及其計(jì)算根據(jù)任務(wù)書(shū)及其技術(shù)要求確定電動(dòng)機(jī)了型號(hào)、基圓半徑、齒高、齒厚、回轉(zhuǎn)半徑、漸開(kāi)線(xiàn)的初始角以及壓縮功率等。四、主要零部件的受力分析及其強(qiáng)度計(jì)算4.1 氣體力的分析為了進(jìn)行渦旋壓縮機(jī)零件的強(qiáng)度、剛度及其平衡的計(jì)算。必須分析渦旋盤(pán)在回轉(zhuǎn)過(guò)程過(guò)程中所受力與力矩，作用在渦旋盤(pán)上的力主要有氣體力、慣性力及其摩擦力，并且由此產(chǎn)生的徑向力、法向力、軸向力。氣體作用在渦旋轉(zhuǎn)子的切向力為各壓縮室氣體垂直作用于曲軸上的合力，即各工作腔氣體垂直作用與曲軸并與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反的合力。徑向力是指垂直于曲軸的平面內(nèi)，方向與曲軸方向一致并垂直于切向力方向的氣體力。軸向力是指垂直與渦旋盤(pán)軸向截面的氣體力合力渦旋壓縮機(jī)的各同名壓縮腔都是對(duì)稱(chēng)的, 所以動(dòng)、靜渦旋盤(pán)上承受著相同的氣體力。作用在靜渦旋盤(pán)上的氣體力最終傳遞到殼體上, 引起壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲 , 作用在動(dòng)渦旋盤(pán)上的氣體力直接影響著壓縮機(jī)的容積效率和機(jī)械效率。所以說(shuō)渦旋壓縮機(jī)一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)就是氣體力的平衡。軸向氣體力平衡是渦旋壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。五、設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題說(shuō)明5.1 渦旋轉(zhuǎn)子由于渦旋線(xiàn)是不對(duì)稱(chēng)的基圓漸開(kāi)線(xiàn)其中心不在渦線(xiàn)的基圓中心，因此，必須平衡質(zhì)心這需要在渦盤(pán)的背面配重或去重，渦旋壓縮機(jī)的壓縮腔有一定的徑向、軸向的間隙，這些間隙必須采取有效的密封措施。5.2 渦旋定子其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)渦盤(pán)基本相同，不同的是在渦旋定子的中心開(kāi)有排氣孔。進(jìn)氣口的大小 尺寸的確定要兼顧其齒高、進(jìn)氣速度等因素。排氣口的確定是個(gè)難點(diǎn)，它的大小尺寸及其形狀要考慮效率等諸多因素。此外，散熱片的設(shè)計(jì)亦不可小覷。5.3 曲軸曲軸在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮其外行尺寸及其材質(zhì)問(wèn)題，此外，還應(yīng)考慮其熱處理工藝要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定其尺寸時(shí)要兼顧其強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能以及與軸承、聯(lián)軸器等標(biāo)準(zhǔn)件配合時(shí)的相互影響、相互制約的問(wèn)題，還要考慮軸上零件的定位、裝配問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程要兼顧諸多要素盡量做到合理。5.4 支架體支架體在渦旋壓縮機(jī)中是起到支撐、保護(hù)的作用，在設(shè)計(jì)中采用灰鑄鐵鑄造的方法。在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，盡量減小其體積和重量。另外，支架體還要設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油路和通孔使整個(gè)機(jī)器有較好的潤(rùn)滑系統(tǒng)。5.5 十字滑環(huán)要考慮動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)和尺寸以及支架體上與之相配的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。六、研究展望綜觀目前渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況, 對(duì)今后幾年渦旋壓縮機(jī)的研究發(fā)展方向歸納為: (1) 降低渦旋壓縮機(jī)的加工成本,主要是渦旋盤(pán)的加工。尋找加工復(fù)雜但具有良好性能型線(xiàn)的 簡(jiǎn)單方法。 (2) 研究新的環(huán)保型制冷劑對(duì)渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的新要求(3) 增大渦旋壓縮機(jī)的功率范圍,拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域,特別是研究其變頻特性以及在空調(diào)熱泵中的應(yīng)用。(4) 改進(jìn)壓縮機(jī)的平衡機(jī)構(gòu),特別是軸向氣體力的平衡。減少氣體的泄漏 ,減少機(jī)械摩擦損失, 從而提高渦旋壓縮機(jī)的工作效率和可靠性。參考文獻(xiàn)[1] 卜嘯華 渦旋壓縮機(jī)[J][2] 楊可楨，程光蘊(yùn) 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[J] 高等教育出版社，2004[3] 濮良貴，紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì)[M] 高等教育出版社，2002[4] 吳宗澤，羅圣國(guó) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M] 高等教育出版社。1998[5] 杜桂榮 渦旋壓縮機(jī)的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[J] 甘肅工業(yè)大學(xué)出版社[6] 郁永章 容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M] 機(jī)械工業(yè)出版社[1] 包麗萍,楊延釗,韋學(xué)臣,等. 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