全封闭涡旋式制冷压缩机涡旋型线的设计和测量

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发表于 2002-5-6 16:09 |只看该作者 |正序浏览

全封闭涡旋式制冷压缩机涡旋型线的设计和测量

陶建幸　陈爱平

　　简要介绍了设计小型全封闭涡旋式制冷压缩机涡旋型线的几个技术问题，论述了对涡旋型线的头部与末端进行修正的重要性并提出一种比较合理的修正方法，讨论了测量涡旋体精度的比较实用和简便的方法。
关键词：涡旋压缩机　涡旋型线　修正曲线　测量

　　Some questions of scroll curve are introduced about little hermetic scroll refrigeration compressor in this paper.It discusses the importance of amending the head and end of scroll curve ,and raises a resonable correction method about scroll curve.It is argumented that a simple and praticality method of measuring scroll curve's involute form.
　　Keywords：rolScl Compressor Scroll Curve Correction Curve Measure

1　引言
　　众所周知，涡旋压缩机是目前世界上最先进的压缩机之一，它具有高能效比、低耗功、低噪声、重量轻、高可靠性等诸多优点，涡旋压缩机正在各个领域飞速发展，尤其是在制冷、空调领域，它正逐步取代活塞式和转子式，成为制冷系统和空气调节器首选的主机。涡旋压缩机的关键技术是涡旋盘的超精密加工，涡旋盘的精度基本上都在μ级，这对设计和加工提出了相当高的要求，为了防止无限制和不必要的提高加工精度，只需对涡旋型线进行优化设计和一定程度上的修正，就可以在不增加成本的同时保证实际制冷效果不变或有所提高。
　　目前，世界上形成商品化的涡旋压缩机型线的数学模型全部为圆的渐开线，这主要是由于使用该种型线的压缩机具有更加紧凑的结构和良好的工作特性，而且圆的渐开线易于加工，可以采用展成法，这对于使用高速、高效专机进行大批量的超精密加工具有十分重要的意义。其它型线，如阿基米德螺线、代数螺线、半圆渐开线、正(偶)多边形渐开线等，在理论上讲，都符合“啮合原理”，只要两条曲线的几何参数完全相同，按固定的中心距对置，相位角相差180°，都可以构成涡旋盘型线，只是由于各方面的原因，未被广泛采用罢了。因此，本文着重论述设计以圆的渐开线为数学模型的涡旋压缩机涡旋型线应该注意的几个问题。
2　涡旋型线主要参数的优化设计
　　对涡旋压缩机涡旋型线的关键参数进行适当的优化，以利于整机结构的简化和紧凑，便于生产和加工。
　　如果用结构参数来表征涡旋体，构成涡旋体的主要参数有如下5个，它们是：基圆半径a;涡旋线节距P；涡旋体壁厚t；涡旋线起始角θ；涡旋体高度H。
　　其中P=2πa,t=2aθ，如果用方程来表征涡旋体，那么方程如下：
　　X=a(COSΦ＋ΦSINΦ)
　　Y=a(SINΦ－ΦCOSΦ)
　　Z=H　　　Φ为渐开线的展开角
　　一般来说，为便于测量和设计，我们通常都先确定节距P和壁厚t以及高度H等三个参数，再推算出基圆半径a、涡旋线起始角θ，从而建立涡线方程。对于小型全封闭涡旋式制冷压缩机，为了保证结构的紧凑和高效，往往对上述三个参数进行优化。
　　(1)高度H在输气量不变的情况下，增加H值，有利于减小涡旋盘的直径，减小轴向间隙的泄漏线长度，有利于提高容积效率；但是，H增加，增加了涡旋体的加工难度，不易于保证涡旋体加工精度，而且增加了涡旋体的倾覆力矩，增加了机器的振动；同样，高度H的增加，必须使得刀具刃加长，意味着对机床、刀具的要求提高。一般对2至6匹的全封闭涡旋式制冷压缩机而言，H值大都限制在27～41mm之间。
　　(2)壁厚tt值的选取，原则是必须保证一定的强度和刚度，满足在一定工况下的变形量不宜太大，小型全封闭涡旋压缩机的涡旋体壁厚一般在3～4mm之间，壁厚太薄，影响强度和加工精度，太厚又增加了涡盘的重量，增加了运动部件的磨损和振动。
　　(3)节距P通常用(P－t)的值来表征涡旋体的槽宽，(P－t)越大，可以使用的刀具直径就越大，意味着刀具的刚性越好，加工精度越容易保证。同样地，也必须限制(P－t)的大小，它也影响到整个涡盘的直径。并且(P－t)的选取，应尽量选取一个整数值，更有利于标准刀具、量具的选用。一般小型全封闭涡旋压缩机(P－t)的值在11～14之间。
　　总之，上述三个参数是非常重要和相互联系的，在设计中，必须通盘考虑，尽量多采用几种方案，多进行比较，通过实验确定最优的参数值。
3　涡旋型线头部和尾部的修正
　　对涡旋型线的头部和尾部进行一定程度的修正，对整机性能的提高是有一定好处的。由于刀具干涉等原因，对涡旋型线的头部的型线进行修正是非常必要的。一般资料介绍，对涡旋线头部采用对称圆弧修正或圆弧加直线进行修正，而且在圆弧上依然保持动静涡旋盘的直接啮合直到圆弧结束直线段开始。因此这两种修正方法对头部的要求依然很高，由于头部分别处于涡线的起始段，易于产生应力变形和刀具的让刀现象，加厚这一区域，以减小应力变形和一定工况下的热变形是非常必要的。然而，这一部分的形位精度是比较难以保证的，用德国LEITZ三坐标测量机上专用软件测得的某一涡旋体头部的轮廓度误差达0.021，远远达不到设计要求。我们认为采用图1所示的修正方法，对于降低加工难度和提高整机的能效比是非常有益的。如图1，D点为渐开线上一点，同时为圆弧AD段的起点，E点为渐开线上一点，在排气孔上的C点附近，假设动涡旋盘运动到C点后压缩腔开始与排气孔连通，ED段仍为理论渐开线，那么在ED之间，压缩腔开始排气，但动静涡旋盘仍然保持啮合接触，那么这一段必然有力的作用，加之该部分的轮廓度较差，必然导致一定的功耗。如果我们在E点和D点用一圆弧过渡，使得该处的壁厚沿径向减薄，那么在排气开始后，动静涡旋盘在这一段之间就不生产任何力的接触了，事实和理论分析，对该处的修正，确实可以大大减小功耗。DA圆弧段为增加头部的厚度而设计，位于分离点之后，同样不参与啮合，仅保证厚度增加，可以减小排气孔内部无效排气容积，提高排气过程的平稳性，防止产生较大气流脉动。

图1

　　另外，对涡旋线的末端进行适当的修正，也是非常重要的。如图2，AB为理论型线，CD为减薄后的实际型线，一般资料没有介绍这方面的内容，一般认为，如果涡盘的加工精度足够高，工件材质优良、变形量均匀的话，末端可以不进行减薄。实际上对于小型全封闭制冷涡旋压缩机来讲，末端的变形确实存在，如果对这一部分进行减薄处理，同样可以降低功耗。经大量试验证明，对3匹涡旋压缩机，如果对涡旋最末端外圈一段渐开线在径向上稍有减薄的话，就可以降低功耗50W～100W。

图2

4　涡旋型线的测量
　　由于涡旋压缩机的型线精度非常高，必须有专门的仪器进行检测。涡旋体轮廓度的检测一般是在三坐标测量机上配备涡旋专用测量软件，通过测量一系列点的坐标经复杂计算得出的。实际上，用涡旋体的节距变化值也可以表征轮廓度的大小，如果轮廓度不均匀，同时节距也是不均匀的。(参见参考文献2)如果可以测得节距的变化量，那么即可表征轮廓度的大小。节距的测量，不需要专门的测量软件，只需制造专门的测头。如图3，与一般球形测头不同，节距测量测头为一线性测头，是高精度的圆柱体。由三坐标的原理可知，任何时候仅沿X、Y、Z的任意一轴的方向移动测头，测头的轨迹为相互平行的直线族。在位置1测头与涡旋体相接触(相切)，过切点的法线必垂直于该测头母线，该法线必与基圆相切。利用平移其母线与涡旋体接触于第2点，计算两点之间的距离，即可测得节距。只要多次在不同位置测量节距的大小，比较其变化量，就可以测得轮廓度的大小。这种方法的优点是，不必使用专用测量软件，就可以测得轮廓度的大小，这种方法也可用于对未知方程的型线的测量。缺点是仅能测量外轮廓线精度，不好测内轮廓线精度。

图3

作者单位：春兰电器公司（225300）

参考文献
1　顾兆林　郁永章　冯诗愚《涡旋压缩机及其它涡旋机械》陕西科学技术出版社
2　李连生　《涡旋压缩机》机械工业出版社