涡旋压缩机设计论文.doc

西 京 学 院

毕 业 设 计 （论 文）

成绩

题 目:__0.6________________

姓 名: 吴明明 _______

系（院）: 机电工程 __________

专 业: 数控______________

班 级: 1001______________

学 号:  1004012025

指导老师:

日 期: 2013年5月

摘要
本设计为涡旋压缩机结构设计，主要零件包括涡盘，静涡盘，支架，架体，偏心轴及防自传机构，动静涡旋盘应用圆的渐开线及其修正曲线的线型。
首先，确定了重要结构参数，进而确定了涡旋线圆的渐开线线型。然后进行了受力分析，结构强度及寿命计算。最终说明了结构设计中的有关问题。在涡旋齿线型的设计中，不仅说明了渐开线的特征和涡旋线的成形过程，而且还对涡旋线线型进行了修正。
通过以上设计的设计过程，我们最终得到了蜗旋压缩机。

目录

摘要

绪言

第一章空气压缩机及装置系统总体方案设计

第二章主要部件设计

第三章涡旋齿线型的选择与绘制

第四章压缩机附件及密封细节

第五章基于NX Xastran解算器的有限元分析

总结

参考文献

致谢

绪言
蜗旋压缩机是国际上70年代开发应用的一种新型压缩机，它以高效率，高可靠性，低能耗，低噪音，零件少，结构紧凑等突出优点引起许多国家的重视，被称为全新一代压缩机，在1``705KW输出功率的范围内，涡旋压缩机已在单元式空调机及汽车空调器种得到相当普遍的应用，并很快牢固地占领了市场，由于涡旋压缩机在较宽的频率范围内（30``120hz）均有较高的容积效率与绝热效率，适合采用变频装置，可进一步降低空调器的耗能，提高舒适性，所以在空调领域中具有广阔的发展前景。为防止臭氧层被破坏，汽车空调领域中具有采用全封闭式涡旋压缩机的发展方向。此外，涡旋空气压缩机，涡旋膨胀机，涡旋真空泵，，涡旋液体泵也在积极开发与研究当中。涡旋压缩机最早由法国工程师Creux发明并于1905年在美国获得专利。但由于难以得到高精度的涡旋形状，缺乏实用而可靠地驱动机构，摩擦磨损个问题不能妥善解决，因此涡旋压缩机在将近70年的时间内未得到普及应用直到70年代初期，美国的ADL公司及日本，中国的几家公司又相继重新开始涡旋压缩机的研究开发工作。因若干关键技术逐步得到解决，于80年代初就堆出了空调用涡旋压缩机的系列产品。这些产品与相同容量的往复式压缩机相比，体积小40%，重量轻15%，零件数减少85%，效率提高10%，扭距变化幅度

小90%，噪音降低5db（A）.
自石油危机以来，由于在供暖，空调与制冷应用中，主要的能量耗在压缩机上，高效压缩机对美国市场已成为头等重要因素。在欧洲和日本市场，低噪音，低振动的需要效率更为突出，因而，兼有高效低噪两大优势的涡旋压缩机成为换代产品已是必然局势，虽然在完善密封机构，减少机械摩擦耗功以及数控加工提高涡旋盘成产率等方面，已经进行了广泛有效地工作，但作为技术密集程度很高的涡旋压缩机，其技术优势和效益扔存在很大的发展潜力。

第一章空气压缩机及装置系统总体方案设计
涡旋式压缩机是一种借助于容积的变化来实现气体压缩的流体机械，这一点与往复式压缩机相同。涡旋式压缩机的主要零件动涡盘的运动，是在偏心轴的直线驱动下进行的，这一点又与旋转式压缩机相同。涡旋式压缩机的压缩腔，既不同于往复式的又不同于旋转式的，故把它称作新一代容积式压缩机。涡旋式压缩机的主要零件包括动涡盘，静涡盘，支架体，偏心轴及防自传机构。动静涡旋盘的最常用线型是圆的渐开线及其修正曲线。下面以圆的渐开线涡旋型线为例来说明涡旋压缩机的工作原理。
把涡旋型线参数相同，相位差π，基圆中心相距Ror的动涡盘与静涡盘组装后，可形成数对月牙形的密封的容积腔，容积腔的轴随偏心轴推动动涡盘中心绕静涡盘中心作半径为Ror的圆周轨道运动时相应的扩大缩小，由此实现气体的吸入，压缩和排气的目的。低压气体从静涡盘上开设的吸气孔口或动静涡盘的周边缝隙进入吸气腔，经压缩后由静涡盘中心处的排气孔口排出。下面以三对压缩腔为例说明气体压缩过程。
三对容积腔分别用123 来表示，并以此称之为中心压缩腔，第二和第三压缩腔。动涡盘中心绕静涡盘中心的转动角，也就是偏心轴的曲柄转角，用表示。当曲柄转角=时，第三压缩腔刚好封闭，压缩机的吸气过程结束，这时第三压缩腔中充入的气体所占

据的空间即为吸气容积，相当于往复式压缩机的形成容积。随着曲柄转角增大，月牙形的面积逐渐减小。当=时，第三压缩腔完成对气体的压缩过程，这时的压缩腔容积就是第二压缩腔的最大封闭容积，即第二压缩腔充气终了时的容积，其轴向投影面积最大。中心压缩腔和第二压缩腔中气体容积变化规律与第三压缩腔中相同。
第三压缩腔在压缩气体同时，压缩机的吸气过程也在进行。第二压缩腔和中心压缩腔并不存在吸气过程，只是在几何关系上按2π为一循环划分时，分割为不同的压缩腔而已。涡旋式压缩机压缩气体的过程是连续进行的需要主轴转动数圈而非一圈，但主轴每转一周即可完成一次吸气。需要指出的是，中心压缩腔中的气体并不受到压缩，其容积减少是一个等压过程，即排气过程。中心压缩腔中容积取得最大值时，不一定对应于=，而与开始排气角有关。涡旋压缩机的动涡盘被置于静涡盘和支架体之间，可以沿轴向移动。当涡旋压缩机工作时，动涡盘在气体力作用下，沿轴向与静涡盘脱离，增大涡盘顶部的气体泄漏通道面积，降低容积效率和热效率。因此如何有效的平衡作用在动涡盘上的轴向气体作用力，成为涡旋压缩机能否获得良好性能的重要因素之一。动涡盘在气体作用下，有绕其中心自传的趋势。这种趋势破坏了涡旋压缩机的正常工作，必须予以限制。防自传机构设置在动涡

盘与支架体之间，常见的结构形式有十字滑环，圆柱销，球轴承，小曲柄销。十字滑块，圆柱销，小曲柄销只能防止动涡盘的自传，而球轴承不仅能够防止动涡盘自传，而且能够承受动涡盘传递的轴向气体作用力。
综合起来，涡旋压缩机有以下特点；
(1) 多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔的气体压差小，气体泄漏量小，容积效率高，可达90%~98%
(2) 驱动动涡盘的运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小，重量轻。
（3）动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小
（4）没有吸，排气阀，涡旋压缩机的运转可靠，且特别适应于变速运转和变频调速技术。
（5）由于吸排气过程几乎连续进行，整机噪声很低。
轴向和径向柔性机构提高了涡旋式压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋式压缩机有可靠地密封性。动涡盘上承受的轴向气体作用力，随主轴转角发生变化，很难恰如其分的加以平衡，因此轴向气体力往往带来摩擦功率消耗。涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高要求，端板平面的平面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，需要用专门的加工

方法，加工技术和加工设备。在我国，涡旋压缩机的研究开发工作始于1986年，经过11年的努力，已经形成了比较成熟的涡旋式空调与制冷压缩机设计制造技术，某些高校如西安交通大学，甘肃工业大学在涡旋压缩机技术，生产方面在国内具有顶尖的水平。综观国内外涡旋压缩机的研究开发现状，生产制造水平以及市场需要趋势，今后一段时间内，有关涡旋压缩机的研究动向可归纳为;降低生产制造成本被列为研究工作的首要任务之一。提高涡旋盘的生产效率，设计出更加紧凑与更加适宜于工业化生产的结构都是直接的措施。通过压缩过程模拟及优化设计，采用新的材料与新的机构来减少机械摩擦损失，气体泄漏损失，传热损失，气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。扩宽应用范围和适用领域，实现产品系列化。扩大变频调速技术和热泵技术的应用。总之，涡旋压缩机相对于往复压缩机来讲。有很多优点入振动小，噪声低，效率高，可靠性好，容积小，重量轻等。已在空调和制冷行业有了广泛的应用。

第二章主要部件设计
（一）设计的已知条件
设计已知数据如下：
理论排气量0.6m3/min
进口压力0.1Mpa
出口压力0.6Mpa
（二）性能及结构参数确定
1 涡旋圈数n，涡旋齿厚t，涡旋齿高h
根据有关资料确定:
n= 2.85 t= 4mm h=36mm
2 排气量Vs和涡旋节距p：
设计理论排气量0.6m3/min ，转换成进气状态为
转数为 每转排气量210526.31578974mm/r

圆整p=25
3 基圆半径a

因节距p由基圆半径决定，则重新取a=3.9788 p=25
则设计理论排气量为

=210526.31578947mm/r
考虑泄漏等因素的储蓄系数为：

4回转半径Ror

5渐开线的初始角

6理论压力比

7工作 实际容积

8实际排气量

7

第三章 涡旋齿线型的选择与绘制原理
（一）涡旋型线构成原则
当涡旋压缩机正常压缩气体时，涡旋型线的构成应符合如下原则
1对于动涡旋或静涡盘上位与压缩腔内的任一给定点，在静涡盘或动涡盘上，必有一点并且只有一点与之相啮合，并且内侧壁面上的点与外侧壁面上的点相啮合。
2 当涡旋型面上一对共轭点相啮合时，动，静涡旋盘涡旋型线特征形状几何中心之间的距离，不随主轴角变化。这里的特征形状是指能够反映涡旋型线类型的几何形状，对于圆渐开线漩涡线型，是指基圆。
3 一对啮合点相啮合时，啮合点所在漩涡型面的切向平行，并且与通过涡旋型线特征性状几何中心之间连线方向相垂直。
构成涡旋体的型线，可采用线段，正多角形及圆的渐开线，除了圆的渐开线外，它们都是由圆弧连接而成的涡线，而圆的渐开线则可以理解为有限多圆弧连接而成曲率连续变化的曲线，一般常用圆的渐开线作为涡旋体的型线。
（二）圆的渐开线的形成
如图所示，当一直线bk沿一圆做纯滚动时，直线上任意点K的轨迹AK就是该圆的渐开线，这个圆称为渐开线的基圆，其半径为基圆半径

（三）渐开线的特征
根据渐开线的形成的过程，可知渐开线具有下列特征：
1发生线沿基圆滚过的长度，等于基圆上被滚过的圆弧长度
2因发生线BK即为渐开线在点K的法线。又因为发生线恒切于基圆，故可得出结论：渐开线上任意点的法线恒与其基圆相切。 3发生线与基圆的切点B也就是渐开线在K点的曲率中心，而线段BK是渐开线在点K的曲率半径。
4渐开线形状取决于基圆的大小，在相同展角处，基圆的大小不同，其渐开线的曲率也不同。
（四）涡旋线的成形
当圆的渐开线起始角 基圆半径为a，其展角为时，应用变端点矢量来表示0示则有
当x轴方向的单位矢量为 ，v轴方向的单位矢量为 ，则有

1 当渐开线初始角为 时，同样可以求得其参数方程为

2当渐开线初始角为零时，则有

3由于涡旋体作为压缩机的转子或定子，必须具有一定得壁厚，这可利用不同的初始角 的渐开线，来构成涡旋体的内外壁，
由方程1可知，其渐开线A点坐标可得

4其斜线的斜率为

5而点P处的斜率为

6由式5乘以式6

7由式7可见，渐开线的发生线与渐开线的切线正交，故渐开线的发生线即为该点的法线：

（五）涡旋线型的修正
设计动，静涡旋盘时，常对原始涡旋型线进行修正，以实现不同的目的，为了减少涡旋压缩机的几何尺寸，可以将涡旋体偏置于涡旋低端板上，也可以通过改变涡旋型线的布置来获得比较小的压缩机体积。当其它几何参数相同时，为获得较大的几何压缩比，在渐开线的起始段用圆弧代替，从而减轻刀具对渐开线的干涉程度，增大了开始排气角。因为圆弧曲线是共轭曲线，因此，在渐开线的气势段用圆弧曲线进行修正，应该是合适的
5.1修正型线方程
当圆的渐开线上点A的展开角为 时，对其进行修正，则点A B D E 的坐标分别为：

5.2圆弧修正后涡旋压缩机的特点
充分减少了渐开线起始段构成的无用容积，即无修正时形成的余隙容积。
提高了涡旋压缩机的压力比。在相同压力比时，经圆弧修正后的涡旋压缩机可设计成更加紧凑的结构。
改善了渐开线起始段的切削工作状态的受力特性。
经过圆弧修正后的旋压缩机，可获得较高的工作效率。
（六）防自传机构的旋转评比
涡旋压缩机的动涡盘在旋转地过程中，动静涡旋体壁面之间成对的接触线在运转过程中涡旋曲面移动，两涡旋盘之间的十字联结来保证，十字环式一个防止运动涡旋盘自转的联结机构。为了使涡旋转子回转平动必须设有防自传机构形式较多，以下介绍一些常见结构形式：
6.1圆柱销
圆柱销不是单个使用，而是三个同时工作。它们的一端与动涡旋盘或支架过盈配合，另一端在支架或动涡旋盘的圆柱槽中作平面运动。当圆柱销在图示位置时，圆柱槽对圆柱销分别施加作用力f1和f2f1和f2可以从类似分析中导出，当动涡旋盘绕其中心O作顺时针方向自转时，受到f1和f2的抑制，自动运动被限制。图示位置时，最下面的一个圆柱销实际上不起作用。
这种防自转机构的最大缺点是三个圆柱销与相应的三个圆柱槽的加工精度要求很高，特别是未知精度不能满足时，造成圆柱销与圆柱槽之间的很大挤压力，严重时导致蜗旋压缩机无法工作。因此，在实际的涡旋压缩机结构中，很难见到用三个圆柱销作为防自转机构。
6.2特殊结构滚环轴承
当滚轴承设计成特殊结构型式时，滚环不仅可以承受动涡旋盘上的轴向作用力，而且可以防止动涡旋盘的自转，动涡盘与支架上的滚槽有很高的位置精度要求，而且采用特殊滚环结构时，主轴偏心是不能自动调整， 特殊结构滚珠的个数没有特殊要求，滚珠少则每个滚珠的受力会增大，滚珠太多，滚槽位置精度及尺寸精度将难以保证。一般情况下，滚珠的个数以8-20个为宜。这种常用的结构型式常用在涡旋式汽车空调压缩机中。
6.3小曲柄销，
小曲柄销具与偏心主轴等的偏心量，其工作过程也与偏心主轴相类似。因此，偏心主轴与小曲柄销构成了一个平面连杆机构，从而限制了动涡盘的自转运动。小曲柄销的轴头部分位于支架上的轴孔中。曲柄销位于动涡盘的曲柄销孔中。同时使用的小曲柄销有1-3个，最常见的布置方式为周向

根据十字环的运动原理，只需在x方向的两个键与在y方向的两个键相互垂直，十字滑块的形状可以任意设计，一般为圆形，其受力情况较好。
十字滑块的常用材料是QT600和铸造 合金。对于形状比较复杂的十字滑环或从加工工艺性考虑，也可采用粉末治金制造。十字环不在同一方向的四个键应绝对垂直，四个键又分别与动涡盘，支架上的滑槽构成摩擦面。因此，十字滑块有一定得刚度和硬度要求，如QT600作为十字滑块的材料时，十字滑块应促火至35-40HRC。
十字滑块的硬度不能与动涡盘及支架的硬度相差太多，否则摩擦副的磨损会加剧。为了改善十字滑块上四个键的自润滑性能，减少摩擦与磨损，常对十字滑块的表面进行磷化处理。

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