大排气量无油润滑涡旋压缩机的虚拟设计 1.doc

精品论文大排气量无油润滑涡旋压缩机的虚拟设计 1李立硕 牛东方 王瀚青 李海生 陈明军 付善松中国矿业大学化工学院， 江苏徐州 （221008）摘要：为实现涡旋压缩机大排气量和无油润滑的技术要求，提出采用双涡旋齿型线设计涡 旋盘，在涡旋齿端面开设密封槽内加由自润滑材料制成的密封条，不但提高排气量，实现密 封与润滑，而且降低了无油润滑的技术难度。根据以上结构特点，以 Pro/Engineer 软件为 平台，介绍了应用怼拟技术进行设计的全过程，包括了怼拟建模、怼拟装配、样机的可行性 研究等。结果表明：大排气量无油润滑涡旋压缩机的怼拟设计切实可行，缩短了新产品的研 发周期，经济实用。关键词：无油润滑涡旋压缩机大排气量Pro/Engineer怼拟设计 中图分类号：TH451引言虚拟设计技术在机械行业具有广泛的应用前景，它可将产品的设计、开发与加工过程在 计算机上实现，完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比，它具有高度集成、快速 成型、分布合作等特点。在生产过程中使用虚拟设计技术，可以开发产品的虚拟模型或样机， 进而论证所开发产品的可行性，整个设计过程基本无生产成本和能源消耗，可以缩短设计周 期。针对大排气量无油润滑涡旋压缩机的结构特点，本文突破传统的经验设计和二维设计方 法，以 Pro/Engineer 软件为平台，探索了虚拟设计技术在大排气量无油润滑涡旋压缩机的 设计过程中的可行性。2无油润滑涡旋压缩机结构特点涡旋压缩机是一种新型容积式压缩机。它具有结构简单、低噪声、效率高、可靠性好 等优点，在工业中具有广泛的应用。对于一些特殊的工业1，如食品工业、制药工业、空气 分离工业等，工艺过程中需要不被润滑油所污染的纯净压缩气体。为了满足生产需要，可以 使用无油润滑形式的大排气量涡旋压缩机产品。与油润滑涡旋压缩机相比，大排气量无油润 滑涡旋压缩机在涡旋盘、密封等结构方面有所不同，以下将分两方面详细说明。2.1 双涡旋齿涡旋盘a）双涡圈型线b）双涡圈压缩腔图 1 双涡圈型线及压缩腔示意图在涡旋盘上从基圆处发生一条涡圈线，形成单涡圈型线。而双涡圈型线是由基圆发生 而形成两条相位差 180°的涡圈线，如图 1a）所示。涡旋盘采用双涡圈型线即可形成双涡旋11 本课题得到中国矿业大学青年科研基金项目(OH060106、OH060103)、中国矿业大学大学生科研训练计划（070610）的资助。齿涡旋盘。单涡旋齿涡旋盘工作过程中仅有 2 个同时进行吸气、压缩及排气的对称工作腔。双涡旋齿涡旋盘在工作啮合时有 4 条相互啮合的涡旋齿，形成了 4 组独立的月牙形压缩腔， 每个工作腔的相位差 90°，动涡盘运动一周后，4 个压缩腔依次完成吸气、压缩及排气的工 作过程，可以增加排气量，如图 1b）所示。通过对比分析单、双涡旋齿涡旋盘的结果表明， 双涡旋齿涡旋盘降低了曲轴的回转半径，减小了动、静涡旋盘相对运动的线速度，有利于降 低动、静涡旋盘的摩擦功率损失，使得动涡旋盘受力均匀，减小整机的振动，有利于动、静 涡旋齿的无油润滑。因此，设计大排气量涡旋压缩机选用双涡旋齿涡旋盘更合理2。2.2 密封条5密封条低压腔高压腔图 2 密封条工作原理示意图涡旋压缩机在工作过程中动、静涡盘之间间隙存在泄漏损失，它是影响无油润滑涡旋 压缩机工作性能的重要因素。对于油润滑涡旋压缩机，在工作腔壁面上形成的油膜可以减小 泄漏通道的气体泄漏量，降低涡旋齿与涡盘底部摩擦功率损失，而且循环润滑油可以带走大 量的热量。与其相比，无油润滑涡旋压缩机压缩腔内因没有润滑油而不能实现密封、润滑、 冷却功能，动、静涡盘之间间隙的泄漏损失较大，内部一些磨合面在高温的工作环境中润滑 效果不够好，导致工作性能下降。为此，需要在涡旋齿端面所开设密封槽内加由自润滑材料 制成的密封条，可以在高压差、高速、高温的工作条件下实现密封和润滑功能，如图 2 所示。3 虚拟建模与装配动涡旋盘由两组涡旋齿、两组密封槽、轮毂和端板等结构组成3，通过定义曲线方程参 数可以得到各种涡旋齿，以圆的渐开线基线方程为例说明涡旋齿和密封槽的建模过程。涡旋 齿的涡旋型线方程：ìm 2 N1 tïï x a0ï íï yaï(cos( m(sin( m18018090)90)m sin( mm cos( m18018090) 1）90)zï î密封条的涡旋型线方程：ìm 2 N2 tïï x aï íï y aï(cos( m0(sin( m18018090 )90 )m sin( mm cos( m18018090 ) 2）90 )zï î其中m：中间变量；t：软件变量，0t1； N1、N2：涡旋齿型线圈数、密封条型线圈数； a：渐开线的基圆半径，mm；：密封条宽度参数。按照上述方法，建立了动涡旋盘和密封条模型如图 3、图 4、图 5 所示。图 3 动涡旋盘三维模型示意图图 4 密封条三维模型示意图图 5 动涡旋盘与密封条装配示意图零部件设计仅是涡旋压缩机虚拟设计的最基础环节，最终的目标是得到符合要求的虚拟 样机模型，这一过程通过虚拟装配来完成。要实现虚拟装配，需要根据涡旋压缩机的工作过 程定义各零件模型的约束关系，从而确定零件在虚拟环境中的相对空间位置。在虚拟装配过程中，采用自顶向下与自底向上两种方法互相结合的混合装配模式3，同 时以零件、组件、子装配、总装配为技术路线。根据虚拟样机的结构特点，可以将涡旋压缩 机的总装配体分解为静部件和动部件两个子装配，如图 6 所示。动部件子装配中各零部件以 运动为特征，主要包括动盘组件、十字滑环和曲轴组件；静部件子装配中各零部件的特点是 静止，主要由静盘组件、地脚螺栓和机身组件等零件组成。总装配体动部件子装配静部件子装配动盘组件 十字滑环 曲轴组件机身组件 地脚螺栓静盘组件轴承动涡旋盘 密封条动平衡铁 轴承 皮带轮 支架体 轴承盖密封条 静涡盘图 6 装配体结构示意图在完成虚拟样机的总装配体后，可以通过修改单体零件的特征实现对装配体结构的优 化。建立装配体分解图，如图 7 所示，可以直观地观察各零部件之间的位置关系。4 可行性分析4.1 生成二维工程图图 7 虚拟样机三维模型分解示意图Pro/Engineer 具有强大的工程图设计功能，用户可以利用“绘图”模块直接将三维模型制 作成工程图4。在转换成工程图的过程中，用户可以对产生的基本视图进行随意修改，添加 相关尺寸和注释信息，以得到满意的设计方案。将三维模型和二维工程图用于产品的设计、 制造过程中，可以缩短开发周期，提高产品质量。4.2 虚拟样机的运动仿真利用 Pro/Engineer 自带的“机构”分析功能实现涡旋压缩机的虚拟样机的运动仿真，检验 设计的合理性，为优化设计提供依据4。通过运动仿真，可以分析涡旋压缩机动涡旋盘、静 涡旋盘的涡旋齿型线相互啮合情况，观察动涡旋盘的运动轨迹，机构运动是否存在干涉，工 作过程中是否可以形成月牙形的容积腔来实现气体的压缩，分析曲轴、动平衡铁、动涡旋盘、 皮带轮组成的运动组件运动过程的合理性，十字滑环的运动规律是否正确等。4.3 虚拟模型的有限元分析通过虚拟样机的运动仿真仅可以检验设计机构的合理性，将虚拟样机转变成物理样机之 前，还需要进一步可靠性分析。充分利用 Pro/Engineer 基于特征建模的优势，将虚拟样机进 行处理之后，转换成大型有限元分析软件可以识别的文件。在大型有限元软件环境中，加以 载荷、边界条件，进行有限元分析，最终分析结果用于优化设计，得到可靠性更高的虚拟样 机。5. 总结针对大排气量无油润滑涡旋压缩机的特点，分析了实现涡旋压缩机大排气量和无油润滑的技术关键，探索了运用虚拟设计技术实现大排气量无油润滑涡旋压缩机设计的可行性。1、以三维设计软件 Pro/Engineer 为平台，通过对各零部件的虚拟建模、虚拟装配，可 得到虚拟样机模型，成功实现了虚拟设计。2、通过虚拟样机的运动仿真，验证虚拟样机与物理样机的机构运动过程一致，满足要 求。利用生成二维工程图、有限元分析功能，有效结合多种设计方法，可以更好地优化虚拟 样机模型，提高设计产品的可靠性。3、虚拟技术在产品开发过程中显示出巨大的技术优势，缩短了新产品的研发周期，经 济实用，可以用于大排气量无油润滑涡旋压缩机的设计过程,这将为无油润滑涡旋压缩机产 品的设计与制造提供了一种新思路。参考文献：1朱圣东等.无油润滑压缩机M. 北京：机械工业出版社,2001,87-124. 2李海生.无油润滑涡旋压缩机的研究D.兰州理工大学硕士学位论文,2005. 3杜桂荣,王训杰. 虚拟装配技术在涡旋压缩机设计中的应用J.机床与液压,2004(11). 4孙江宏,黄小龙等. Pro_Engineer 2001 虚拟设计与M. 北京：中国铁道出版社,2003,147-202.Virtual Design of Oil-Free Scroll Compressor with BigDisplacement VolumeLi LishuoNiu DongfangWang HanqingLi HaishengChen MingjunFu ShansongSchool of Chemical Engineering Tech, China University of Mining and Technology ,Xuzhou221008 ChinaAbstractIt is pointed out that design scroll compressor by use of double wraps profile and the seal element of scroll tooth which is made of self-lubricative material in order to realize the technique requirement of big displacement volume and oil-free.This will not only increase the displacement volume and realize pressurize and lubrication but also debase technique difficulty of oil-free. According to above configurable trait, to introduce the method of dedignscroll compressor with virtual design by use of Pro/Engineer.The process consists of virtual modeling、virtualassembly、research of feasibility of sample machine.The result shows that virtual design is more suitable for oil-free scroll compressor with big displacement volume because of shortening research and design period of new products and economical method.Key word：oil-free scroll compressor ; big displacement volume ; Pro/Engineer ; virtual design作者简介： 李立硕（1986），男，主要从事过程装备与控制工程的学习与研究， E-mail:adai366 指导教师：李海生（1980），男，博士研究生，主要从事新型高效的容积式压缩机及其 无油润滑技术、过程装备测控技术的研究，E-mail: lhs784