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摘 要
本次畢業(yè)設計是關(guān)于客車空調(diào)用渦旋壓縮機的結(jié)構(gòu)設計，以及渦旋壓縮機的部分零件二維和三維圖紙，然后再對主軸進行強度校核。
渦旋壓縮機整體結(jié)構(gòu)設計上屬于公轉(zhuǎn)型整機結(jié)構(gòu)，其中比較重要的機構(gòu)包括靜渦盤、動渦盤、主軸和防自轉(zhuǎn)機構(gòu)，其余的部件包括偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)、平衡塊等等。
渦旋壓縮機的設計流程大體如下，首先是簡單介紹渦旋式壓縮機的原理，其次由既定參數(shù)和假設條件得到壓縮內(nèi)容積比與吸氣容積；再按照設計要求選擇渦旋線，通過渦旋線算出渦旋的一些幾何數(shù)據(jù)，并對渦旋線進行修正；將主要的參數(shù)通過已知公式進行計算，從而設計出動、靜渦盤和其他部分零件。然后用AutoCAD畫出二維裝配圖和部分的二維零件圖；后在Pro/E建出靜、動渦盤的三維模型和總體結(jié)構(gòu)模型。最終把偏心主軸放在UG里進行受力分析，并完成強度校核。
關(guān)鍵詞：渦旋壓縮機；動渦盤；靜渦盤
I
ABSTRACT
The purpose of this design is to complete the structural design of a scroll compressor for passenger car air conditioning, and the scroll compressor belongs to the volume compressor.
The structure design of the scroll compressor adopts the rotating structure form and the circular involute scroll line. The main mechanism is the static vortex disk, the moving vortex disk, the eccentric spindle, the cylindrical pin coupling, and the other parts, such as eccentric adjustment mechanism, balance block, motor and so on. The design of the scroll compressor first obtains the compression content product ratio and the suction volume according to the design parameters. After that, the suitable scroll line is determined, the main parameters of the vortex part are calculated, and the vortex line is corrected. The main parameters are calculated, and the dynamic and static vortex disk and other parts are designed. Then use AutoCAD to draw the assembly drawing and part drawing, and then draw the three-dimensional and general structure diagram of the moving and stationary scroll with Pro/E. Finally, the force analysis of the crankshaft is carried out by UG8.0, and the strength is checked.
Key Words： Scroll compressor； moving vortex disc；static vortex disc
IV
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
2 渦旋式壓縮機和靜動渦盤和工作原理 2
3 壓縮機的整體結(jié)構(gòu)設計 4
3.1 渦旋壓縮機的主要零件結(jié)構(gòu)設計 4
3.2 渦旋壓縮機其他部件的結(jié)構(gòu)設計 9
3.3 動渦盤結(jié)構(gòu)設計 15
3.4 動靜渦盤結(jié)構(gòu)設計 15
3.5 運動件的受力分析 16
3.6 密封與潤滑 18
4 基于NX Nastran解算器的有限元分析 20
5 結(jié) 論 28
參 考 文 獻 29
附錄1：外文翻譯 30
附錄2：外文原文 35
致 謝 43
客車空調(diào)用渦旋壓縮機結(jié)構(gòu)設計
1 緒論
渦旋壓縮機的歷史并不是太長，在其他壓縮機類型已經(jīng)被發(fā)明的前提下，在一九零五年第一次被歐洲的Leon Creux生產(chǎn)出來，因為受限于當時的工業(yè)水平并沒有那么高， 直到20世紀80年代進行批量化的制造。壓縮機的發(fā)明過了七十年，因為國際上能源的供應進一步減少并且新型能源技術(shù)還不成熟和銑削技術(shù)得到極大的進步，這些情況大大促進了渦旋式機械的發(fā)展。具有里程碑意義的渦旋式壓縮機初次報告在一九七三年由位于北美ADL提出了，根據(jù)當時信息得知，渦旋式壓縮機相較于其他壓縮機擁有十分巨大優(yōu)越性，越來越多的人認識到渦旋壓縮機出色的性能，也愈發(fā)愿意研究渦旋壓縮機。 一九八二年，位于東京的三電株式會社在世界上首先進行了汽車空調(diào)用渦旋式壓縮機大規(guī)模化生產(chǎn)，之后的日立株式會社、美國的Copland公司也參與進來。很多世界各地的機械制造公司都開展了關(guān)于渦旋式壓縮機的業(yè)務，一時間，渦旋式壓縮機在市場的份額大大增加。渦旋式壓縮機能夠成功批量生產(chǎn)的最重要的一個原因就是，渦旋式壓縮機產(chǎn)品比容量參數(shù)一樣的往復式壓縮機要不同，有著明顯優(yōu)勢,工作時噪音減少了5db(A)，扭距的變化幅度少90%,生產(chǎn)加工過程零件減少85%。
由于我國的工業(yè)底子比較于歐美強國和日本，顯得很薄，所以我國的渦旋式壓縮機研究生產(chǎn)起步晚，其開發(fā)、研制從一九八六年才初步開始，但正是改革開放的時期，可以大量借鑒外國的壓縮機經(jīng)驗，渦旋壓縮機的發(fā)展速度十分快，令世界矚目。發(fā)展到現(xiàn)在，我國已經(jīng)對其有了富有成效的結(jié)果，成就頗豐，對于不同種結(jié)構(gòu)類型渦旋式壓縮機科研人員做出了大量的研究報告；成功在進一步減少了生產(chǎn)成本的情況下，還可以增加壓縮機的工作能力；根據(jù)大量經(jīng)驗和技術(shù)總結(jié)得出質(zhì)量控制、控制標準和高精密零件渦旋齒的精度方法。
渦旋壓縮機依靠新穎的結(jié)構(gòu)，在耗能方面，遠遠超過其他的種類的壓縮機。其中的原因是渦旋壓縮機的最重要的部件——兩個渦盤因為嚙合而沒有磨損，因此使用壽命比其他種類的壓縮機的壽命大大增加。渦旋壓縮機工作環(huán)境安靜、振動很少，發(fā)出的聲音十分的少。 渦旋式壓縮機在結(jié)構(gòu)上不僅特殊、還不失精密，有著體積小、噪音低、振動小、故障率低、排氣污染少、耗能小、工作壽命長等特點，在世界中的各行各業(yè)里，渦旋壓縮機的普及率十分的高。綜上所述，在壓縮機領域中，渦旋式壓縮機有著不可替代的地位，其研發(fā)價值十分巨大，作為發(fā)明較晚的壓縮機，其研究前景，發(fā)展?jié)摿Χ际执蟆?
之前渦旋壓縮機的設計方法已經(jīng)十分完善，通過參考設計經(jīng)驗，本論文將根據(jù)已知參數(shù)和條件，對客車空調(diào)用渦旋壓縮機進行結(jié)構(gòu)設計。
2 渦旋式壓縮機和靜動渦盤和工作原理
渦旋壓縮機的動渦盤和偏心主軸配合，主軸對動渦盤進行直接驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)壓縮機有著一樣的工作過程。電機啟動后，渦盤開始旋轉(zhuǎn)，外部氣體被吸入后，經(jīng)過壓縮，得到壓強較高的氣體，大體步驟相同，然而，渦旋壓縮機和別的壓縮機本質(zhì)上的不一樣的地方就在于壓縮腔上，動、靜渦盤組合形成的壓縮腔與傳統(tǒng)的往復壓縮機和旋轉(zhuǎn)壓縮機有著極大的不同?？梢哉f壓縮腔是渦旋式壓縮機的最重要的部分，而沒有精確的渦旋線，就不會產(chǎn)生壓縮腔，經(jīng)過很長時間的發(fā)展，靜、動渦旋盤上渦旋線型往往是圓漸開線和校正曲線。以下將介紹一個圓形漸開線渦旋線，從而使大家明白渦旋式壓縮機是如何運動的。
靜、動渦盤的相位差π，基圓中心相距Ror，在這三樣一樣的情況下，兩個渦盤就能完美的組合在一起，渦盤之中就能形成很多成對的月牙形封閉空腔用于吸氣、排氣和壓縮氣體。電機連接著主軸，電機啟動，主軸隨之轉(zhuǎn)動，動渦盤的中心在主軸的驅(qū)動下圍著著靜渦盤中心運動，因為主軸有著偏心特征，所以其軌跡是直徑2Ror的圓型，在這個過程中，容積腔的體積因為動渦盤相對靜渦盤的位置改變而變化，容積腔體積由小變大使得外部氣體的吸入其中，而容積腔體積由大變小則可以實現(xiàn)壓縮或排氣其體積都是隨時變化的，不會一直不變。氣壓較低氣體通過吸入孔和靜、動渦盤的周圍的狹小空間來到吸入室，動渦盤繞靜渦盤中心旋轉(zhuǎn)后，低壓氣體得到壓縮后氣壓升高，最后通過位于靜渦盤的排氣孔全部排出動、靜渦盤。
由于渦旋線的特點，每一個壓縮腔有另一個形狀對稱，面積相同的壓縮腔，一個靜、動渦盤的組合有幾個不同對的壓縮腔，以為原理相同，氣體壓縮的現(xiàn)象可以在任何壓縮腔出現(xiàn)，如圖1-1所示。給圖中的三個成對的容積腔依次標上阿拉伯數(shù)字123方便辨別，其中1是中心壓縮腔、2是第2壓縮腔、3是第3壓縮腔。當動渦盤的中心繞著靜渦盤的中心旋轉(zhuǎn)時，會形成的轉(zhuǎn)動角，在壓縮機的工作過程中稱為偏心軸的曲柄轉(zhuǎn)角θ。偏心軸曲柄轉(zhuǎn)角θ＝0，第3壓縮腔3正好完全關(guān)閉，腔內(nèi)空間與外界其他完全隔絕，壓縮腔閉塞的時候就意味這氣體吸入完成，因為3已經(jīng)關(guān)閉，當中的氣體不與外界交流，并且之后就會得到壓縮，體積不斷減小。所以關(guān)閉時氣體體積就是吸氣容積，往復式壓縮機的形成容積也是與外界隔絕時氣體的體積。每當曲柄角的增大，月形區(qū)域也隨之變小。當θ不斷增大直到θ=360°即是動渦盤中心繞著靜渦盤中心轉(zhuǎn)動一周的時候，意味著壓縮腔內(nèi)的氣體壓縮結(jié)束。3的壓縮過程結(jié)束，只是仍需要進一步壓縮，氣體將繼續(xù)由2進行壓縮，最大閉合體積就是此時的壓縮腔容積，容積在軸向上的投影面積最大，在此之后的壓縮過程和壓縮腔3的過程相同，只是氣體始末體積不相同。
因為3個壓縮腔都在一對動、靜渦盤上，同時隨著偏心主軸運動，并且運動同步不干涉，所以壓縮氣體和吸入氣體可以同時進行。1和2工作過程一樣，屬于沒有氣體被吸入的過程，因為被分成2π一個周期，才被區(qū)分。渦旋壓縮機壓縮工作是不中斷的，偏心主軸只旋轉(zhuǎn)一圈并不能滿足壓縮的要求，所以要求偏心主軸多旋轉(zhuǎn)幾圈，但偏心主軸每轉(zhuǎn)動一圈，就有氣體被吸入第3壓縮腔。當中比較特別的第一壓縮腔中氣體的壓強并沒有改變，其體積雖然減少，但與外界相通，所以是個等壓的過程，氣體就在這個過程中被排出。
圖1-2.渦旋壓縮機工作過程
3 壓縮機的整體結(jié)構(gòu)設計
3.1 渦旋壓縮機的主要零件結(jié)構(gòu)設計
3.1.1 渦旋型線的種類選擇
渦旋型線的設計有著下面幾種要求：
①在壓縮腔中要具備兩種相嚙合，分別是壓縮腔任何一點，于靜渦盤或動渦盤必須是唯一的點和那個定點形成相嚙合、第二個是位于內(nèi)壁的點和外側(cè)壁上的點也形成嚙合。
②兩個成對共軛點相嚙合在渦旋的表面，動渦盤渦旋線中心與靜渦旋盤中心間的距離不再跟著主軸角度改變。
③每當一個成對嚙合點嚙合在一起的時候，這個點不僅要在漩渦面的切線方向上平行，還要和穿過渦旋線中心間的連線相互垂直。
④在組成方法上，不僅是線段，渦旋體線還可由正多邊形和圓形漸開線組成。和圓的漸開線連接方法不同的是，渦旋體線是以數(shù)個圓弧相連的渦線。
渦旋齒型線主要種類有很多種，其中的圓漸開線和多邊形漸開線都能滿足上面的三種要求，因為第一種的設計過程也相對簡單，容易模擬，已經(jīng)被廣泛的應用、比較方便于生產(chǎn)，因此渦旋齒型線的設計中更多使用圓的漸開線。
在充分考慮過以上種種因素后，決定渦旋壓縮機渦盤的渦旋齒型線的結(jié)構(gòu)是圓的漸開線，并且使用單渦圈，靜、動渦盤兩個渦圈也是形狀、位置,以中心軸對折,兩邊重合。因為只要設計一個渦旋線，這樣可以大大簡化設計。
3.1.2 渦圈的幾何參數(shù)設計
主要參數(shù)：基圓半徑a；渦圈節(jié)距Pt；渦圈壁厚t；渦圈高度H；漸開線的起始角α，壓縮腔的對數(shù)N；渦旋圈數(shù)m；渦圈中心面漸開線展角φ；渦圈中心面漸開線的最終展角φE。
因為要設計客車用壓縮機：所以假設條件：流量是0.25m3/min；工作溫度是0自50℃；電機功率是3.5HP電壓是220V，50H；工作介質(zhì)是空氣；工作壓力是0.6MPa；
查閱參考文獻[2]，得到一下公式用以計算，如：
(2-1)
T=2aα (2-2)
m=N+1/4 (2-3)
(2-4)
（1）吸氣腔工作容積的計算
選用額定轉(zhuǎn)速是2800r/min 的YC型單相異步電機（Y90L-2）給壓縮機提供動力。
依照流量公式
(2-5)
根據(jù)內(nèi)容積比 (2-6)
理想氣體條件下
(2-7)
得：
排氣容積：
內(nèi)容積比：
吸氣容積：
初選，
根據(jù)公式（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）求得
基圓半徑
漸開線發(fā)生角
渦旋圈數(shù)（取N=5）
中心面漸開線最終展角
帶入和高度H后，渦旋壓縮機的吸氣腔工作容積：
(2-8a)
把式（2-4）帶入式（2-8a）中，得
(2-8b)
代入已求參數(shù)、Pt、t與式(2-8b)
求得：
;圓整取27mm
驗算：
最后得出：
表示渦圈上的兩個漸開線的方程分別是：（如圖2-1所示）
圖2-1 渦圈安裝方式
1-靜渦圈 2-動渦圈
（2）排氣開始主軸的回轉(zhuǎn)角
假設排氣工作那一刻偏心主軸的回轉(zhuǎn)角，與之對應的外嚙合線的渦圈中心面的漸開線展角，轉(zhuǎn)動一圈所得排氣容積是：
(2-9a)
或
(2-9b)
根據(jù)式（2-8）（2-9）可求得渦旋壓縮機的內(nèi)容比
(2-10)
排氣時的主軸回轉(zhuǎn)角
(2-11)
求得：
(3)偏心距
(2-12)
3.1.3 渦圈始端的修正
修正過程是不可避免的，把靜、動渦旋盤原始的渦旋型線設計完成后，并不能直接應用到壓縮機中，為了達到要求需要對其進行修正，在渦旋的低端板上，如果渦旋體被偏置的話，渦旋壓縮機的整體體積就會得到縮小，達到節(jié)省材料和空間的目的。
壓縮機擁有比較高的幾何壓縮比后，工作效率升高和加工難度降低，為了在其余幾何參數(shù)不變的情況下提高幾何壓縮比，可以將漸開線的起始段用圓弧替代，這樣做的效果有減少刀具對漸開線的干涉，并且能把開始排氣角增大。漸開線的氣勢段用圓弧曲線進行修正，并不會出現(xiàn)問題，因為圓弧曲線具有共軛曲線的特性。
圖2-2 對稱圓弧修正參數(shù)示恴圖
在渦圈始端的修正中，修正類型一共有三種，選擇使用對稱圓弧修正到這次渦旋壓縮機中，如圖2-2所示，把兩個圓弧分別光滑的連接到渦圈內(nèi)和外側(cè)漸開線上，之后再修正圓弧成半徑為R的圓弧，再一次連接圓弧半徑r的圓弧。依據(jù)直角三角形邊的關(guān)系和漸開線嚙合的原理，得到公式:
（2-14）
（2-15）
（2-15）
帶入數(shù)據(jù),,，解得：
渦圈始端的其他參數(shù)：
（2-16）
排氣角：
（2-17）
連接圓弧參數(shù)方程：
（2-18）
修正圓弧參數(shù)方程
（2-19）
根據(jù)式（2-16）、（2-17）、（2-18）、（2-19），求得：如圖2-6所示
連接圓弧參數(shù)方程：
修正圓弧參數(shù)方程：
圖2-3 修正后的渦圈始端
3.2 渦旋壓縮機其他部件的結(jié)構(gòu)設計
3.2.1 防自轉(zhuǎn)機構(gòu)設計
防自轉(zhuǎn)機構(gòu)應用在避免動渦盤自轉(zhuǎn)上，如果渦盤自轉(zhuǎn)起來，氣體壓縮過程將會停止，甚至于渦旋壓縮機本身都有可能報廢，造成事故，會在生產(chǎn)存在不安全因素。其中各種機構(gòu)的優(yōu)缺點如下：
①十字環(huán)
十字環(huán)有兩種類型，用不同的結(jié)構(gòu)形式加以區(qū)分，它們分別是十字連接環(huán)和十字滑塊。第一種十字環(huán)上有著兩對凸臺。
動渦旋體繞著主軸的中心轉(zhuǎn)動時有著十字環(huán)的限制，凸臺在其對應的滑動槽中做滑行運動，動渦盤與支架體上的4個滑動槽分布規(guī)律相同，都是幾何對稱的，這樣運動時就會產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效果。十字環(huán)因為在結(jié)構(gòu)上簡單，生產(chǎn)成本小，但十字環(huán)和支架體動渦盤之間發(fā)生的磨損會增加故障幾率，減少壽命。
②滾珠軸承
一個平動半徑為R， 孔板孔為2R的孔板安裝在機體上，另一個形狀一樣的孔板則安裝在動渦旋體上，兩個孔板之間需要半徑為R的鋼珠填充，用來連接孔板。當動渦旋體平行移動的時候，鋼珠就在孔中有空間做轉(zhuǎn)動。只有三個主要部件，所以結(jié)構(gòu)并不復雜，在滾動支撐下，大大減少了磨損。
③小曲柄銷
小曲柄銷的軸頭和曲柄銷處在壓縮機中不同的部件中，分別是在支架上的軸孔中和在動渦盤的曲柄銷孔中,壓縮機內(nèi)同時間工作的小曲柄銷有l(wèi)到3個,圓周均布是小曲柄銷的分布方式中最常用到的。
小曲柄銷和主軸的偏心量一樣,所以它工作中運動也和主軸十分相近。主軸與小曲柄銷兩個組合在一塊,它的目的就是防止動渦盤發(fā)生自轉(zhuǎn)。
小曲柄銷在外形上具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小的特點、工作時則有無慣性力、工藝性較好、轉(zhuǎn)動靈活的特點，所以比較適合大小偏心距的渦旋機構(gòu)或大渦旋盤流體機械中,在加工生產(chǎn)上精度要求高。
④圓柱銷
孔板布置在機座，圓柱銷則布置在動渦旋體上，圓柱
銷需要插入孔板的孔內(nèi)。安裝完畢后，當壓縮機工資，
動渦旋體平動，半徑為2R的銷在
徑為4R的孔里進行回轉(zhuǎn)半
徑為R的平動。
圖2-4 圓柱銷聯(lián)軸器
通過充分比較后選用圓柱銷聯(lián)軸器作為防自轉(zhuǎn)機構(gòu)參考文獻[2］
3.2.2徑向柔性隨變機構(gòu)
如圖2-5，主由動渦盤、滑動軸承、主軸及偏心量調(diào)節(jié)塊組成
圖2-5 偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)
工作原理：曲柄銷在偏離徑向的方向除去兩部分，然后就出現(xiàn)調(diào)節(jié)塊沿徑向方向運動導向面，調(diào)節(jié)塊順著曲柄銷運動，調(diào)節(jié)塊的外沿和動渦盤內(nèi)壁之間的摩擦屬于摩擦系數(shù)較小的滾動摩擦。
偏心量調(diào)節(jié)范圍： ；
3.2.3軸向柔性隨變機構(gòu)
軸向柔性隨變機構(gòu)將是背壓腔的結(jié)構(gòu)，因為力是相互的，即氣體對渦盤的底面產(chǎn)生壓力，動渦盤底面與機架體并不接觸，有著很小的空間，而且偏心主軸與機架體配合緊密，沒有空間，并不與外界相通，由此成為背壓腔，于動渦盤最下面鉆出背壓孔。
圖2-6 背壓腔機構(gòu)原理圖
背壓孔的尺寸要求十分嚴格，有一定的合適的范圍，如果背壓孔的直徑大于合適的尺寸，渦旋盤的軸向磨損更加嚴重，并且減少渦盤的工作 壽命；如果其直徑小大于合適的尺寸，就不可以平衡動渦盤的軸向載荷，這樣的話動渦盤和靜渦盤之間的距離就會比較大，大大增加密封面的軸向間隙，因此背壓孔比較常見的直徑是1到2mm。背壓孔在渦盤具體位置需要知道孔不能流通的時間。
3.2.4 平衡塊結(jié)構(gòu)設計
偏心主軸是傳遞動力的重要零件，當壓縮機的工作，偏心主軸的受力情況將會極大的影響壓縮機。偏心主軸因為其具有偏心特性，并且動渦盤和曲柄銷連接，這會讓曲柄銷受到動渦盤產(chǎn)生的離心力，主軸不平衡也就由此產(chǎn)生。
圖2-7 離心作用力 圖2-8 平衡塊簡圖
如圖2-7所示的平衡機構(gòu)結(jié)構(gòu)，動渦盤的質(zhì)量中心在主軸的偏心方向，但是平衡塊的質(zhì)量中心卻處在與之相對的方向。主軸上受到離心力是由動渦盤、軸承和曲柄銷的質(zhì)量之和所；
（2-20）
式中 r——主軸偏心量 ，r=2.5mm；
—主軸角速度，由；
平衡塊的質(zhì)量產(chǎn)生的離心力；
（2-21）
式中 R—平衡塊的質(zhì)量中心到主軸中心線的距離為;
根據(jù)力的平衡原理得到方程
(2-22)
其中平衡塊其作用部位的質(zhì)量中心到偏心主軸中心線的距離是：
(2-23)
平衡塊厚度是B，其密度是ρ，根據(jù)公式得到偏心質(zhì)量是
(2-24)
帶入表2-1數(shù)據(jù)
表2-1 平衡塊的計算
動渦盤
滾針軸承
曲柄銷
總和
質(zhì)量（g）
6225
240
163
6228
r（mm）
5
(rad/s)
293
β()
70
50
B(mm)
10
根據(jù)式（2-20）、（2-21）、（2-22）、（2-23）、（2-24）
解得
3.2.5偏心主軸結(jié)構(gòu)尺寸的確定
偏心主軸的材料選擇主軸設計中最頻繁使用的40Cr。
偏心主軸的尺寸如上圖
從左往右第一段用于安裝曲柄銷，該段直徑為φ30mm，并且在偏心的方向造出兩個對稱平面并且其距離是24mm，長是40mm；第二段安裝軸環(huán)，該段直徑是φ80mm，長是12mm；第三段安裝主軸承軸承，并且在該段使用深溝球軸承，該段直徑為φ55mm長是10mm；第四段軸直徑是φ40mm，長是36mm；第五段安裝深溝球軸承裝，該段直徑是φ30mm，長是40mm；第六段軸因為要從電機獲得動力，所以具有鍵槽，該段直徑是φ24mm，長是50mm。
3.3 動渦盤結(jié)構(gòu)設計
動渦盤和電機相連，所以動力不經(jīng)過其他機構(gòu)就能使得動渦盤工作，并且動渦盤的軸頸同偏心主軸配合，渦旋齒在動渦盤中有著很大的作用，可以根據(jù)漸開線幾何形狀來確定，將渦旋始端的形狀進行修改。軸向補償?shù)男问绞潜硥呵唤Y(jié)構(gòu)，于渦盤合適的地方鉆出兩背壓孔，當壓力太大的時候，可以通過背壓孔將多于的氣體排到大氣中，以免損壞壓縮機；軸向間隙的密封將利用密封條結(jié)構(gòu)，于渦齒最頂端設置有密封條。得到動渦盤的外形尺后，動渦盤的3d建模如圖2-9所示
圖2-9 動渦盤實體結(jié)構(gòu)
3.4 動靜渦盤結(jié)構(gòu)設計
靜渦盤需要和機架連接在一起，并且渦旋齒的形狀和動渦盤的渦旋齒完全一樣。靜渦盤的進氣方式是外側(cè)進氣法，進氣孔位于在渦旋中心面的漸開線最終展角方向上；排氣孔根據(jù)相位相差的原理，動、靜渦盤剛剛排氣時，氣體就通過排氣孔排出，壓縮腔的體積也減到最小。
得到參數(shù)之后，靜渦盤3d建模如圖2-10 、2-11所示
圖2-10 靜渦盤實體結(jié)構(gòu)
圖2-11 靜渦盤排氣孔
3.5 運動件的受力分析
渦旋壓縮機的每個代號一樣的壓縮腔是成對出現(xiàn)的，并且投影形狀對稱，所以動渦盤、靜渦盤都要受相同氣體作用力。機架會受到來自靜渦盤上受到的氣體作用力，從而渦旋式壓縮機在工作時會振動并產(chǎn)生噪聲。帶入主軸的回轉(zhuǎn)角，得到工作腔的容積隨著回轉(zhuǎn)角變化的公式是
（2-25）
根據(jù)公式（2-6）、(2-25)，可得
（1）切向氣體力
有N個壓縮腔時，動渦盤上受到的切向氣體力為
（2-26）
式中 P——渦旋節(jié)距（mm）；
——壓力比， ；
——吸氣壓力（）；
帶入數(shù)據(jù)可得
（2）徑向氣體力
有N個壓縮腔時，動渦盤上受到的徑向向氣體力為
（2-27）
帶入數(shù)據(jù)可得
（3）軸向氣體力
動渦盤上承受的軸向氣體作用力為
（2-28）
帶入數(shù)據(jù)可得
（4） 傾覆力矩
圖2-12 傾覆力矩現(xiàn)象的起因
如圖2-12所示，因為切線方向的氣體力和徑向氣體力合力F的共同作用點不和施加在動渦盤并使其轉(zhuǎn)動的曲柄銷作用點在一個垂直于軸線的面，所以會產(chǎn)生動渦盤的傾覆。
動渦盤傾覆力矩是
（2-29）
已知數(shù)據(jù)，計算可得
3.6 密封與潤滑
3.4.1 密封
(1) 徑向密封
所謂徑向密封就是在徑向上減少動渦盤側(cè)面和靜渦盤體側(cè)面間的距離。從動、靜渦盤之間設計看，它們之間的體側(cè)面沿徑向沒有相接觸，只會形成一個很小的間隙值，嚴格控制r、P及t的加工精度，使之在某個確定的公差范圍之內(nèi)，使用分組裝配就可以進行徑向間隙的密封。
（2） 軸向密封
如圖2-13所示，對于軸向間隙的泄漏，可采用開設密封條的方法，應該在渦旋體上部安裝設密封條，并且密封條與密封槽形狀一致，安裝后密封條應該微微高于渦旋體，阻擋泄漏。密封槽的寬度一般取1.5～3.5mm，高度取2～4mm。密封條材料是聚四氟乙烯，這種材料不僅耐摩擦、還抗高溫，工作壽命很長。不過由于比其他的材料更加容易吸熱而體積變大，所以應當在運動的時候注意熱漲情況。
圖2-13 軸向間隙密封示恴圖
3.4.2 潤滑
設計中并沒有用到潤滑油，也沒設計出油潤滑結(jié)構(gòu)，所以軸承的潤滑選擇使用脂潤滑，而且脂潤滑的滲漏更少，在維修中也方便。決定將常用的鈣鈉基潤滑脂來給軸承潤滑。
4 基于NX Nastran解算器的有限元分析
基礎結(jié)構(gòu)設計結(jié)束后，還要通過校核真正的完成設計，整個渦旋壓縮機中受力最復雜也是最核心的零件是偏心主軸，其受力將極大影響壓縮機的工作。
利用UG的Nastran解算器來有限元分析，達到校核偏心主軸受力與變形效果。下面將對壓縮機的偏心主軸開始有限元分析。
①首先用UG打開建立的偏心主軸的三維模型，其尺寸設計以及在前面完成
圖4-1.主軸模型
②偏心主軸的材料是40Cr，在UG的仿真界面的管理材料中的材料列表中，會有一個材料庫，從中選擇名稱為Iron_40選項，創(chuàng)建了仿真，再指定材料給偏心主軸。
圖4-2.指派材料
③40Cr材料的屬性如圖5-3
圖4-3.材料屬性
④在指派材料后，使用3D四面體的10結(jié)點進行網(wǎng)格劃分，單元屬性選擇CTETRA(10),網(wǎng)格質(zhì)量的中節(jié)點方法為混合，最大可比值為10，基于表面曲率的大小變化和單元體積增長速率都是初始值。
圖4-4.網(wǎng)格劃分
⑤完成了有限元網(wǎng)格劃分，約束容器里給偏心主軸增加約束，約束點是主軸承和副軸承裝配的地方，在用戶定義約束中選擇類型為spc，選定坐標系，不讓x、y、z方向隨意移動。
圖4-5.添加約束
⑥給有限元模型增加載荷，選擇類型是幅值和方向，選擇好模型對象后，紅的箭頭是載荷的分布，藍箭頭是約束，如圖5-6
圖4-6.添加載荷
表4-1.仿真報告結(jié)果匯總
⑦在Nastran解算器中計算模型，通過后置處理，結(jié)果就是仿真報告。
Subcase - Static Loads 1 : Number of Iterations = 1
位移 (mm)
應力 (mN/mm^2(kPa))
X
Y
Z
Magnitude
Von-Mises
Min Principal
Max Principal
Max Shear
靜態(tài)步長 1
Max
2.098e-003
1.877e-003
1.994e-003
7.959e-003
1.579e+004
2.781e+003
1.617e+004
8.458e+003
Min
-2.221e-003
-1.872e-003
-7.642e-003
0.000e+000
1.228e-001
-1.718e+004
-3.255e+003
6.994e-002
以上結(jié)論了解到位移MAX是0.007959mm，應力MAX是15.79Mpa，和材料的135Mpa先比，數(shù)值很小，所以符合要求。
⑧在后置處理導航器中雙擊結(jié)果，展開結(jié)果便可得到位移-節(jié)點、應力-單元節(jié)點、應力-節(jié)點等的仿真圖，不同顏色代表不同程度，紅色7959e到藍色0000。
圖4-7.位移—節(jié)點圖
圖4-8.應力—單元圖
圖4-9.應力—單元節(jié)點圖
A. 應力—單元節(jié)點圖
圖4-10.反作用力—節(jié)點圖
5 結(jié) 論
這是大學中最后一次也是最重要的一次設計工作，渦旋式壓縮機從無到有，我經(jīng)歷了渦旋壓縮機原理的學習，有關(guān)公式的查閱，動渦盤、靜渦盤和其他零件的選擇，大量的計算，還繪制出其圖紙。
從中學到了很到東西，提升了自身的能力，鞏固大學四年中學到的知識，并會應用至機械結(jié)構(gòu)設計中。我還學到很多關(guān)于渦旋壓縮機的知識，了解到渦旋壓縮機的各種各樣的特點，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理。
期間遇到過各種各樣的問題和困難，這些問題的解決，不僅有通過自己自學查閱資料，還有詢問老師和同學，鍛煉了溝通和協(xié)調(diào)能力。還有我學會了全方面考慮問題，先是在某點上找到突破口，然后舉一反三分解前面的問題。
機械制圖愈加得心應手、AutoCAD和Pro Engineer 的操作速度更快，圖紙和模型的錯誤更少。
參 考 文 獻
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43
附錄1：外文翻譯
渦旋壓縮機漸開線齒形的快速測量
渦旋壓縮機廣泛應用于空調(diào)、真空泵等。渦旋壓縮機齒形的快速測量對提高壓縮機的壓縮效率和降低噪聲具有重要意義。用紅寶石接觸探針測量齒廓。探頭沿著X軸以勻速直線滑動。渦旋工件固定在精密旋轉(zhuǎn)臺上。舞臺的旋轉(zhuǎn)速度與X軸移動速度符合阿基米德曲線之間的關(guān)系。分析了快速測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，通過補償回轉(zhuǎn)中心與工件中心坐標之間的偏移量，消除了測量誤差。將測量結(jié)果與商業(yè)坐標測量機（CMM）測量結(jié)果進行了比較。利用研制的快速測量系統(tǒng)，在測量精度保持不變的情況下，利用CMM 10分鐘測量時間，將渦旋漸開線輪廓的測量時間縮短到153秒。
關(guān)鍵詞：渦旋型線、誤差分離、漸開線齒廓，渦旋壓縮機，快速測量
1引言
渦旋壓縮機通過滾動滾動的運動來壓縮空氣。高氣壓的空氣通過軌道滾動從放電口排出。渦旋壓縮機具有扭矩變化小、振動小、噪聲小等優(yōu)點。由于抽吸和排出口之間沒有直接的流體通路也可以實現(xiàn)高效率。
（一）主要表現(xiàn)為兩種泄漏和傳動原理兩卷軸。圖1（b）給出了包括內(nèi)漸開線輪廓、外漸開線輪廓和非漸開線齒廓在內(nèi)的齒廓測量。其中的泄漏是由這兩種渦旋葉片的側(cè)面之間的間隙引起的側(cè)漏。另一個是由端板和卷軸的渦旋葉片之間的間隙引起的葉尖泄漏。這些泄漏的增加能使制造精度?？焖贉y量高度和側(cè)面輪廓對減少制造誤差非常重要。傳統(tǒng)上，用坐標測量機（CMM）測量渦旋齒廓，費時費力。三坐標測量機的測量時間不能滿足在線加工測量要求[ 3 ]。本文研制了一種快速、準確的內(nèi)、外漸開線渦旋型線輪廓測量系統(tǒng)。通過仿真分析測量誤差。將快速測量系統(tǒng)的測量結(jié)果與三坐標測量機的測量結(jié)果進行了比較。經(jīng)驗證，開發(fā)的快速測量系統(tǒng)能滿足要求的測量精度（±3μm）和測量時間（每件300秒/）。
2、測量系統(tǒng)和測量方法
圖2顯示固定滾動平臺的開發(fā)的快速測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)由圖-è階段和接觸式掃描探針。由于滾動在線加工測量的空間非常有限，因此基于圓度測量系統(tǒng)開發(fā)了快速測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的尺寸非常小。固定的卷軸用兩個錐形銷固定在旋轉(zhuǎn)臺上。舞臺旋轉(zhuǎn)角度分辨率為0.0025度。這個x軸可以由精密控制板移動。在測量渦旋型線時，采用PID控制器（4）控制旋轉(zhuǎn)軸的運動速度和轉(zhuǎn)速。因此，該測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確定位。定位誤差小到可以忽略。每個編碼器的位置由每個編碼器測量，并通過多軸控制板進入個人計算機。
考慮到切削油和切屑的影響，在研制的測量系統(tǒng)中采用了以球型紅寶石制成的接觸式位移探頭。在X軸端固定探頭用于掃描安裝在旋轉(zhuǎn)臺上的側(cè)面漸開線齒形。
[ 5 ]一個直徑為5毫米的紅寶石球附著在探測軸的末端。掃描探針球在XYZ方向上有三個刻度。x和y方向的輸出被用來測量漸開線輪廓，Z方向的輸出用來確定z軸的摩擦。探頭的電壓輸出通過A/D轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)絺€人計算機中[ 6, 7, 8 ]。的分辨率和探測范圍為0.1μM和±1毫米，分別。測量力約為0.12 N。根據(jù)所需的測量時間，旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速設定為20度/秒。滾動半徑的增量可以用下面的等式來描述。
R 1 R 2θ?θ=一×（θ2?θ1）×π/ 180（1）
根據(jù)方程（1），可以計算X軸的運動速度。
x軸運動速度為0.7923毫米/秒。
基本圓的漸開線螺旋線可以用下面的方程來描述（2）。
X=一[ COS（?+α）+?×（?+α）]（2）
Y=一[罪（?+α）??×COS（?+α）]
其中，一個是基圓半徑，φ是漸開線渦旋角，α是出發(fā)點的角度為漸開線齒廓。渦旋極角與渦旋角的關(guān)系可用以下方程描述：（3）。
?=θ+（?）（3）
在那里，φ是每個測點和θ滾動角是每個測點的極角。每個測量點的理論漸開線滾動半徑可以用
方程（2）和方程（3）。測量的滾動半徑可以通過探頭編碼器和X軸編碼器輸出得到。輪廓誤差可以用下面的公式來描述（4）。
rerror=RTH?rmea（4）
在那里，rerror是漸開線齒形誤差，在理論滾動極半徑；rmea卷軸極半徑測量。同樣的滾動樣品也被測量以比較由商業(yè)CMM，它安裝在一個溫度控制計量室。CMM的探測精度為0.6μM.
3、測量結(jié)果和誤差分析
無誤差分離的測量結(jié)果
利用研制的快速測量系統(tǒng)測量了固定渦卷的漸開線輪廓誤差。測量的結(jié)果在圖外輪廓測量的誤差范圍約為20米±顯示μ測量誤差范圍內(nèi)的配置文件是±40
μM.可以看出有非常大的快速測量系統(tǒng)的測量誤差。測量精度無法達到要求的測量精度（±3μm）。
通過計算機模擬B.測量誤差分析
測量誤差的原因進行分析。有工件和旋轉(zhuǎn)舞臺的中心坐標之間的偏移量。偏移值有顯著的效果的測量結(jié)果。接觸點的Y Y方向的偏移量是由接觸探頭和齒廓之間的摩擦引起的。Y對測量結(jié)果的影響也。
確定坐標系統(tǒng)誤差的影響，模擬對偏移量的影響進行了分析。圖4顯示仿真結(jié)果接觸點在固定渦卷偏移的情況下。水平軸和垂直軸表示固定滾動顯示仿真波形誤差的旋轉(zhuǎn)角度。圖4（a）顯示的影響
接觸點的Y方向的偏移量。在這里，Y的定義
通過接觸測量點的Y方向的偏移量。計算輪廓誤差，whenconsidered y = 0.5毫米和1毫米?？梢钥闯?，在剖面結(jié)果大影響Y。的影響變得更加顯著增加Y。為了實現(xiàn)
所需的漸開線齒廓測量精度，它被證實，Y方向的偏移誤差必須從測量齒形誤差的消除。圖4（b）對工件和旋轉(zhuǎn)舞臺坐標之間的偏移中心顯示的影響。測試中心坐標偏移的影響，計算機模擬是基于理想的外部和內(nèi)部進行involulte漸開線齒廓。在這里，xn和yn的中心定義的坐標和工件旋轉(zhuǎn)階段之間的偏移量。如圖所示，xn和yn，即使中心坐標的偏移很小，產(chǎn)生一個非常大的周期測量誤差的影響。圖3周期輪廓誤差是由于Xn
YN。有必要單獨的中心坐標的偏移
偏移精度要求在y方向為。
誤差分離后的測量結(jié)果
圖3測量輪廓度誤差由中心坐標和接觸點的Y方向的偏移量。接觸點的Y方向的偏移量可以通過編碼器的輸出測量探頭。探頭的y方向的輸出約為0.1mm。Y方向的偏移，使探頭的中心偏離X軸。探頭接觸點與x軸之間有傾斜角度。測量接觸點的實際渦旋極角可以通過方程（5）顯示出來。
θ房=θMEA+潭?1（?Y / R）（5）
在那里，θ房是真正的卷軸極角的測量點。θMEA是旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出階段。Y是探針的Y方向偏移。r是每個測量點的理論滾動半徑。探頭中心的Y方向的偏移補償由方程（5）。
為了獲得中心坐標和工件測量系統(tǒng)偏移，測量輪廓度誤差，如圖3所示裝入圈由以下公式（6）。
一個×X+B×Y+C=?（X2+Y 2）（6）
在那里，一=?2xc，B=?2yc，C=XC2+YC2?R 2。
XC YC可以通過A和B的x和y的計算通過測量齒形誤差的計算。測量輪廓誤差
如圖3所示為補償?shù)腦C，YC和△Y.
測量結(jié)果顯示在圖5。圖5（a）表示外輪廓誤差補償后。外部輪廓誤差約為5米±μ圖（b）表示的內(nèi)輪廓誤差補償后。內(nèi)輪廓誤差大約
±6μM.測量誤差快速測量系統(tǒng)基本滿足精度要求。
為了測試快速測量系統(tǒng)的測量結(jié)果，在恒溫室中用商用坐標測量機測量了固定渦旋的內(nèi)外輪廓誤差。分別從內(nèi)、外側(cè)面獲得約1560個測量點。內(nèi)、外輪廓測量時間約為20分鐘。由快速測量系統(tǒng)分別從內(nèi)、外輪廓測量得到約4090個測量點。用快速測量系統(tǒng)測量內(nèi)外輪廓約150秒。的內(nèi)外輪廓如圖6所示測量結(jié)果。從圖中可以看出，外輪廓和內(nèi)輪廓的快速測量系統(tǒng)的測量結(jié)果是相同的。
三坐標測量機。但快速測量系統(tǒng)的測量時間比CMM的測量時間要短得多。渦旋工件的加工時間約為300秒[ 9 ]?？焖贉y量系統(tǒng)能滿足在線加工測量要求。
5總論
研制了一種基于精密三坐標探頭的渦旋壓縮機快速測量系統(tǒng)。通過仿真分析了兩種補償方式的測量誤差?？焖贉y量系統(tǒng)的測量結(jié)果與三坐標測量機的測量結(jié)果相同，但快速測量系統(tǒng)的測量時間比三坐標測量機的測量時間短得多。所開發(fā)的快速測量系統(tǒng)能夠滿足渦旋壓縮機在線加工測量的要求。非漸開線齒形的快速測量是今后的工作方向。
附錄2：外文原文
Rapid Measurement of Involute Profiles for Scroll Compressors
Jianhong. Yang*1, Y. Arai1, W. Gao1
1Nano-metrology and control laboratory, Department of Nanomechanics, Tohoku University, Aramaki Aza Aoba 6-6-01, Aoba-ku, Sendai, 980-8579, JAPAN *e-mail: Jianhong@nano.mech.tohoku.ac.jp
Scroll compressors are widely used in air conditioners, vacuum pumps and so on. Rapid measurement of flank profile of a scroll compressor is important to improve the compression efficiency and decrease noises. A contact probe made of ruby was used for measurement of flank profile. The probe was moved by a linear slide along the X axis at a constant speed. The scroll workpiece was fixed on a precision rotary stage. The relationship between the stage rotational speed and the X axis moving speed complies with the Archimedean curve. The measurement data of the rapid measurement system were analyzed and measurement errors were removed by compensation of the offset between the coordinates of the rotary stage center and those of workpiece center. The measurement results were compared with those measured by a commercial coordinate measuring machine (CMM). The measurement time for the involute profile of the scroll is shortened to 153 seconds by the developed rapid measurement system from the 10 minutes measurement time by the CMM while the measurement accuracy is kept the same.
Keywords: scroll profile, error separation, involutes profile, scroll compressor, rapid measurement
1. INTRODUCTION
SCROLL COMPRESSORS compress air by orbiting motions of scrolls. The air with a high pressure is taken out from a discharge opening by orbiting scroll. The scroll compressor has a lot of advantages, including small variations of torque, low vibrations and noises. High efficiency can also be achieved because there is no direct fluid path between the suction and the discharge opening [1], [2].
Orbit scroll
Flank
leakage
Fixed scroll
Bottom
(a)
leakage
40
Inside volute
Y/mm
Outside volute
Non-involute
20
0
-20
-40
-40-20
0
20X/mm40
(b)
Fig.1 Leakages of scroll compressor and measurement profile
67
In order to further improve the efficiency of the scroll compressor, it is very important to reduce the leakages. Fig.1
(a) shows mainly two kinds of leakages and gearing principle of the two scrolls. Fig.1 (b) shows flank profile measurement including the inside involute profile, the outside involute profile and the non-involute profile. One of the leakages is flank leakage caused by a gap between the flanks of the two scroll blades. The other is tip leakage caused