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无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究


无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究 ) ) ) 房师毅

李连生 束鹏程等

无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究
房师毅 李连生 束鹏程 杨传波
西安交通大学流体机械与压缩机国家工程中心, 西安, 710049
摘要: 与有油润滑涡旋式压缩机相比 , 无油润滑涡旋式压缩机的工作过程尤其是泄漏情况 有很大

的不同。 对非设计工况下的容积比变化以及由此造成的泄漏量与压缩指示功等变化进 行了理论研究, 结合 01 16m3 / min 无油润滑涡旋式压缩机 ( 转速为 2060r/ min) 的性能测试结果 , 分析了造成一系列参数变化的原因 。研究结果为无油润滑涡旋式空气压缩机的设计奠定了理 论基础。 关键词 : 涡旋式压缩机; 无油润滑; 工作过程; 泄漏 中图分类号 : TH455 文章编号 : 1004 ) 132 ? ( 2005) 02 ) 0123 ) 05 Study on Working Process of an Oil- free Scroll Air Compressor Fang Shiyi Li Liansheng Shu Pengcheng Yang Chuanbo National Engineering and Research Center of Fluid Machinery and Compressor, Xi. an Jiaotong University, Xi. an, 710049 Abstract : Compared with the scroll compressor lubricated with oil, the oil- free scroll compressor has differ ent working process and leakage situation. The researches in this paper were mainly focused on the changes of volu metric ratio under real working conditions, which deviated from design working condit ions, and the changes of leak age rate and indicated work. Based on the test of an oil - free scroll compressor, which has an air delivery of 0116m3 / min and a rotational speed of 2060r/ min, the reason why the basic technical features have been changed was investigated. The research is the foundation for design an oil- free scroll compressor. Key words: scroll compressor; oil- free; working process; leakage

0

引言
涡旋式压缩机具有结构紧凑、 效率高、 运转可

须首先解决以下三个方面的问题: ? 动涡盘、 静涡 盘采用自润滑材料 , 涡旋压缩机可以在较高转速 下运行; ? 保证动涡盘、 静涡盘的端面和侧面之间 足够小的间隙 , 尽可能减少泄漏; ? 采用合理的结 构布局, 解决压缩过程中的散热问题。

靠、 噪声低等特点, 在制冷与动力领域的应用越来 越广泛 [ 1] 。目前 , 有油润滑的涡旋压缩机在市场 上占据主导地位, 无油润滑的涡旋压缩机尚处于 开发阶段。其中, 无油润滑涡旋式压缩机的研究 在我国才刚刚起步 , 还很不完善。由于无油润滑 的涡旋式压缩机较其 他形式的无油 压缩机在结 构、 工作效率、 可靠性、 振动及环保等方面有着不 可替代的优势, 因此 , 对无油润滑的涡旋式压缩机 的研究以及尽快实现产品的国产化, 已经成为当 今国内涡旋压缩机研究领域的热点。 在无油润滑涡旋式压缩机中 , 被压缩介质不 再是油气混合物 , 热力过程的分析对象为纯气体, 空气压缩机则可以假设为理想气体。尽管这种压 缩机的动涡盘、 静涡盘采用自润滑材料或在金属 材料的表面进行涂层处理 , 但其润滑状况与有油 涡旋式压缩机的相比相差甚远。另外, 材料不同, 极限 pv 值与许用 [ pv ] 值便不同 [ 2] , 因此, 无油涡 旋式压缩机有特定的工作转速范围要求。 要实现无油润滑涡旋压缩机的正常工作, 必
收稿日期 : 2004 ) 01 ) 13

1

数值模拟

1. 1 基本假设 ( 1) 压缩空气始终可看作理想气体, 控制容积 内气体参数均匀。 ( 2) 由于干空气温度从 20 e 到 120 e 变化时, 定压比热容变化很小 , 故定压比热容 cp 取定值。 ( 3) 机器转速恒定 , 忽略吸排气过程中的损失 和气流脉动。 1. 2 一般方程 1. 2. 1 能量方程 取任一对封闭容积为控制容积。忽略气体流 进/ 流出控制容积的 动能和势能 变化, 由 以上假 设, 根据热力学第一定律和质量守恒定律得
d( mu) = d Q +

E h id m i - E h od mo +

dW

( 1)

式中 , m 为 控制容 积的气 体质量 ; u 为 气体内能 ; m i 为 进 入控制容积的气体质量 ; m o 为流出控制容积的气体质量 ; h i 为进入控制容积气体焓 ; h o 为 流出控制 容积气 体焓 ; Q # 123 #

中国机械工程第 16 卷第 2 期 2005 年 1 月下半月

为热量 ; W 为功。

流量系数 , 与流 量、 泄漏 通道 的形状 等有 关 , 一般 情况 下 Ar = 01 87 ~ 01 95。

其中 d Q = 0, d W = - p d V c( p 为气体压力 , Vc 为控制容积) , 故有
d( mu ) = - p d Vc +

则, 根据绝热过程可以表示为

E h id m i - E h od m o

( 2)

1. 2 . 2

气体压力随主轴转角变化的基本关系式

d m lt i ? c rH = Ar Q ) i(H dH X

p i+ 1( H) 2k RT ( H) [ 1 - ( )] k- 1 i pi ( H )

k- 1 k

涡旋压缩机控制容积内气体压力变化率的方 [ 1] 程式 为
dp = dH 1 [ Vc 1 5h 5h 5p 5p dv [( ) - ( ) ( ) /( ) ] v 5v T 5 T v 5 v T 5 T v dH dmi dQ 5h 5p ( ( h - h) ) + ] } { [ 1- ( ) ] /[ v( ) ]} dH i dH 5T v 5T v { ( 3) 式中 , H 为涡旋压缩 机主轴转角 ; v 为比体积 ; m i 为第 i 压 缩腔的控制容积的气体质量 ; hi 为第 i 压缩腔的控制容 积 的气体比焓。

( 8)

1. 3. 2

通过轴向间隙的径向泄漏计算模型

气体通过轴向间隙的流动, 可以采用同样的 假设进行计算 , 单位回转角的泄漏量为
d m lt i c t L r i ( H) = At Q ) i( H dH X 2[ h i ( H) - h i+ 1( H) ] ( 9)

E

式中 , At 为轴向流量系数 , 一般情况下 At = 01 90 ~ 01 95; c t 为轴向间隙 ; L ri ( H) 为压缩机转角为 H 时的径向泄漏线长 度 , L ri ( H) = 2 aP( 2 iP - H P/ 180) 。

按照理想气体计算, 有
d m lt i c t L ri ( H) = At Qi ( H) # dH X pi+ 1( H) k- 1 2k RT ( H ) [1- ( )] k k- 1 i p i ( H) 式中 , k 为气体绝热指数。 ( 4) ( 10)

根据基本假设, 将理想气体的状态方程 pv = RT ( R 为气体常数 ) 及气体焓值计算式 h = cpT 代 入式 ( 3) 得
cpT d T dp = dH v dH 1 {[ Vc

E cp ( T i -

T)

d mi cp dQ ] + } / ( 1) dH dH R

1. 4

控制容积的选取 在涡旋压缩机工作过程中, 根据主轴转角的

式中 , T i 为 第 i 压缩腔的 控制容积气体温度值。

1. 3

泄漏模型

变化 , 封闭的压缩 腔数发生周期性变化。 圈数为 n( 非整数) 的涡旋压缩机在 0b [ H [ 360 b 范围内 各压缩腔的变化情况和发生泄漏的情况见图 1。

与其他结构形式的压缩机一样 , 在涡旋压缩 机的工作过程也同样存在着内外两种泄漏。 按照 涡旋压缩机的泄漏通道, 可以分为通过径向间隙 的切向泄漏和通过轴向间隙的径向泄漏两种。 其 中, 通过最外面的压缩腔的泄漏间隙( 径向间隙和 切向间 隙 ) 向 压缩腔吸 气管路的 泄漏属于 外泄 漏, 相邻两个压缩腔 ( 中心压缩腔及所有封闭的压 缩腔 ) 之间的泄漏属于内泄漏。 1. 3 . 1 通过径向间隙的切向泄漏计算模型 气体通过轴向间隙的流动, 可以假设为一元 稳定流动 , 位能的影响忽略不计, 由于流动的时间 足够短, 气体与压缩机壁面之间来不及换热, 因此 热力过程可以假设为绝热过程 , 则一元稳定流动 的能量方程为
dh + 1 2 dv = 0 2 ( 5)

于是 , 气体通过径向间隙从第 i 个压缩腔向第 i + 1 个压缩腔泄漏时的流动速度为
vi = 2( hi - h i+ 1) ( 6) 图1

Hd ) ) ) 排气角

H s ) ) ) 开始吸气角

涡旋压缩机压缩腔和泄漏性质示意图

单位回转角的泄漏量为
d m lt i ? c rH = Ar Q ) i(H dH X 2[ hi ( H) - hi+ 1( H) ] ( 7)

本文采用三腔控制容积法 [ 3] ( 见图 2) 计算压 缩过程的泄漏量和气体泄漏消耗指示功。 由于涡旋式压缩机属定容积比机械, 当吸气 压力一定时 , 其压缩终了的气体压力也大约为一 定值。 但在实际使用过程中, 它的排气压力却是变

式中 , m lt i 为第 i 个压缩腔内气体泄漏质 量 ; X 为动涡盘转 动角速度 ; H 为涡卷高度 ; Q ) 为在压缩机转 角为 H 时的 i(H 第 i 个压缩腔内气体密度 ; ? c r 为 平均径 向间隙 ; Ar 为径 向 # 124 #

无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究 ) ) ) 房师毅

李连生 束鹏程等

涡旋压缩机的基本特征参数和涡旋型线的基 本参数分别见表 1 和表 2 。
表1 实验所用涡旋压缩机基本特 征参数
0. 16 2060 额定压力 ( MPa) 额定功率 ( kW) 0. 8 1. 5 额定排气量 ( m 3 / min) V c ) ) ) 控制容积 额定转速 ( r/ min)

图2

三腔控制容积法示意图 表2
基圆半径 ( mm) 渐开线发生角 ( b) 涡旋圈数

化的 , 除了用户用气量变化造成气体压力变化外, 还与充气过程 ( 空气压缩机大都设置储气罐 ) 的 压力变化特性有关。 压缩终了的气体压力大于实 际排气压力时称为过压缩, 相反则称为不足压缩 或欠压缩。 1. 4 . 1 压缩机在过压缩状况下工作时 在过压缩的情况下 , 涡旋压缩机的中心压缩 腔( 又称排气腔 , 与排气管相通) 中的气体压力始 终小于与其相邻的压缩腔压缩终了的气体压力。 将压缩机压缩过程假设为绝热过程 , 根据压缩腔 容积的变 化情况 可以得 到工作 腔的 压力, 见式 ( 9) 。 当主轴转角等于排气角时, 中心压缩腔与其 相邻压缩腔贯通 , 相通的瞬间出现定容膨胀现象, 见图 3a。 当主轴转角小于排气角时 , 与中心压缩 腔相邻的压缩腔中的气体压力将经历一个小于、 等于及大于排气压力的压力变化过程。 小于排气 压力时 , 压缩气体由中心压缩腔泄漏到相邻工作 腔, 此时泄漏按正值计算; 大于排气压力时, 气体 由相邻工作腔泄漏到中心压缩腔 , 由于这部分气 体将由中心压缩腔经过排气孔排出 , 因此这部分 泄漏可以认为是正常压缩过程的一部分, 没有减 少压缩机的排气量。 1. 4 . 2 压缩机在欠压缩状况下工作时 在欠压缩过程, 涡旋压缩机的排气压力始终 大于与中心压缩腔相邻的压缩腔中的气体压力, 此时的压缩气体均由中心压缩腔向与其相邻的压 缩腔泄漏。 同过压缩的情形一样 , 当主轴转角等于排气 角的瞬间 , 中心压缩腔与相邻压缩腔贯通, 出现等 容压缩现象, 见图 3b 。 一般工作腔的泄漏均是由高压工作腔向低压 工作腔泄漏 , 图 3c 所示为一般工作腔在压缩机完 成一转过程中的泄漏情况。

涡旋型线的基本参数
3. 263 40 3. 375 排气角 (b) 涡圈高度 ( mm) 220 23. 48

( a) 过压缩

( b) 欠压缩

( c) 正常压缩 图3 压缩腔在偏离内容积比情况下的泄漏

2
2. 1

实验
实验装置
图4 无油润滑涡旋式压缩机实验装 置示意图

无油润滑涡旋式压缩机实验装置示意图见图 4。 其中 , 数据采集系统采用合肥通用机器研究所 研制的 mr3000 自动采集系统。

# 125 #

中国机械工程第 16 卷第 2 期 2005 年 1 月下半月

2. 2

实测数据及数据处理 无油润滑 涡旋式空气压缩 机的实测 数据见

表 3。
表3
排气 压力 ( MPa) 0. 202 0. 294 0. 413 0. 507 0. 600 0. 692 0. 816

输入功率 、 排 气量与排气温度实测数据表
转速 功率 ( W) 排气量 ( m 3 / min)

吸气温 大气压 排气温

度 ( e ) ( kPa) 度 ( e ) ( r/ min) 29. 4 29. 5 29. 2 29. 2 29. 5 28. 8 29. 0 96. 97 96. 96 96. 96 96. 93 96. 90 96. 98 97. 01 54. 5 60. 8 66. 6 72. 5 77. 3 81. 7 90. 1 2062 2060 2054 2046 2038 2030 2016

图 6 无油润滑涡旋式压缩机实验容积效率 变化图
1086. 0 0. 175 868 67 1173. 0 0. 175 590 90 1290. 0 0. 173 788 70 1377. 0 0. 170 016 62 1464. 0 0. 167 042 87 1566. 0 0. 162 708 14 1695. 0 0. 159 639 85

力的提高, 泄漏量逐渐增大 , 容积效率随之降低。 此外, 在工作压力超过压缩机正常运转所达到的 定值排气压力的情况下 , 压缩机泄漏量增大得更 快, 因此 , 容积效率降低得也快 , 图中线段斜率的 变化验证了这一结论。 无油润滑的涡旋式压缩机泄漏线缺少了润滑 油的密封 , 泄漏现象比较严重。工作腔的压力升 高, 压缩机的泄漏量增大, 见图 7a 。图 7b 所示为 由泄漏造成的压缩机功率的消耗, 从高压腔泄漏 到低压腔的气体, 经过了正常的压缩过程, 消耗了 压缩机的压缩功, 将这部分功计算出来 , 即为泄漏 造成的压缩机的功率的消耗。

3
3. 1

计算结果
压缩功率 、 效率变化情况 图 5a 是涡旋压缩机的理论计算绝热功率和

折算轴功以及实测电机功率随排气压力变化的示 意图。 折算轴功按下式计算:
P s = P e G - P fan ( 11)

其中, P fan 为无油润滑涡旋式压缩机的同轴离心 风扇的功率 , 在 n = 2060r/ min 的转速下, P fan = 3281 7W 。 图 5b 是全绝热效率随排气压力变化的示意 图。涡旋式压缩机属定容积比机械, 当吸气压力 一定时, 其压缩终了的气体压力也大约为一定值, 由图可见, 当压缩机工作于这一定值排气压力下 时, 全绝热效率达到最大值, 压缩机获得最佳的经 济性 ; 当运行的工作压力偏离这一定值时, 全绝热 效率下降。尤其工作于过压缩的情况下时 , 压缩 机的压缩功浪费较多 , 经济性极差。
( a) 泄漏量随排气 压力的变化情况 ( b) 气体泄漏消耗功率 随排气压力变化情况

图 7 无油润滑涡旋式压缩机实验泄漏情况计 算变化图

3. 3 与无油润滑活塞式压缩机性能变化的对比 与活塞式压缩机相比, 涡旋式压缩机结构简 单、 体积小、 重量轻, 其主要零部件数量仅为活塞 式的 1/ 3, 体积减少 40% , 重量减小 15% 以上。因 此, 较活塞式压缩机 , 涡旋式压缩机有着明显的优 势。但是, 涡旋式压缩机本身独特的结构形式决 定了在实现无油润滑以后 , 在某些性能方面存在 不足之处。这些不足之处主要体现在涡旋式压缩 机在偏离内容积比的 高压力工况下 工作时的功 率、 效率变化。随着排气压力的提高, 无油润滑的

( a) 绝热功率、 折算轴功和实测 电机功率随排气压力变化 图5

( b) 全 绝热效率 随排气压力变化

涡旋式压缩机的泄漏量和泄漏功率显著升高, 从 而导致容积效率降低 , 全绝热效率降低 , 这些性能 的变化在无油润滑的 活塞式压缩机 中也是存在 的。但由于存在以下几个方面的原因, 涡旋式压 缩机的性能变化要比活塞式的大: ( 1) 涡旋式压缩机的泄漏线长度较活塞式压 缩机的泄漏线长度要大得多;

无油润滑涡旋式压缩机压缩功率 、 效率变化图

3. 2

泄漏情况计算结果 根据压缩机的实际参数可以得到压缩机的行
- 5 3

程容积为91920 745 @ 10 m , 图 6 所示为容积效 率随排气压力变化的示意图。随着压缩机工作压
# 126 #

弧面分度凸轮单侧面加工原理及刀位控制方法研究 ) ) ) 尹明富

赵镇宏

弧面分度凸轮单侧面加工原理及 刀位控制方法研究
尹明富 赵镇宏
天津工业大学, 天津, 300160
摘要: 提出了实现弧面分度凸轮单侧面加工的刀位控制原理 , 该方法克服了范成法加工的 缺陷 , 解决了空间凸轮单侧面加工刀位控制难题, 给出了刀位控制数学模型 。计算机仿真计算 结果证明了该控制方法的有效性, 具有重要的实际应用价值 。 关键词 : 弧面分度凸轮; 单侧面加工 ; 刀位控制方法 ; 廓面误差 中图分类号 : TH132. 47 文章编号 : 1004- 132 ? ( 2005) 02- 0127- 04 Study on One - side Machining Principle and Tool Path Control Method of the Globoidal Cam Yin Mingfu Zhao Zhenhong T ianjin Polytechnic University, T ianjin, 300160 Abstract: This paper presented a new tool path control method, which realizes one- side machining of the globoidal cam, overcomes the defects caused by enveloping method, solves puzzle of the tool path control in oneside processing of spatial cam, and establishes a mathemat ical model for tool path control . A computer simulation example is presented, and the results show the new method has great pract ical values. Key words: globoidal cam; one- side machining; tool path control method; profile error 构[ 1~ 3] 。

0

引言
弧面分度凸轮机构被认为是目前最为理想的

弧面分度凸轮的加工通常在数控机床上采用 范成法进行, 凸轮体做匀速回转运动, 刀具再现从 动件的运动规律, 刀具的回转中心和凸轮回转中 心的距离等于机构的理论中心距, 精加工时刀具 的半径等于机构中从动件滚子的半径 , 这样理论 上就可以无误差地加工出凸轮的廓面 。这种加 工方法的弊端首先是铣刀需特制。凸轮机构是高 副接触, 为降低磨损 , 凸轮材料一般为合金钢 , 硬
[ 2] [ 3] 朱圣 东 , 邓 建 , 吴家 声 . 无油 润滑 压 缩机 . 北 京 : 机 械工业出版社 , 2000 顾兆林 , 郁永章 , 冯诗愚 . 涡旋压缩机 及其它涡旋 机 械 . 西安 : 陕西科学技术出版社 , 1988 ( 编辑 卢湘帆 )
[ 4]

分度机构, 它具有结构紧凑、 运动平稳、 传动扭矩 大、 分度精度高等优点, 广泛应用于机床、 电光源 机械、 包装机械、 印刷机械等领域, 特别适合于高 速、 高精度分度场合 , 但也是制造难度最大的机
收稿日期 : 2003- 09- 29

( 2) 涡旋式压缩机为多腔同时压缩的工作形 式, 当工作于较高的排气压力时, 各压缩腔间的内 泄漏量升高 , 造成其总的内泄漏量的增长较活塞 式压缩机的内泄漏量的增长要快, 从而导致泄漏 消耗指示功率的增加 , 绝热效率降低较快; ( 3) 涡旋式压缩机的吸排气过程连续 , 因此针 对活塞式压缩机的间歇式吸排气来说 , 泄漏周期 较长。 以上原因造成了无油润滑的涡旋式压缩机在 偏离内容积比的工作情况下, 与无油润滑的活塞 式压缩机相比, 效率下降要快得多。
参考文献 : [ 1] 李连生 . 涡旋压缩机 . 北京 : 机械工业出版社 , 1998

作者简介 : 房师毅 , 男 , 1980 年生。西安交通大学流体机械及压 缩 机国家工程研究中心硕 士研究生。 主要研究 方向为无 油润滑 涡 旋压缩机的工作过 程和动态 特性。 李连生 , 男 , 1962 年生。西 安 交通大学流体机械及压缩机国家工程研究中心教授、 博士研究 生 导师。 束鹏程 , 男 , 1940 年 生。西安交 通大学流 体机械 及压缩 机 国家工程研究 中心 教授、 博士 研究生 导师。 杨传波 , 男 , 1978 年 生。西安交通大学流体机 械及压缩 机国家工 程研究中 心硕士 研 究生。

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