旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)氣缸內(nèi)圓變形有限元分析及試驗(yàn)研究

趙旭敏，陳輝

（珠海格力電器股份有限公司機(jī)電技術(shù)研究院，廣東珠海 519000）

旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)氣缸內(nèi)圓變形有限元分析及試驗(yàn)研究

趙旭敏*，陳輝

（珠海格力電器股份有限公司機(jī)電技術(shù)研究院，廣東珠海 519000）

為研究旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)泵體組裝完成后氣缸內(nèi)圓變形原因及規(guī)律，使用Pro/MECHANICA對(duì)氣缸與軸承的裝配三維模型進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分、定義約束和載荷，利用ANSYS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，并設(shè)計(jì)了一種氣缸內(nèi)圓變形量測(cè)試的試驗(yàn)方法，測(cè)試了不同螺釘連接力下旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)氣缸內(nèi)圓的變形量，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算一致。經(jīng)分析研究提出一種可減少旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)泵體裝配后氣缸內(nèi)圓變形的改進(jìn)方案，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該改進(jìn)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，該氣缸結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案是合理的和可行的。

壓縮機(jī)；泵體；氣缸；內(nèi)圓；變形

0 引言

近年來(lái)，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平得到顯著提高，降低了生產(chǎn)成本，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，但旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)泵體組裝后，常出現(xiàn)泵體運(yùn)轉(zhuǎn)不暢甚至卡死的情況，成為制約旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)生產(chǎn)效率和壓縮機(jī)可靠性提高的重要因素[1-3]。調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)泵體生產(chǎn)線(xiàn)上使用全自動(dòng)氣缸調(diào)芯機(jī)來(lái)調(diào)整軸承和氣缸的相對(duì)位置，雖可精確達(dá)到壓縮機(jī)排氣間隙（同心組裝時(shí)滾子與氣缸的徑向間隙）要求，滿(mǎn)足壓縮機(jī)正常工作的條件，但調(diào)芯后通過(guò)螺釘緊固軸承和氣缸后，會(huì)引起壓縮機(jī)氣缸內(nèi)圓的變形，影響排氣間隙要求的精度，并造成壓縮機(jī)泵體運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，降低了壓縮機(jī)的可靠性。

現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法監(jiān)控下軸承緊固后壓縮機(jī)的排氣間隙，只能靠泵體順暢度來(lái)檢查，因此有必要對(duì)氣缸內(nèi)圓變形量及影響變形的因素進(jìn)行試驗(yàn)和研究。本文通過(guò)有限元仿真分析得到了氣缸內(nèi)圓變形的基本規(guī)律，并設(shè)計(jì)了氣缸內(nèi)圓變形量測(cè)試的試驗(yàn)方案，結(jié)合仿真與試驗(yàn)結(jié)果，提出可減少壓縮機(jī)泵體裝配后氣缸內(nèi)圓變形的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用有限元法可以快捷、精確地計(jì)算旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)零部件的應(yīng)力分布及變形大小，且成本較低，是目前工業(yè)設(shè)計(jì)中廣泛采用的計(jì)算方法[4-5]。本文利用 Pro/MECHANICA的FEM 模塊對(duì)建立的氣缸與軸承裝配的三維模型進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分、定義約束和載荷，并利用ANSYS分析軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，分析壓縮機(jī)泵體組裝后氣缸內(nèi)圓的變形情況。

1.1 三維模型

利用Pro/E軟件建立氣缸、軸承和螺釘裝配的三維模型，為減少仿真計(jì)算的誤差，建立了精確的螺紋連接模型，如圖1所示。

圖1 螺紋連接三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方案對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大[6]。通過(guò)對(duì)單元數(shù)量、單元密度、單元扭曲、單元形狀、計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度等各方面的綜合考慮，選用Solid單元作為劃分網(wǎng)格的單元類(lèi)型，為減少局部應(yīng)力集中對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)三維模型的螺紋連接處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化控制，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件及結(jié)果分析

各接觸面均采用“無(wú)相互貫穿”接觸類(lèi)型，并定義合適的螺紋摩擦系數(shù)，在螺釘頭部周向節(jié)點(diǎn)施加一定的扭矩載荷，同時(shí)約束氣缸外周面的全部自由度，氣缸變形有限元結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出氣缸內(nèi)圓靠近4個(gè)螺釘孔處徑向變形最大。氣缸變形量具體仿真計(jì)算數(shù)值見(jiàn)表1。

從仿真計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，氣缸內(nèi)圓變形量隨著扭矩載荷的增大而增大，靠近軸承端變形量較大，中間位置幾乎無(wú)變形。

圖3 有限元結(jié)果

表1 氣缸內(nèi)圓變形量仿真計(jì)算結(jié)果

2 試驗(yàn)研究

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

該測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、MMQ400型圓度儀、扭力扳手、氣缸、上軸承、改進(jìn)后的下軸承和螺釘組成。MMQ400型圓度儀如圖4所示，其測(cè)頭臂長(zhǎng)較短且不能彎曲，不能直接穿過(guò)軸承頸部進(jìn)入氣缸內(nèi)圓中進(jìn)行圓度測(cè)量，故需對(duì)下軸承進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將下軸承頸部切除，如圖5所示。

圖4 MMQ400型圓度儀

圖5 下軸承

利用線(xiàn)割切掉下軸承頸部，且線(xiàn)割后對(duì)下軸承進(jìn)行去毛刺和下端面精磨處理，保證下軸承下平面與氣缸端面配合精度與量產(chǎn)一致。同時(shí)下軸承外圓直徑要比氣缸精加工面直徑小5 mm左右，保證一定的單邊余量，以便于在測(cè)試氣缸圓度時(shí)利用圓度儀通過(guò)單邊余量調(diào)節(jié)氣缸為水平，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖6所示。

圖6 測(cè)試組件

2.2 測(cè)試方法與步驟

為準(zhǔn)確研究壓縮機(jī)泵體組裝過(guò)程中上、下軸承緊固后氣缸內(nèi)圓變形的規(guī)律和影響因素，本試驗(yàn)嚴(yán)格按照泵體組裝順序，利用扭力扳手以一定的螺釘預(yù)緊力緊固上、下軸承和氣缸，并通過(guò)扭矩扳手檢定儀檢驗(yàn)扭力扳手力矩設(shè)定值的準(zhǔn)確性。通過(guò)測(cè)量5種不同螺釘擰緊扭矩下2個(gè)相同的氣缸內(nèi)圓上、中、下3處的變形量來(lái)分析氣缸內(nèi)圓變形規(guī)律和影響因素（氣缸內(nèi)圓上、中、下3處分別為距離氣缸內(nèi)圓上端面2 mm處，氣缸內(nèi)圓中間和距離氣缸內(nèi)圓下端面2 mm處）。

壓縮機(jī)氣缸變形量測(cè)試共分為5個(gè)步驟：①測(cè)量組裝前氣缸內(nèi)圓上、中、下三處的圓度；②使用力矩扳手?jǐn)Q緊螺釘，緊固上軸承與氣缸后，測(cè)量氣缸內(nèi)圓上、中、下三處的圓度；③使用力矩扳手?jǐn)Q緊螺釘，緊固上、下軸承和氣缸后，測(cè)量氣缸內(nèi)圓上、中、下三處的圓度；④拆卸上軸承后，測(cè)量氣缸內(nèi)圓上、中、下三處的圓度；⑤拆卸下軸承后，測(cè)量氣缸內(nèi)圓上、中、下三處的圓度。

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

從氣缸內(nèi)圓變形圖樣可以看出，螺釘緊固氣缸和軸承后，氣缸內(nèi)圓變形形狀呈現(xiàn)花瓣?duì)睿拷葆斂滋帤飧變?nèi)圓徑向變形最為嚴(yán)重，變形方向朝向氣缸內(nèi)圓軸線(xiàn)。MMQ400型圓度儀測(cè)量出的氣缸內(nèi)圓變形圖樣見(jiàn)圖7。

圖7 氣缸內(nèi)圓變形圖樣

分別對(duì) 5種不同的螺釘擰緊扭矩下兩個(gè)相同規(guī)格的氣缸內(nèi)圓上、中、下3處圓度的變形量取平均值，得到的變形量平均值見(jiàn)圖8。

圖8 2個(gè)氣缸內(nèi)圓變形量平均值

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，僅上軸承（或下軸承）和氣缸緊固后，氣缸內(nèi)圓變形主要發(fā)生在上軸承端（或下軸承端）；上、下軸承和氣缸緊固后，上軸承端和下軸承端都隨螺釘擰緊力矩的增大而呈增大的趨勢(shì)，而中間則基本沒(méi)有變化，試驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)完成后單獨(dú)測(cè)氣缸內(nèi)圓上、中、下3處的圓度發(fā)現(xiàn)，與試驗(yàn)前氣缸內(nèi)圓上、中、下3處的圓度基本一致，說(shuō)明螺釘擰緊扭矩達(dá)到17.5 Nm時(shí)，氣缸內(nèi)圓變形仍為彈性變形。

3 改進(jìn)方案及試驗(yàn)分析

通過(guò)試驗(yàn)和仿真結(jié)果分析得出，螺紋連接力對(duì)壓縮機(jī)氣缸內(nèi)圓變形有很大的影響,且越靠近螺釘孔處氣缸內(nèi)圓變形越大。

3.1 改進(jìn)方案

為解決壓縮機(jī)氣缸內(nèi)圓變形問(wèn)題，在氣缸內(nèi)圓與螺釘孔之間設(shè)置凹槽，如圖9所示。使用螺釘將氣缸和軸承緊固后，螺牙所承受的連接力轉(zhuǎn)移至氣缸設(shè)置的凹槽上，可有效減少氣缸內(nèi)圓的變形。

圖9 設(shè)置凹槽的氣缸

3.2 試驗(yàn)及分析

將軸承和改進(jìn)后的氣缸用螺釘緊固后，使用MMQ400型圓度儀測(cè)量氣缸內(nèi)圓上、中、下3處的圓度發(fā)現(xiàn)，氣缸內(nèi)圓變形測(cè)量圖樣與未改進(jìn)氣缸內(nèi)圓變形測(cè)量圖樣形狀類(lèi)似但變形量明顯減小，改進(jìn)后的氣缸內(nèi)圓變形圖樣如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后的氣缸內(nèi)圓變形圖樣

改進(jìn)前后上、下軸承同時(shí)緊固，螺釘擰緊扭矩為17.5 Nm時(shí)的氣缸內(nèi)圓變形量對(duì)比見(jiàn)圖11，改進(jìn)后較改進(jìn)前變形量減少50%以上。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)在氣缸內(nèi)圓與螺釘孔之間設(shè)置凹槽，可有效減少螺釘緊固后氣缸內(nèi)圓的變形。

圖11 改進(jìn)前后氣缸內(nèi)圓變形量對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

1）使用Pro/MECHANICA的FEM模塊對(duì)氣缸與軸承的裝配三維模型進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分、定義約束和載荷，并用ANSYS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

2）通過(guò)改進(jìn)下軸承的結(jié)構(gòu)使用MMQ400型圓度儀可以準(zhǔn)確測(cè)量螺釘緊固氣缸和軸承后，氣缸內(nèi)圓的變形量，通過(guò)測(cè)量不同螺釘預(yù)緊力下氣缸內(nèi)圓的變形量，發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)圓變形形狀呈現(xiàn)花瓣?duì)睿拷葆斂滋帤飧變?nèi)圓徑向變形最為嚴(yán)重，且變形量隨螺釘擰緊扭矩的增大而增大。

3）提出了一種氣缸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，經(jīng)試驗(yàn)得出該氣缸結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案合理，有效減少了壓縮機(jī)泵體組裝后氣缸內(nèi)圓的變形量。

[1]周子成. 我國(guó)空調(diào)壓縮機(jī)制造業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].制冷與空調(diào), 2004, 4(4): 1-7.

[2]李連生, 趙遠(yuǎn)揚(yáng), 楊啟超, 等. 制冷與空調(diào)壓縮機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[C]// 第二屆中國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)信息大會(huì)會(huì)議資料集. 2004: 67-76.

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Finite Element Analysis and Experimental Study for Bore Deformation of Rotary Compressor Cylinder

ZHAO Xu-min*, CHEN Hui
(Zhuhai Gree Electrical Appliances Co., Ltd, Zhuhai, Guangdong 519000, China)

In order to study the deformation reason and law of the cylinder bore after the completion of the rotary compressor pump body assembly, actually loads and constraints defining and meshing of the three-dimensional model of the cylinder and bearing assembly have been carried out by the software of Pro/MECHNICA, and the bore deformation simulation calculation has been carried by using the finite element analysis software of ANSYS. A test plan of the cylinder bore deformation was designed, and the cylinder bore deformation under different screw connection force was tested. The test results were consistent with the simulation results. After the analysis of the data, an improvement plan of the cylinder structure which can reduce the deformation of the cylinder bore effectively was put forward, and the result of the verified test showed that this cylinder structure improvement plan was reasonable and feasible.

Compressor; Pump body; Cylinder; Bore; Deformation

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.208

*趙旭敏（1985-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：珠海市香洲區(qū)前山格力電器機(jī)電研究院，郵編：519000。聯(lián)系電話(huà)：15819403916。E-mail：xumzhao@126.com。