基于Pro/E的滾動轉子式壓縮機運動仿真

安吉閣

（中山市技師學院 廣東中山 528400）

基于Pro/E的滾動轉子式壓縮機運動仿真

安吉閣

（中山市技師學院 廣東中山 528400）

目前滾動轉子式壓縮機廣泛應用于家用空調器中，壓縮機是空調系統的“心臟”，在滾動轉子式壓縮機的設計與開發過程中，滑片行程隨時間變化的函數規律是設計人員關注的焦點，而常規的設計方法無法動態地分析這個問題。本文運用Pro/E軟件建立滾動轉子式壓縮機的運動仿真機構，不但可以直觀快捷的了解結構設計的合理性，還可以生成滑片的位移、速度和加速度曲線。

滾動轉子式壓縮機；Pro/E；運動仿真

1 引言

空調用滾動轉子式壓縮機最早由美國GE公司研制并生產，由此引發了空調用壓縮機在結構上的巨大進步[1]。將壓縮機分為泵體組件、殼體組件和電機組件三個部分，其中泵體主要包括：上法蘭、下法蘭、曲軸、滾子、滑片、氣缸和曲軸；殼體組件主要包括：上蓋、下蓋、殼體、分液器等；電機組件主要包括：定子組件和轉子組件等，如圖1所示。

運動仿真是使用計算機來模擬和分析真實事物的運動和變化過程,并獲得相應的結果[2]。 Pro/E提供了完善的仿真功能，使用三維實體建模模塊創建模型后，即可模擬模型的運動過程、分析機構的運動軌跡、位移及干涉問題，還可以將仿真的結果輸出，生成MPG、AVI等格式的文件。

在滾動轉子式壓縮機設計開發過程中，為減少滑片端部的泄漏以及降低功率損耗，滑片的運動特性是設計人員關注的焦點。通過創建位移函數，然后求導得到滑片運動的速度和加速度函數，求解過程非常復雜。用Pro/E建立滾動轉子式壓縮機的三維仿真模型就可直觀地分析滑片的運動情況，縮短產品設計開發周期[3]。

2 滾動轉子式壓縮機工作原理與運動模型

2.1 工作原理

如圖2所示滾動轉子式壓縮機的運動結構示意圖，圓形氣缸的徑向開設有吸氣孔口和排氣孔口，滾子裝在曲軸上，滾子沿氣缸內壁滾動，與氣缸形成一個月牙型的工作腔，它的兩端有上下法蘭密封，構成壓縮機的工作腔。滑片靠背部彈簧力和氣體力的作用與滾子緊密接觸，將月牙形的工作腔分隔為兩部分，與吸氣口相通的吸氣腔，與排氣口相通的排氣腔，滑片隨滾子的滾動

沿滑片槽作往復運動[4]。

圖1 滾動轉子式壓縮機結構圖

圖2 滾動轉子式壓縮機的運動結構示意圖

圖3 滑片的運動規律

圖4 滾動轉子式壓縮機泵體裝配圖

圖5 運動仿真模型圖

2.2 運動模型

圖3為滑片運動規律圖，用CD表示滑片，視滑片為剛體，則其上任何一點的運動代表滑片的運動。在壓縮機正常運行時轉子中心O1繞氣缸中心O順時針方向旋轉，其軌跡是一個半徑為曲軸偏心距的圓，滑板受氣體力和彈簧力的作用，緊壓在轉子上，作往復運動，連接CD、O1D、O1O的粗實線恰與往復壓縮機中的曲柄連桿機構相似[5]。如果規定滑片被滾動轉子完全推出氣缸內孔時，其端部D點的位移為零，D點向氣缸內運動產生的位移為正，在任意轉角θ時，滑片位移為：

對式（1）求導，則得滑片運動的速度及加速度計算公式（2）和（3）：

由上述計算可知滑片位移、速度和加速度均為轉角θ的函數，在計算過程中θ和w關系的轉換非常復雜，而運用Pro/E進行的仿真過程可以避免這一復雜運算。

3 零件建模與裝配設計

在零件建模過程中其主要參數如下：氣缸直徑D=57.181mm；滾子外圓直徑d=45.88mm；曲軸偏心距e=5.9mm。

裝配是運動仿真的前提保障，裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果，裝配前首先要確定運動的各構件以及各構件之間的運動副[6]。

運用Pro/E零件設計完成泵體主要零件的創建，依據滾動轉子式壓縮機泵體裝配關系完成泵體裝配如圖4所示。為盡量簡化模型，對不參與運動的上法蘭等不添加運動模型中來。

4 滾動轉子式壓縮機運動仿真分析

在Pro/E Mechanism工作環境中，機構的運動仿真主要通過以下4個步驟進行：（1）定義運動副；（2）添加驅動；（3）進行分析測量；（4）輸出分析結果。

4.1 定義運動副

根據滾動式壓縮機的工作原理,首先應確定仿真分析中各零件部件的連接方式，其中氣缸采用剛性連接, 曲軸有一個旋轉的自由度曲軸與下法蘭銷釘連接，滾子與曲軸銷釘連接，滑片與氣缸滑動桿連接，滑片與滾子凸輪連接，如圖5所示。

4.2 添加驅動并定義測量

要讓機構能產生動作必須要加入動力條件,即模型中添加驅動器。在Pro/E Mechanism模塊中

為所建模型添加驅動，工作時滾動轉子式壓縮機的動力由曲軸上輸入，故將曲軸軸線銷釘連接處作為添加伺服電動機的旋轉中心，定義運動軸為轉子中心線，伺服電機速度為常數，在這里把伺服電機轉速設為60deg/s，即每6秒旋轉l周[7]。

圖6 滑片位移—時間曲線

圖7 滑片速度—時間曲線

圖8 滑片加速度—時間曲線

4.3 仿真結果

選擇滑片底部中心點作為測量點，分析的結果可用圖表的形式輸出，這樣從圖表可以判斷機構的運動結果是否與設計一致，從而提高機構設計的準確性[8]。

圖6所示為滑片位移—時間曲線，圖7所示為滑片速度—時間曲線，圖8所示為滑片加速度—時間曲線。

5 結論

本文首先建立了滾動轉子式壓縮機運動分析的數學模型，并在Pro/E中建立其裝配模型，利用Mechanism模塊對模型進行運動仿真分析，從而不需要通過實物試驗就可以比較直觀地判別滾動轉子式壓縮機各運動部件設計的合理性，從運動的角度保證了壓縮機結構設計的合理性與可靠性，并能夠簡單快捷地得到滑片的位移、速度和加速度曲線，為進一步實現滾動轉子式壓縮機的動力學分析、敏感度分析和優化設計打下了堅實的基礎。同時提高了設計質量，縮短了設計周期，降低了設計成本，加快了產品的更新換代速度。

[1] 張華俊，袁秀玲，劉勇等．滾動轉子式變頻壓縮機的實驗研究[J]．制冷與空調.2004(4)：14-16．

[2] 祝凌云,李斌Pre/Engineer運動仿真和有限元分析[M].北京:人民郵電出版社，2004：3.

[3] 馬國遠，李紅旗.旋轉壓縮機[M].北京：機械工業出版社，2003:28.

[4] 蔡曉君，羅福華. 基于Pro/E Mechanism的旋葉式壓縮機運動仿真[J]．壓縮機技術，2006(5)：24-26．

[5] 吳業正，李紅旗，張華等.制冷壓縮機[M].北京：機械工業出版社，2011：92.

[6] 王凱，曹西京．基于Pro/E的機械產品機構運動的仿真設計[J]．輕工機械，2006(3)：62-64．

[7] 錢珊．基于Pre/MECHANISM的旋轉式壓縮機運動仿真機構的建立與分析[J]．壓縮機技術，2009(2):6-9．

[8] 呂顥，任挪穎，顏俊等．基于Pro/E實現活塞壓縮機的運動仿真[J]．壓縮機技術，2006(6):13-16．

Motion simulation of rotary compressor base on Pro/E

AN Jige
（ZhongShang Technician College Zhongshan 528400）

The rotary compressor is widely used in household air conditioner. Compressor is the heart of air conditioning system，and pump body is the heart of compressor. In the development and design of rotary compressor, function rule of the vane traveling distance along with the time variation are often the points which the designers pay attention. The conventional design method is unable to solve the above problems. This paper aims at setting up simulation mechanism of rotary compressor which established by Pro/E. It not only solved the above problem visually and quickly, but also build the characteristic curve.

Rotary compressor; Pro/E; Motion simulation