旋轉排氣閥的特性研究

錢新春　楊驊　屈宗長

摘要：本文研究了同步回轉式制冷壓縮機氣閥在旋轉運動作用下的工作狀態，并對氣閥閥片的自由振動以及強迫振動進行了分析，討論了由于旋轉運動產生的離心力和科氏力對氣閥閥片的振動特性的影響，建立了在離心力的作用下氣閥閥片振動的數學模型，并提出了合適的求解方法。

關鍵詞：同步回轉機械；排氣閥特性；旋轉氣閥；振動特性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0243-03

同步回轉式制冷壓縮機是一種新型回轉式制冷壓縮機，有關研究是從21世紀初開始的，2003年首次提出了關于同步回轉式壓縮機的概念，介紹了同步回轉式壓縮機的工作原理及結構特點。隨后針對同步回轉式油泵和空氣壓縮機展開了一系列的研究，主要集中在運動分析，泄漏研究，動力特性研究，摩擦特性研究。

論文從旋轉狀態下的舌簧閥的工作特性出發，研究了高速旋轉運動產生的離心力對舌簧閥工作特性的影響，建立了其閥片運動規律數學模型，分析了旋轉狀態下的舌簧閥在氣體壓力和離心載荷作用下的瞬時工作特性。

一、旋轉氣閥安裝方式

在同步回轉式制冷壓縮機中，需要安裝排氣閥以保證壓縮氣體過程能順利完成。由于同步回轉式制冷壓縮機的轉子、氣缸以及氣缸端蓋都處于同步回轉運動，因此排氣閥無論是安裝在氣缸端蓋上，還是安裝在氣缸外壁面上，其工作時都會處于旋轉狀態，這不可避免的會對氣閥的工作特性帶來影響。

如圖1所示為同步回轉式制冷壓縮機排氣閥在氣缸上的安裝方式示意圖，從圖中可以看出，同步回轉式制冷壓縮機的排氣閥采用等截面舌簧閥結構，并安裝在氣缸外壁面上，在壓縮機工作時與氣缸一起做旋轉運動，旋轉軸為氣缸的中心軸，旋轉速度為氣缸的運動速度，可以通過運動分析得到。

圖2給出了排氣閥在不同的旋轉系統中的安裝方式。從圖中可以看出，排氣閥在旋轉系統中的安裝方式主要有兩種，可以通過其橫軸線與旋轉軸的位置關系來判斷。一種安裝方式為排氣閥的橫軸線與旋轉軸平行，如圖2（a）所示；另一種安裝方式如圖2（b）所示，其排氣閥的橫軸線與旋轉軸處于垂直狀態，這也是同步回轉式制冷壓縮機的排氣閥采用的安裝方式。

二、旋轉運動對閥片運動特性的影響

不同安裝方式的梁在受到旋轉運動的作用也不同，如圖2中的a所示的閥片，其橫軸線與旋轉軸平行，這時科氏力會以速度相關項出現在閥片橫向振動的控制方程中，并會直接影響閥片的撓度。

而如圖2中的b所示，閥片的橫軸線并不與旋轉軸平行，而是處于垂直的位置。在這種情況下，由于閥片的旋轉運動所帶來的科氏力會使舌簧閥閥片發生以閥片縱向軸線為中心的扭曲現象，導致閥片的振動為復雜的扭轉和彎曲的耦合振動。

由于同步回轉式制冷壓縮機中舌簧閥閥片的厚度與寬度的比值要遠小于寬度與長度的比值，這意味著舌簧閥閥片的抗彎剛度要遠小于抗扭剛度。因此，可以假設同步回轉式制冷壓縮機中舌簧閥閥片的變形還是以彎曲變形為主，并不會產生明顯的扭轉變形，也就是說科氏力對該安裝方式中的旋轉舌簧閥的閥片變形的影響很小，可以忽略不計。

三、旋轉作用下氣閥的數學模型

如圖3所示為梁單元受力示意圖，圖中給出了dx單位長度的梁單元受到離心力以及壓力等作用力作用下的受力狀況。當氣閥閥片做橫向振動時，根據牛頓第二定律可以得到如下的運動方程：

雖然用卷積積分的方式來求解方程（13）是比較常見的一種方式，但是該方法用在同步回轉式制冷壓縮機的氣閥模擬時并不合適。因為如果要采用卷積積分的方式對方程（13）進行求解，無論是理論計算還是數值計算，其外部激勵Px，t都必須要求有一個明確的解析表達式，以便卷積積分能夠正常進行。如果存在這樣一個外部激勵的理論解析式的話，就表明該外部激勵Px，t與氣閥的響應yx，t并不存在耦合關系，或者說屬于弱耦合關系，只有這樣，才能給出一個外部激勵的明確解析式。而對同步回轉式制冷壓縮機而言，由工作腔壓力變化而引起的氣閥閥片的外部激勵的變化同時影響到氣閥閥片的響應；反過來氣閥閥片的響應也同時影響到工作腔內的氣體壓力，兩者相互影響。這是一個典型的強耦合關系，因此在該問題上并不能采用卷積積分的方式對方程（13）進行求解。

五、結論

論文研究了同步回轉式制冷壓縮機氣閥在旋轉運動作用下的工作狀態，通過等截面梁的相關理論對氣閥閥片的自由振動以及強迫振動進行了分析，討論了由于旋轉運動產生的離心力和科氏力對氣閥閥片的振動特性的影響。通過研究發現科氏力對氣閥閥片的影響作用很小，而離心力對氣閥振動的影響不僅體現在外激勵上，還會影響到其自由振動特性。在上述分析基礎上建立了考慮旋轉運動而產生的離心力的作用的氣閥閥片振動的數學模型，并提出了合適的求解方法。

參考文獻：

[1]Kawahara K. Tribological evaluation of rotary compressor with HFC refrigeration[C].1996.

[2]楊驊，屈宗長，周慧，et al.同步回轉式壓縮機滑片摩擦特性研究[J].西安交通大學學報，2008，（07）.

[3]屈宗長，同步回轉式壓縮機的幾何理論[J].西安交通大學學報，2003，（07）.

[4]黃曌宇，蔣偉康，劉春慧，等，旋轉式壓縮機氣流噪聲研究綜述和展望[J].振動與沖擊，2007，（07）.