壓縮機金屬膜片層間接觸力學行為的研究

閆百歲

摘 要：為了解析隔膜壓縮機的膜片受力原理，專門建立了一個力學模型。在不同撓度的情況下，理論計算就可以算到膜片的撓度曲線、主剪切應力、徑向應力和周向應力。依照膜片不同高度的著力分布，可以得到每層膜片在接觸面的滑動區以及粘著的一個狀況，可以知道如何把膜片的摩擦損失降到最低，而且還可以延長膜片的使用壽命。本文主要從壓縮機的金屬膜片理論受力這方面進行解析。

關鍵詞：壓縮機; 金屬膜片; 接觸; 力學行為

1前言

壓縮機是根據隔膜在氣缸中進行重復進行運作來達到氣體的傳輸和壓縮，其是一款有特殊結構的容積式壓縮機，并且有許多的優點，因其密封性好，壓縮性強，大范圍的運用于輸送各式各樣的有毒有害或者易燃易爆以及純度較高的氣體。從隔膜壓縮機膜片來說，這兩種材料就是非金屬和金屬隔膜式。從以往研究中可知，壓縮機的氣腔曲面形狀和膜層接觸摩擦的損失都會影響到膜片的使用壽命，對此狀態很多人都會探究前者多一些，而膜片之間摩擦損壞研究的比較少。

2膜片的受力分析

想要計算出隔膜壓縮機的三層膜片的撓度曲線以及應力應變值，可以采用單層膜片的求解方法和過程。首先把三層膜片看成一個整體，這樣就可以算出三層膜片的撓度曲線。使單層膜片整體受到壓力并對其進行求解和解析，再把整個單層膜片分為三層，就可以算出每一層膜片的彎曲應力以及拉伸應力，可以依照每個膜片在受力變化的情況進行，求出分布的黏著曲和滑移區。另一邊，壓縮機的膜片在正常運行中是重復向上運動，所以只要探究膜片往上運動的軌跡，進而推算出膜片的整個運行周期所接受壓力狀況。

從圖1可以看出，各膜片之間在接近的時候屬于非線性的，每個膜片層之間的接觸面，黏著區與滑動區會隨著膜片上的應力和形狀的變化而變化。對膜片層之間的接觸問題進行研究，需要達到以下兩種要求：第一，上下兩個面不能互相滲入;第二，膜片之間的摩擦力要遵守庫侖定律。在圖1中，T表示主剪切應力;Q表示摩擦系數;P表示壓應力，如果膜片表面上的主剪切應力大于壓應力會造成膜片之間相互移動，就是T≥QP。膜片表面的主剪切應力小于壓印力與摩擦系數沉積會造成膜片層之間的黏著。就是T

3針對金屬膜片的受力進行解析

本文針對壓縮機膜片進行受力的分析。所選用試驗的隔膜壓縮機和膜片的每一種參考數值為：曲面半徑204mm，曲面撓度5.9mm，撓度指數 4，膜片直徑 428mm，膜片泊松比0.31，單個膜片厚度0.5mm，膜片的材料都是不銹鋼。

3.1 薄膜運行時的撓度曲線

計算方程為：

任意選取膜片運動過程中經過的幾個點進行解析，把撓度分別選為 1，3，5mm 時膜片的撓度方程，依照撓度方程探究膜片往上運行中的受力狀況，即：

依據壓縮機設計手冊中撓度方程設計求解氣腔曲線，即：

膜片在上面（3），（4），（5）情況下所受到的壓力進行計算，把任何一個撓度下三層膜片所接觸的黏著區和滑移的劃分狀態計算出來。

3.2不同撓度膜片所受壓力變化分布情況

這三層膜片的撓度曲線是相同，其所受的壓力大致也是相同，能算出任何一層膜片上的應力應變，就可以把其他兩層膜片的應力應變值也能算出來。上述已經得到單層膜片，微分單元體上徑向及周向應力的計算公式。為了方便計算引入變量α1 ，α2，如下圖：

膜片徑向和周向應變值大小大致與應力值一樣，依照求得撓度5.9mm的應力應變值，可以得出撓度（3），（4），（5）公式，膜片上兩向應力應變分布的特點。

4結論

試驗得出的結論有以下兩點：①每層膜片之間在向上運動的時候，接觸而產生的滑動摩擦，最大拉應力和最大壓應力都屬于滑移區，而最大拉應力一般都會在滑移區的邊緣，所以如果膜片出現裂縫情況出現都會在滑移區的邊緣。②膜片黏著、滑移區域的面積會受摩擦系數、厚度以及膜片兩側的壓強大小等而受到影響，像摩擦系數以及厚度等，都跟膜片的材料有關。膜片層之間在接觸的時候就可以改變這些因素，從而把膜片的摩擦損失降到最低。

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