壓縮機(jī)彈簧設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

陳雄輝

摘 要： 變頻壓縮機(jī)受力情況復(fù)雜，為了保證壓縮機(jī)的可靠性，壓縮彈簧具有重要作用。本文基于壓縮彈簧的工作特性，對(duì)滑片所受的最小彈簧力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)最大排量26cc壓縮機(jī)壓簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過彈簧疲勞強(qiáng)度校核和壓縮機(jī)可靠性驗(yàn)證，證明本設(shè)計(jì)可靠可行。

關(guān)鍵詞：壓縮彈簧;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);疲勞強(qiáng)度校核;可靠性

1 問題的提出

泵彈簧是滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)泵體的重要零件之一。由于轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)使用壓縮彈簧具有壽命長，成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此國內(nèi)外許多壓縮機(jī)廠家都采用壓簧結(jié)構(gòu)。尤其是對(duì)于變頻壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速在很大范圍內(nèi)變化，彈簧的受力情況很惡劣，壓縮彈簧更具有不可替代的優(yōu)越性。同時(shí)，泵彈簧的質(zhì)量如何，直接影響壓縮機(jī)的可靠性。泵彈簧的失效原因有兩種情況：（1） 過載失效。由于設(shè)計(jì)缺陷，彈簧在高應(yīng)力下工作，造成彈簧斷裂或松弛。（2）疲勞失效。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)和材料問題，如表面脫碳、裂紋、內(nèi)部存在非金屬夾質(zhì)物等因素造成彈簧早期疲勞斷裂，或在腐蝕介質(zhì)中工作，使彈簧產(chǎn)生腐蝕疲勞失效。

根據(jù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及壓縮彈簧的特點(diǎn)，在保證壓縮機(jī)可靠性、性能、噪聲振動(dòng)等要求的前提下，擬在最大排量壓縮機(jī)上采用圓柱螺旋壓縮彈簧。

2 壓縮彈簧的工作特性分析

壓簧工作時(shí)有一最小長度Lmin和最大長度Lmax，壓并高度Hb=n+1.5d （其中d為彈簧絲直徑，n為彈簧有效圈數(shù)），彈簧自由長度為Lo，（Lmax-Lmin）/Lo越大，表明彈簧的工作情況越惡劣，為保證彈簧工作的可靠性，在現(xiàn)有泵體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)彈簧將十分困難。首先Lmin不能太小，而且Lmin>Hb，如果Lo增加，則Hb也會(huì)增加，則Lo必須相應(yīng)的增加以保證可靠性。而Lmin取決于滑片的高度H和滑片尾部彈簧槽的深度△H以及氣缸壁厚δ。對(duì)于我公司現(xiàn)有的壓縮機(jī)，滑片高度和氣缸內(nèi)徑已限定，不可改變，這將導(dǎo)致對(duì)于一定工作容積（即氣缸的內(nèi)徑Di和滾子的外徑do一定）的泵體，所需的彈簧的最大長度將越大，則彈簧槽的深度就越大，這樣氣缸彈簧孔的深度就越大。這勢必導(dǎo)致滑片兩側(cè)的密封面長度就越小，達(dá)到一定限度時(shí)，將會(huì)影響壓縮機(jī)的工作性能。同時(shí)，自由長度的增加將會(huì)增加Hb的增加，而d/Hb 值的大小也是壓縮彈簧設(shè)計(jì)時(shí)要考核的一個(gè)重要指標(biāo)。

根據(jù)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)有壓縮機(jī)容積改變是通過改變滾子外徑和曲軸偏心量來達(dá)到的，工作容積越大，則滾子外徑越小，由上述分析可知，對(duì)彈簧設(shè)計(jì)更加不利。如果通過改變氣缸的高度來改變壓縮機(jī)工作容積的大小，則對(duì)彈簧的設(shè)計(jì)更加有利，但這樣對(duì)生產(chǎn)線的改動(dòng)較大，周期長，成本高，目前不宜采用。

綜上所述，對(duì)工作容積小的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓簧要比工作容積大的壓縮機(jī)容易，而且可靠性高。因此，對(duì)工作容積最大26cc壓縮進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之適用于壓縮彈簧，并可以覆蓋小排量機(jī)型，達(dá)到提高壓縮機(jī)可靠性及降低成本的目的。

3 滑片所受的最小彈簧力計(jì)算

壓縮機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，滑片受到橫向氣體力（垂直滑片運(yùn)動(dòng)方向）、縱向氣體力（沿滑片運(yùn)動(dòng)方向）、彈簧力及滑片自身的慣性力。

作用在滑片縱向的力有兩端的氣體力、彈簧力、滑片慣性力等。

壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于滑片兩側(cè)分別是吸氣腔和排氣腔，因此壓差很大。氣體從滑片與滾子之間的接觸面的泄漏將直接影響壓縮機(jī)的性能。因此，要保證滑片端部在滾子的任意轉(zhuǎn)角φ都必須緊貼于滾子的外表面，這就要求有足夠的彈簧力F作用，使滑片縱向壓向滾子外表面的力恒大于零，即∑F>0。

設(shè)滑片上部作用有氣體壓力Pd，下部因與滾子外圓接觸，假定接觸點(diǎn)在滑片厚度b的中央，即一半作用氣體壓力P1（吸氣腔壓力）、另一半作用氣體壓力P2（排氣腔壓力）。

也就是要保證在以下三種情況下（1）式成立：

（1） 壓縮機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣體力、慣性力均為0，式（1）為：彈簧力F>0

也就是說，壓縮機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)，只要彈簧在最長的工作狀況下，F(xiàn)>0 。即保證轉(zhuǎn)角

φ=180°時(shí)F>0即可，即彈簧初始力大于零。

（2） 壓縮機(jī)已開始運(yùn)轉(zhuǎn)，但高低壓尚未形成，計(jì)算最小彈簧力Fmin 。

這時(shí)Pb、P2、P1均等于零

s1滿足式（2）要求。因此對(duì)于最大排量26cc壓縮機(jī)，圓柱螺旋泵彈簧均滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

6壓縮機(jī)可靠性驗(yàn)證

按以上設(shè)計(jì)方案，裝配壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的機(jī)型，進(jìn)行性能測試及可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果均合格。

7 結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，最大排量26cc壓縮機(jī)采用壓縮彈簧結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)

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[2]《制冷壓縮機(jī)》，機(jī)械工業(yè)出版社，繆道平、吳業(yè)正主編，2001.2