滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)滑片所受氣體力的仿真分析

石冬宇

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南寧530000）

0 引言

滾動(dòng)活塞式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)因與往復(fù)式壓縮機(jī)相比，具有體積小、重量輕、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代空調(diào)等小容量制冷系統(tǒng)中[1-3]。圖1給出了滾動(dòng)活塞式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。滾動(dòng)活塞1被安裝在軸8偏心裝置上，滑片4由于背部氣體壓力和彈簧力的作用下與滾動(dòng)活塞緊密接觸從而將中間的氣缸7分為兩個(gè)密閉氣腔－吸氣腔2和壓縮腔6。壓縮機(jī)工作時(shí)，隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)活塞隨著偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，滑片作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從上可知，滑片始終受到很高的氣體壓力作用，了解其中滑片受力情況對(duì)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，性能改進(jìn)，故障分析都有著至關(guān)重要的作用[4-7]。

圖1 滾動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)簡圖

在文獻(xiàn)[4]中，作者認(rèn)為在滾動(dòng)活塞轉(zhuǎn)動(dòng)的一周過程中，理論上壓縮腔內(nèi)氣體力變化可分為三個(gè)階段，但由于吸氣孔和排氣孔口的影響，準(zhǔn)確來說其壓力的變化理論式子可分為五個(gè)階段來表示；在文獻(xiàn)[8]中，認(rèn)為滑片圓弧端部所受氣體力方向是在豎直方向上的，但實(shí)際上氣體力方向應(yīng)是與滑片圓弧端垂直的。在已有的文獻(xiàn)中為了方便計(jì)算，而作出了上述的簡化，但更為深入地了解滑片實(shí)際受力情況，能給壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更有力的幫助。

1 工作腔氣體壓力變化

圖1 中的A、B點(diǎn)排氣孔下邊緣點(diǎn)、排氣孔上邊緣點(diǎn)。設(shè)滾動(dòng)活塞初始點(diǎn)為滑片未伸進(jìn)氣缸，其與滑片的接觸點(diǎn)。與文獻(xiàn)[4]相比，多考慮了A、B點(diǎn)對(duì)壓縮腔內(nèi)壓力的影響。在滾動(dòng)活塞與氣缸的接觸點(diǎn)經(jīng)過點(diǎn)A時(shí)，壓縮腔因排氣孔口的存在，將與吸氣腔連通，此階段，壓縮腔內(nèi)壓力迅速減小至吸氣壓力；隨著滾動(dòng)活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)，在接觸點(diǎn)經(jīng)過B點(diǎn)后，由于容積變小至零，其內(nèi)壓力理論上應(yīng)為無限大，但由于設(shè)計(jì)間隙的存在，此后壓力與吸氣腔壓力相同。結(jié)合文獻(xiàn)[4]中所述，壓縮腔氣體壓力更為具體的計(jì)算式可由下式表示：

其中，α1、α2為吸氣孔上邊緣角和排氣閥打開時(shí)角度；α3、α4排氣孔下邊緣角和上邊緣角；Vy為壓縮腔容積。

2 滑片所受氣體力

滑片伸進(jìn)氣缸內(nèi)部分所氣體力如圖2所示，其中Fh為壓縮腔和吸氣腔壓差產(chǎn)生的力，F(xiàn)s、Fd分別為吸氣腔、壓縮腔內(nèi)對(duì)滑片圓弧端部的力，Ov為滑片圓弧中心，Od為滑片與滾動(dòng)活塞接觸點(diǎn)。分別另α為滑片－滾動(dòng)活塞的法向接觸力與滑片軸線的夾角，β為Fs與滑片軸線的夾角；γ為Fd與滑片軸線的夾角。與文獻(xiàn)[8]相比，本文把滑片的圓弧端部形狀考慮在內(nèi)，更貼近實(shí)際。根據(jù)圖2中幾何關(guān)系得：

圖2 滑片伸進(jìn)氣缸部分受力情況

其中，r為滾動(dòng)活塞外圓半徑，rv為滑片圓弧端半徑，t為滑片厚度。

3 MATLAB實(shí)例計(jì)算

以下將利用Matlab軟件，以某型號(hào)單缸立式滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)為例，模擬仿真在其工作腔壓力和滑片受力的變化情況。計(jì)算參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果如圖3、4、5所示。

表1 某變頻滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖 3 為滾動(dòng)活塞轉(zhuǎn)一周時(shí)，兩工作腔壓力變化曲線。從圖中可以更明顯看出，在階段時(shí)，兩工作腔內(nèi)壓力相等且都為吸氣壓力。在階段，壓縮腔內(nèi)壓力指數(shù)型上升到額定的排氣壓力；階段3，壓縮腔內(nèi)壓力逐漸減小到殼體內(nèi)部壓力；階段－滾動(dòng)活塞轉(zhuǎn)過排氣閥口下邊緣時(shí)，排氣腔內(nèi)壓力迅速減小到與吸氣腔相同。階段，滾動(dòng)活塞轉(zhuǎn)過排氣孔上邊緣點(diǎn)，壓縮腔內(nèi)壓力與吸氣腔相同。

圖3 兩工作腔氣體壓力變化曲線

圖4 為滑片水平方向所受氣體力變化情況。從中可以看出，在水平方向上，滑片側(cè)面為氣體力主要受力面，其為兩氣腔的壓力差產(chǎn)生的力；而滑片端部則相對(duì)很小，且吸氣腔內(nèi)對(duì)端部的力始終大于吸氣腔一側(cè)。

圖4 滑片水平方向受氣體力變化曲線

圖5 為伸進(jìn)氣缸內(nèi)滑片豎直方向上受力變化曲線，從圖中可看出，相比較于圖4中水平方向上，豎直方向的Fd和Fs所占比例更大，在一開始時(shí)，兩者差不大，在壓縮腔開始?jí)嚎s氣體后，F(xiàn)d2要大于Fs2。

圖5 滑片豎直方向受氣體力曲線

4 總結(jié)

本文對(duì)已有文獻(xiàn)中滑片所受氣體力的情況分析不足，結(jié)合滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，認(rèn)為壓縮腔內(nèi)氣體的壓力變化可分為5個(gè)階段；接著對(duì)滑片伸進(jìn)氣缸部分所受氣體力進(jìn)行分析，考慮了滑片圓弧端部的影響；最后利用MATLAB仿真分析氣體力的變化情況，仿真結(jié)果可為后續(xù)滑片動(dòng)力學(xué)的研究提供一定理論基礎(chǔ)。