涡旋压缩机动涡盘倾覆特性仿真分析

涡旋压缩机动涡盘倾覆特性仿真分析

赵嫚，安雄雄

（兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州７３００５０）

［摘　要］：针对涡旋压缩机动涡盘倾覆问题，在对其转子系统运行规律及受力特性理论分析的基础上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ与ＵＧ１２.０联合建立了涡旋压缩机整机模型，并使用ＡＤＡＭＳ对动涡盘在变齿高及运动副间隙下的倾角进行了仿真分析。仿真结果表明：定齿高下间隙与动涡盘倾覆呈正相关，且间隙值越大最大倾角波动范围也越大，但均对应于倾覆力矩的峰值１８８.１～２７７.２°范围内，相对稳定；定间隙值下齿高与动涡盘倾覆呈负相关，齿高对压缩机起动加速阶段动涡盘的振动有影响，但对其加速时间几乎没有影响。研究结果为涡旋压缩机的结构优化设计及动涡盘倾覆特性下切向泄漏问题的研究提供重要理论支撑。

［关键词］：涡旋压缩机；动涡盘；倾覆特性；动力学仿真

中图分类号：ＴＨ４５　　文献标志码：Ａ

文章编号：１００６－２９７１（２０２２）０１－０００１－０５

１　引言

　　涡旋式压缩机自问世以来就以其高效率、低噪声、结构紧凑等优点在小型制冷、机械、食品、医药、石化、动力工程等领域被广泛应用。随着涡旋压缩机技术的一直成熟，数码涡旋压缩机技术在许多商用多联机领域也有了很大的发展［１］。

动涡盘是涡旋压缩机转子部分最重要的部件之一，在涡旋压缩机运行过程中，由于动涡盘上的驱动力与其上的径向气体力和切向气体力的合力不在同一平面内，从而引起动涡盘在轴向方向上受力不平衡，造成动涡盘倾覆，从而造成磨损加剧和泄漏增大［２］。李超、张兰霞等针对涡旋式压缩机动涡旋盘受到倾覆力矩作用而引起的径向泄漏问题，通过建立楔形平板间气体泄漏模型以及计算气体的质量泄漏量，得出渐扩形泄漏通道对气体泄漏影响较大［３］；李心庆针对涡旋式压缩机动涡盘的倾覆和运动副间隙影响问题进行了动力学仿真分析，结果表明间隙会加大动涡盘的震动［４］；方圆力利用数值分析的方法对比分析了动涡盘的受力情况，结果表明倾覆力矩对整机动力特性的影响比自转力矩更大［５］；ＨｉｗａｔａＡ，ＦｕｔａｇａｍｉＹ等提出了一种高效的无蓄能器涡旋装置，通过在固定涡轴的推力轴承表面上制造了一个新的凹槽，来控制轨道涡轴的倾覆［６］；李超等提出了一种新型动涡旋驱动轴承内嵌式结构，并经过计算分析表明该结构在减小由气体力和旋转惯性力对驱动轴承所产生的倾覆力矩方面有很大的改善作用，能够有效地提高涡旋压缩机的稳定性［７］。已有的研究均没有考虑不同齿高与间隙共同影响下倾覆力对动涡盘造成的倾覆影响，故文章在不同间隙的基础上考虑了齿高对动涡盘倾覆的影响。

本文以某一卧式天然气涡旋压缩机为研究对象，采用理论建模与虚拟样机技术研究的方法对不同齿高及间隙下倾覆力对动涡盘造成的倾覆状况进行仿真分析，为进一步研究不同齿高及间隙值下动涡盘倾覆造成的切向泄漏提供重要理论支撑。

２　涡旋压缩机整机实体模型的建立及理论分析

　　在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中建立动、静涡旋盘，其他构件均在ＵＧ１２.０中建立。涡旋压缩机的主要构件包含动、静涡旋盘、十字滑环、滚针轴承、曲轴、平衡铁以及机架体等，其中动涡盘是在偏心轴的直接驱动与十字滑环的约束下实现公转平动，涡旋压缩机的主要零部件如图１所示。

在涡旋压缩机工作过程中，偏心轴驱动动、静涡旋盘进行周期性啮合，形成多对封闭的压缩腔，随着动涡盘周期性的公转平动，各压缩腔容积不断减小，从而完成了气体由吸入、压缩到排出的整个压缩过程。

为研究需要，本文将静涡盘等效为一刚体圆环，涡旋压缩机在实际装配与加工过程中会考虑一定的误差范围，在装配时取滚针轴承与偏心轴之间的间隙分别为０.０２ ｍｍ、０.０３ ｍｍ、０.０４ ｍｍ、０.０５ｍｍ，取齿高分别为３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ进行对比研究。完成装配体后利用ＵＧ自带功能进行装配体干涉检测以及几何体检查，在确保装配体正确无误后将装配体导出为Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（*.ｘ＿ｔ）文件格式。

３　动力学仿真

　　在Ａｄａｍｓ中新建仿真文件，设置单位为ｍｍ，重力大小为９.８ｍ／ｓ２，方向沿Ｙ坐标轴负方向，完成新建后导入ＵＧ中保存的Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（*.ｘ＿ｔ） 格式仿真文件，为仿真操作的方便，将栅格中心设置为滚针轴承质心处，栅格平面与滚针轴承轴线方向垂直。将工作背景设置为ｗｈｉｔｅ，并对各个构件自行定义颜色，同时对其重命名，材料根据天然气涡旋压缩机实际材料进行赋予。表１为涡旋压缩机各构件的材料属性。

根据各运动构件的实际接触情况在滚针轴承与偏心轴之间、动涡盘与十字滑环之间以及动、静涡旋盘之间添加接触，接触参数设置刚度为１.０×１０８Ｎ／ｍ，阻尼系数，动摩擦系数为０.０５×１０３Ｎ／（ｍ／ｓ），静摩擦系数为０.０８。依据涡旋压缩机各零件装配关系及各构件的运动情况对零部件添加约束关系，将计算出的倾覆力添加到动涡盘基圆中心１／２齿高处，考虑到背压力对轴向力的平衡作用，故动涡盘在轴向受力平衡，因此在添加气体力时只考虑其上的倾覆力，并利用Ａｄａｍｓ函数库里的循环函数来控制倾覆力随曲轴转角的变化，其函数表达式为［８－１１］

ＣＵＢＳＰＬ（１ｓｔ＿ Ｉｎｄｅｐ＿ Ｖａｒ，２ｎｄ＿ Ｉｎｄｅｐ＿Ｖａｒ，Ｓｐｌｉｎｅ＿Ｎａｍｅ，Ｄｅｒｉｖｅ＿Ｏｒｄｅｒ）

式中　１ｓｔ＿Ｉｎｄｅｐ＿Ｖａｒ———第一独立变量

          ２ｎｄ＿Ｉｎｄｅｐ＿Ｖａｒ———第二独立变量

          Ｓｐｌｉｎｅ＿Ｎａｍｅ———多义线名称

          Ｄｅｒｉｖｅ＿Ｏｒｄｅｒ———拟合曲线导数的阶数

各零部件约束关系如表２所示。动涡盘上所受倾覆力随时间变化的曲线图如图２所示。

设置带轮转速为３０００ｒ／ｍｉｎ，曲轴旋转一周用时０.０２ｓ，共取５个曲轴旋转周期进行仿真分析，故仿真时长设置为０.１ｓ，仿真步数为４０００步，本文采用求解稳定性较高的ＷＳＴＩＦＦ积分器和ＳＩ２方程进行仿真计算。最后对动力学模型进行检测，检测结果显示无过约束方程，模型验证正确，可进行动力学求解。动力学模型如图３所示。

４　仿真结果分析

　　涡旋压缩机在理想运转情况下，即在不考虑倾覆力矩对动涡盘造成倾覆的情况下，动涡盘的运转方向始终与偏心轴轴线方向垂直，即动涡盘的倾覆角始终为０°，考虑到动涡盘在运转过程中受到倾覆力矩的作用，故动涡盘沿其运转轴线方向将会产生一定的倾斜，取０.０２ｍｍ、０.０４ｍｍ间隙及３０ｍｍ、５０ｍｍ齿高下仿真结果进行分析。

分析图４（ａ）、（ｂ）可以得出，动涡盘在压缩机启动加速阶段会出现明显的振动现象，在定间隙下随着齿高增大，其倾角与齿高呈负相关，即倾角在减小，在曲轴加速至约０.００７２ｓ，即曲轴转过１２９.６°后，动涡盘以３０００ｒ／ｍｉｎ稳定公转平动运行。由图４（ｃ）、（ｄ）能够看出，理想状态下动涡盘无倾覆，间隙存在条件下，动涡盘在压缩机启动加速阶段有明显振动，且定齿高下动涡盘的倾角与间隙呈正相关，即随着间隙值增大，倾角也跟着增大；曲轴加速至约０.００６５ｓ即曲轴转过１１７°后，动涡盘以３０００ｒ／ｍｉｎ稳定公转平动运行，故动涡盘的倾覆角会受到其齿高以及滚针轴承与偏心轴间隙的影响。齿高与间隙值对动涡盘倾覆角的影响如表３所示。

取曲轴旋转第一周期内动涡盘的倾覆角进行分析，如图５所示。

在定齿高下，随机取表３中２组齿高分析动涡盘倾角随间隙增大的变化率结果为，３０ｍｍ下：９.３８％、１１.８２％、１０.７６％；５０ｍｍ 下：９.１７％、

１１.４％、８.５５％。分析发现动涡盘倾角随间隙值增大而增大，而间隙值从０.０４ｍｍ开始，其倾角增大趋势减小，这是由于当影响倾覆角的间隙值超过其影响范围时，动涡盘在同等受力条件下其倾覆变化趋势将减小。在定间隙下，随机取２组间隙分析动涡盘倾角随齿高增大的变化率结果如下，０.０２ｍｍ下：９.０４％、８.０５％，０.０５ｍｍ下：１０.１４％、９.３％，可以看出随着齿高的增加，动涡盘倾角逐渐变小，且变化率逐渐减小。

定间隙值下由图５（ａ） 分析得出，动涡盘在曲轴转角１４.１７５～１００.８°之间有明显振动；曲轴转角１２４.２～２７３.６°、２９８.８～３６０°之间，齿高对动涡盘倾覆程度有着明显影响。定齿高下由图５（ｂ）倾角曲线上升阶段中最后一个交点为起点分析得出，不同间隙下最大倾角出现在曲轴转角的范围相当，均对应于倾覆力矩的峰值一定范围１８８.１～２７７.２°内。最大倾角波动范围的相对稳定性使得滚针轴承出现相对固定的偏磨区域，轴承寿命受其影响严重；同时最大倾角区域的切向泄漏最为严重。

从表４看出，在０.０２ｍｍ与０.０３ｍｍ间隙下，动涡盘最大倾角的出现周期是随机的，因为间隙越小，滚针轴承与偏心轴之间的碰撞频率越大，最大倾角的不稳定性就越大，故动涡盘最大倾角的出现周期会呈现一定波动。间隙值在０.０４ ｍｍ 与０.０５ｍｍ之间时，动涡盘最大倾角均稳定出现在曲轴旋转５个周期的第一周期内，说明在合理间隙范围内，间隙越大，滚针轴承与偏心轴之间的碰撞频率有所降低，故动涡盘最大倾角的出现周期也趋于稳定，由此可以看出合理间隙也有一定的范围，由于配合公差的要求最大间隙为０.０５ｍｍ，故间隙值在０.０４～０.０５ｍｍ之间较为合理。

５　结论

　　（１）定间隙值下齿高与动涡盘倾覆呈负相关，即齿高增加倾角减小；定齿高下间隙与动涡盘倾覆呈正相关，即间隙越大倾角越大。

（２）齿高对压缩机起动加速阶段动涡盘的振动有影响，但对其加速时间几乎没有影响，曲轴加速至约０.００７２ｓ后，动涡盘稳定公转平动运行。

（３）间隙值大小影响最大倾角的出现周期以及波动范围，但对最大倾角波动范围影响不大，引起摩擦副相对固定位置的偏磨，降低了转子系统的寿命。

参考文献：

［１］　李庆伟，刘强．下一代数码涡旋压缩机技术［Ａ］．中国制冷空调工业协会，２０１０：５．

［２］　赵嫚．无油润滑双涡圈涡旋压缩机动力特性研究［Ｄ］．兰州：兰州理工大学，２０１３．

［３］　李超，张兰霞，刘志华，等．考虑倾覆力矩影响的涡旋式压缩机径向泄漏机理研究［Ｊ］．流体机械，２０１８，２．

［４］　李心庆．涡旋压缩机动涡盘倾覆特性下的泄漏模型研究［Ｄ］．兰州理工大学，２０２０．

［５］　方圆力．含间隙的无油涡旋压缩机动力特性研究［Ｄ］．兰州理工大学，２０１９．

［６］　ＨｉｗａｔａＡ，ＦｕｔａｇａｍｉＹ，ＭｏｒｉｍｏｔｏＴ，ｅｔａｌ．ＮｅｗＴｈｒｕｓｔＢｅａｒｉｎｇＧｒｏｏｖｅｔｏＣｏｎｔｒｏｌｔｈｅＯｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇｆｏｒＣＯ２ ＳｃｒｏｌｌＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｗｉｔｈｏｕｔＡｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓ［Ｊ］．２００４．

［７］　李超，赵荣珍，刘振全．驱动轴承内嵌式涡旋压缩机动力特性分析［Ｊ］．兰州理工大学学报，２００７，（０５）：５５－５９．

［８］　赫雄．ＡＤＡＭＳ动力学仿真算法及参数设置分析［Ｊ］．传动技术，２００５，（０３）：２７－３０．

［９］　白亮亮，唐良宝．基于ＡＤＡＭＳ的活塞压缩机动平衡虚拟设计［Ｊ］．流体机械，２００８，（０６）：４３－４５．

［１０］　张强．涡旋压缩机转子系统动力学仿真分析［Ｄ］．兰州理工大学，２０１９．

［１１］　Ｍ．ＮａｕｓｈａｄＡｌａｍ，ＡｄｎａｎＡｋｈｌａｑ，ＮａｊｅｅｂｕｒＲａｈｍａｎ．ＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＭｕｌｔｉ－ｂｏｄｙＳｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ ＭＳＣＡｄａｍｓ［Ｊ］．ＬａｔｉｎＡｍｅｒｉｃａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１９，１２（８）：

作者简介：赵嫚（１９７９－），女，哈尔滨人，副教授，主要从事涡旋流体机械、气体压缩机械及应用等方面的研究工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏ＿ｍａｎ７９＠１６３．ｃｏｍ

文章来源：压缩机技术