趙 嫚，安雄雄

(蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

渦旋式壓縮機自問世以來就以其高效率、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點在小型制冷、機械、食品、醫(yī)藥、石化、動力工程等領域被廣泛應用。隨著渦旋壓縮機技術的一直成熟，數(shù)碼渦旋壓縮機技術在許多商用多聯(lián)機領域也有了很大的發(fā)展[1]。

動渦盤是渦旋壓縮機轉(zhuǎn)子部分最重要的部件之一，在渦旋壓縮機運行過程中，由于動渦盤上的驅(qū)動力與其上的徑向氣體力和切向氣體力的合力不在同一平面內(nèi)，從而引起動渦盤在軸向方向上受力不平衡，造成動渦盤傾覆，從而造成磨損加劇和泄漏增大[2]。李超、張?zhí)m霞等針對渦旋式壓縮機動渦旋盤受到傾覆力矩作用而引起的徑向泄漏問題，通過建立楔形平板間氣體泄漏模型以及計算氣體的質(zhì)量泄漏量，得出漸擴形泄漏通道對氣體泄漏影響較大[3]；李心慶針對渦旋式壓縮機動渦盤的傾覆和運動副間隙影響問題進行了動力學仿真分析，結(jié)果表明間隙會加大動渦盤的震動[4]；方圓力利用數(shù)值分析的方法對比分析了動渦盤的受力情況，結(jié)果表明傾覆力矩對整機動力特性的影響比自轉(zhuǎn)力矩更大[5]；Hiwata A，F(xiàn)utagami Y等提出了一種高效的無蓄能器渦旋裝置，通過在固定渦軸的推力軸承表面上制造了一個新的凹槽，來控制軌道渦軸的傾覆[6]；李超等提出了一種新型動渦旋驅(qū)動軸承內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過計算分析表明該結(jié)構(gòu)在減小由氣體力和旋轉(zhuǎn)慣性力對驅(qū)動軸承所產(chǎn)生的傾覆力矩方面有很大的改善作用，能夠有效地提高渦旋壓縮機的穩(wěn)定性[7]。已有的研究均沒有考慮不同齒高與間隙共同影響下傾覆力對動渦盤造成的傾覆影響，故文章在不同間隙的基礎上考慮了齒高對動渦盤傾覆的影響。

本文以某一臥式天然氣渦旋壓縮機為研究對象，采用理論建模與虛擬樣機技術研究的方法對不同齒高及間隙下傾覆力對動渦盤造成的傾覆狀況進行仿真分析，為進一步研究不同齒高及間隙值下動渦盤傾覆造成的切向泄漏提供重要理論支撐。

2 渦旋壓縮機整機實體模型的建立及理論分析

在Solidworks中建立動、靜渦旋盤，其他構(gòu)件均在UG12.0中建立。渦旋壓縮機的主要構(gòu)件包含動、靜渦旋盤、十字滑環(huán)、滾針軸承、曲軸、平衡鐵以及機架體等，其中動渦盤是在偏心軸的直接驅(qū)動與十字滑環(huán)的約束下實現(xiàn)公轉(zhuǎn)平動，渦旋壓縮機的主要零部件如圖1所示。

圖1 渦旋壓縮機零件圖

在渦旋壓縮機工作過程中，偏心軸驅(qū)動動、靜渦旋盤進行周期性嚙合，形成多對封閉的壓縮腔，隨著動渦盤周期性的公轉(zhuǎn)平動，各壓縮腔容積不斷減小，從而完成了氣體由吸入、壓縮到排出的整個壓縮過程。

為研究需要，本文將靜渦盤等效為一剛體圓環(huán)，渦旋壓縮機在實際裝配與加工過程中會考慮一定的誤差范圍，在裝配時取滾針軸承與偏心軸之間的間隙分別為0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm、0.05 mm，取齒高分別為30 mm、40 mm、50 mm進行對比研究。完成裝配體后利用UG自帶功能進行裝配體干涉檢測以及幾何體檢查，在確保裝配體正確無誤后將裝配體導出為Parasolid(*.x_t)文件格式。

3 動力學仿真

在Adams中新建仿真文件，設置單位為mm，重力大小為9.8 m/s2，方向沿Y坐標軸負方向，完成新建后導入UG中保存的Parasolid(*.x_t)格式仿真文件，為仿真操作的方便，將柵格中心設置為滾針軸承質(zhì)心處，柵格平面與滾針軸承軸線方向垂直。將工作背景設置為white，并對各個構(gòu)件自行定義顏色，同時對其重命名，材料根據(jù)天然氣渦旋壓縮機實際材料進行賦予。表1為渦旋壓縮機各構(gòu)件的材料屬性。

表1 各零件材料參數(shù)表

根據(jù)各運動構(gòu)件的實際接觸情況在滾針軸承與偏心軸之間、動渦盤與十字滑環(huán)之間以及動、靜渦旋盤之間添加接觸，接觸參數(shù)設置剛度為1.0×108N/m，阻尼系數(shù)，動摩擦系數(shù)為0.05×103N/(m/s)，靜摩擦系數(shù)為0.08。依據(jù)渦旋壓縮機各零件裝配關系及各構(gòu)件的運動情況對零部件添加約束關系，將計算出的傾覆力添加到動渦盤基圓中心1/2齒高處，考慮到背壓力對軸向力的平衡作用，故動渦盤在軸向受力平衡，因此在添加氣體力時只考慮其上的傾覆力，并利用Adams函數(shù)庫里的循環(huán)函數(shù)來控制傾覆力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，其函數(shù)表達式為[8-11]

CUBSPL(1 st_Indep_Var，2nd_Indep_Var，Spline_Name，Derive_Order)

式中 1st _Indep_Var——第一獨立變量

2nd_Indep _Var——第二獨立變量

Spline_Name——多義線名稱

Derive_Order——擬合曲線導數(shù)的階數(shù)

各零部件約束關系如表2所示。

表2 各零件約束關系

動渦盤上所受傾覆力隨時間變化的曲線圖如圖2所示。

圖2 傾覆力

設置帶輪轉(zhuǎn)速為3000 r/min，曲軸旋轉(zhuǎn)一周用時0.02 s，共取5個曲軸旋轉(zhuǎn)周期進行仿真分析，故仿真時長設置為0.1 s，仿真步數(shù)為4000步，本文采用求解穩(wěn)定性較高的WSTIFF積分器和SI2方程進行仿真計算。最后對動力學模型進行檢測，檢測結(jié)果顯示無過約束方程，模型驗證正確，可進行動力學求解。動力學模型如圖3所示。

圖3 渦旋壓縮機動力學模型

4 仿真結(jié)果分析

渦旋壓縮機在理想運轉(zhuǎn)情況下，即在不考慮傾覆力矩對動渦盤造成傾覆的情況下，動渦盤的運轉(zhuǎn)方向始終與偏心軸軸線方向垂直，即動渦盤的傾覆角始終為0°，考慮到動渦盤在運轉(zhuǎn)過程中受到傾覆力矩的作用，故動渦盤沿其運轉(zhuǎn)軸線方向?qū)a(chǎn)生一定的傾斜，取0.02 mm、0.04 mm間隙及30 mm、50 mm齒高下仿真結(jié)果進行分析。

分析圖4(a)、(b)可以得出，動渦盤在壓縮機啟動加速階段會出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象，在定間隙下隨著齒高增大，其傾角與齒高呈負相關，即傾角在減小，在曲軸加速至約0.0072 s，即曲軸轉(zhuǎn)過129.6°后，動渦盤以3000 r/min穩(wěn)定公轉(zhuǎn)平動運行。由圖4(c)、(d)能夠看出，理想狀態(tài)下動渦盤無傾覆，間隙存在條件下，動渦盤在壓縮機啟動加速階段有明顯振動，且定齒高下動渦盤的傾角與間隙呈正相關，即隨著間隙值增大，傾角也跟著增大；曲軸加速至約0.0065 s即曲軸轉(zhuǎn)過117°后，動渦盤以3000 r/min穩(wěn)定公轉(zhuǎn)平動運行，故動渦盤的傾覆角會受到其齒高以及滾針軸承與偏心軸間隙的影響。齒高與間隙值對動渦盤傾覆角的影響如表3所示。

圖4 動渦盤傾角圖

取曲軸旋轉(zhuǎn)第一周期內(nèi)動渦盤的傾覆角進行分析，如圖5所示。

在定齒高下，隨機取表3中2組齒高分析動渦盤傾角隨間隙增大的變化率結(jié)果為，30 mm下：9.38%、11.82%、10.76%；50mm下：9.17%、11.4%、8.55%。分析發(fā)現(xiàn)動渦盤傾角隨間隙值增大而增大，而間隙值從0.04 mm開始，其傾角增大趨勢減小，這是由于當影響傾覆角的間隙值超過其影響范圍時，動渦盤在同等受力條件下其傾覆變化趨勢將減小。在定間隙下，隨機取2組間隙分析動渦盤傾角隨齒高增大的變化率結(jié)果如下，0.02 mm下：9.04%、8.05%，0.05 mm下：10.14%、9.3%，可以看出隨著齒高的增加，動渦盤傾角逐漸變小，且變化率逐漸減小。

表3 動渦盤最大傾角

定間隙值下由圖5(a)分析得出，動渦盤在曲軸轉(zhuǎn)角14.175～100.8°之間有明顯振動；曲軸轉(zhuǎn)角124.2～273.6°、298.8～360°之間，齒高對動渦盤傾覆程度有著明顯影響。定齒高下由圖5(b)傾角曲線上升階段中最后一個交點為起點分析得出，不同間隙下最大傾角出現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角的范圍相當，均對應于傾覆力矩的峰值一定范圍188.1～277.2°內(nèi)。最大傾角波動范圍的相對穩(wěn)定性使得滾針軸承出現(xiàn)相對固定的偏磨區(qū)域，軸承壽命受其影響嚴重；同時最大傾角區(qū)域的切向泄漏最為嚴重。

圖5 周期內(nèi)動渦盤傾角圖

從表4看出，在0.02 mm與0.03 mm間隙下，動渦盤最大傾角的出現(xiàn)周期是隨機的，因為間隙越小，滾針軸承與偏心軸之間的碰撞頻率越大，最大傾角的不穩(wěn)定性就越大，故動渦盤最大傾角的出現(xiàn)周期會呈現(xiàn)一定波動。間隙值在0.04 mm與0.05 mm之間時，動渦盤最大傾角均穩(wěn)定出現(xiàn)在曲軸旋轉(zhuǎn)5個周期的第一周期內(nèi)，說明在合理間隙范圍內(nèi)，間隙越大，滾針軸承與偏心軸之間的碰撞頻率有所降低，故動渦盤最大傾角的出現(xiàn)周期也趨于穩(wěn)定，由此可以看出合理間隙也有一定的范圍，由于配合公差的要求最大間隙為0.05 mm，故間隙值在0.04～0.05 mm之間較為合理。

表4 動渦盤最大傾角出現(xiàn)的周期

5 結(jié)論

(1)定間隙值下齒高與動渦盤傾覆呈負相關，即齒高增加傾角減小；定齒高下間隙與動渦盤傾覆呈正相關，即間隙越大傾角越大。

(2)齒高對壓縮機起動加速階段動渦盤的振動有影響，但對其加速時間幾乎沒有影響，曲軸加速至約0.0072 s后，動渦盤穩(wěn)定公轉(zhuǎn)平動運行。

(3)間隙值大小影響最大傾角的出現(xiàn)周期以及波動范圍，但對最大傾角波動范圍影響不大，引起摩擦副相對固定位置的偏磨，降低了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的壽命。