基于分形理论的涡旋压缩机涡旋盘端面摩擦特性研究

摘要

涡旋压缩机作为新一代的容积式压缩机，以其结构简单紧凑、振动小、低噪声和高效节能等优点，近年来受到了越来越多国内外学者和研究机构的广泛关注。但由于涡旋压缩机独特的内部结构及运转方式使得涡旋压缩机存在较多的摩擦副，其中动静涡旋齿顶处的摩擦磨损对涡旋压缩机的机械效率和运行性能有着重要的影响。因此，系统的研究摩擦副材料特性、摩擦工况及接触表面形貌对涡旋齿端面摩擦磨损特性的影响，以及对摩擦副在磨合过程中摩擦信号变化规律的研究，将会为拓宽涡旋压缩机的应用领域、提高其运行性能提供较好的试验依据和理论参考。 本文基于摩擦学原理、分形理论和微观接触理论，探究了涡旋压缩机动静涡旋齿顶接触面在油润滑条件下的摩擦特性。通过对涡旋盘常用金属材料QT与锡青铜ZQSn5-5-5和铝合金LD2之间相互配对进行摩擦磨损试验，观察磨损前后表面形貌和轮廓曲线的变化，并对磨损前后表面轮廓曲线进行分形表征；采集磨合过程摩擦因数时间序列曲线，对磨合初期与稳定磨损期摩擦因数的波动情况及其局部时间序列曲线分形维数的变化进行分析；对比分析PV值对不同配对摩擦副摩擦因数的影响；结合涡旋压缩机独特的内部结构和运转方式，并对其微观接触进行分析，基于分形理论和摩擦学微观接触模型，建立油润滑时涡旋齿顶摩擦力分形计算模型。 结果显示：磨损前后摩擦副表面轮廓高度的变化由表面粗糙度和材料硬度共同决定，对轮廓曲线的分形表征可以对摩擦副表面的磨损程度进行有效的评估；摩擦因数时间序列具有统计学的准周期性和平移自相似性现象，具有典型的分形特征。通过对摩擦因数时间序列的分形计算可以较为精确的反映出不同磨合时段摩擦因数产生波动的复杂程度，从而对机械的运行稳定性进行有效评估；与相同材料对磨时，软质材料的摩擦因数相对较小但受PV值的影响较大，硬质材料的摩擦因数较大且随PV值的增加略有上升；合理选择搭配动静涡旋盘的材料，实现摩擦副的软硬配合可以提高涡旋盘的运行稳定性、减小摩擦因数以及延长涡旋盘的使用寿命。

目录

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插图索引

第1章 绪 论

1.1涡旋压缩机的发展历程及应用

1.2涡旋压缩机摩擦学国内外研究现状

1.3分形接触理论在摩擦学中的研究现状

1.4本课题研究的来源和意义

1.5本课题主要研究内容及创新点

1.6本章小结

第2章 涡旋压缩机的摩擦及力学分析

2.1涡旋压缩机的主要结构及工作原理

2.2动涡旋盘受力分析

2.3倾覆力矩

2.4动涡盘轴向力的平衡

2.5涡旋压缩机的主要摩擦副分析

2.6本章小结

第3章 摩擦副材料摩擦性能的试验研究

3.1微观表面轮廓分布

3.2表面形貌的测量

3.3试验结果及分析

3.4本章小结

第4章 摩擦因数时间序列分形行为研究

4.1分形几何理论

4.2实验部分

4.3试验结果及分形表征

4.4实验结论

4.5 本章小结

第5章 涡旋盘轴向端面摩擦力分形预测模型

5.1粗糙表面接触理论

5.2 涡旋盘所受轴向等效力

5.3 动静涡旋盘轴向接触面积分析

5.4动静涡盘轴向端面接触摩擦力分析

5.5 本章小结

总结与展望

1. 课题总结

2.课题后续工作及展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间所发表的论文