涡旋压缩机曲轴部件静动态性能研究及优化

摘要

涡旋压缩机以噪音低、效率高、结构紧凑、零件数目少且运转平稳等特点，广泛应用于汽车空调、制冷、发动机增压以及真空泵等行业。涡旋压缩机的主要零件包括动涡旋盘、静涡旋盘、曲轴、平衡铁、机架、轴承和防自转机构等，它们的受力和工作状况将直接或间接地影响压缩机的效率及稳定性。因此对核心零部件力学特性的研究分析和相关优化显得尤为重要，也是确保涡旋压缩机性能和可靠性的前提。
　　针对这种情况，本文以某涡旋压缩机虚拟样机的曲轴和曲轴部件作为研究对象，通过有限元分析ANSYS Workbench平台对曲轴和曲轴部件在工作过程中的静动态力学特性做研究分析，并对曲轴上滑动轴承与角接触球轴承之间的距离、曲轴的轴径和轴长进行优化。具体的研究内容主要包括下面几点：
　　(1)根据涡旋型线的啮合原理和法向等距曲线理论，设计了变截面动涡旋盘的型线，同时根据涡旋盘的型线方程和基本参数计算动涡旋盘在工作过程中所受的气体力（法向气体力Fr和切向气体力Ft）。
　　(2)建立曲轴-轴承系统的有限元模型，将轴承简化为不同数目的均布弹簧，从而探究分析弹簧的数目及位置对曲轴径向刚度的影响；然后将最大气体力作为静态载荷，施加在曲轴的偏心段中心位置模拟分析曲轴-轴承系统在静态载荷下的应力和变形，并计算曲轴的静刚度，为曲轴-轴承系统的优化结果作对比提供参考依据。
　　(3)对曲轴和曲轴部件的动态特性作仿真研究。首先进行模态分析，得到曲轴和曲轴部件两种结构下的前6阶固有频率、振型及振动特性，发现其前6阶固有频率都较高，从而说明曲轴和曲轴部件在实际的激振频率下都不易发生共振并探究影响曲轴固有频率的因素；同时在模态分析基础之上对曲轴和曲轴部件上的不同位置做谐响应分析，得到应力和位移随频率变化的特性，并对其进行比较分析。
　　(4)通过分别优化轴承之间的跨距l、曲轴的轴径R1、轴长l1，并对跨距l、轴径R1和轴长l1进行多目标参数优化，从而减小曲轴偏心段的最大挠度，使得曲轴的径向静刚度有所提高；通过上述的优化设计使得曲轴部件具有更好的静动态性能，从而减小动涡旋盘与静涡旋盘之间的摩擦使动静涡旋盘的啮合更加平稳有效，并提高轴承的使用寿命。