涡旋压缩机滑环式防自转机构的摩擦磨损研究

摘要

涡旋压缩机作为一种新型高效的容积式压缩机，以其低耗能、零件少且运行平稳等特点，已被广泛应用于空调制冷、石油化工、动力工程等领域。
　　涡旋压缩机对工作介质进行压缩，需要借助于容积的变化来实现，为此需设置一套防自转机构，使得动涡旋盘以一个定回转半径绕静涡旋盘做公转平动,形成有效容积腔。在各种形式的防自转机构中十字滑环防自转机构以其结构简单便于加工装配，在运行过程中也能受到充分的润滑等特点而被广泛应用。但涡旋压缩机十字滑环上的凸键与涡旋压缩机支架上的滑槽及动涡旋盘上的滑槽之间形成摩擦，极易造成摩擦副的磨损。十字滑环的摩擦磨损对动、静涡旋盘的精确啮合及整机的高效运行均有很大影响。同时目前涡旋压缩机摩擦磨损问题的研究主要集中在动、静涡旋盘之间形成的摩擦副上，对十字滑环式防自转机构的摩擦磨损研究较少。因此研究涡旋压缩机滑环式防自转机构的摩擦磨损问题具有重要的实际意义和理论价值。
　　本文分析了涡旋压缩机的动涡旋盘、十字滑环的受力及运动情况，根据动涡旋盘和十字滑环所受力的平衡方程，推导出十字滑环凸键处所受正压力大小的计算方法，代入样机数据计算得到了十字滑环所受摩擦力的变化规律。
　　为研究涡旋压缩机摩擦副之间的摩擦磨损，以摩擦学理论为基础，从表面接触、摩擦、磨损三个方面对影响十字滑环摩擦磨损的因素进行分析。使用 ANSYS有限元分析软件模拟了十字滑环滑动速度为零时的接触状态和速度最大时的接触状态，并通过这两种特定状态分析了其极限受力状态和摩擦磨损机理。
　　在MMW-1立式万能摩擦磨损试验机上进行大止推圈滑动摩擦试验，记录周期性载荷改变的工况下，试验样件的摩擦系数变化情况，分析涡旋压缩机滑环式防自转机构在相似工况下摩擦系数的变化情况，确定一个合理的十字滑环摩擦系数范围，计算出在实际工况下十字滑环的摩擦损失功率。
　　同时建立了十字滑环磨损仿真数学模型，通过该数学模型可对不同材料制造的十字滑环在相同摩擦磨损状态下的磨损量进行基本的估算。提出十字滑环凸键处因磨损而形成十字滑环凸键处间隙，分析十字滑环凸键处间隙变化对动、静涡旋盘间隙所造成的影响。
　　结果表明：十字滑环在动涡旋盘滑槽处受到的摩擦力随主轴转角按类似正、余弦函数规律变化，十字滑环在机架滑槽处受到的摩擦力大小在一个运动周期内基本不变；十字滑环与动涡旋盘接触的凸键处受力随主轴转角变化而有规律地发生改变，不断对十字滑环凸键键端处造成冲击，这是致使十字滑环容易磨损的主要原因；十字滑环摩擦应力变化显著处是十字滑环与动涡旋盘接触的凸键部位，凸键部位的键端处是十字滑环最易磨损的部位；在实际工作过程中十字滑环的摩擦系数不因为载荷的改变而发生较大的变化，其摩擦系数的参考取值范围是0.01～0.06，十字滑环摩擦损失功率约为20～90w，占整机摩擦损失功率的比例约为10％；十字滑环磨损程度主要受十字滑环的实际工况、十字滑环的材料及表面粗糙度加工状况影响，通过磨损仿真模型可以粗略的计算出任意工况下十字滑环的磨损量，磨损量的多少会直接影响十字滑环凸键处间隙大小。十字滑凸键处间隙增大致使涡旋盘径向间隙随之增大，造成涡旋压缩机泄漏量的增加；凸键处间隙倾斜致使涡旋压缩机轴向间隙发生倾斜，从而导致动、静涡旋盘不能精确啮合。