隔膜压缩机膜片层间作用机理及耐磨强化研究

摘要

膜片是隔膜压缩机稳定运行的关键零部件，其工作性能直接影响压缩机的可靠性，气腔曲面形状及膜片层间摩擦磨损是影响膜片可靠性主要因素。鉴于国内外专家已对前者进行了广泛而深入地研究，本文将针对膜片层间摩擦磨损进行研究，理论实验相结合，深入探究膜片层间摩擦磨损作用机理，用于指导膜片的设计与制造，提出合理的耐磨强化措施，进一步提高膜片的可靠性。
　　根据隔膜压缩机膜片的受力分析，建立了三层膜片层间接触力学模型。通过理论计算得出膜片在不同挠度情况下的挠度曲线、径向应力、周向应力及主剪切应力值。分析了膜片层间发生滑移的区域，获得了膜片接触面黏着、滑移区域分布的影响因素。
　　利用ANSYS有限元软件计算得出膜片在不同挠度情况下各项应力值的分布，分析了膜片最易发生破损的区域，并与理论计算值进行对比，二者变化趋势相同，数值差异较小，结果表明有限元计算方法可信度高；同时获得了膜片层间接触面上滑移区的滑移距离，以减小膜片上等效应力与滑移距离为目标，通过改变膜片材料、厚度进行有限元分析，实现膜片的优化设计。
　　建立了隔膜压缩机膜片动态应变测量实验系统，对膜片不同位置的径向、周向应变值进行了测量，结果表明实验测量结果与理论计算结果相一致。利用工业检验显微镜对膜片磨损表面进行了微观形貌分析，获得了膜片层间的黏着区与滑移区的分布特征，发现在黏着区内膜片表层不锈钢组织在较低接触压力作用下出现轻微塌陷，而滑移区的表层不锈钢组织产生了片状滑移、剥落，且滑移边缘出现裂纹。详细分析了膜片层间的摩擦磨损机制。
　　对不同厚度膜片在同等工况下进行对比实验研究，表明在同等条件及运行周期下，改进后的膜片上磨痕明显减小，短时间内膜片寿命有所提升。理论实际相结合，探索了新的耐磨强化方案。
　　研究表明，在膜片接触表面，中心位置及边缘位置存在较大的等效应力，中心位置在运动过程中处于黏着区域，而边缘位置处于滑移区域。主剪切力是导致膜片层间滑移最重要的因素，而主剪切力过大会导致材料晶体发生塑性滑移，其首先会存在于接触面内部，然后才延伸至接触区域表面，由于膜片边缘区域存在最大主剪切应力，故此处最有可能为第一裂纹发生及延伸的位置。而膜片的中心区域存在接触压力，是第二裂纹最有可能发生及延伸的位置。

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变量注释表

1绪论

1.1研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2课题的来源(Source of the Topic)

1.3研究的主要内容(Main Research Contents)

2 文献综述

2.1隔膜压缩机概述(Overview of the Diaphragm Compressor)

2.2隔膜压缩机存在的主要问题(Main Problems of the Diaphragm Compressor)

2.3隔膜压缩机的国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad of the Diaphragm Compressor)

2.4关于隔膜压缩机的其他相关研究(Other Related Studies of the Diaphragm Compressor)

2.5本章小结(Brief Summary)

3隔膜压缩机膜片受力变形理论分析

3.1气腔与油腔的压力分析(Pressure Analysis in the Air Chamber and Oil Chamber)

3.2膜片受力变形分析(Stress Deformation Analysis of Diaphragm)

3.3 G-5/0.5-10型隔膜压缩机的三层薄膜力学分析并求解(Three Layers of Diaphragm Mechanics Analysis and Solving of G-5/0.5-10 Diaphragm Compressor)

3.4本章小结(Brief Summary)

4基于ANSYS的隔膜压缩机三层膜片有限元分析

4.1 ANSYS Workbench中的接触非线性分析模型(Contact Nonlinear Analysis Model in ANSYS Workbench)

4.2建立隔膜压缩机三层膜片有限元分析模型(Three Layers of Diaphragm Finite Element Analysis Model)

4.3模型计算结果分析(Analyses of Model Calculation Results)

4.4本章小结(Brief Summary)

5实验研究

5.1实验目的(Experimental Objective)

5.2实验设计(Experimental Design)

5.3实验条件(Experiment Condition)

5.4实验系统搭建及测量方法(Experiment System Structures And Measurement Method)

5.5实验结果分析(Analysis of Experimental Results)

5.6本章小结(Brief Summary)

6膜片耐磨强化方案

6.1改进膜片厚度以减轻膜片层间磨损程度(Reduce Wear between the Layers by Improving the Thickness of the Diaphragm)

6.2提出改进中层膜片材料的设计方案(Put Forward Design Scheme for the Improvement of Middle Diaphragm Material)

6.3提出耐磨涂层设计方案(Put Forward Design Scheme about Wear-resisting Coating )

6.4提出对三层膜片导电以减小接触面积的设计方案(Put Forward Design Scheme to Reduce the Contact Area by Charging Three Layers of Diaphragm)

6.5本章小结(Brief Summary)

7结论与展望

7.1研究结论(Research Conclusions)

7.2创新点(Innovation Point)

7.3展望(Expectation)

参考文献

作者简历

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