Effects of process parameters on semi-solid squeeze casting performance of aluminum alloy scrolls for scroll compressors

The aluminum alloy scroll is one of the key parts of the scroll compressors widely used in the air-conditioning,refrigeration,and heat pump systems.In this work,the semi-solid squeeze casting(SSSC)process was used to fabricate the aluminum alloy scroll.The effects of process parameters including the pouring temperature,mold temperature,and squeezing velocity on the filling and solidification behaviors of the alloys were investigated through simulations based on the power law cut-off(PLCO)material model.Results show that there is a significant increase in the flow velocity of the slurry,and the area of the high-speed region enlarges with the increase of the pouring temperature.The homogeneity of the temperature and velocity fields in the slurry is improved with an increase in mold temperature.Both the filling time and its variation rate decrease with an increase in squeezing velocity.The maximum solidification time exhibits a linear variation with the increase in pouring temperature.The shrinkage area is decreased by increasing the mold temperature.The optimal process parameters of the SSSC process were obtained from simulation analysis,which are the pouring temperature of 595°C,mold temperature of 350°C,and squeezing velocity of 0.3 m·s-1.Moreover,the qualified scroll casting was fabricated using the SSSC process under the optimal process parameters.

涡旋膨胀机研究进展及展望

随着“双碳”目标的提出,涡旋膨胀机作为回收低品位能量的机械装置备受关注。首先,对近年来涡旋膨胀机的理论研究成果进行了综述,主要包括型线理论、热动力学和计算流体力学(CFD)仿真。然后,对涡旋膨胀机在有机朗肯循环(ORC)中的应用进行了总结,梳理了涡旋膨胀机在跨临界CO_(2)制冷循环中的应用研究成果。最后,对涡旋膨胀机未来的研究方向进行了展望。结果表明:变壁厚涡旋膨胀机因其可以在不增加泄漏线长度的情况下增加内容积比,因此将成为未来型线优化的主要方向;CFD仿真已成为重要的研究工具;润滑油是影响涡旋膨胀机性能的关键因素,提高润滑油的黏度有利于提升效率,而过量的润滑油则会使其性能下降;工作压力是影响涡旋膨胀机性能的最主要的因素,过膨胀、欠膨胀以及泄漏现象都会使其性能下降。此外,涡旋膨胀压缩一体机集成了膨胀机和压缩机两个功能单元于一个机壳中,显著简化了系统结构并提高了能量回收效率,是提升新能源车用CO_(2)热泵空调系统性能的有效途径。基于当前的研究成果和行业需求,提出涡旋膨胀机未来应继续深入研究和优化型线设计、减少泄漏、优化工作压力等,以满足日益增长的能量回收和环境保护需求。

基于功率流有限元法的涡旋压缩机振动特性研究

针对涡旋压缩机内部振动传递路径复杂,采用传统的传递函数法往往不能真实地描述振动产生与传递的本质问题,引入功率流有限元法从能量角度分析振动传递特性,进行涡旋压缩机内部振动产生、传递与空间分布的可视化研究。在分析涡旋压缩机的动力拓扑关系基础上建立激励源,提取与振动响应模型并进行仿真分析;利用实体试验和响应分析结果对比进行模型有效性分析;在验证后的模型上定义8个能量输出面,分析谐波与激励作用下上支撑和下支撑的振动能量传递特性,并且计算节点的功率流矢量确定振源的空间分布。结果表明,涡旋压缩机曲轴在运转到280°时,振动频率在1 000 Hz与1 890 Hz时振动能量传递率较高,上支撑能量分布均匀并集于自身,下支撑能量集中于支脚并向外传递。研究方法和研究成果对于涡旋压缩机振动分布及传递、振动控制和优化设计等方面具有一定借鉴意义。

基于CBAM-CNN的涡旋压缩机故障诊断

针对涡旋压缩机振动信号不平稳和噪声情况下故障振动信号弱、需要人为提取故障特征以及准确率有待进一步提高的问题,提出基于多尺度注意力机制(convolutional block attention mechanism,简称CBAM)-卷积神经网络(convolutional neural network,简称CNN)涡旋压缩机故障诊断方法。首先,通过多个不同尺度的卷积核对振动信号转化为灰度图的故障特征进行全面提取,并引入注意力机制,通过调整权重值的方式提取重要的故障特征;其次,利用降维卷积模块、深度可分离卷积模块和残差模块提取更高维度的深层次故障特征,提升网络计算效率;最后,设置舍弃率为0.5的Dropout层防止过拟合,提升了网络的鲁棒性、抗干扰能力和泛化能力。实验结果证明,该方法在无噪声和添加不同信噪比噪声的情况下,均能有效地对涡旋压缩机故障进行分类,具有更高的识别准确性和更快的收敛能力。

背压扰动平衡盘对涡旋压缩机黏性内流压力影响研究

在变转速工况下,电动涡旋压缩机背压腔中润滑油产生的背压力无法准确平衡轴向气体力。针对这一问题,提出了一种带有扰动片的背压扰动平衡盘,研究了背压扰动平衡盘对涡旋压缩机黏性内流压力的影响。首先,对背压扰动平衡盘作用原理进行了分析,使用贝塞尔曲线构建了扰动片型线,对润滑油被扰动后的静压增量进行了公式推导,计算了扰动片出口安装角和扰动片数对润滑油静压的影响;然后,建立了含背压扰动平衡盘的背压腔模型,将流体域分为旋转域和静止域,采用旋转坐标系的方法进行了数值模拟,研究了背压腔内润滑油的压力场;最后,根据理论计算,模拟了润滑油在不同出口安装角和扰动片数下的润滑油静压,对润滑油静压与压缩机所需最佳背压进行了对比分析。研究结果表明:采用背压扰动平衡盘可以使润滑油静压增加21%,且静压增量随主轴转速的增加而增大,适当增大扰动片出口安装角可使润滑油静压增加0.032 MPa;对比最佳背压可知,扰动前润滑油静压与最佳背压相差26%,而合理设计扰动片后的润滑油静压与最佳背压相差仅为9%,极大改善了电动涡旋压缩机在变转速下的轴向平衡。

基于湍流理论的涡旋压缩机轴向间隙泄漏研究

针对涡旋压缩机轴向间隙泄漏控制问题,定量计算轴向间隙泄漏,为了更加接近工程实际,在考虑转速、温度、气体粘度等因素基础上,基于湍流理论,建立了完整的涡旋压缩机间隙泄漏量理论计算模型。分析了影响轴向间隙泄漏的关键参数,便于通过优化参数以达到控制间隙泄漏的目的,同时为了验证理论计算模型的可靠性,搭建模拟涡旋压缩机试验测试平台,测试了定转速不同间隙和定间隙不同转速下的泄漏量值,并与理论计算结果相比较。结果表明:涡旋压缩机高低压腔压力差与泄漏量成正比,当主轴转速不变,间隙为0.020 mm时,测试值与计算结果拟合较好,并且随着压差增大,泄漏量逐渐减小,说明通过增大压差可以降低间隙泄漏量;当间隙不变时,主轴转速越高,间隙泄漏量越小,当转速大于3500 r/min时,实测值与计算值开始啮合,并且转速越高,啮合度越高。说明基于湍流模型所建立的泄漏量计算模型可靠。通过定量准确计算轴向间隙泄漏量,为降低涡旋压缩机泄漏提供理论依据,也为涡旋压缩机推广应用提供帮助。

基于范诺流理论的变截面涡旋压缩机轴向间隙泄漏研究

为了定量研究变截面涡旋压缩机轴向间隙泄漏,基于范诺流理论,考虑其主轴转速、介质粘度和摩擦等因素,探索建立变截面涡旋压缩机轴向间隙泄漏量计算模型,根据模型分析影响泄漏的主要参数,以便利用控制关键参数来降低轴向间隙泄漏。通过搭建涡旋压缩机试验平台,测定涡旋压缩机工作腔在实际工况下,不同间隙同一主轴转速和同一间隙不同主轴转速下泄漏量的实测值。结果分析表明:压差大小与泄漏量成正比,当主轴转速一定,间隙为0.02 mm时,实测值与理论值拟合较好,并且随着压差增大,泄漏变化较小;主轴转速越高,间隙泄漏量越小,当间隙一定,转速为3000 r/min时,实测值与理论值拟合较好,并且转速越高,泄漏量越大。通过理论计算与实际测量结果对比分析,所建立的泄漏量计算模型准确可靠。此模型的建立为深入研究和控制轴向间隙泄漏奠定基础,也为推广涡旋压缩机在大功率领域的应用提供理论基础。

基于WP-ICA分析的涡旋压缩机故障特征提取方法研究

针对涡旋压缩机故障特征难以提取以及在小样本下故障类别难以区分的问题,提出了一种基于小波包能量谱与独立成分分析相结合的故障特征提取方法,结合支持向量机建立故障分类模型,实现非平稳信号的准确识别。首先对信号进行小波包分解与重构,通过重构系数获取分解后不同频带所对应的小波包能量作为故障特征值;再利用独立成分分析法对故障特征值进行优化得到特征向量值;最后构造支持向量机,输入故障特征向量进行训练和测试,可得出涡旋压缩机故障诊断的准确率。实验和仿真分析结果验证了该方法的有效性,其诊断准确率可达94.5%。

涡旋压缩机径向柔性机构动力学仿真分析

以偏心滑块式径向柔性机构为研究对象,从机构学角度对机构的避让功能进行分析,确定了机构限位范围;利用ADAMS软件对柔性机构转子系统的动态特性进行了仿真分析,得到动涡旋质心的运动轨迹,确定机构限位参数对动涡盘质心运动规律之间的关系,优化主轴承受力,为空调涡旋压缩机的振动分析和性能提升奠定基础。

涡旋压缩机平衡铁结构对阻力矩的影响研究

针对涡旋压缩机平衡铁随主轴旋转时产生的阻力损失问题,提出了圆角结构及机翼型结构平衡铁。运用Fluent有限元分析软件,结合滑移网格技术对平衡铁工作区域模拟,研究了3种不同结构平衡铁所受的压差阻力矩和摩擦阻力矩,对比分析了不同结构产生的阻力矩大小。结果表明:压差阻力矩占总阻力矩的90%以上,总阻力矩随转速的增大而增大;相对于样机平衡铁,前后端面为圆角的平衡铁总阻力矩减小了30%~50%之间;机翼型平衡铁总阻力矩减小了55%~65%之间。

汽车空调涡旋压缩机排气孔优化研究

针对汽车空调涡旋压缩机排气孔处气体流动变化产生的流动损失问题,对排气孔结构进行优化,以期降低流动损失并提高排气压力。通过三维动网格模型对不同排气孔结构的涡旋压缩机排气过程进行瞬态仿真,发现腰果形排气孔更大的截面积使其拥有更好的开启特性,可有效降低排气损失,提高排气稳定性。在对腰果形排气孔采取进一步扩压式优化后,发现其可以更加有效地降低排气速度并提高排气压力。

微小型压缩空气储能系统用涡旋压缩机流动特性研究

以空气为工质,基于计算流体动力学方法,对无油空气涡旋压缩机在变工况运行条件下进行了三维非稳态数值模拟。研究发现:动静涡旋齿之间存在的径向间隙,会使得压缩机工作腔内温度、流速和压力的分布不规律;增大转速,不但可以增加涡旋压缩机的质量流量,而且还可以减小切向泄漏量,进而提高压缩机的工作效率;排气压力过大,会降低涡旋压缩机的基本输出性能;在低转速下,过高的排气压力会使得压缩机排气口出现“净回流”现象。

利用代数-阿基米德双螺线构建变截面涡旋齿组合型线

变截面涡旋机械组合型线由于不同类型曲线采用不同的模型参数,型线的数学模型较为复杂且连接条件不易通过显性计算获得.针对上述问题,提出由代数螺线-阿基米德螺线双螺线组合的新型涡旋型线.首先,基于共轭啮合理论求解螺线类涡旋型线曲线极角与主轴转角之间的关系,推导出螺线类涡旋型线的归一化数学方程.其次,根据组合型线的光滑连接条件建立双螺线涡旋型线连接点的约束方程,得到两类双螺线涡旋型线的几何模型.然后,定量分析了第一类双螺线组合型线参数(螺线指数、螺线系数和连接点极角)对涡旋齿几何性能的影响.最后,对比研究了双螺线组合涡旋型线的性能优势.结果表明:第一类双螺线组合型线几何表征简洁、无需进行齿头型线修正即可直接使用;在涡旋齿径向尺寸相同条件下,与传统圆渐开线涡旋齿相比,行程容积提升了7.61%,压缩比提升了27.42%,面积利用系数提升了7.61%.

一种异步式压缩机涡旋盘的变形和疲劳强度分析

涡旋压缩机工作时,因涡旋盘工作环境及受力较为复杂,其容易产生变形和应力,导致密封性变差和疲劳破坏,影响到涡旋压缩机的工作效率及可靠性。针对这一问题,基于有限元理论,对一种微小型异步式涡旋压缩机进行了数值模拟研究(在多种载荷作用下),分析了其实际工况下的变形应力和疲劳寿命分布规律。首先,分析了异步吸排气涡旋压缩机的构造原理,划分了该涡旋盘的结构化网格,并赋予其材料、连接、约束和载荷等要素,由此建立了该涡旋盘的有限元计算模型;然后,分析了该涡旋盘在气体温度载荷、气体压力载荷、惯性力载荷及多载荷耦合作用下的变形和应力分布规律,并进行了模拟结果的可靠性分析;最后,计算了该涡旋盘在常温常压工况下的疲劳寿命,并研究了其在变载荷工况下的疲劳寿命变化。研究结果表明:温度载荷是引起涡旋盘变形和应力的主要因素;高吸气温度下,涡旋盘疲劳寿命随吸气温度和吸气压力的升高而线性减小,且前者的影响更加明显;低吸气温度下,涡旋盘疲劳寿命在较高的吸气压力下出现迅速下降的趋势。

电动汽车涡旋压缩机补气特性的数值研究

为研究短型线的汽车空调涡旋压缩机的补气特性,以一款排量为38 cm^(3)/r的电动汽车补气式涡旋压缩机为例,建立了三维非稳态数值计算模型,并通过实验数据验证了模型的准确性,误差在9.5%以内。通过模型分别研究补气压力和补气温度对涡旋压缩机性能的影响,结果表明:在补气过热度不变的情况下,随着补气压力的升高,压缩机排气温度先减小后逐渐增加,制热量呈增加趋势,当转速为5000 r/min和6000 r/min时,制热量最大增幅分别为20.5%和17.1%,制热COP先上升后下降,2种转速下有补气时制热COP的最大值较无补气时分别增加3.9%和2.3%,压缩机效率均先增大后减小,容积效率逐渐降低;在补气压力不变的情况下,随着补气温度的增加,排气温度略有增加,压缩机功耗、制热量及制热COP几乎保持不变;相较于补气温度,补气压力对压缩机性能的影响更大。

涡旋式无油压缩机转子轻量化及疲劳行为研究

针对涡旋式压缩机转子的偏心构成及高速特性,通过等效配置有限应变梁单元、二维轴承单元及三维空间质量单元等,开发基于参数化的主轴部件有限元建模程序。考虑陀螺效应,在转子动力学分析基础上获取主轴系统的Campbell图及临界转速。以配重质量(m_(1)、m_(2))及其质心位置(R_(1)、R_(2))为变量对转子组件进行动态优化,不仅将其1阶临界转速提高了4.2%,而且使配重总质量与最大应力幅分别减小了0.413 kg和0.21 MPa,达到轻量化设计预期。利用nCode DesignLife构建S-N应力疲劳分析项目仿真流程,实现了多工况时序载荷映射下的曲轴疲劳分析与损伤评估。结果显示:轻量化设计在提高曲轴最低疲劳寿命的同时,明显减小了曲柄端的损伤程度及疲劳危险区,有利于提升曲轴的疲劳寿命与抗破坏能力。

涡旋压缩机排气孔流动特性研究

为了研究排气孔结构对短型线涡旋压缩机性能的影响,以一款排量为38 cm3的涡旋压缩机为例,建立了三维非稳态数值计算模型,并通过试验对模型进行了验证,误差在9.5%以内。利用此模型,分别研究了排气孔大小和形状对压缩机性能的影响。结果表明,当采用圆形排气孔时,随着孔径由5.2 mm增大到9.0 mm时,压缩机功耗降低了5.82%,总质量流量增加了1.09%,排气过程中压力波动以及上、下腔之间压力不平衡性逐渐增强;当采用腰形、圆弧形以及复合形的排气孔时,相比5.2 mm圆形孔,压缩机功耗有一定程度降低,总质量流量少量增加,排气过程中压力波动和上、下腔内压力不稳定性变化不明显,其中排气孔形状为复合形时,性能提升最明显,压缩机功耗降低了5.81%,总质量流量提升了1.26%;相比总质量流量,压缩机排气孔的改变对功耗影响更大。研究结果可为涡旋压缩机排气孔的结构优化提供参考。

涡旋压缩机吸气过程流场特性研究

针对涡旋压缩机吸气过程产生的预压缩现象,为了探明其产生机理和对压缩过程的影响以及流场的变化规律,基于计算流体动力学原理,在不同曲轴转速条件下,运用三维动网格技术对涡旋压缩机内部流场进行数值模拟计算。结果表明:吸气腔与两侧进气流道的流场分布均不对称,不同曲轴转角时进气流道、吸气腔等位置产生强度不同的涡流区;随着曲轴转速的提升,吸气过程预压缩现象发生时曲轴转角提前约10~21°不等,引起吸气腔内压力升高23.5%~29.0%,使得实际吸气量与理想吸气量不再相等,涡旋齿尾部涡流现象随之加剧。

微型涡旋压缩机轴向力曲线匹配吸力足机构优化研究

微型涡旋压缩机的轴向气体力随主轴转角而大幅度变化,存在难以实现良好的轴向密封等问题,为此,提出了一种基于永磁体的轴向磁力平衡轴向气体力的吸力足机构。首先,对微型涡旋压缩机的轴向气体力进行了特性分析,确定了目标轴向气体力曲线;其次,基于JMAG建立了三维仿真模型,采用遗传算法对永磁体的位置进行了优化,由此达到了轴向力变化趋势最大的目标;再次,在永磁体位置优化基础上,提出并对比了4种不同的吸力足分块方案,改变了分块吸力足的高度来匹配随动涡盘平动而变化目标的轴向力曲线;最终,对选择方案的分块吸力足高度敏感性进行了分析,固定了敏感性低的分块高度,降低了实际制作和装配的复杂性;通过仿真和实验测试,对优化后吸力足机构轴向力的准确性进行了验证。研究结果表明:改变永磁体在静环的位置,轴向力的最大值提升27.56%;在所有分块方案中,分块数越多,吸力足机构平衡效果越佳,且周向切割优于径向切割,周向切割最优结构的积分差相较于径向切割方案减小了42.91%;经实验验证后,优化的吸力足机构的最大误差仅为6.2%,与仿真结果具有良好的一致性,很大程度上解决了微型涡旋压缩机的轴向密封问题。

基于CFD仿真的涡旋压缩机吸气带油分析

低背压涡旋压缩机吸气侧引入较低温的润滑油进入压缩过程,可对压缩过程的径向和轴向间隙进行密封,有利于能效水平的提高。为了进行吸气带油结构的设计并研究其影响规律,采用压缩仿真和供油仿真研究了吸气带油孔位置和供油量的设计方法,分析了吸气带油对于径向和轴向间隙中泄漏量的影响规律。结果发现吸气带油结构可以有效实现功能,降低了轴向和径向间隙的泄漏速度,使得冷量增加。通过整机测试发现在性能工况下吐油量增加约0.48%,冷量增加了约1%,能效平均增加约0.58%,验证了仿真方法的有效性,可为涡旋压缩机吸气过程的优化设计提供参考。