涡旋压缩机的变截面涡旋齿及型线设计

针对现有涡旋压缩机涡齿径向多点啮合、运行噪音大、内泄露的问题,提出变截面涡旋齿及其型线设计方法,得到一种两点啮合的渐变壁厚涡旋齿,使得在一个公转平动工作循环中,动涡外壁三角函数渐开线与静涡内壁三角函数渐开线、动涡内壁三角函数渐开线与静涡外壁三角函数渐开线均为两点啮合.建立涡旋齿的几何理论,比较变壁厚涡旋齿和等壁厚涡旋齿的性能参数.结果表明,所提出的涡旋齿两点接触使压缩机运行平稳、噪音低、内泄露少、能效高.

非线性温度作用下涡旋机涡旋盘多载荷耦合分析

在涡旋压缩机整个工作过程中,因动、静涡旋盘工作环境及受力较为复杂,容易使动涡旋齿产生变形,导致径向间隙密封性能变差,轴向间隙增加,影响涡旋压缩机的工作效率及可靠性。为此,基于有限元理论,采用施加多种载荷的方法,模拟了涡旋压缩机动涡旋盘真实的受力情况,得到了其应力应变的分布规律。首先,通过改进涡旋盘温度载荷的求解方式,计算了涡旋齿壁面流体域的平均温度函数,建立了涡旋齿固体域稳态温度分布模型;然后,对涡旋齿分别施加了温度载荷、气体压力载荷、惯性力载荷、温度-气体压力载荷及多载荷耦合;最后,分析了不同载荷作用下涡旋压缩机动涡旋盘的应力应变分布规律。研究结果表明:温度-气体压力载荷作用时,径向变形规律与气体压力载荷作用时相似,轴向变形规律与温度载荷作用时相似;多载荷耦合作用时,涡旋齿最大变形及应力受惯性力影响较大,且与温度-气体压力载荷作用时相比,涡旋齿最大变形量及应力值的增幅分别为7.97μm与52.5 MPa;不同工作腔内,涡旋齿内侧壁面变形量大于外侧壁面变形量,最大差值为1.11μm;不同工作腔间,内外侧壁面变形量幅值随着气体压缩过程而逐渐降低。

采用圆渐开线的非对称等壁厚涡旋型线设计与性能研究

针对现有等壁厚型线压缩比小、行程容积小,变壁厚型线气体作用力变化幅度大、加工测量困难等问题,提出了一种采用基圆渐开线构建非对称等壁厚型线的设计方法。利用所提方法建立了一种全啮合的非对称等壁厚涡旋齿,并推导出工作腔容积计算公式,得到了作用在动涡旋齿上的轴向、切向及径向气体力随主轴转角的动态变化历程。研究结果表明:新构建的非对称等壁厚型线与传统的等壁厚型线及变壁厚型线相比,其行程容积分别提高了25.99%和7.82%,压缩比分别提高了19.70%和2.04%;而轴向气体力、切向气体力和径向气体力的变化幅度却显著减小,这也证明新构建的非对称等壁厚型线能更好地兼顾传统型线的优点,在容积性能和动力学性能方面更具优势。

涡旋压缩机非对称型线圆弧齿端修正的研究

当前涡旋压缩机的涡旋齿通常采用圆渐开线的对称型线,存在吸气过热、低绝热效率、难以提高压缩比等问题。针对这些问题采用非对称圆弧齿端修正的设计,解决了对称圆弧修正中的不足,更好地兼顾内容积比和齿端强度。通过理论计算,该设计缩小了两工作腔内容积比之差,减少排气的气流脉动;同时运用CAE仿真分析在气体温度及压力载荷共同作用下,非对称型线设计的涡旋齿端的应力与变形最大值减小。最后实验证实了非对称型线齿端修正能够降低功耗、提升压缩机的性能与可靠性。

真实刀刃轨迹下的涡旋齿周铣瞬时厚度模型

通过对直线铣削和圆周铣削特点的分析,建立了圆周铣削坐标系下刀刃轨迹方程,推导了改进几何法铣削厚度计算模型,结合真实刀刃轨迹和切削几何条件建立了涡旋齿圆周铣削瞬时厚度计算模型。该模型反映了工件、刀具和铣削参数的综合影响,可分别用于定量计算涡旋齿内、外壁铣削厚度。计算分析结果表明:刀具中心转角θ增大,瞬时铣削厚度先增大后减小,刀具中心转角θ=1.6rad时外壁瞬时铣削厚度达到最大值0.162mm,内外壁铣削厚度差值为21%;随着涡旋齿型线曲率半径增大,瞬时铣削厚度线性增加;刀刃齿数越少,瞬时铣削厚度越大;瞬时铣削厚度随着进给角速度的增大而迅速增大,随着主轴角速度的增加而呈减小趋势,当主轴角速度增大到100πrad/s以上时,瞬时铣削厚度趋于稳定。

变截面涡旋齿三维形貌分析与功率谱密度表征

为了量化表征变截面涡旋齿形貌的变化规律并提取特征信息,以45#钢和硬铝7075材料进行了3段基圆渐开线变截面涡旋铣削加工实验,用TalysurfCLI 1000形貌仪测量了涡旋齿三维形貌和表面粗糙度,对形貌图像进行了分析和比较,运用一维和二维功率谱密度方法量化表征了涡旋齿形貌的频率‑空间分布信息。形貌分析表明:45#钢试样涡旋齿形貌变化趋势接近走刀痕迹,呈现较强的规律性;45#钢涡旋齿试样表面形貌变化高度大于硬铝7075,且形貌的变化与型线位置无明显联系。二维功率谱密度分析表明,涡旋齿形貌呈各向异性特征,x方向空间频率0~0.02μm^(-1)是影响涡旋齿形貌的主导频率,涡旋齿主要缺陷存在于空间波长50μm内。一维功率谱密度表征解析了涡旋齿试样粗糙度相近、但表面形貌和粗糙度差异性明显的现象。实现了涡旋齿形貌不同层次特征的定量表征和信息提取。

非线性温度载荷下渐变齿高涡齿变形研究

基于温度引起涡齿变形造成的齿头粘连及动、静涡盘轴向间隙的泄漏问题,提出了沿涡齿中心齿顶向外环状递增的渐变齿高涡齿。在建立渐变齿高涡齿动涡盘模型的基础上,分析了涡齿内外壁面温度的变化规律,并利用有限元软件Ansys Workbench对不同渐变齿高涡齿在非线性温度载荷下的变形进行了研究。结果表明涡齿壁面温度随主轴转角呈非线性变化;非线性温度载荷作用下不同渐变齿高涡齿的最大变形均发生涡齿的中心处最大变形量均在15~16μm之间,为涡齿参数优化设计及压缩机性能提升提供一定的参考价值。

无油涡旋压缩机开槽涡旋齿的变形行为研究

为了提高开槽涡旋齿顶密封性能和槽内密封机构的工作稳定性,针对涡旋齿顶开槽的密封结构方案,建立了齿顶开槽涡旋齿的三维结构模型,开展了模型的网格划分和边界条件的设定,运用有限元软件开展了开槽涡旋齿的变形分析,分别在压力、温度及耦合载荷作用下,开展了开槽涡旋齿结构的变形行为研究,深入探索了变形分布特征与规律,揭示了压力和温度载荷对开槽涡旋齿变形的影响,结合耦合载荷作用下的涡旋齿变形行为,为涡旋齿与涡旋盘安装间隙设置提供了理论依据。结果表明,压力和温度载荷对开槽结构涡旋齿变形影响较大,最高压力0.8 MPa、最高温度150℃时,最大变形137.1μm位于第三压缩腔涡旋齿顶;涡旋齿槽内两侧变形较大,槽底平面因均匀的压差和温差形成稳定的变形,可以提高槽内密封的稳定性;将涡旋齿与涡旋盘安装间隙设置为112μm时,能够在耦合载荷下实现齿顶高效润滑与良好密封。

人工锄草器的设计研究

本文针对农田杂草去除问题,结合传统除草机的运动方式,设计出了一种节省人力、对环境无污染、锄草效率高、伤苗率低的人工锄草器。该锄草器以剪齿为主要工作部件,利用上下剪齿在土壤中的相对运动,剪断草根,从而达到除草的目的。在设计中选用了双轮滚动式人力驱动,利用滚轮与地面的滚动摩擦减小除草过程中的阻力,从而节省人力,提高工作效率。

双涡圈涡旋压缩机齿头修正多目标优化模型

针对齿头采用直接截断修正的双涡圈涡旋压缩机,建立了现有双圆弧齿头修正的几何模型并验证了其正确性,推导了两种修正方法下终端转角、理论排气角与修正展角的关系,得出了理论内压缩比的精确计算公式.定量分析了型线及修正参数对各齿头修正性能的影响,发现各性能之间存在明显的冲突关系.建立了一种以修正齿轴向投影面积、修正面积系数及内压比为目标的多目标优化分析模型,比较了三种多目标优化算法求解性能指标及差异,分析了3组非劣解集与目标函数可行域的关系.结果表明:遗传算法(GA)类算法更适用于该模型,与涡圈直接截断修正相比,能保证双涡圈涡旋压缩机大排量的特性下,各项性能都有所提升.