渦旋壓縮機動渦盤傾覆特性仿真分析

趙嫚，安雄雄

（蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州７３００５０）

［摘　要］：針對渦旋壓縮機動渦盤傾覆問題，在對其轉子系統運行規律及受力特性理論分析的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ與ＵＧ１２.０聯合建立了渦旋壓縮機整機模型，并使用ＡＤＡＭＳ對動渦盤在變齒高及運動副間隙下的傾角進行了仿真分析。仿真結果表明：定齒高下間隙與動渦盤傾覆呈正相關，且間隙值越大最大傾角波動范圍也越大，但均對應于傾覆力矩的峰值１８８.１～２７７.２°范圍內，相對穩定；定間隙值下齒高與動渦盤傾覆呈負相關，齒高對壓縮機起動加速階段動渦盤的振動有影響，但對其加速時間幾乎沒有影響。研究結果為渦旋壓縮機的結構優化設計及動渦盤傾覆特性下切向泄漏問題的研究提供重要理論支撐。

［關鍵詞］：渦旋壓縮機；動渦盤；傾覆特性；動力學仿真

中圖分類號：ＴＨ４５　　文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０１－０００１－０５

１　引言

　　渦旋式壓縮機自問世以來就以其高效率、低噪聲、結構緊湊等優點在小型制冷、機械、食品、醫藥、石化、動力工程等領域被廣泛應用。隨著渦旋壓縮機技術的一直成熟，數碼渦旋壓縮機技術在許多商用多聯機領域也有了很大的發展［１］。

動渦盤是渦旋壓縮機轉子部分最重要的部件之一，在渦旋壓縮機運行過程中，由于動渦盤上的驅動力與其上的徑向氣體力和切向氣體力的合力不在同一平面內，從而引起動渦盤在軸向方向上受力不平衡，造成動渦盤傾覆，從而造成磨損加劇和泄漏增大［２］。李超、張蘭霞等針對渦旋式壓縮機動渦旋盤受到傾覆力矩作用而引起的徑向泄漏問題，通過建立楔形平板間氣體泄漏模型以及計算氣體的質量泄漏量，得出漸擴形泄漏通道對氣體泄漏影響較大［３］；李心慶針對渦旋式壓縮機動渦盤的傾覆和運動副間隙影響問題進行了動力學仿真分析，結果表明間隙會加大動渦盤的震動［４］；方圓力利用數值分析的方法對比分析了動渦盤的受力情況，結果表明傾覆力矩對整機動力特性的影響比自轉力矩更大［５］；ＨｉｗａｔａＡ，ＦｕｔａｇａｍｉＹ等提出了一種高效的無蓄能器渦旋裝置，通過在固定渦軸的推力軸承表面上制造了一個新的凹槽，來控制軌道渦軸的傾覆［６］；李超等提出了一種新型動渦旋驅動軸承內嵌式結構，并經過計算分析表明該結構在減小由氣體力和旋轉慣性力對驅動軸承所產生的傾覆力矩方面有很大的改善作用，能夠有效地提高渦旋壓縮機的穩定性［７］。已有的研究均沒有考慮不同齒高與間隙共同影響下傾覆力對動渦盤造成的傾覆影響，故文章在不同間隙的基礎上考慮了齒高對動渦盤傾覆的影響。

本文以某一臥式天然氣渦旋壓縮機為研究對象，采用理論建模與虛擬樣機技術研究的方法對不同齒高及間隙下傾覆力對動渦盤造成的傾覆狀況進行仿真分析，為進一步研究不同齒高及間隙值下動渦盤傾覆造成的切向泄漏提供重要理論支撐。

２　渦旋壓縮機整機實體模型的建立及理論分析

　　在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中建立動、靜渦旋盤，其他構件均在ＵＧ１２.０中建立。渦旋壓縮機的主要構件包含動、靜渦旋盤、十字滑環、滾針軸承、曲軸、平衡鐵以及機架體等，其中動渦盤是在偏心軸的直接驅動與十字滑環的約束下實現公轉平動，渦旋壓縮機的主要零部件如圖１所示。

在渦旋壓縮機工作過程中，偏心軸驅動動、靜渦旋盤進行周期性嚙合，形成多對封閉的壓縮腔，隨著動渦盤周期性的公轉平動，各壓縮腔容積不斷減小，從而完成了氣體由吸入、壓縮到排出的整個壓縮過程。

為研究需要，本文將靜渦盤等效為一剛體圓環，渦旋壓縮機在實際裝配與加工過程中會考慮一定的誤差范圍，在裝配時取滾針軸承與偏心軸之間的間隙分別為０.０２ ｍｍ、０.０３ ｍｍ、０.０４ ｍｍ、０.０５ｍｍ，取齒高分別為３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ進行對比研究。完成裝配體后利用ＵＧ自帶功能進行裝配體干涉檢測以及幾何體檢查，在確保裝配體正確無誤后將裝配體導出為Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（*.ｘ＿ｔ）文件格式。

３　動力學仿真

　　在Ａｄａｍｓ中新建仿真文件，設置單位為ｍｍ，重力大小為９.８ｍ／ｓ２，方向沿Ｙ坐標軸負方向，完成新建后導入ＵＧ中保存的Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（*.ｘ＿ｔ） 格式仿真文件，為仿真操作的方便，將柵格中心設置為滾針軸承質心處，柵格平面與滾針軸承軸線方向垂直。將工作背景設置為ｗｈｉｔｅ，并對各個構件自行定義顏色，同時對其重命名，材料根據天然氣渦旋壓縮機實際材料進行賦予。表１為渦旋壓縮機各構件的材料屬性。

根據各運動構件的實際接觸情況在滾針軸承與偏心軸之間、動渦盤與十字滑環之間以及動、靜渦旋盤之間添加接觸，接觸參數設置剛度為１.０×１０８Ｎ／ｍ，阻尼系數，動摩擦系數為０.０５×１０３Ｎ／（ｍ／ｓ），靜摩擦系數為０.０８。依據渦旋壓縮機各零件裝配關系及各構件的運動情況對零部件添加約束關系，將計算出的傾覆力添加到動渦盤基圓中心１／２齒高處，考慮到背壓力對軸向力的平衡作用，故動渦盤在軸向受力平衡，因此在添加氣體力時只考慮其上的傾覆力，并利用Ａｄａｍｓ函數庫里的循環函數來控制傾覆力隨曲軸轉角的變化，其函數表達式為［８－１１］

ＣＵＢＳＰＬ（１ｓｔ＿ Ｉｎｄｅｐ＿ Ｖａｒ，２ｎｄ＿ Ｉｎｄｅｐ＿Ｖａｒ，Ｓｐｌｉｎｅ＿Ｎａｍｅ，Ｄｅｒｉｖｅ＿Ｏｒｄｅｒ）

式中?。保螅簦撸桑睿洌澹穑撸郑幔颉谝华毩⒆兞?/span>

          ２ｎｄ＿Ｉｎｄｅｐ＿Ｖａｒ———第二獨立變量

          Ｓｐｌｉｎｅ＿Ｎａｍｅ———多義線名稱

          Ｄｅｒｉｖｅ＿Ｏｒｄｅｒ———擬合曲線導數的階數

各零部件約束關系如表２所示。動渦盤上所受傾覆力隨時間變化的曲線圖如圖２所示。

設置帶輪轉速為３０００ｒ／ｍｉｎ，曲軸旋轉一周用時０.０２ｓ，共取５個曲軸旋轉周期進行仿真分析，故仿真時長設置為０.１ｓ，仿真步數為４０００步，本文采用求解穩定性較高的ＷＳＴＩＦＦ積分器和ＳＩ２方程進行仿真計算。最后對動力學模型進行檢測，檢測結果顯示無過約束方程，模型驗證正確，可進行動力學求解。動力學模型如圖３所示。

４　仿真結果分析

　　渦旋壓縮機在理想運轉情況下，即在不考慮傾覆力矩對動渦盤造成傾覆的情況下，動渦盤的運轉方向始終與偏心軸軸線方向垂直，即動渦盤的傾覆角始終為０°，考慮到動渦盤在運轉過程中受到傾覆力矩的作用，故動渦盤沿其運轉軸線方向將會產生一定的傾斜，取０.０２ｍｍ、０.０４ｍｍ間隙及３０ｍｍ、５０ｍｍ齒高下仿真結果進行分析。

分析圖４（ａ）、（ｂ）可以得出，動渦盤在壓縮機啟動加速階段會出現明顯的振動現象，在定間隙下隨著齒高增大，其傾角與齒高呈負相關，即傾角在減小，在曲軸加速至約０.００７２ｓ，即曲軸轉過１２９.６°后，動渦盤以３０００ｒ／ｍｉｎ穩定公轉平動運行。由圖４（ｃ）、（ｄ）能夠看出，理想狀態下動渦盤無傾覆，間隙存在條件下，動渦盤在壓縮機啟動加速階段有明顯振動，且定齒高下動渦盤的傾角與間隙呈正相關，即隨著間隙值增大，傾角也跟著增大；曲軸加速至約０.００６５ｓ即曲軸轉過１１７°后，動渦盤以３０００ｒ／ｍｉｎ穩定公轉平動運行，故動渦盤的傾覆角會受到其齒高以及滾針軸承與偏心軸間隙的影響。齒高與間隙值對動渦盤傾覆角的影響如表３所示。

取曲軸旋轉第一周期內動渦盤的傾覆角進行分析，如圖５所示。

在定齒高下，隨機取表３中２組齒高分析動渦盤傾角隨間隙增大的變化率結果為，３０ｍｍ下：９.３８％、１１.８２％、１０.７６％；５０ｍｍ 下：９.１７％、

１１.４％、８.５５％。分析發現動渦盤傾角隨間隙值增大而增大，而間隙值從０.０４ｍｍ開始，其傾角增大趨勢減小，這是由于當影響傾覆角的間隙值超過其影響范圍時，動渦盤在同等受力條件下其傾覆變化趨勢將減小。在定間隙下，隨機?。步M間隙分析動渦盤傾角隨齒高增大的變化率結果如下，０.０２ｍｍ下：９.０４％、８.０５％，０.０５ｍｍ下：１０.１４％、９.３％，可以看出隨著齒高的增加，動渦盤傾角逐漸變小，且變化率逐漸減小。

定間隙值下由圖５（ａ） 分析得出，動渦盤在曲軸轉角１４.１７５～１００.８°之間有明顯振動；曲軸轉角１２４.２～２７３.６°、２９８.８～３６０°之間，齒高對動渦盤傾覆程度有著明顯影響。定齒高下由圖５（ｂ）傾角曲線上升階段中最后一個交點為起點分析得出，不同間隙下最大傾角出現在曲軸轉角的范圍相當，均對應于傾覆力矩的峰值一定范圍１８８.１～２７７.２°內。最大傾角波動范圍的相對穩定性使得滾針軸承出現相對固定的偏磨區域，軸承壽命受其影響嚴重；同時最大傾角區域的切向泄漏最為嚴重。

從表４看出，在０.０２ｍｍ與０.０３ｍｍ間隙下，動渦盤最大傾角的出現周期是隨機的，因為間隙越小，滾針軸承與偏心軸之間的碰撞頻率越大，最大傾角的不穩定性就越大，故動渦盤最大傾角的出現周期會呈現一定波動。間隙值在０.０４ ｍｍ 與０.０５ｍｍ之間時，動渦盤最大傾角均穩定出現在曲軸旋轉５個周期的第一周期內，說明在合理間隙范圍內，間隙越大，滾針軸承與偏心軸之間的碰撞頻率有所降低，故動渦盤最大傾角的出現周期也趨于穩定，由此可以看出合理間隙也有一定的范圍，由于配合公差的要求最大間隙為０.０５ｍｍ，故間隙值在０.０４～０.０５ｍｍ之間較為合理。

５　結論

　?。ǎ保┒ㄩg隙值下齒高與動渦盤傾覆呈負相關，即齒高增加傾角減??；定齒高下間隙與動渦盤傾覆呈正相關，即間隙越大傾角越大。

（２）齒高對壓縮機起動加速階段動渦盤的振動有影響，但對其加速時間幾乎沒有影響，曲軸加速至約０.００７２ｓ后，動渦盤穩定公轉平動運行。

（３）間隙值大小影響最大傾角的出現周期以及波動范圍，但對最大傾角波動范圍影響不大，引起摩擦副相對固定位置的偏磨，降低了轉子系統的壽命。

參考文獻：

［１］　李慶偉，劉強．下一代數碼渦旋壓縮機技術［Ａ］．中國制冷空調工業協會，２０１０：５．

［２］　趙嫚．無油潤滑雙渦圈渦旋壓縮機動力特性研究［Ｄ］．蘭州：蘭州理工大學，２０１３．

［３］　李超，張蘭霞，劉志華，等．考慮傾覆力矩影響的渦旋式壓縮機徑向泄漏機理研究［Ｊ］．流體機械，２０１８，２．

［４］　李心慶．渦旋壓縮機動渦盤傾覆特性下的泄漏模型研究［Ｄ］．蘭州理工大學，２０２０．

［５］　方圓力．含間隙的無油渦旋壓縮機動力特性研究［Ｄ］．蘭州理工大學，２０１９．

［６］　ＨｉｗａｔａＡ，ＦｕｔａｇａｍｉＹ，ＭｏｒｉｍｏｔｏＴ，ｅｔａｌ．ＮｅｗＴｈｒｕｓｔＢｅａｒｉｎｇＧｒｏｏｖｅｔｏＣｏｎｔｒｏｌｔｈｅＯｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇｆｏｒＣＯ２ ＳｃｒｏｌｌＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｗｉｔｈｏｕｔＡｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓ［Ｊ］．２００４．

［７］　李超，趙榮珍，劉振全．驅動軸承內嵌式渦旋壓縮機動力特性分析［Ｊ］．蘭州理工大學學報，２００７，（０５）：５５－５９．

［８］　赫雄．ＡＤＡＭＳ動力學仿真算法及參數設置分析［Ｊ］．傳動技術，２００５，（０３）：２７－３０．

［９］　白亮亮，唐良寶．基于ＡＤＡＭＳ的活塞壓縮機動平衡虛擬設計［Ｊ］．流體機械，２００８，（０６）：４３－４５．

［１０］　張強．渦旋壓縮機轉子系統動力學仿真分析［Ｄ］．蘭州理工大學，２０１９．

［１１］?。停危幔酰螅瑁幔洌粒欤幔?，ＡｄｎａｎＡｋｈｌａｑ，ＮａｊｅｅｂｕｒＲａｈｍａｎ．ＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＭｕｌｔｉ－ｂｏｄｙＳｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ ＭＳＣＡｄａｍｓ［Ｊ］．ＬａｔｉｎＡｍｅｒｉｃａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１９，１２（８）：

作者簡介：趙嫚（１９７９－），女，哈爾濱人，副教授，主要從事渦旋流體機械、氣體壓縮機械及應用等方面的研究工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏ＿ｍａｎ７９＠１６３．ｃｏｍ

文章來源：壓縮機技術