摘 要: 為了分析渦旋壓縮機運動機構的動力特性和運動規律，根據渦旋壓縮機的結構和工作原理，采用三維實體建模和虛擬樣機軟件對其運動機構進行了三維實體建模，通過渦旋壓縮機的運動仿真，獲得了準確的運動學參數曲線，保證了渦旋壓縮機設計的正確性和可靠性，提高了整體設計效率和精度。

　　關鍵詞: 渦旋壓縮機; 虛擬建模; 運動仿真

  前言：虛擬樣機( Visual Prototype) 技術是通過計算機等技術手段把產品資料集成到一個可視化環境中，實現產品的仿真分析。使用系統仿真軟件，可以在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，不斷修改設計缺陷及改進系統，直至獲得最優設計方案，最終做出比較理想的物理樣機［1］。

　　在眾多的商業產品中，美國 MDI 公司的 ADAMS軟件是最具權威性、應用范圍最廣的虛擬樣機仿真軟件。它不但可以方便快捷地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析，而且其開放的程序結構和接口還使它成為特殊行業用戶進行特殊虛擬樣機分析的二次開發工具［2］。本文采用ADAMS 軟件對高效低噪渦旋壓縮機的運動機構進行仿真研究。

　　渦旋壓縮機的結構與工作原理渦旋壓縮機主要由動渦旋盤、靜渦旋盤、十字滑環、曲軸和支架體等零件組成

　　渦旋壓縮機的基本結構2012 年第 40 卷第 1 期 流 體 機 械 17動、靜渦旋盤偏心一定距離相錯某一角度安置在一起。動靜渦旋齒相互嚙合后形成多個封閉容積，動渦旋在曲軸驅動和防自轉機構限制下，實現回轉平動運動。使動、靜渦旋齒相互嚙合形成的月牙形封閉容積發生周期變化，實現氣體的吸入、壓縮和排氣，參見圖 2 所示。

　　渦旋壓縮機工作原理3 公轉型渦旋壓縮機運動機構圖 3、圖 4 示出渦旋式壓縮機的運動機構模型。

　　動渦旋公轉運動機構模型中由1個曲柄和 2 個滑塊組成，偏心曲軸在帶輪的帶動下繞自身軸線作圓周運動，與動渦旋連接在一起的滑塊 1 在滑塊 2的制約下只能做公轉平動，而不能自轉。該機構模型由 3個活動構件、4 個低副組成。自由度可由下式確定

［3］:F = 3n － ( 2pl + ph ) ( 1)

　　式中 n ———活動構件數pl ———運動低副ph ———運動高副由式( 1) 可知，該機構只有 1 個自由度。這樣就保證與滑塊 1 為一體的動渦盤作公轉平動，其圓周公轉的軌道形狀是由曲柄限定的。

　　 動靜式渦旋壓縮機機構模型圖 4 建立的是動靜式渦旋壓縮機機構模型，在此機構中包含 5 個構件( 含固定構件支架) ，靜渦旋與機架固定為一體，只有當動、靜渦旋盤齒的工作表面加工精度達到整個工作表面上處處都能完美嚙合時，那么動渦旋和靜渦旋的型線貼合點A 構成一虛約束。

　　4 渦旋壓縮機虛擬樣機的建立4． 1 虛擬樣機的零件造型通過 Solidworks 軟件建立渦旋壓縮機三維裝配模型，然后由 model． x_t 文件格式導入 ADAMS軟件中建立運動學模型。

　　4．2虛擬樣機的裝配圖 5 曲軸組件圖 6 渦旋壓縮機裝配18 FLUID MACHINERY Vol. 40，No. 1，2012渦旋壓縮機各主要零部件實體建模之后，根據渦旋壓縮機各個機構之間的裝配關系進行虛擬裝配。裝配好的運動機構虛擬樣機模型

　　4．3 干涉檢查Solidworks 軟件提供了干涉檢查的功能。如果裝配體之間發生重疊現象，在重疊區域內，會高亮的顯示裝配體裝配的錯誤信息，以滿足設計者快速地對其進行修改。

　　5 運動仿真51 創建約束圖 7 機構的連接關系根據渦旋壓縮機各個運動機構之間的約束關系，在其虛擬樣機模型裝配好之后對其添加約束。

　　按照前面對渦旋壓縮機運動機構的分析，在 ADAMS中對渦旋壓縮機運動構件之間添加約束以及驅動。

　　在 ADAMS 模型設置曲軸轉速設置為 2900r/min［4］。機構的連接關系如圖 7 所示。

　　零部件之間約束關系見表 1 所示。

　　表 1 各運動部件之間的約束關系序號 零件 運動副類型1 皮帶輪 鉸鏈2 端蓋、機架 固定3 曲軸、皮帶輪 固定4 機架 相對地固定5 平衡鐵、曲軸 固定6 十字滑環 點線7 偏心軸、動渦盤 鉸鏈8 靜渦盤 相對地固定5． 2 虛擬樣機的仿真過程圖 8 示出渦旋壓縮機運動機構的一個仿真運動周期中曲軸與十字滑環某時刻的運動狀態。這與渦旋壓縮機曲軸和十字滑環的實際運動規律相一致。

　　( a) θ = 0° ( b) θ = 90° ( c) θ = 180° ( d) θ = 270°曲軸與十字滑環運動示意5． 3 十字滑環的理論動力學分析如圖 9 所示，十字環在 y 方向的兩個鍵 A、B，與支架上對應的鍵槽滑動配合。在 x 方向的兩個鍵 C、D，與動渦旋盤上對應的 2 個鍵槽滑動配合。

　　十字環的中心只在 y 軸上作往復運動。文獻［5］指出，當動渦盤中心 b 繞機體中心 a 轉過角度 θ十字滑環的運動加速度與角度的關系曲線如 所示。

　　十字滑環運動規律文獻［5］指出，當曲軸 θ 角旋轉 0→2π 過程中，十字滑環相對于機體中心位移、動渦盤相對于十字環中心位移分別按正弦和余弦分布，主軸的曲柄銷中心 O 在 X 軸上的投影的運動是簡諧運動，而十字滑環上任意一點的運動和偏心銷軸中心 O在 X 軸上的投影的運動相同，所以也是簡諧運動。

　　式( 5) 和表明，在曲軸轉角為 90°、270°，十字滑環在機架滑槽中極端位置時，加速度最大，在中間位置最小。其加速度的大小與曲軸半徑 r 、角速度 ω 的平方成正比。由于加速度的存在，使做往復運動的十字滑環存在慣性力，并引起振動，所以設計時，要盡量減小十字滑塊的質量，以降低慣性力［5］。

　　圖 11 十字滑環質心位置與加速度示意5． 4 動渦旋盤運動機構分析由可知動渦旋盤理論機構模型。

　　文獻［6］指出，動渦旋盤的絕對運動就是十字滑環相對于支架體的牽連運動和動渦盤相對于十字滑環的相對運動的合成，其中心 b 的運動軌跡是以支架體中心 a 為圓心，以 r 為半徑的圓在 ADAMS 軟件中，依次取動渦旋盤和曲軸上任意一點，即可得到動渦旋盤的運動軌跡。如圖 12 所示，動渦旋盤運動軌跡是以曲軸偏心距 r為半徑的圓。從而驗證了動渦旋盤公轉平動的規律。為動渦盤運動規律。圖 14 為動渦盤質心速度與位移示意。

　　描述了曲軸旋轉角度 θ 從 0 ～ 270°變化時動、靜渦旋齒的嚙合過程。偏心曲軸在皮帶輪的帶動下，使得動、靜渦旋盤不斷形成月牙形封閉腔，在每一個周期內連續進行吸氣、壓縮、排氣過程。

　　20 FLUID MACHINERY Vol. 40，No. 1，2012( a) θ = 0° ( b) θ = 90°( c) θ = 180° ( d) θ = 270°圖 15 渦旋齒嚙合示意6 結語以 Solidworks 軟件和虛擬樣機軟件為技術平臺，實現了渦旋壓縮機的虛擬裝配和運動仿真。

　　該技術不僅可以高效、快速地建立渦旋壓縮機的實體模型，同時可以準確地得到渦旋壓縮機的運動學參數，為渦旋壓縮機的運動學研究提供了新的方法。

　　參考文獻

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文章來源：漢德閥門