涡旋压缩腔几何模型与涡旋齿强度研究

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1、兰州理工大学 博士学位论文 涡旋压缩腔几何模型与涡旋齿强度研究 姓名：强建国 申请学位级别：博士 专业：流体机械及工程 指导教师：刘振全 20071020 博士学位论文 涡旋压缩腔几何模型与涡旋齿强度研究 摘要 研究涡旋压缩机的工作特性，基于通用型线理论确定涡旋齿基本参数，建立 了涡旋压缩腔几何模型，并用模型分析、模拟了圆渐开线涡旋压缩腔。通过理论 研究与有限元模拟分析了涡旋齿的作用载荷、应力和变形的基本规律。基于涡旋 齿载荷、应力、变形和工程实践分析了涡旋齿的失效形式，并结合试验和样机研 制研究涡旋齿的强度，建立了涡旋齿强度模型，确定了涡旋齿的基本设计准则和 强度计算的一般流程。涡旋压缩腔几

2、何模型与涡旋齿强度研究为涡旋机械的几何 学、运动学、动力学、热力学、强度及可靠性等研究及设计提供了理论基础，提 出了获得高性能样机的基本思路，对涡旋机械的研究与应用具有重要意义。 涡旋机械的基本组成有涡旋盘、防自转机构、轴向和径向随变机构、密封和 润滑机构等。定义动涡旋齿外型线和静涡旋齿内型线对应的节线为a 类节线，动 涡旋齿内型线和静涡旋齿外型线对应的节线为b 类节线。定义与涡旋齿中线法向 角对应的涡旋齿外、内型线法向分量之差为涡旋齿法向齿厚，对应的涡旋齿外、 内型线上两点之间的距离为全齿厚。基于涡旋型线及涡旋机械的特点，确定涡旋 齿公转半径、型线最大切向分量、齿厚系数和涡旋齿高为涡旋齿的四

3、个基本参数； 依据节线类型把压缩腔分为a 类压缩腔和b 类压缩腔。建立了由型线、压缩 腔形状变化、生命周期和压缩腔数综合构成的涡旋压缩腔几何模型。利用该几何 模型可对压缩腔的特性进行全面分析。圆渐开线涡旋压缩腔用压缩腔长度和容积 可作为压缩腔的基本特性，分析和模拟表明圆渐开线压缩腔变形稳定且效率高， 工程中适宜采用以圆渐开线为基础的型线，如P M P 型线； 建立了综合内压作用和稳态温度场作用的涡旋齿载荷模型。涡旋齿工作中相 当于受到间隔为兀的兀展角区域内压作用，载荷大小为涡旋齿内外壁面的压力差。 涡旋齿内压载荷变化不连续，当动涡旋齿转角为开始排气角时不但载荷最大，而 且作用区域离涡旋齿中央区

4、域最远。对于小参数涡旋齿，涡旋齿的稳态温度可由 其中面温度代替，靠近涡旋齿中央区域的部分涡旋齿温度为排气温度，而其余部 分温度随法向角增大而近似于线性下降，涡旋齿末端的温度为吸气温度； 涡旋齿应力分析适宜分析等效应力，变形以分析涡旋齿的径向和轴向变形为 主。不同内压作用、稳态温度场作用、7 【展角区域内压作用、多兀展角区域内压 作用及其耦合作用下的应力与变形有限元分析表明：不同参数的涡旋齿模型模拟 得到的涡旋齿等效应力和变形基本规律相同；涡旋齿等效应力和变形主要由内压 摘要 载荷和稳态温度场作用引起，内压作用的等效应力和变形以涡旋齿公转周期而变 化，稳态温度场作用的等效应力和变形基本保持不变；

5、整个涡旋齿上齿根处等效 应力最大，涡旋齿的径向变形比轴向变形量大，但轴向变形对压缩机的性能影响 更大；内压作用的等效应力和轴向变形比稳态温度场作用的小，尽管内压和稳态 温度场对涡旋齿变形与应力的作用效应相反，但都不能简单叠加，应力与变形基 本受稳态温度场控制；内压作用对等效应力和变形有明显的削弱作用，而且使等 效应力和变形的变化更加平稳。受均匀内压作用、尢展角区域内压作用时涡旋齿 根等效应力以及稳态温度场作用时的涡旋齿高变形都可进行简化计算，计算实例 证明简化计算与有限元模拟结果的偏差较小，可满足工程实践要求； 常见的涡旋齿失效形式有涡旋齿折断失效、表面损伤失效和过大变形三种基 本类型，其中涡

6、旋齿根弯曲疲劳折断、涡旋齿面点蚀、涡旋齿轴向磨损、胶合和 涡旋齿过大变形是其主要的失效形式。所建立的涡旋齿强度模型由涡旋齿根强度 ( 静强度和齿根弯曲强度) 和涡旋齿轴向刚度组成。确定了涡旋齿根强度为涡旋 齿的基本设计准则，并校核轴向刚度。以多7 【展角区域内压作用的应力作为应力 幅，以稳态温度场和内压耦合作用的应力作为平均应力，可通过计算齿根安全系 数计算齿根弯曲疲劳强度，钢制的涡旋齿强度计算中可简化计算涡旋齿根应力集 中综合影响系数。涡旋齿强度计算或基于涡旋齿强度进行参数设计都可按基本相 同的流程进行，为提高涡旋齿轴向的密封性能和磨损强度，可基于稳态温度场的 涡旋齿变形规律对涡旋齿高尺寸公

7、差进行修正； 通过理论与工程实践相结合，得到了获得高性能涡旋机械的基本思路： 1 ) 利用压缩腔几何模型选择并优化型线，获得变形效率、稳定性良好的涡旋 压缩腔： 2 ) 通过强度模型选择合理的涡旋齿材料和参数，预测涡旋机械的强度和基本 性能； 3 ) 采用合理的轴系结构、防自转机构、随变机构的同时，采用齿顶密封条结 构，并基于稳态温度场对涡旋齿高公差进行修正。 关键词：涡旋机械；涡旋压缩腔：涡旋齿；几何模型；变形；应力；强度 论文类型：应用基础 博士学位论文 M o d e l i n go f S c r o nC o m p r e s s o rC h a m b e ra n dI n

8、 V e s t i g a t i o n O nS t r e n g t ho fS c r o UW r a p A b s t r a c t W o 订( i n g c h a r a 航甜S t i c so fs c r o Uc o m p r e s s o ra r ei n V e S t i g a t e d T 1 1 es n 、唧se s s e T l t i a l p 踟e t e r e sa r ed e C e m l i l l e da n ds c r o l lc h a m b e r s 誉幻m e t r i c a lm o d

9、e l i se s t a b l i s h e db a s e do ng e n e r a l p r o 丘l et h e o 哆U s i n gt h em o d 吐t h es c r o UC o m p r e s s o rc h a n l b e rt h a ti nf o 肌o fa i r c l ei n V 0 1 u t ei s 锄a I y s i s e da J l ds i n l u l a t e d T h ed i S t 曲u t i o no fl o a d i n g i n 岛s t r e s sa n dd e f

10、o n n a t i o no fs c r o l l 、) v r a pa r e 锄a l y s i s e db yt h 。o r e t i c a lS t u d y i n ga I l df i 血ee l e m e n tm e t h o d B a s e d0 nl o a d i n g i n 岛s t r e s sa n d d e f o m l a 土i o I l f a i l u r e 帅e so fs e r o Uw r a pa r ei n V e s t i g a t e d S c r o U 、r a p ss 旺e n

11、g t hi si n V e s t i g a t e da n d s 仃e n 酵hm o d e li se s t a b l i S h e db ) rs 皿h e 血i n gf a i l u r et y p e s ，t h e 叫吨l ，p es c r o nm a c h i n e Sa I l dt h e i r t e s c i l l g A tt 1 1 e 姗et i m e t h eb a s i cd e s i 印嘶t 舒o I l Sa r ed i t e 肿抽e d 锄dac u 丌e m 印p r o a c h e s 向 s 嘶

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13、I n i c s ，t h 锄o d y n a m i c s ，s t r e n 辱kr e l i a b i l i t ya n dp a m m e t 甜z e dd e S i 印I t C o u l da l s op r 0 V i d ead i r e c t i o nf o ro t 妇“n go u t s t a n d i n gp e r f o 咖a n c e ss c r o l lm a c h i n ea n dh 弱 i m p o r t a r I ts i 鲥f i c a l l C et ot h es c r 0 Um a c

14、 h i n e sS t d u d y 锄da p p l i c a t i o n I I lg e n e r 扎s c r o l lm a c l l i n em a i n l yc o n s 【m c t e dw ns c r o l lw r a pp l a n e ，a 而- 彤t a t i o nm e c h a n i s m ， a x i a l 锄dr a d i a lc o m p l i a n C e m e c h a I l i s m ，s e a l i n ga n d1 u b r i c a t i o nm e c h 越s

15、m T h e s c r o l lv v r a p sp i t c h l i n e sa r ed e f i n e d 勰a - t y p ea n db 卸e 咖ep i t c hl i n e 岛m so r b i t t i n gs c r o l l s 伽t 睁l i n ea n df i x e d s c r 0 1 l ，Si 加* l i n e B 卸ep i t c hl i n ef o 肌so r b i t t i n g9 c r o l l si r m * l i n ea n df e d c r o l l so u t 盯- l

16、 i n e C o 丌e s p o n d i n gt 0s c r 0 1 lW a p1 1 1 i d d l el i n e sn o m a la n 砻e t h en o m a lW a pm c _ k n e s si sd e 丘n e da st h e n o 肌a lc o m p o n e n td i 肫n c eb e t 、e e no u t e “n ea J l di n n e 卜1 i n e 柚dt h ea l l 、m pt l l i c l 【n e s si sd e f i n e d 舔 t h ed i S t e n

17、c eb e t 、e e n 铆op o nt 1 1 a 士伽ep o m to no u t 昏l i n e 柚do t h e ro ni 1 1 n * l i n e C 0 n s i d 嘶n gt h e c h 删甜s t i c so fs c r o l lp r 0 6 l e 觚ds c r o l lm a c h i n e ，t h eo 而i t t i n gr a d i o u t h em 捌m u mt a n g e m C 0 m p o n e n to fg 朗e r a lp r o f i l e ，t h eW 砷t h i c k

18、 n e s sc 础i c i 饥t ，a n dt h es c r o nw r a ph e i g h tc a nb e r e g a r d e d 弱m ee s s e m i a lp a 姗e t e so f s c r o nw r a p T h es c r o l lc o m p r e s s o rc h a l l l b e r sa r ec l a s s i f i e d 弱a - t y p e 锄d ) r p eb yi t st y p e so fp i t c hl i n e T h e g e o m e t r i c a

19、lm o d e lt h a t $ m h e s 注e dt h ep r o f i l e ，f o r n l d e f o 咖a t i o n ，l i f y c l ea J l dt h el i v i n g 肌m b e r s o fs c r o nc o m p r e s s o rc h a m b e r si se s 讪l l i S h e d U s i n g 嘲b l i s h e dg e o m e t f i c a lm o d e l ，a l lo fg e o m “c c h 觚厩缸s t i c s0 fs c r o

20、l l m p r e s s o rc h n b e r sc 锄b eo V e r a l l 锄a l y z e d F o r9 l lc o m p r e s s o r c h am _ b e rt h 砒i nf o mo fa i r c l ei 1 1 v o l u t e i t sl e n 殍h 肌dv o l u m ec 锄s e r v e 弱t h eb a s i cg m “c c h 觚瓜e f i s t i c sa n di ti sf o u n dt h a 士i t sd e f o n l l 撕o nc 甜s t i c sa

21、 r em o r es t e a d ya n dd e f o I m a t i o n e f f i c i e n c yi sh i 曲鼠C o n s e q u e m Ut h ep r o 丘l ew h i c hb a s e d0 na 砌ei n V o l u t ep r 0 6 l ei sw e l la d o p 刷 主要符号表 主要符号表 符号 只z 坐标 尸 足I曲线的法向分量，m m足 风，动涡旋盘公转半径，m mp 动涡旋盘公转速度， r a d s口 侠吸气结束角， r a df c 龟c l ，Q ，c 3 常数 后 压缩机转速， 叩m

22、风 临界功率 刀 r 涡旋压缩腔数“ 矽渐开线展角， r a d风 足齿头过渡圆弧半径，m mH ) ， 齿厚系数，角度， r a dA Z 容积系数 f 厂 齿根过渡圆角，m m s 队玩涡旋齿根等效直径m mk k疲劳缺口系数肠 S 面积，衄n2 矿 缈体积排量，伽n 3 r n j n P 压缩腔长度，磨损量，n l n l ， 彳压缩腔截面面积，舢n 2B p 压力，aF P功率，kW P v 丁 周期，温度，s K 盯 甜变形，mmm S 沙模铸造J “ 离心铸造 L a p 密度，曲率半径， g 锄3 ，m n l厂 泊松比 西 E 弹性模量M p a D b 印2屈服强度，M p

23、 a仉l 曲线或曲线上一点 曲线的切向分量，m m 曲线的法向分量角， r a d 动涡旋盘公转角， r a d 比值或整数 常数，工质绝热系数 临界速 涡旋齿( 有效) 圈数 基圆半径， 咖 齿头修正圆弧半径，m m 涡旋齿高， m m 型线最大切向分量， m l n 齿厚，齿厚分量， r n H l 比( 率) ，形状系数 尺寸影响相关系数 齿根综合应力影响系数 容积，删一 偏距， I n m 型线长度， n u n 压缩腔宽度， 唧 力，N 比功率，k W 应力，a 质量，k g 金属模铸造 连续铸造 滑动摩擦系数 伸长率， 强度极限，M p a 疲劳极限，M p a 博士学位论文 皿S

24、布氏硬度A 导热率， w ( m K ) d a 线膨胀系数， l n m K 1 1 0 r 6C 比热容， U ( 埏K ) - 1 A 暇冲击吸收功， J嗽 冲击韧度， U m 2 ( 彬d 角度，脚K 变化率，载荷系数 S 静强度安全系数M静强度许用应力，M P a 玎。 齿根弯曲疲劳安全系数硒线磨损度 恐， 压力等效应力系数晒温度等效应力系数 硌压力变形系数玉，g T 温度变形系数 下标 a a 类 x 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经

25、发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者虢了邑参丞吼中，训厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：

26、洞年亿月，r 日 日期2 7 年，2 月，日 司刭摹 交琅 碜弋1、 刁j 博士学位论文 第1 章序论 1 1 涡旋机械的发展与应用 1 1 1 涡旋机械的发展历史 l 涡旋机械的产生 涡旋机械的概念最早于1 8 8 6 年由意大利人提及，但没有进行详细阐述，公认 的涡旋机械发展标志是1 9 0 5 年法国工程师L e o nC r e u x 提出的一种新型旋转式发 动机一涡旋膨胀机的设计构想并在美国申请专利【1 1 ，其工作原理就是如今人们所 称的涡旋机械。涡旋机械是一种容积式机械，它依靠一对具有相同形状涡旋齿的 涡旋盘在公转运动中形成渐缩月牙形封闭容积( 涡旋腔) 工作，相对静止的涡旋盘

27、 称为静涡旋盘，作公转运动的涡旋盘称为动涡旋盘。如图1 1 所示为常用的涡旋 盘结构，它由涡旋齿和齿盘两部分组成。涡旋齿的几何曲线被称为型线，根据涡 旋齿的数目有单头涡旋齿和多头涡旋齿之分，如图1 2 所示为双头涡旋齿涡旋机 械的工作示意图。 舄旋齿 图1 1 涡旋盘( 齿) t 篇黼 u 蹩拶” 图1 2 双涡旋齿的工作 2 涡旋机械的特点 涡旋机械目前已在制冷、空调、各种气体压缩、发动机增压以及泵等领域得 到广泛应用，其中在压缩机行业的应用最广，其基本优点如下： ( 1 ) 零件数少，结构简单紧凑、体积小、重量轻、可靠性高。与同等容量的 往复式压缩机相比，涡旋压缩机主要零部件仅为往复式的l

28、 l o ，体积减小约4 0 左右，重量减轻约l5 ； ( 2 ) 无吸、排气阀，吸、排气的气体流动损失小，无气阀的敲击噪声和由此 引起的振动。与同等容量的往复式压缩机相比，涡旋压缩机噪声下降约5 l o d B ； 第1 章序论 成功研制了多种涡旋压缩机的产品样机，如系列汽车空调涡旋压缩机、涡旋空气 压缩机、天然气涡旋压缩机、无油润滑涡旋压缩机、特种涡旋压缩机等，通过产 学研结合已形成了部分产业化，同时借助于国外的技术也推动了国内商业空调涡 旋压缩机的大规模生产。柳州第二空气压缩机总厂自行开发成功了空气涡旋压缩 机，并已形成了批量化生产。2 0 0 0 年上海奉天空调压缩机有限公司在合肥工业

29、大 学的技术支持下，自行研制开发了涡旋式A P 系列压缩机。南京奥特佳冷机有限 公司在美国普渡大学技术支持下，于2 0 0 1 年研制开发了w x H 系列涡旋式压缩机， 其排量可从每转6 0 c m 3 到2 5 0 c m 3 ，适用于微型车到大客车空调装置中，年产量为 1 5 万台左右。广州万宝压缩机股份公司引进了日立公司年产1 8 万台单元空调用 全封闭涡旋压缩机的生产线。西安大金庆安压缩机有限公司同日本大金工业株式 会社和西安交通大学合作，己形成年产2 0 万台柜式空调涡旋压缩机的规模；谷轮 公司在苏州投资建设了年产1 0 0 万台5 H P 涡旋压缩机的生产线。日本三洋公司与 大连

30、冰山集团合作建成了年产6 0 万台涡旋压缩机的生产线。 1 1 2 涡旋机械的应用 目前涡旋机械的应用范围非常广泛，如涡旋压缩机主要应用于制冷和空调领 域。随着研究的深入，涡旋压缩机的适用范围也在逐渐扩大，从单级压缩发展到 多级压缩的涡旋机组，从柜式空调器全封闭制冷压缩机发展到窗式空调器的小功 率涡旋压缩机，以及汽车和列车空调系统用压缩机。除了在空调和制冷领域的应 用最为广泛外，涡旋机械在空气压缩机领域中的品种规格也比较多，排气量集中 于O 6 3 5m 3 m i n 之间，主要为动力用涡旋空气压缩机。近几年来国内也进行了 车用燃料电池发动机用无油润滑涡旋空压机的研发，西安交通大学能源与动力

31、学 院承担的8 6 3 子项目“无油涡旋空气压缩机 通过鉴定，其最突出的特点是以喷 水代替了喷油，实现无油润滑，保证了排出气体的清洁。大连化物所委托兰州理 工大学研发了无油润滑双涡圈涡旋空气压缩机，并通过大连化物所压缩机实验台 的样机实验，取得了预期效果，扩展了涡旋机械的应用范围。在增压器应用方面 比较典型的是汽车发动机用增压器，德国大众公司在这方面进行了大量探索，开 发成功了著名的G 增压器，使得发动机的功率提高了3 5 。涡旋增压装置在9 0 年代以后又被谷轮公司制造成医用空气动力源，效果也比较理想。这类装置的共 同特点是气体流量大，但压力比低，一般不超过2M P a 。新型废气涡旋增压器

32、采 用涡旋膨胀机和涡旋压缩机两者有机的组合，利用汽车排出废气的能量实现对新 鲜气体的充量增压，取得了不错的效果。1 9 8 7 年日本三菱电机公司首次开发成功 回转型涡旋真空泵。1 9 9 0 年以后日本日立、岩田、英国E d w a r d s 、德国的L H 、 美国V a r i a n 等国际知名企业也相继推出了涡旋真空泵，居技术领先地位。目前涡 旋真空泵的真空度可达l o 。2 P a ，这比滑片式真空泵所能达到的真空度提高了近l o 4 博士学位论文 倍。中科院沈阳科仪公司自行开发的双侧无油涡旋真空泵已走向市场进行产品规 模化生产。除作为真空泵外，涡旋机械还可用于涡旋液体泵和涡旋输

33、油泵等。此 外在涡旋发动机、涡旋膨胀机、天然气涡旋压缩机、变频涡旋压缩机、多涡旋组 合机、特种涡旋压缩机、数码涡旋压缩机和涡旋膨胀机等方面也有大量的应用。 1 2 涡旋机械的研究现状 涡旋机械在追求高效率、高可靠性、高转速、低振动和低噪音的发展过程中， 在制冷、空调等领域内得到了迅速的发展，许多理论研究成果及发明专利被不断 地应用于生产实践，使得涡旋机械技术不断进步。随着应用范围的扩展，研究的 内容也在拓宽，学科的交叉不断增强，研究内容涉及到微分几何、流体力学、工 程热力学、摩擦学、机械学、优化设计、有限元分析方法、计算机辅助设计和制 造、测试、控制以及自动化等理论方向【2 s 】。随着科学技

34、术和制造水平的发展， 不断有新的理论研究成果和发明专利被应用于生产实践，使得涡旋机械的相关技 术不断发展进步。 纵观近二十余年涡旋机械的研究，有不少研究内容相对成熟，国内有顾兆林、 李连生和郁永章等教授已经出版了相应研究的专著和手册。大量的研究主要集中 在机构模型【1 2 1 ”、型线理论【1 6 6 7 1 、数学模型【6 8 8 们、机械结构8 卜1 1 ”、流场及过程 特性【1 1 6 1 52 1 、动力特性1 5 3 1 7 4 1 、涡旋齿刚度与强度1 7 5 1 8 6 1 、设计与制造【1 8 7 2 1 ”、 高性能样机研列2 1 6 2 4 6 1 等方面。 1 2 1 机

35、构模型研究 刘振全首先采用曲柄双滑块机构简单而清晰地描述了涡旋压缩机的机构模型 【1 2 。4 1 ，从机构学的基本原理出发对涡旋压缩机的工作原理进行了分析，揭示了涡 旋机构实现正确运动的条件和普遍规律。樊灵等研究了涡旋机械的机构模型【l5 1 ， 并进行了理论分析。事实上涡旋结构的机构模型与所采用的防自转机构有关，但 无论怎样，动、静涡旋盘之间相对作公转运动是其机构的运动本质。 1 2 2 型线理论研究 涡旋齿的型线研究一直是涡旋机械研究中的重点。型线的研究主要集中在各 种单涡旋齿型线基本理论、通用型线、多涡旋齿理论、型线修正、型线特性以及 应用等方面。 樊灵等对2 0 0 0 年之前的型线

36、研究作了总结【1 6 l ，但这几年的型线研究，尤其 在多涡旋齿型线研究方面的进展非常快。目前主要研究的型线有圆渐开线、正多 边形渐开线、平行四边形渐开线、半圆偏心线、线段渐开线、阿基米德螺旋线、 代数螺旋线、变径基圆渐开线、包络型线等1 1 7 吨5 1 ，通用型线的研究近几年是型线 第1 覃序论 研究中的热点之一，J w B u s h 最高提出通用型线理论【26 1 ，之后畅云峰、樊灵、 屈宗长等人对通用型线理论进行深入研究【2 7 3 0 】。为进一步提高涡旋机械的容积 效率，多涡旋齿的研究逐渐兴起，并取得很大进步。顾兆林、刘卫华等对双涡旋 齿几何理论作了研究【3 卜3 3 1 ，王君

37、以双涡旋齿为基础，研究了统一的多涡旋齿理论 【3 4 35 1 。无论单涡旋齿还是多涡旋齿，齿头部分加工时易出现型线与刀具的干涉现 象，而且齿头部分一般不能很好满足工作温度高、变形小、强度高等要求，显然 涡旋齿头修正既可解决加工的干涉现象，还能起到增大压缩比、增强涡旋齿头强 度和改善涡旋压缩机性能的作用。提高齿头的工作特性，近些年在涡旋基本型线 的基础上进行修正的研究很多【3 6 55 1 ，P M P 型线是型线修正中的成功典范之一。刘 振全、李连生、刘涛、王君、冯诗愚、高秀峰、王国梁、靳林芳等对涡旋齿头型 线及其修正进行研究，基本完善了涡旋齿齿头修正。型线的生成方法很多，法向 等距线法【5

38、 6 5 7 1 是最新出现的方法，拓宽了可用型线范围。型线基本的性质具体体 现在其容积特性、动力特性以及误差灵敏性等方面【 “3 1 ，实践应用中多对型线进 行优化组合，J w B u s h 、黄允东、朱杰等对此作了研列6 4 67 1 。 1 2 3 数学模型研究 日本学者森下悦生( E M o r i s h i t a ) 等首先建立了圆渐开线涡旋型线的几何理论， 并推导了动力计算公式6 引，W a n gB a o I o n g 建立渐开线涡旋齿模型f 6 9 1 ；刘振全、 曹霞等对整数圈和非整数圈涡旋齿的几何理论进行研究7 0 7 1 l ；C h e nY u 、S 。 P

39、 j e t r o w i c z 等建立压缩机全模型1 7 2 7 4 1 ，C S c h e i n 、J LC a i l l a t 、E M o r i s h i t a 等建 立了压缩机工作和模拟计算的模型1 7 弘7 7 1 ；刘振全建立了全封闭涡旋压缩动态数学 模型【7 引，王宝龙建立了制冷空调用涡旋压缩机数学模型【7 9 1 ，樊灵建立了涡旋压缩 机优化设计数学模型【8 0 1 。从各种数学模型的研究范围以及对应机型看，涡旋机械 的模型研究主要集中于涡旋压缩机的工作过程和参数研究中，其它类型涡旋机械 的模型很少见。 1 2 4 结构研究 涡旋机械的基本结构除了一对涡旋盘

40、外，还有防自转机构、径向和轴向随变 机构、密封与润滑结构、吸排气结构、轴系平衡结构和整机布置结构等。 常用的防自转机构有十字滑块机构、滚珠防自转机构、零齿差防自转和双曲 柄防自转机构等。周家胜研究了涡旋机械防自转机构【8 1 】，杜桂荣、刘振全等研究 防自转机构并提出了零齿差防自转轮系机构【8 2 川4 1 ，I n H w eK O O 对十字滑块机构 的具体形状作了优化【8 ”。 涡旋机械工作过程中要求轴向和径向要既有良好的密封，又要磨损小，显然 轴向和径向随变机构的结构和质量非常重要。杜桂荣、李超、朱杰等对涡旋齿径 向平衡和随变机构的原理、结构和应用等方面作了研究【8 6 川8 1 。比

41、较而言，涡旋齿 6 博士学位论文 工作时轴向的动态特性更复杂，对涡旋机械的工作影响更大，当然有关轴向随变 结构的研究也较多。轴向随变结构主要采用背压平衡，I T o i i 、朱杰研究了背压平 衡机构原理并建立模型【8 9 9 1 1 ，T O o i 和高秀峰对背压孔作了研究【9 2 9 3 1 ，江波、唐 光德、赵兴艳、李元鹤在背压机构研究的基础上对背压机构的设计及优化作了研 究【9 4 、97 1 ，T S h u 和W 。B u s h 研究了背压机构的动力特性和稳定性【9 8 9 9 1 ，邱凯和屈 宗长分别对采用背压机构的压缩机的变频特性和整机性能作了研究【1 0 0 0 1 1

42、。 涡旋机械的密封主要指的是涡旋齿的密封，结构相对简单。王焕然等定量研 究了涡旋齿的轴向和径向间隙【1 0 2 1 ，李超、赵兴艳等人对涡旋齿轴向密封的基本 结构形式和密封性能作了研究【1 0 3 0 4 J 。吸排气孔对涡旋机械的工作性能运行影响 很多，其研究主要在孔口的大小、形状和位置几方面，同时与齿头修正有关，高 秀峰和王君的研究比较全面【1 0 5 1 0 7 1 。J K i m 和R W i l l i a m s 研究了涡旋机械的平衡 质量问题f 1 0 8 1 09 1 ，王君等人研究了不等高涡旋齿压缩机1 1 10 1 ，顾兆林、王君等研究 了双涡旋齿和多涡旋压缩机及其应用【

43、1 1 1 ，3 ”，C h o n g 和K a w a b e 等人研究了双作用 涡旋齿和组合型涡旋布置结构的压缩机【1 1 2 州3 1 ，p i e r r eG i n i e s 等人提出了三轴驱动 的压缩机结构【1 14 1 ，W B u s h 对采用气阀的压缩机作了研究【1 15 1 。 1 2 5 流场及过程特性研究 涡旋机械的流场及过程特性研究涵盖的内容很多，主要有工质的流场及模拟、 热力学特性、润滑与密封、工质泄漏、摩擦磨损以及涡旋机械的过程特性。关于 工质的流场和涡旋机械的过程特性，C h e nY u 和S P i e t r o w i c z 等作了非常全面的

44、研究f 7 2 7 4 1 ，同时有不少专指研究文献。M C u i 和江波等对压缩机内工质稳定流 场了作研究【1 1 6 _ 1 17 1 ，N S t o s i c 、R J R o g e r s 和C h i a c h i n 对流场进行了模拟【1 1 8 1 1 引， C h o 等对喷液冷却的压缩机流场作了研究【1 2 叫。尽管涡旋机械的热力学文献很多， 但一般都针对具体机型，而且过程都很复杂。K i t a eJ a n g 、O o i 、屈宗长、汪军等 全面研究了压缩腔、涡旋齿以及其它结构的传热和工质的过程特性【1 2 卜1 25 1 ，K i t a e J a n g

45、 还对涡旋齿的热变形进行分析f 1 2 1 1 ，P a r k 对变频情况下压缩机的热力学特性 进行试验研究【1 2 6 1 。 涡旋机械润滑与密封性能主要有涡旋压缩腔的润滑密封以及整个机械的润滑 问题，大量此类研究与泄漏相关，试验与理论分析相结合。T D r o s t 等对压缩机的 润滑系统作了实验研究【1 2 7 1 ，李超、王君等在样机研究中对压缩腔的润滑与密封 作了研究f 1 2 如1 2 叭，赵兴艳和屈宗长等研究了润滑中的油量控制问题1 1 3 0 1 3 1 1 。扬骅 对泄漏研究进行总结【1 3 2 1 ，N o r i a k iI s h i i 、朱杰和江波等人研究压缩

46、机内的泄漏流 态并建立了泄漏模型【1 3 3 1 35 1 ，李力等对径向泄漏作了研究【1 3 6 1 ，屈宗长依据泄漏模 型对泄漏量作出估算【1 3 71机的摩擦作了研究【139 1 ，同时刘兴旺分析了基本参数对摩擦功率的影响【1 4 0 1 。涡 7 x 第1 苹序论 旋机械的摩擦学研究还有很多问题，尤其磨损模型尚未见到研究文献。 除了涡旋机械模型研究中对过程特性作了全面研究，大量的文献对压缩机等 涡旋机械的过程特性作了专门研究。朱杰和冯健美研究了涡旋机械排气孔工作特 性【1 4 卜1 4 2 1 ，T a k a h i d eI t o h 和王宝龙研究了排气压力和内压【1 4 3 1

47、 4 4 】，冯健美、李建 武、刘四虎和张立群等对压缩机的过程特性作了全面研究1 1 4 5 叫4 引，房师毅研究了 无油压缩机的工作过程【1 4 引，A f l e iT 和赵远扬等对工质喷射压缩机的工作过程作 了研究【1 5 0 1 5 ，届宗长研究了转速对压缩机工程特性的影响【1 5 2 1 。 1 2 6 动力学特性研究 涡旋机械动力学特性的研究主要涵盖运动学、涡旋齿及其它零部件受载、动 静涡旋齿的一般动力学特性、涡旋机械的动平衡特性、振动与噪音等研究。 涡旋齿的运动问题早在涡旋机械的机构模型中已有研究，刘振全对涡旋齿的 运动作了分析1 1 53 1 。E M o r i s h i

48、t a 分析了圆渐开线涡旋齿特性及其其它作用力【1 5 4 1 ， N I s h i i 在E M o r i s h i t a 的研究基础上对涡旋压缩机的受载特性作了进一步研究 【l ”】，之后气体作用力以及涡旋机械零部件受载的研究很多，林隐虎建立了涡旋 压缩机的力学模型【”6 1 ，吴建华对涡旋压缩机作了动力分析【”7 1 ，刘振全等人研究 了双涡旋齿的气体力计算【1 5 引。以气体力分析为基础，为消除倾覆力矩对压缩机 性能的影响，李超研究了小倾覆力矩涡旋齿结构【l ”】。 J M a r c h e s e 和J N i e t e r 研究了轴向随变机构的动态特性【1 6 0 1

49、6 2 1 ，J N i e t e r 同时 研究了径向随变机构和压缩机吸气过程的动态特性【1 6 3 1 6 4 1 ，柏杰等对涡旋压缩机 动态特性作了全面分析【1 65 1 。樊灵从机构学角度对涡旋机械的曲柄轴及其平衡作 了研究【1 6 6 1 6 8 1 。尽管涡旋机械振动和噪音小，但当参数匹配不合理时噪音和振动 仍然会对机械的性能造成较大影响，同时研究涡旋机械的振动与噪音非常必要。 刘振全对动涡旋齿与轴向随变机构的机械振动作了模拟【1 6 9 1 ，李元鹤建立了涡旋 压缩机静涡旋齿柔性机构的稳定性理论模型【1 70 1 ，对立式涡旋压缩机的振动作了 时域和频域分析【1 7 2 1 7 3 1 ，H u b e r tB u k a c 研究了带有轴向和径向随变机构的压缩机 的自激振动问题【1 7 1 1 ，W BR o c k w o o d 研究了涡旋压缩机的振动和噪音特征【1 7 4 1 。 1 2 7 涡旋齿刚度与强度研究 由于涡旋机械一般工作压力较小，因此强度研究很长时间以来没有受到重视， 虽然刚度方面的研究相对较多，但比起其它机械而言强度和刚度的研究远远不够， 连完整的强度模型都没有。目前涡旋齿强度和刚度方面的研究集中于使用有限元 等方法进行应力和变形模拟，杜桂荣、刘