旋轉(zhuǎn)排氣閥的特性研究

錢新春　楊驊　屈宗長

摘要：本文研究了同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機氣閥在旋轉(zhuǎn)運動作用下的工作狀態(tài)，并對氣閥閥片的自由振動以及強迫振動進行了分析，討論了由于旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力和科氏力對氣閥閥片的振動特性的影響，建立了在離心力的作用下氣閥閥片振動的數(shù)學模型，并提出了合適的求解方法。

關(guān)鍵詞：同步回轉(zhuǎn)機械；排氣閥特性；旋轉(zhuǎn)氣閥；振動特性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0243-03

同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機是一種新型回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機，有關(guān)研究是從21世紀初開始的，2003年首次提出了關(guān)于同步回轉(zhuǎn)式壓縮機的概念，介紹了同步回轉(zhuǎn)式壓縮機的工作原理及結(jié)構(gòu)特點。隨后針對同步回轉(zhuǎn)式油泵和空氣壓縮機展開了一系列的研究，主要集中在運動分析，泄漏研究，動力特性研究，摩擦特性研究。

論文從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的舌簧閥的工作特性出發(fā)，研究了高速旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力對舌簧閥工作特性的影響，建立了其閥片運動規(guī)律數(shù)學模型，分析了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的舌簧閥在氣體壓力和離心載荷作用下的瞬時工作特性。

一、旋轉(zhuǎn)氣閥安裝方式

在同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機中，需要安裝排氣閥以保證壓縮氣體過程能順利完成。由于同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機的轉(zhuǎn)子、氣缸以及氣缸端蓋都處于同步回轉(zhuǎn)運動，因此排氣閥無論是安裝在氣缸端蓋上，還是安裝在氣缸外壁面上，其工作時都會處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這不可避免的會對氣閥的工作特性帶來影響。

如圖1所示為同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機排氣閥在氣缸上的安裝方式示意圖，從圖中可以看出，同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機的排氣閥采用等截面舌簧閥結(jié)構(gòu)，并安裝在氣缸外壁面上，在壓縮機工作時與氣缸一起做旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)軸為氣缸的中心軸，旋轉(zhuǎn)速度為氣缸的運動速度，可以通過運動分析得到。

圖2給出了排氣閥在不同的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的安裝方式。從圖中可以看出，排氣閥在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的安裝方式主要有兩種，可以通過其橫軸線與旋轉(zhuǎn)軸的位置關(guān)系來判斷。一種安裝方式為排氣閥的橫軸線與旋轉(zhuǎn)軸平行，如圖2（a）所示；另一種安裝方式如圖2（b）所示，其排氣閥的橫軸線與旋轉(zhuǎn)軸處于垂直狀態(tài)，這也是同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機的排氣閥采用的安裝方式。

二、旋轉(zhuǎn)運動對閥片運動特性的影響

不同安裝方式的梁在受到旋轉(zhuǎn)運動的作用也不同，如圖2中的a所示的閥片，其橫軸線與旋轉(zhuǎn)軸平行，這時科氏力會以速度相關(guān)項出現(xiàn)在閥片橫向振動的控制方程中，并會直接影響閥片的撓度。

而如圖2中的b所示，閥片的橫軸線并不與旋轉(zhuǎn)軸平行，而是處于垂直的位置。在這種情況下，由于閥片的旋轉(zhuǎn)運動所帶來的科氏力會使舌簧閥閥片發(fā)生以閥片縱向軸線為中心的扭曲現(xiàn)象，導致閥片的振動為復雜的扭轉(zhuǎn)和彎曲的耦合振動。

由于同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機中舌簧閥閥片的厚度與寬度的比值要遠小于寬度與長度的比值，這意味著舌簧閥閥片的抗彎剛度要遠小于抗扭剛度。因此，可以假設(shè)同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機中舌簧閥閥片的變形還是以彎曲變形為主，并不會產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)變形，也就是說科氏力對該安裝方式中的旋轉(zhuǎn)舌簧閥的閥片變形的影響很小，可以忽略不計。

三、旋轉(zhuǎn)作用下氣閥的數(shù)學模型

如圖3所示為梁單元受力示意圖，圖中給出了dx單位長度的梁單元受到離心力以及壓力等作用力作用下的受力狀況。當氣閥閥片做橫向振動時，根據(jù)牛頓第二定律可以得到如下的運動方程：

雖然用卷積積分的方式來求解方程（13）是比較常見的一種方式，但是該方法用在同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機的氣閥模擬時并不合適。因為如果要采用卷積積分的方式對方程（13）進行求解，無論是理論計算還是數(shù)值計算，其外部激勵Px，t都必須要求有一個明確的解析表達式，以便卷積積分能夠正常進行。如果存在這樣一個外部激勵的理論解析式的話，就表明該外部激勵Px，t與氣閥的響應yx，t并不存在耦合關(guān)系，或者說屬于弱耦合關(guān)系，只有這樣，才能給出一個外部激勵的明確解析式。而對同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機而言，由工作腔壓力變化而引起的氣閥閥片的外部激勵的變化同時影響到氣閥閥片的響應；反過來氣閥閥片的響應也同時影響到工作腔內(nèi)的氣體壓力，兩者相互影響。這是一個典型的強耦合關(guān)系，因此在該問題上并不能采用卷積積分的方式對方程（13）進行求解。

五、結(jié)論

論文研究了同步回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機氣閥在旋轉(zhuǎn)運動作用下的工作狀態(tài)，通過等截面梁的相關(guān)理論對氣閥閥片的自由振動以及強迫振動進行了分析，討論了由于旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力和科氏力對氣閥閥片的振動特性的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)科氏力對氣閥閥片的影響作用很小，而離心力對氣閥振動的影響不僅體現(xiàn)在外激勵上，還會影響到其自由振動特性。在上述分析基礎(chǔ)上建立了考慮旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生的離心力的作用的氣閥閥片振動的數(shù)學模型，并提出了合適的求解方法。

參考文獻：

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