CN109441816B - 一种类椭圆形滚动活塞及滚动活塞压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种类椭圆形滚动活塞及滚动活塞压缩机，活塞具有多种型线组合而成的轮廓，质心与主轴重合，活塞本体与气缸同心；相较于圆形滚动活塞，与气缸接触点处的曲率半径大，排气过程中能够减小滑片的上下运动速率，减小与气缸以及滑片之间的摩擦角；各部分型线在组合连接处的曲率半径相同。滚动活塞压缩机包括气缸，活塞设置在气缸的腔体当中，活塞与主轴固定连接，通过主轴带动活塞做旋转运动，在气缸的腔体内壁上安装有能够始终与活塞紧密接触的滑片，滑片由滑片弹簧进行支承；机壳两端的气缸端盖上开设有进气孔和排气孔，排气孔上设置有排气阀。本发明能减少活塞的摩擦与泄漏，使活塞的体积和质量做大。

Description

一种类椭圆形滚动活塞及滚动活塞压缩机
技术领域
本发明涉及压缩机领域，具体涉及一种类椭圆形滚动活塞及滚动活塞压缩机。
背景技术
滚动活塞压缩机又称滚动转子压缩机。由于现代加工技术的迅速发展，滚动活塞压缩机的技术也日益完善。特别到了20世纪70年代以后，滚动活塞压缩机在小型封闭式制冷压缩机中所占的比例越来越大。作为容积式压缩机，滚动活塞压缩机是利用旋转运动的转子、气缸以及滑片构成周期性变化的密闭容积室，来对气体进行压缩。它相对于往复式压缩机体积可减小40％～50％，重量轻50％，易损件减少35％～40％，并可以用于输送污浊和带液滴、含粉尘的工艺用气体。所以滚动压缩机广泛应用于小型制冷压缩机，以及特殊场合的化工工艺场合以及军工场合。但传统的滚动活塞压缩机的滑片与转子之间由于圆形滚动活塞导致滑片上下相对运动速率以及空隙增大，会产生较大的泄漏以及摩擦问题，使机器的性能大大降低。并且传统滚动活塞压缩机由于平衡质量问题，无法将滚动活塞压缩机做成大型压缩机。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种类椭圆形滚动活塞及滚动活塞压缩机，一方面能够减少摩擦与泄漏，另一方面可以让滚动活塞的体积和质量做大。
为了实现上述目的，本发明类椭圆形滚动活塞采用的技术方案为：
具有多种型线组合而成的轮廓，质心与主轴重合，活塞本体与气缸同心；相较于圆形滚动活塞，与气缸接触点处的曲率半径大，排气过程中能够减小滑片的上下运动速率，减小与气缸以及滑片之间的摩擦角；各部分型线在组合连接处的曲率半径相同。
第一种优选方案，活塞的轮廓由椭圆与圆弧型线组合而成，气缸的直径为R，偏心距为e，活塞椭圆部分短轴长度为b，b＝R-e；椭圆部分长轴长度为短轴长度的1.5倍，在椭圆部分两侧上下与x轴夹角为60°的位置做圆弧部分，椭圆部分与圆弧部分的切线方程为
Figure GDA0002503067210000021
a为椭圆长轴长度，b为椭圆短轴长度，x0为切点横坐标，y0为切点纵坐标，找出与切线垂直并经过切点的直线，找到直线在x轴上的交点，以交点为圆心作圆，得到跟椭圆切点处曲率相同的圆；挖去偏心质量，将活塞质心调节到气缸的中心，达到与气缸同心。
第二种优选方案，本发明类椭圆形滚动活塞的轮廓由心形线与直线型线组合而成，根据心形线参数方程
Figure GDA0002503067210000022
对x、y分别求导得到心形线的切线斜率
Figure GDA0002503067210000023
心形线与直线的切点在
Figure GDA0002503067210000024
处，由于心形线上下对称，连接切点得到直线；挖去偏心质量，将活塞质心调节到气缸的中心，达到与气缸同心。
第三种优选方案，本发明类椭圆形滚动活塞的轮廓由心形线与圆弧型线组合而成，根据心形线的参数方程
Figure GDA0002503067210000025
对x、y分别求导得到心形线的切线斜率
Figure GDA0002503067210000026
心形线与圆弧的切点在
Figure GDA0002503067210000027
处，由切点得到切点处的法线方程
Figure GDA0002503067210000028
x0,y0为切点坐标，由于心形线上下对称，找到切点处的法线与x轴交点，以交点为圆心作圆，得到跟心形线切点处曲率相同的圆；挖去偏心质量，将活塞质心调节到气缸的中心，达到与气缸同心。
第四种优选方案，本发明类椭圆形滚动活塞的轮廓由摆线与圆弧型线组合而成，根据摆线的参数方程
Figure GDA0002503067210000029
求导得到摆线的切线斜率
Figure GDA00025030672100000210
分别选择
Figure GDA00025030672100000211
Figure GDA00025030672100000212
的点作为摆线与圆弧的切点，得到切线及其法线，由于摆线弧段上下对称，分别找到法线与x轴的交点，并以交点为圆心作圆，得到跟摆线切点处曲率相同的圆；挖去偏心质量，将活塞质心调节到气缸的中心，达到与气缸同心。
本发明应用类椭圆形滚动活塞的压缩机，包括固定在机壳当中的气缸，活塞设置在气缸的腔体当中，活塞与主轴固定连接，通过主轴的旋转带动活塞做旋转运动，在气缸的腔体内壁上安装有能够始终与活塞紧密接触的滑片，滑片由滑片弹簧进行支承；机壳两端的气缸端盖上开设有进气孔和排气孔，排气孔上设置有排气阀，当活塞与气缸的切点到达进气孔时，基元面积与进气孔相通，随着活塞的转动，基元面积逐渐增大，开始吸气过程；当活塞与气缸的切点转过进气孔后，基元面积逐渐减小，开始压缩过程，腔内压力逐渐升高，当腔内压力达到排气压力时，排气阀打开，开始排气过程，当到达排气孔时，排气过程结束。
优选的，所述活塞与主轴通过键固定连接。
优选的，滑片的顶端采用类椭圆形，类椭圆形用于增大滑片与活塞接触部分的曲率。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：将滚动式活塞做成类椭圆结构，减小活塞与气缸接触的曲率，进而会减少滑片上下相对运动的速率，改变滑片与活塞的接触形状以减小滑片与活塞接触的摩擦角，进而减少摩擦与泄漏。传统滚动活塞压缩机的转子是偏心结构，存在旋转动平衡的问题，需要在活塞的一侧和电机的一端添加平衡质量，并且仍无法平衡所产生的倾覆力矩，导致现有滚动活塞压缩机都无法做的很大。本发明将滚动式活塞做成类椭圆结构，通过调节质心，能够使活塞与气缸同心，有效降低甚至消除偏心质量及离心力，不需要平衡质量，能够让滚动活塞体积和质量做大，使滚动式活塞压缩机向大型化发展。
进一步的，本发明压缩机滑片的顶端采用类椭圆形，增大滑片端部的曲率，能够增大滑片与滚动活塞的实际接触面积，进而减小接触应力，从而减少滑片和滚动式活塞之间的摩擦。
附图说明
图1本发明的整体结构示意图；
图2本发明的主轴结构示意图；
图3本发明主轴连接滚动式活塞的结构示意图；
图4本发明滑片与滑片弹簧的连接结构示意图；
图5本发明气缸、活塞和滑片的装配结构示意图；
图6本发明压缩机的工作原理示意图；
图7本发明由椭圆与圆弧型线组合而成的活塞轮廓；
图8本发明由心形线与直线型线组合而成的活塞轮廓；
图9本发明由心形线与圆弧型线组合而成的活塞轮廓；
图10本发明由摆线与圆弧型线组合而成的活塞轮廓；
附图中：1-进气孔；2-气缸；3-活塞；4-滑片；5-排气孔；6-滑片弹簧；7-主轴；8-机壳；9-键槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明采用类椭圆形滚动活塞的滚动活塞压缩机在结构上包括气缸2、滑片4、活塞3、进气孔1、排气孔5、排气阀以及滑片弹簧6，其中，气缸2固定在机壳8上，活塞3与主轴7通过键连接，通过主轴7的旋转带动滚动活塞3做旋转运动。滑片弹簧6的弹簧力使滑片4与活塞3紧密接触，滑片4能够上下运动，与活塞3一直接触。本发明压缩机的工作过程如下：当活塞3与气缸2之间的切点T到达进气孔1的A点时，基元面积与进气孔1相通，随着活塞3的转动，基元面积逐渐增大，开始吸气过程，这个过程一直持续到活塞3转过第二转。当切点T转过进气孔1后，基元面积逐渐减小，开始压缩过程。腔内压力逐渐升高，当腔内压力达到排气压力时，排气阀打开，开始排气过程，直到B点时，排气过程结束。
本发明类椭圆形滚动活塞，将活塞设计成类椭圆形状。气缸2通过螺栓连接固定在机壳8上，气缸2的内腔为圆形，其中心位置有曲轴7与滚动活塞3相连，带动滚动活塞3做旋转运动，滚动活塞3与气缸2、滑片4以及气缸两端端盖组成密闭的腔室。所述的滚动活塞3为类椭圆形，滚动活塞3气缸2之间存在配合关系，并减小与气缸2接触处的曲率。通过质心的平衡，使滚动活塞3的质心与气缸2中心曲轴重合，达到与气缸2同心。
本发明类椭圆形滚动活塞采用椭圆与圆弧型线组合而成的轮廓，首先根据气量等参数确定合适的气缸2的直径，即为图6中的R，偏心距一般选取滚动活塞3半径的0.25倍以下，即为图1中的e。根据以上数据就可以得到滚动活塞3的半径，即为图6中的b，也是滚动活塞3类椭圆结构的椭圆的短轴长度。其中b＝R-e。选取合适的椭圆长轴长度，优选短轴的1.5倍左右，这样就可以得到一个椭圆。在椭圆右侧上下合适的角度，优选60°，即为图7中的α，与椭圆交于A，B两点。根据椭圆方程推导得到A，B两点处的切线方程L1，
Figure GDA0002503067210000051
进而得到跟L1，L3两条切线垂直的并过椭圆切点A，B的直线方程L2，L4，由于上下对称，这两条直线L2，L4交点在x轴上，交点为图7中O1，以O1点为圆心，以O1A为半径画圆得到一个跟椭圆切点处曲率相同的圆。同理，在椭圆的左侧也可以做出以O2为圆心，以O2D为半径的圆。这样就可以得到一个类椭圆的结构型线，即由椭圆弧段AD和BC，圆弧段AB和CD组成。对于上述的设计思路画出效果图见图7。最后通过在滚动活塞3上挖去偏心质量，将滚动活塞3的质心调节到气缸2中心，达到与气缸2同心。
本发明类椭圆形滚动活塞轮廓采用心形线(r＝a(1-sin(θ)))加直线型线。同理，先根据气量等参数确定气缸2的直径，再根据偏心距等参数，最后确定心形线参数a。根据心形线的参数方程
Figure GDA0002503067210000052
对x、y分别求导可以得到心形线的切线斜率
Figure GDA0002503067210000053
当切线斜率为正无穷时，心形线在该处的切线为垂直x轴，并且与心形线相切。所以心形线与直线的切点在
Figure GDA0002503067210000054
处，即为图3的A点处，由于心形线上下对称当
Figure GDA0002503067210000055
即为C点，这样在A，C两点处的切线即为直线AC，连接AC得到一个滚动活塞的结构型线，即由心形线弧线ABC，直线段AC组成，画出效果图见图8。最后通过在滚动活塞3上挖去偏心质量，将滚动活塞3的质心调节到气缸2中心，达到与气缸2同心。
本发明类椭圆形滚动活塞轮廓采用心形线加圆弧型线。同上先确定心形线的参数a，然后根据心形线的参数方程等，得到心形线的切线斜率。先确定合适的心形线与圆弧线的切点，优选
Figure GDA0002503067210000061
即为图9中的A点，过该点的切线为L1，根据切点得到该切点处的法线方程
Figure GDA0002503067210000062
即为直线L2，L2与x轴交点为O1，O1即为圆弧段的圆心，O1A即为圆弧半径。由于心形线上下对称，这段圆弧与心形线的另一个切点即为点C，最终的型线由心形线弧线ABC,圆弧段ADC组成，如图9所示。最后通过在滚动活塞3上挖去偏心质量，将滚动活塞3的质心调节到气缸2中心，达到与气缸2同心。
本发明类椭圆形滚动活塞轮廓采用摆线
Figure GDA0002503067210000063
加圆弧型线。同上，先根据气量以及偏心距等参数确定摆线参数a。将得到的摆线关于x轴对称，即可以得到封闭的两段摆线。先选择合适的摆线与圆弧切点。优选为
Figure GDA0002503067210000064
即为图10中的A点。同理也是先根据摆线参数方程得到摆线的切线斜率
Figure GDA0002503067210000065
即可以得到切线L1，通过A点的法线L2与x轴的交点O2，O2即为圆弧段圆心，O2A即为圆弧半径。同理可以得到
Figure GDA0002503067210000066
处，即为D点处的摆线的切线与法线，O1为右侧圆弧段的圆心，O1D为右侧圆弧段的半径。X轴下侧的B，C处的圆弧用同样的方法可以得到。最终得到摆线加圆弧型线，即由摆线弧段AD，BC，圆弧段AB，CD组成。根据以上思路最后得到效果图参见图10。最后运通过在滚动活塞3上挖去偏心质量，将滚动活塞3的质心调节到气缸2中心，达到与气缸2同心。
本发明新型滚动活塞压缩机还包括对滑片顶端的设计。将滑片4的顶端设计为类椭圆形，增大顶端的曲率。其设计方法同上相似，主要是改变参数，选取上述型线的一半即可。
应当指出，在滚动活塞压缩机，满足滚动活动采用各种曲线相互连接，连接处曲率相同的非圆形活塞都应视为落入本发明的保护范围之内。以上所述仅仅是本发明的几种较佳实施方法，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明精神原则的前提下，还可以进行若干改进和润饰，这些改进和润饰也属于本发明由所提交权利要求划定的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种类椭圆形滚动活塞，其特征在于：活塞具有多种型线组合而成的轮廓，其质心与主轴(7)重合，活塞本体与气缸(2)同心；相较于圆形滚动活塞，类椭圆形滚动活塞与气缸(2)接触点处的曲率半径大，排气过程中能够减小滑片(4)的上下运动速率，减小与气缸以及滑片之间的摩擦角；各部分型线在组合连接处的曲率半径相同；
类椭圆形滚动活塞的轮廓由椭圆与圆弧型线组合而成，或者由心形线与直线型线组合而成，或者由心形线与圆弧型线组合而成，或者由摆线与圆弧型线组合而成；
轮廓由椭圆与圆弧型线组合而成，气缸(2)的直径为R，偏心距为e，活塞椭圆部分短轴长度为b，b＝R-e；椭圆部分长轴长度为短轴长度的1.5倍，圆弧部分连接在椭圆部分两侧上下与x轴夹角为60°的位置，椭圆部分与圆弧部分的切线方程为
Figure FDA0002503067200000011
a为椭圆长轴长度，b为椭圆短轴长度，x0为切点横坐标，y0为切点纵坐标；圆弧部分与椭圆部分在切点处的曲率相同，与切线垂直并经过切点的直线相交于x轴，交点为圆弧部分的圆心；活塞质心与气缸(2)同心；
轮廓由心形线与直线型线组合而成，根据心形线的切线斜率方程
Figure FDA0002503067200000012
在
Figure FDA0002503067200000013
处取心形线与直线的切点，直线为心形线上下对称两部分切点的连线；活塞质心与气缸(2)同心；
轮廓由心形线与圆弧型线组合而成，根据心形线的切线斜率方程
Figure FDA0002503067200000014
在
Figure FDA0002503067200000015
处取心形线与圆弧的切点，根据心形线切点处的法线方程
Figure FDA0002503067200000016
x0,y0为切点坐标，圆弧部分与心形线部分在切点处曲率相同，圆心为切点处法线与x轴的交点，活塞质心与气缸(2)同心；
轮廓由摆线与圆弧型线组合而成，根据摆线的切线斜率方程
Figure FDA0002503067200000017
分别选择
Figure FDA0002503067200000021
的点作为摆线与圆弧的切点，得到切线以及对应切线的法线，圆弧部分的圆心为法线与x轴的交点，圆弧部分与摆线部分在切点处的曲率相同，活塞的质心与气缸(2)同心。
2.一种应用权利要求1所述的类椭圆形滚动活塞的滚动活塞压缩机，其特征在于：包括固定在机壳(8)当中的气缸(2)，活塞(3)设置在气缸(2)的腔体当中，活塞(3)与主轴(7)固定连接，通过主轴(7)的旋转带动活塞(3)做旋转运动，在气缸(2)的腔体内壁上安装有能够始终与活塞(3)紧密接触的滑片(4)，滑片(4)由滑片弹簧(6)进行支承；机壳(8)两端的气缸端盖上开设有进气孔(1)和排气孔(5)，排气孔(5)上设置有排气阀，当活塞(3)与气缸(2)的切点到达进气孔(1)时，基元面积与进气孔(1)相通，随着活塞(3)的转动，基元面积逐渐增大，开始吸气过程；当活塞(3)与气缸(2)的切点转过进气孔(1)后，基元面积逐渐减小，开始压缩过程，腔内压力逐渐升高，当腔内压力达到排气压力时，排气阀打开，开始排气过程，当到达排气孔(5)时，排气过程结束；所述滑片(4)的顶端采用类椭圆形，类椭圆形用于增大滑片(4)与活塞(3)接触部分的曲率半径。
3.根据权利要求2所述的滚动活塞压缩机，其特征在于：所述的活塞(3)与主轴(7)通过键固定连接。
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