CN109854507A - 一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法，适用于单腔、双腔、三腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计，气缸上的气缸型线由二次螺旋线构成，包括吸入段曲线和排出段曲线；各段组成曲线完全光滑连接且一阶导数连续光滑、二阶导数连续；吸入段曲线对应圆心角的大小为α_n，排出段曲线对应圆心角的大小为β_n，α_n<β_n且气缸型线与转子间形成不对称工作腔，不存在通过回转中心的中心线使不对称工作腔关于其轴对称，减小排气容积，增加排气压力，可有效地提高滑片式压缩机的压比，并能根据设计工况对吸入段曲线和排出段曲线对应的圆心角进行调整。

Description

一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械领域，特别适用于一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法。

背景技术

滑片式压缩机是一种典型的旋转容积式流体机械，常见的滑片式压缩机有单腔、双腔和三腔等结构形式，转子转动过程中，在离心力的作用下滑片被甩出滑槽从而紧贴在气缸内壁面随转子作旋转运动，在吸、排气端盖、滑片、转子和气缸间形成周期性变化的封闭工作腔，完成气体的吸入，压缩和排出过程。与其它类型压缩机相比，滑片式压缩机具有结构简单、零部件少、运转平稳、起动冲击小等优点，可被广泛应用于各种压缩空气装置、小型制冷空调装置和汽车空调系统中。随着对滑片式压缩机研究的逐步深入，可以发现气缸型线决定着气体的排气量、压缩过程以及基元容积、气体压力的变化规律，对滑片式压缩机的整体性能有着至关重要的影响。现有常见的气缸型线类型主要有圆弧、椭圆、简谐等简单形式的曲线或采用正余弦曲线、组合圆弧、组合曲线结合过渡曲线的形式。但对应气缸的各个工作腔的吸排气过程均为轴对称结构，同时受滑片式压缩机强制吸、排气这一特性的影响，工作腔内气体的吸入和排出完全取决于吸、排气口的位置。这将导致气体的压缩过程不完善，排气容积较大，压比偏小，压缩效率低。

发明内容

为了解决滑片式压缩机压比偏小的问题，也为了丰富现有气缸型线的类型，本发明提出了一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法。采用二次螺旋线数学理论构建新型气缸型线，可通过调整吸入段曲线和排出段曲线对应的圆心角占比，使工作腔的几何结构不对称，达到减小排气容积，提高压比的目的。同时，可根据实际工况对排气量和压比进行调整，以扩大滑片式压缩机的工况适用范围。该种新型气缸型线由吸入段曲线和排出段曲线组成，整个气缸型线上任意位置处都连续光滑，满足气缸型线一阶导数连续光滑、二阶导数连续的特性要求。其最大速度特性和最大加速度特性的取值范围均受到限制，滑片在滑槽方向上不存在刚性冲击与软性冲击，有利于改善自身的受力状况，抑制滑片振动和对气缸内壁的撞击，以保证滑片平稳、可靠地运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法，适用于单腔、双腔、三腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计，具体设计步骤如下：

1)确定滑片式压缩机的气缸腔数n，以回转中心点O为圆心，分别作半径为R₁的底圆和R₃的顶圆；

2)给出每段吸入段曲线对应的圆心角为α_n，每段排出段曲线对应的圆心角为β_n，α_n<β_n且α_n+β_n＝2π/n；

3)采用二次螺旋线光滑连接顶圆和底圆，按以下方程设计气缸型线，

n腔第一吸入段曲线A_nB_n的方程为：

式中：t为角度参数；

n腔第一排出段曲线B_nC_n的方程为：

其中，

式中：t为角度参数；

表示初始n腔第一排出段曲线B_nC_n0的方程，M₁表示将其沿X轴镜像的矩阵，M₂表示将镜像后的曲线绕回转中心点O顺时针旋转2π/n角度的旋转矩阵，最终得到n腔第一排出段曲线B_nC_n的方程；

4)满足n腔第一吸入段曲线A_nB_n的曲率腔第一排出段曲线B_nC_n的曲率

式中：t为角度参数；

5)将n腔第一吸入段曲线和n腔第一排出段曲线同时绕回转中心点O旋转2π/n角度，得到n腔第二吸入段曲线和n腔第二排出段曲线；

6)将n腔第二吸入段曲线和n腔第二排出段曲线同时绕回转中心点O旋转2π/n角度，得到n腔第三吸入段曲线和n腔第三排出段曲线；

7)对于单腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计进行到第四步，双腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计进行到第五步，三腔不对称滑片压缩机气缸型线的设计进行到第六步。

本发明的有益效果为：

(1)不对称气缸型线可以提高滑片式压缩机的压比，使压缩机具有较大的排气压力；

(2)可根据实际工况对吸入段曲线和排出段曲线对应的圆心角进行调整，以调节滑片式压缩机的压比；

(3)新型气缸型线各段曲线连续光滑，且满足一阶导数连续光滑，二阶导数连续的特性要求；有利于改善滑片的受力状况，抑制滑片地振动和对气缸内壁的撞击。

(4)丰富了现有滑片式压缩机气缸型线类型。

附图说明

图1为单腔不对称滑片式压缩机气缸型线示意图。

图2为双腔不对称滑片式压缩机气缸型线示意图。

图3为三腔不对称滑片式压缩机气缸型线示意图。

图4为单腔气缸三维结构示意图。

图5为双腔气缸三维结构示意图。

图6位三腔气缸三维结构示意图。

图中：

R₁—顶圆半径，；R₃—底圆半径；1—气缸；101—单腔气缸型线；102—双腔气缸型线；103—三腔气缸型线；ω—角速度；α_n—圆心角∠A_nOB_n的大小；β_n—圆心角∠B_nOC_n的大小；n＝1，2，3...

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，当n＝1时，气缸(1)为单腔结构形式；单腔气缸型线(101)上的A₁点与C₁点重合；单腔气缸型线(101)上存在A₁、B₁两个特殊点，A₁点是单腔气缸型线(101)上距回转中心点O的最近点，位于以回转中心点O为圆心，回转半径为半径R₃的底圆上；B₁点是单腔气缸型线(101)上距回转中心点O的最远点，位于以回转中心点O为圆心，回转半径为R₁的顶圆上；沿着顺时针方向从A₁点到B₁点为单腔气缸型线(101)的吸入段曲线A₁B₁，从B₁点到C₁点为单腔气缸型线(101)的排出段曲线B₁C₁，不存在通过回转中心点O的中心线使单腔气缸型线(101)关于其轴对称；两段曲线之间完全光滑连接，不存在突变点，使得整个的气缸型线(101)完全光滑且一阶导数连续光滑、二阶导数连续；单腔气缸型线(101)的具体设计步骤如下：

1)以回转中心点O为圆心，分别作半径为R₁的顶圆和半径R₃的底圆；

2)设吸入段曲线A₁B₁对应的圆心角∠A₁OB₁的大小为α₁，排出段曲线B₁C₁对应的圆心角∠B₁OC₁的大小为β₁，α₁<β₁且α₁+β₁＝360°；

3)采用二次螺旋线光滑连接顶圆和底圆，求解曲线方程；

4)检验吸入段曲线A₁B₁和排出段曲线B₁C₁的曲率是否满足恒大于零，如不满足该条件，返回第二步，增大圆心角∠A₁OB₁的大小α₁，减小圆心角∠B₁OC₁的大小β₁，直至吸入段曲线A₁B₁和排出段曲线B₁C₁的曲率满足该条件。

如图2所示，当n＝2时，气缸(1)为双腔结构形式；双腔气缸型线(102)存在A₂、B₂、C₂、D₂四个特殊点，A₂、C₂两点是双腔气缸型线(102)上距回转中心点O的最近点，位于以回转中心点O为圆心，回转半径为R₃的底圆上；B₂、D₂两点是双腔气缸型线(102)上距回转中心点O的最远点，位于以回转中心点O为圆心，回转半径为R₁的顶圆上；沿着顺时针方向从A₂点到B₂点为双腔气缸型线(102)的第一吸入段曲线A₂B₂，从B₂点到C₂点为双腔气缸型线(102)的第一排出段曲线B₂C₂，从C₂点到D₂点为双腔气缸型线(102)的第二吸入段曲线C₂D₂，从D₂点到A₂点为双腔气缸型线(102)的第二排出段曲线D₂A₂；双腔气缸型线(102)在A₂、B₂、C₂、D₂四个特殊点处均能够光滑过渡，不存在突变点，使得整个的双腔气缸型线(102)完全光滑且一阶导数连续光滑、二阶导数连续；双腔气缸型线(102)的具体设计步骤如下：

1)以回转中心点O为圆心，分别作半径为R₁的顶圆和半径R₃的底圆；

2)设第一吸入段曲线A₂B₂对应的圆心角∠A₂OB₂的大小为α₂，第一排出段曲线B₂C₂对应的圆心角∠B₂OC₂的大小为β₂，α₂<β₂且α₂+β₂＝180°；

3)采用二次螺旋线光滑连接顶圆和底圆，求解曲线方程；

4)检验第一吸入段曲线A₂B₂和第一排出段曲线B₂C₂的曲率是否满足恒大于零，如不满足该条件，返回第二步，增大圆心角∠A₂OB₂的大小α₂，减小圆心角∠B₂OC₂的大小β₂，直至第一吸入段曲线A₂B₂和第一排出段曲线B₂C₂的曲率满足该条件；

5)将第一吸入段曲线A₂B₂和第一排出段曲线B₂C₂同时顺时针绕回转中心点O旋转180°，得到第二吸入段曲线C₂D₂和第二排出段曲线D₂A₂，构成完整的双腔气缸型线(102)。

如图3所示，当n＝3时，气缸(1)为三腔结构形式；三腔气缸型线(103)上存在A₃、B₃、C₃、D₃、E₃、F₃六个特殊点，A₃、C₃、E₃三点是气缸型线(101)上距回转中心点O的最近点，位于以回转中心点O为圆心，回转半径为R₃的底圆上；B₃、D₃、F₃三点是三腔气缸型线(103)上距回转中心点O的最远点，位于以回转中心点O为圆心，回转半径为R₁的顶圆上；沿着顺时针方向从A₃点到B₃点为气缸型线(103)的第一吸入段曲线A₃B₃，从B₃点到C₃点为三腔气缸型线(103)的第一排出段曲线B₃C₃，从C₃点到D₃点为三腔气缸型线(103)的第二吸入段曲线C₃D₃，从D₃点到E₃点为三腔气缸型线(103)的第二排出段曲线D₃E₃；从E₃点到F₃点为三腔气缸型线(103)的第三吸入段曲线E₃F₃，从F₃点到A₃点为三腔气缸型线(103)的第三排出段曲线F₃A₃不存在通过回转中心点O的中心线使三腔气缸型线(103)关于其轴对称；三腔气缸型线(103)在A₃、B₃、C₃、D₃、E₃、F₃六个特殊点处均能够光滑过渡，不存在突变点，使得整个的三腔气缸型线(103)完全光滑且一阶导数连续光滑、二阶导数连续；三腔气缸型线(103)的具体设计步骤如下：

1)以回转中心点O为圆心，分别作半径为R₁的顶圆和半径R₃的底圆；

2)设第一吸入段曲线A₃B₃对应的圆心角∠A₃OB₃的大小为α₃，第一排出段曲线B₃C₃对应的圆心角∠B₃OC₃的大小为β₃，α₃<β₃且α₃+β₃＝120°；

3)采用二次螺旋线光滑连接顶圆和底圆，求解曲线方程；

4)检验第一吸入段曲线A₃B₃和第一排出段曲线B₃C₃的曲率是否满足恒大于零，如不满足该条件，返回第二步，增大圆心角∠A₃OB₃的大小α₃，减小圆心角∠B₃OC₃的大小β₃，直至第一吸入段曲线A₃B₃和第一排出段曲线B₃C₃的曲率满足该条件；

5)将第一吸入段曲线A₃B₃和第一排出段曲线B₃C₃同时顺时针绕回转中心点O旋转120°，得到第二吸入段曲线C₃D₃和第二排出段曲线D₃E₃；

6)将第一吸入段曲线A₃B₃和第一排出段曲线B₃C₃同时顺时针绕回转中心点O旋转240°，得到第三吸入段曲线E₃F₃和第三排出段曲线F₃A₃，构成完整的三腔气缸型线(103)。

图4为单腔气缸(1)的三维整体结构，采用该种气缸型线设计方法时形成一个不对称工作腔，可根据实际工况的不同对气缸(1)的轴向高度进行调整。

图5为双腔气缸(1)的三维整体结构，采用该种气缸型线设计方法时形成两个不对称工作腔，可根据实际工况的不同对气缸(1)的轴向高度进行调整。

图6为三腔气缸(1)的三维整体结构，采用该种气缸型线设计方法时形成三个不对称工作腔，可根据实际工况的不同对气缸(1)的轴向高度进行调整。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种不对称滑片式压缩机气缸型线的设计方法，其特征是：适用于单腔、双腔、三腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计，具体设计步骤如下：

1)确定滑片式压缩机的气缸腔数n，以回转中心点O为圆心，分别作半径为R₁的底圆和R₃的顶圆；

2)给出每段吸入段曲线对应的圆心角为α_n，每段排出段曲线对应的圆心角为β_n，α_n<β_n且α_n+β_n＝2π/n；

3)采用二次螺旋线光滑连接顶圆和底圆，按以下方程设计气缸型线，

n腔第一吸入段曲线A_nB_n的方程为：

式中：t为角度参数；

n腔第一排出段曲线B_nC_n的方程为：

其中，

式中：t为角度参数；

表示初始n腔第一排出段曲线B_nC_n0的方程，M₁表示将其沿X轴镜像的矩阵，M₂表示将镜像后的曲线绕回转中心点O顺时针旋转2π/n角度的旋转矩阵，最终得到n腔第一排出段曲线B_nC_n的方程；

4)满足n腔第一吸入段曲线A_nB_n的曲率n腔第一排出段曲线B_nC_n的曲率

式中：t为角度参数；

5)将n腔第一吸入段曲线和n腔第一排出段曲线同时绕回转中心点O旋转2π/n角度，得到n腔第二吸入段曲线和n腔第二排出段曲线；

6)将n腔第二吸入段曲线和n腔第二排出段曲线同时绕回转中心点O旋转2π/n角度，得到n腔第三吸入段曲线和n腔第三排出段曲线；

7)对于单腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计进行到第四步，双腔不对称滑片式压缩机气缸型线的设计进行到第五步，三腔不对称滑片压缩机气缸型线的设计进行到第六步。