CN112177892B - 一种排气阀片和压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排气阀片和压缩机，排气阀片包括根部段、腰部段和头部段，所述头部段与排气口相对，所述根部段、所述腰部段和所述头部段连接为一体，且所述腰部段位于所述根部段和所述头部段之间，所述腰部段与所述根部段相接处的宽度为b1，所述腰部段与所述头部段相接处的宽度为b0，所述腰部段的宽度被设置为b1>b0。根据本发明保证阀片等厚度的前提下通过调节阀片的宽度来调节阀片刚度，提高阀片的可靠性，解决变模量、变厚度及滑块运动等变刚度方案的不适用性问题，且不会降低压缩机的性能，还降低了噪音水平，较上述变模量、变厚度及运动滑块等变刚度方案易于加工实现，且效果显著。

Description

一种排气阀片和压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种排气阀片和压缩机。

背景技术

压缩机被誉为空调器的心脏，其通过压缩制冷剂来实现空调系统的换热。排气阀片作为压缩机的核心部件，它控制着制冷剂在气缸内压缩到一定压力时气体的排出。当排气时，阀片迅速开启至一定升程致使阀片猛烈撞击挡板；当排气结束时，阀片由于自身刚度会快速闭合并猛烈拍击阀座，阀片周而复始的拍击挡板与阀片经常会造成阀片的断裂。阀片断裂主要表现为两种形式：阀片根部弯曲断裂和阀片头部冲击断裂，前一种断裂是由于阀片升程过大致使阀片弯曲刚度不足引起的根部弯曲应力超过了弯曲疲劳强度导致的断裂，后一种断裂是由于阀片冲击挡板或阀座的撞击力过大致使冲击应力超过了冲击疲劳强度导致的断裂。两种断裂形式的最常用解决途径往往是加厚阀片来抵御断裂，从弯曲角度来看，加厚阀片可提高阀片弯曲刚度，一来可减小弯曲应力，二来可减缓对挡板的撞击作用且减小阀片同挡板或阀座的撞击应力。

现有排气阀片的设计多采用三段式设计，即阀片分为根部段、腰部段和头部段。根部段通过铆钉或螺钉与挡板和法兰约束，腰部段为主要变形段，多采用等宽度（等刚度）设计，头部段多为圆形用于盖在排气口上。由于阀片原材料多为国外进口的不同等级的等厚度精密钢带，因此在提高阀片刚度上往往采用更高一级厚度的阀片来保证其可靠性，单厚度的增加往往会降低压缩机的性能并增加噪音水平，因此需要从其他角度来考虑增加阀片刚度。

现有技术公开了一种用于压缩机的排气阀片及具有其的压缩机，其采用改变阀片弹性模量来实现变刚度，需采用不同的材料进行拼合，如第一段采用塑料件、第二段采用高密度合成材料件、第三段采用钢件……，不同材料间的拼合难度非常大，难于实现。现有技术还公开了压缩机的排气阀片和具有其的压缩机，其采用变厚度来实现阀片的变刚度，但阀片钢带厂家在生产阀片材料时只生产不同厚度等级的合金钢带，如0.254mm、0.305mm、0.381mm等厚度，变厚度的阀片刚度较难实现。现有技术还公开了阀片结构及具有其的压缩机，其采用滑块运动来实现阀片的变刚度，该方案首先加工难度巨大，其次由于阀片要高频运行，可达200Hz，即阀片每运动一个周期需5ms，在如此短的时间内是较难实现滑块从阀片根部至头部的大幅运动的，即便可以实现，那滑块对阀片将会产生非常大的冲击作用力，更易造成阀片的断裂，故该方案更难以实现且效果欠佳。因此，急需提出一种新的阀片变刚度方案，且易于加工实现，来改变现有压缩机阀片断裂的问题。

由于现有技术中的传统压缩机排气阀片容易产生断裂、而采用变厚度或变弹性模量等方式来改变刚度，但是较难实现，并且会降低压缩机性能以及增加噪音水平等问题，因此本发明研究设计出一种排气阀片和压缩机。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题主要在于克服现有技术中的压缩机排气阀片容易产生断裂、而采用变厚度或变弹性模量等方式来改变刚度，会降低压缩机性能的缺陷，从而提供一种排气阀片和压缩机。

为了解决上述问题，本发明提供一种排气阀片，其中：

包括根部段、腰部段和头部段，所述头部段与排气口相对，所述根部段、所述腰部段和所述头部段连接为一体，且所述腰部段位于所述根部段和所述头部段之间，所述腰部段与所述根部段相接处的宽度为b1，所述腰部段与所述头部段相接处的宽度为b0，所述腰部段的宽度被设置为b1>b0。

优选地，所述腰部段的宽度还被设置为：1.2≤b1/b0≤2.5。

优选地，所述排气阀片的纵截面为矩形截面，其刚度EI=Ebh³/12，其中EI为刚度，E为排气阀片的弹性模量，b为排气阀片的宽度，h为排气阀片的厚度。

优选地，所述腰部段的宽度被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈线性变化或非线性变化。

优选地，当所述腰部段的宽度被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈线性变化时，所述腰部段的宽度还被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈逐渐减小；

当所述腰部段的宽度被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈非线性变化时，所述腰部段的宽度还被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈逐渐减小；

当所述腰部段的宽度被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈非线性变化时，所述腰部段的宽度还被设置为从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处先逐渐减小、后逐渐增大。

优选地，当所述腰部段的宽度还被设置为从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处先逐渐减小、后逐渐增大时：

所述腰部段的宽度的最小位置为第一位置，所述腰部段与所述根部段的相接位置为第二位置，且有所述第一位置与所述第二位置之间的距离为a₀，所述腰部段和所述头部段的总长度为L，所述头部段的横截面成圆形、且所述头部段的直径为a，并有0.6≤a₀/(L-a)≤1。

优选地，当所述腰部段的宽度还被设置为从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处先逐渐减小、后逐渐增大时：

所述排气阀片的腰部段被设置为宽度方向的两侧壁呈抛物线型线，所述腰部段与所述根部段相接处的宽度b1=12mm，所述腰部段与所述头部段相接处的宽度b0=6mm，所述腰部段的宽度的最小位置为第一位置，所述腰部段与所述根部段的相接位置为第二位置，且有所述第一位置与所述第二位置之间的距离a0=11mm。

优选地，当所述腰部段的宽度被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈线性变化时，所述排气阀片为线性变刚度阀片，所述腰部段与所述根部段相接处的宽度b1=12mm，所述腰部段与所述头部段相接处的宽度b0=6mm。

优选地，当所述腰部段的宽度被设置为：从与所述根部段的相接处至与所述头部段的相接处呈非线性变化时，所述腰部段的宽度方向的两侧壁的型线为圆弧形、抛物线型或双曲线型。

本发明还提供一种压缩机，其包括前任一项所述的排气阀片。

本发明提供的一种排气阀片和压缩机具有如下有益效果：

本发明通过将排气阀片中的腰部段设置为与根部段相接处的宽度比与头部段相接处的宽度大，能够使得腰部段形成为变宽度设计结构，从而使得腰部段的刚度在与头部段相接处比与根部段相接处要小，保证阀片等厚度的前提下通过调节阀片的宽度来调节阀片刚度，提高阀片的可靠性，解决变模量、变厚度及滑块运动等变刚度方案的不适用性问题，且不会降低压缩机的性能，还降低了噪音水平，较上述变模量、变厚度及运动滑块等变刚度方案易于加工实现，且效果显著；并且通过本发明对于阀片的变宽度设计，能够有效地改变阀片腰部处的刚度，提高阀片的刚度，有效降低了阀片的弯曲应力（最优地降低了最大弯曲应力），大幅降低了阀片的疲劳断裂的概率。

附图说明

图1是现有技术中传统的压缩机排气阀片的俯视结构图；

图2是本发明的压缩机排气阀片（变宽度）的主视图；

图3是本发明的压缩机排气阀片实施例1（变宽度）的俯视图；

图4是本发明的压缩机排气阀片实施例2（变宽度）的俯视图；

图5是现有技术的等刚度排气阀片的应力随位置分布曲线图；

图6是本发明的压缩机排气阀片实施例1的应力随位置分布曲线图；

图7是本发明的压缩机排气阀片实施例2的应力随位置分布曲线图。

附图标记表示为：

100、排气阀片；1、根部段； 2、腰部段；21、第一位置；22、第二位置；3、头部段；4、铆钉；200、限位装置；5、法兰；6、阀座；7、排气口。

具体实施方式

如图2-7所示，本发明提供一种排气阀片，其中：

包括根部段1、腰部段2和头部段3，所述头部段3与排气口相对，所述根部段1、所述腰部段2和所述头部段3连接为一体，且所述腰部段2位于所述根部段1和所述头部段3之间，所述腰部段2与所述根部段1相接处的宽度为b1，所述腰部段2与所述头部段3相接处的宽度为b0，所述腰部段2的宽度被设置为b1>b0。

本发明通过将排气阀片中的腰部段设置为与根部段相接处的宽度比与头部段相接处的宽度大，能够使得腰部段形成为变宽度设计结构，从而使得腰部段的刚度在与头部段相接处比与根部段相接处要小，保证阀片等厚度的前提下通过调节阀片的宽度来调节阀片刚度，提高阀片的可靠性，解决变模量、变厚度及滑块运动等变刚度方案的不适用性问题，且不会降低压缩机的性能，还降低了噪音水平，较上述变模量、变厚度及运动滑块等变刚度方案易于加工实现，且效果显著；并且通过本发明对于阀片的变宽度设计，能够有效地改变阀片腰部处的刚度，提高阀片的刚度，有效降低了阀片的弯曲应力（最优地降低了最大弯曲应力），大幅降低了阀片的疲劳断裂的概率。

如图1所示，为传统的排气阀片结构，主要分为根部段、腰部段和头部段。根部段通过铆钉或螺钉与挡板和法兰约束，腰部段为主要变形段，多采用等宽度（等刚度）设计，头部段多为圆形用于盖在排气口上。图2给出了阀片组件的配合形式，阀片放置于法兰之上，阀片头部正盖在法兰排气口的阀座上，阀片尾部铆钉孔与法兰铆钉孔想对齐，挡板放置于阀片之上，并通过铆钉将挡板和阀片约束在法兰上，其中挡板平行段对齐阀片尾部保证阀片尾部的固定端约束；挡板中部为一弧线型翘起段，主要对应阀片腰部段，保证阀片在上升到一定高度时贴合在挡板之上以约束其升程；挡板头部为一矩形结构用于阻挡阀片头部的升程。阀片在开启时会向上运动至挡板处，此时会造成阀片头部对挡板的冲击作用以及阀片根部承受最大弯曲应力作用，阀片升程及结构参数设置不合理往往会造成阀片最大弯曲应力过大进而导致根部弯曲断裂。阀片在闭合时会向下运动，造成阀片头部与阀座的猛烈冲击，该过程可能会造成阀片头部的冲击断裂。不管是阀片的根部弯曲断裂还是阀片的头部冲击断裂，往往只能通过增厚阀片以提升阀片刚度进行改进，但该方法会造成压缩机性能的下降及噪音水平的增加。

如图3所示为本发明申请的线性变刚度排气阀片结构，其与传统排气阀片结构的不同之处在于阀片腰部段宽度采用线性变化结构，阀片根部侧腰宽度为b1与头部侧腰宽度b0存在如下关系：1.2≤b1/b0≤2.5，可更为有效的体现出阀片变刚度的意义。对于阀片弯曲断裂，主要影响因素为阀片根部侧腰部刚度，而头部侧腰部刚度影响较小，故采用变刚度方法可更好的提高阀片抗弯曲疲劳强度。相比图1所示的传统等刚度排气阀片结构，该线性变刚度排气阀片结构可大幅减小阀片根部最大弯曲应力，基于根部最大应力的减小，可适当提高阀片升程，加大压缩腔气体排出流量，同时由于阀片刚度的增加会加速阀片闭合，避免高频下在排气结束时阀片仍未闭合导致气体回流的现象，以大幅提高压缩机性能。

优选地，所述腰部段2的宽度还被设置为：1.2≤b1/b0≤2.5。本发明通过将腰部段的宽度还设置在上述尺寸范围内，能够最大程度地使得阀片刚度处于最优范围，增大程度地提高阀片的可靠性，解决变模量、变厚度及滑块运动等变刚度方案的不适用性问题，提高压缩机的性能，降低了噪音水平。

3.根据权利要求1或2所述的排气阀片，其特征在于：

所述排气阀片的纵截面为矩形截面，其刚度EI=Ebh³/12，其中EI为刚度，E为排气阀片的弹性模量，b为排气阀片的宽度，h为排气阀片的厚度，且进一步降低了阀片的弯曲应力（最优地降低了最大弯曲应力），大幅降低了阀片的疲劳断裂的概率。

优选地，所述排气阀片的纵截面为矩形截面，其刚度EI=Ebh³/12，其中EI为刚度，E为排气阀片的弹性模量，b为排气阀片的宽度，h为排气阀片的厚度。本发明通过建立刚度与弹性模量、排气阀片的宽度和厚度之间的关系式，能够有效找到刚度与弹性模量、排气阀片的宽度和厚度之间的对应关系，即通过改变宽度的方式有效改变排气阀片的刚度，提高对排气阀片的刚度控制，提高排气阀片的可靠性，且防止了断裂。

优选地，所述腰部段2的宽度被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈线性变化或非线性变化。这是本发明的腰部段的进一步优选结构形式，即腰部段可以从根部段相接位置至与头部段相接位置呈线性的变化形式而减小宽度、或呈线性的变化形式而减小宽度，以实现逐渐减小宽度或渐变等形式的方式来减小宽度，达到控制阀片刚度的效果。

除了上述图3所示的线性变刚度阀片外，如图4所示的非线性变刚度排气阀片结构亦可达到相应的效果，其与传统排气阀片结构和线性变刚度排气阀片结构的不同之处在于阀片腰部段宽度采用非线性变化结构，该非线性段可采用抛物线型、双曲线型、圆弧型、多项式型等结构，无论任何非线性结构，其阀片根部侧腰宽度为b1与头部侧腰宽度b0存在如下关系：1.2≤b1/b0≤2.5，非线性段顶点据根部距离a0与变形段长度l和阀片头部直径a存在如下关系：0.6≤a0/(L-a)≤1，可更为有效的体现出阀片变刚度的意义。该非线性变刚度阀片可和上述线性变刚度阀片达到一致效果，即可更好的提高阀片抗弯曲疲劳强度，同时大幅提高压缩机性能。

优选地，当所述腰部段2的宽度被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈线性变化时，所述腰部段2的宽度还被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈逐渐减小；

当所述腰部段2的宽度被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈非线性变化时，所述腰部段2的宽度还被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈逐渐减小；

当所述腰部段2的宽度被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈非线性变化时，所述腰部段2的宽度还被设置为从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处先逐渐减小、后逐渐增大。

这是本发明的腰部段的宽度为线性变化或非线性变化的进一步的三种不同的优选结构形式，即可以为线性的逐步减小、或非线性的逐步减小或非线性的先减小后增大，均使得与头部段相接处的宽度小于与根部段相接处的宽度。

优选地，当所述腰部段2的宽度还被设置为从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处先逐渐减小、后逐渐增大时：

所述腰部段2的宽度的最小位置为第一位置21，所述腰部段2与所述根部段1的相接位置为第二位置22，且有所述第一位置21与所述第二位置22之间的距离为a0，所述腰部段2和所述头部段3的总长度为L，所述头部段3的横截面成圆形、且所述头部段的直径为a，并有0.6≤a0/(L-a)≤1。

通过上述的尺寸关系有效地控制最小宽度的第一位置处于不至于离根部段过近或过远，防止过近时有效影响并导致腰部段与根部段相接位置的宽度较小、导致该处的最大弯曲应力过大的情况，并防止过远时有效影响并导致腰部段与根部段相接位置的宽度较大、而导致根部段宽度太大、增大阀片体积等情况发生。

优选地，当所述腰部段2的宽度还被设置为从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处先逐渐减小、后逐渐增大时：

所述排气阀片的腰部段被设置为宽度方向的两侧壁呈抛物线型线，所述腰部段2与所述根部段1相接处的宽度b1=12mm，所述腰部段2与所述头部段3相接处的宽度b0=6mm，所述腰部段2的宽度的最小位置为第一位置21，所述腰部段2与所述根部段1的相接位置为第二位置22，且有所述第一位置21与所述第二位置22之间的距离a0=11mm。

对于非线性变刚度阀片，以抛物线型阀片为例，在相同参数下除了调整阀片根部侧腰部宽度值为12mm外，取抛物线顶点据根部距离a0=11mm，可得其根部最大弯曲应力为606MPa，相比原方案降低了253MPa应力，降幅29.5%，大大降低了阀片疲劳断裂概率。而且对于非线性变刚度阀片，其最大弯曲应力并未发生在阀片根部侧腰部，而是发生在腰部段一定距离处，可自主设置阀片最易发生弯曲断裂的最薄弱位置。

优选地，当所述腰部段2的宽度被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈线性变化时，所述排气阀片为线性变刚度阀片，所述腰部段2与所述根部段1相接处的宽度b1=12mm，所述腰部段2与所述头部段3相接处的宽度b0=6mm。

图4-6分别给出了等刚度阀片、线性变刚度阀片和非线性变刚度阀片在相同参数下的弯曲应力分布图。以某款压缩机阀片参数为例，阀片厚度为0.381mm，腰部宽度为6mm，变形段长度24mm，阀片升程为2.2mm，弹性模量E为210GPa，通过力学计算等刚度阀片结果如图5所示，可得其根部最大弯曲应力为859MPa，已接近阀片的弯曲疲劳极限值，极易阀片疲劳断裂。在相同参数下仅调整阀片根部侧腰部宽度值为12mm，可得到线性变刚度下排气阀片的最大弯曲应力应力为596MPa，相比原方案降低了263MPa应力，降幅30.6%，大大降低了阀片疲劳断裂概率。即本发明的变宽度腰部的排气阀片能够相对于现有排气阀片而言有效降低阀片的最大弯曲应力。

优选地，当所述腰部段2的宽度被设置为：从与所述根部段1的相接处至与所述头部段3的相接处呈非线性变化时，所述腰部段2的宽度方向的两侧壁的型线为圆弧形、抛物线型或双曲线型。这是本发明的非线性腰部段的具体宽度型线的变化形式，对于非线性变刚度排气阀片，其非线性段以圆弧型为主，利于加工，同时亦可采用抛物线型、双曲线型、多项式型等结构。

本发明还提供一种压缩机，其包括前任一项所述的排气阀片。

本发明的压缩机在能够保证排气阀片等厚度的前提下通过调节阀片的宽度来调节阀片刚度，提高阀片的可靠性，解决变模量、变厚度及滑块运动等变刚度方案的不适用性问题，且不会降低压缩机的性能，还降低了噪音水平，较上述变模量、变厚度及运动滑块等变刚度方案易于加工实现，且效果显著；并且通过本发明对于阀片的变宽度设计，能够有效地改变阀片腰部处的刚度，提高阀片的刚度，有效降低了阀片的弯曲应力（最优地降低了最大弯曲应力），大幅降低了阀片的疲劳断裂的概率。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种排气阀片，其特征在于：

包括根部段（1）、腰部段（2）和头部段（3），所述头部段（3）与排气口相对，所述根部段（1）、所述腰部段（2）和所述头部段（3）连接为一体，且所述腰部段（2）位于所述根部段（1）和所述头部段（3）之间，所述腰部段（2）与所述根部段（1）相接处的宽度为b1，所述腰部段（2）与所述头部段（3）相接处的宽度为b0，所述腰部段（2）的宽度被设置为b1>b0；

所述腰部段（2）的宽度还被设置为：1.2≤b1/b0≤2.5；

所述腰部段（2）的宽度被设置为：从与所述根部段（1）的相接处至与所述头部段（3）的相接处呈非线性变化；

所述腰部段（2）的宽度还被设置为从与所述根部段（1）的相接处至与所述头部段（3）的相接处先逐渐减小、后逐渐增大；

所述腰部段（2）的宽度的最小位置为第一位置（21），所述腰部段（2）与所述根部段（1）的相接位置为第二位置（22），且有所述第一位置（21）与所述第二位置（22）之间的距离为a₀，所述腰部段（2）和所述头部段（3）的总长度为L，所述头部段（3）的横截面成圆形、且所述头部段的直径为a，并有0.6≤a₀/(L-a)≤1。

2.根据权利要求1所述的排气阀片，其特征在于：

所述排气阀片的纵截面为矩形截面，其刚度EI=Ebh³/12，其中EI为刚度，E为排气阀片的弹性模量，b为排气阀片的宽度，h为排气阀片的厚度。

3.根据权利要求1所述的排气阀片，其特征在于：

所述排气阀片的腰部段被设置为宽度方向的两侧壁呈抛物线型线，所述腰部段（2）与所述根部段（1）相接处的宽度b1=12mm，所述腰部段（2）与所述头部段（3）相接处的宽度b0=6mm，所述腰部段（2）的宽度的最小位置为第一位置（21），所述腰部段（2）与所述根部段（1）的相接位置为第二位置（22），且有所述第一位置（21）与所述第二位置（22）之间的距离a0=11mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的排气阀片，其特征在于：

所述腰部段（2）的宽度方向的两侧壁的型线为圆弧形、抛物线型或双曲线型。

5.一种压缩机，其特征在于：包括权利要求1-4中任一项所述的排气阀片。

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