CN112580161A - 压缩机设计方法、压缩机及存储介质 - Google Patents

压缩机设计方法、压缩机及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种压缩机设计方法、压缩机及存储介质，压缩机设计方法包括：以压缩机的设计排量V为对象，建立以气缸的缸径为X轴，气缸的缸高为Y轴的直角坐标系；绘制V下的结构尺寸限制线a，a为垂直于X轴的一条直线，a上任意点P的坐标为(Xp，Yp)；绘制V下的几何尺寸限制线b，b上任意点T的坐标为(Xt，Yt)；绘制V下的轴承的受力尺寸限制线c，c上任意点Q的坐标为(Xq，Yq)；绘制V下的滑片的受力尺寸限制线d，d上任意点S的坐标为(Xs，Ys)；a、b、c、d围绕形成封闭区域，封闭区域中的值即为对应于V的缸径和缸高的设计参数范围。采用该方法，考虑进了多重因素的影响，保证了压缩机在高转速下仍有高可靠性。

Description

压缩机设计方法、压缩机及存储介质
技术领域
本发明涉及压缩机技术领域，具体而言，涉及一种压缩机设计方法、压缩机及存储介质。
背景技术
变频旋转式压缩机作为变频空调的核心零部件，近十几年来得到了快速的发展，其通过变频控制来实现压缩机容积随负载的变化，能显著提高空调系统的季节能效比及在低环境温度下的热舒适性。随着新材料、新技术的发展，变频空调系统小型化和节能环保的需求越来越高。如何更好地实现压缩机应用于空调系统的小型化，是行业内技术发展面临的共同难题。
现阶段变频旋转式压缩机小型化的主要瓶颈在于转速的限制，主要是考虑可靠性的不利影响。从压缩机本体来看，转速提升后，压缩机运行时的轴系受力严重恶化、曲轴挠度显著增加，这些对于压缩机的可靠性均产生十分不利的影响。因此，对于宽频技术应用条件下的变频压缩机，如何解决转速增大引起的可靠性问题，确保压缩机正常稳定高效运行，是本领域亟待解决的技术瓶颈之一。
发明内容
本发明提供了一种压缩机设计方法、压缩机及存储介质，以提高压缩机在高转速下的可靠性。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种压缩机设计方法，压缩机包括气缸、轴承、滑片，所述压缩机设计方法包括：
以所述压缩机的设计排量V为对象，建立以所述气缸的缸径为X轴，所述气缸的缸高为Y轴的直角坐标系；
绘制V下的结构尺寸限制线a，a为垂直于X轴的一条直线，a上任意点P的坐标为(Xp，Yp)，其中，Xp为P点对应的缸径值Dp，Yp为P点对应的缸高值Hp；
绘制V下的几何尺寸限制线b，b上任意点T的坐标为(Xt，Yt)，其中，Xt为T点对应的缸径值Dt，Yt为T点对应的缸高值Ht；
绘制V下的所述轴承的受力尺寸限制线c，c上任意点Q的坐标为(Xq，Yq)，其中，Xq为Q点对应的缸径值Dq，Yq为Q点对应的缸高值Hq；
绘制V下的所述滑片的受力尺寸限制线d，d上任意点S的坐标为(Xs，Ys)，其中，Xs为S点对应的缸径值Ds，Ys为S点对应的缸高值Hs；
a、b、c、d围绕形成封闭区域，所述封闭区域中的值即为对应于V的缸径和缸高的设计参数范围。
进一步地，10cc≤V≤40cc。
进一步地，15cc≤V≤28cc。
进一步地，a上任意点P的坐标满足：0＜Xp≤60mm，Yp＞0。
进一步地，b上任意点T的坐标满足：38mm≤Xt≤50mm，0＜Yt≤50mm。
进一步地，c上任意点Q的坐标满足：0＜Xq≤80mm，20mm≤Yq≤30mm。
进一步地，d上任意点S的坐标满足：0＜Xs≤65mm，16mm≤Ys≤24mm。
进一步地，所述压缩机还包括壳体，所述壳体的内径为D，在绘制a之前，所述压缩机设计方法还包括：确定对应于V的缸径极值D1max，其中，Xp＝D1max＝(0.46～0.48)*D。
根据本发明的另一方面，提供了一种压缩机，所述压缩机包括气缸、轴承和滑片，所述轴承包括上法兰和下法兰，所述气缸设置在所述上法兰和所述下法兰之间，所述滑片可滑动地设置在所述气缸内，所述压缩机由上述的压缩机设计方法设计而成。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，所述程序执行上述的压缩机设计方法。
应用本发明的技术方案，提供了一种压缩机设计方法，包括：以压缩机的设计排量V为对象，建立以气缸的缸径为X轴，气缸的缸高为Y轴的直角坐标系；绘制V下的结构尺寸限制线a，a为垂直于X轴的一条直线，a上任意点P的坐标为(Xp，Yp)；绘制V下的几何尺寸限制线b，b上任意点T的坐标为(Xt，Yt)；绘制V下的轴承的受力尺寸限制线c，c上任意点Q的坐标为(Xq，Yq)；绘制V下的滑片的受力尺寸限制线d，d上任意点S的坐标为(Xs，Ys)；a、b、c、d围绕形成封闭区域，封闭区域中的值即为对应于V的缸径和缸高的设计参数范围。采用该方法，考虑了多重因素对压缩机的影响，保证了压缩机在高转速下仍有高可靠性。该设计方法在设计初期便可实现方案可靠性的全面考量，在初始方案筛选时即可实现轴系、运动件的可靠性确认，从设计源头和根本上确保压缩机小型化的应用可行性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了压缩机的结构示意图；
图2示出了图1中的压缩机的剖视图；
图3示出了采用本发明中的压缩机设计方法设计参数范围的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、气缸；20、滑片；30、壳体；41、上法兰；42、下法兰；50、曲轴；60、滚子。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种压缩机设计方法，压缩机包括气缸10、轴承、滑片20，压缩机设计方法包括：
以压缩机的设计排量V为对象，建立以气缸10的缸径为X轴，气缸10的缸高为Y轴的直角坐标系；
绘制V下的结构尺寸限制线a，a为垂直于X轴的一条直线，a上任意点P的坐标为(Xp，Yp)，其中，Xp为P点对应的缸径值Dp，Yp为P点对应的缸高值Hp；
绘制V下的几何尺寸限制线b，b上任意点T的坐标为(Xt，Yt)，其中，Xt为T点对应的缸径值Dt，Yt为T点对应的缸高值Ht；
绘制V下的轴承的受力尺寸限制线c，c上任意点Q的坐标为(Xq，Yq)，其中，Xq为Q点对应的缸径值Dq，Yq为Q点对应的缸高值Hq；
绘制V下的滑片20的受力尺寸限制线d，d上任意点S的坐标为(Xs，Ys)，其中，Xs为S点对应的缸径值Ds，Ys为S点对应的缸高值Hs；
a、b、c、d围绕形成封闭区域，封闭区域中的值即为对应于V的缸径和缸高的设计参数范围。
其中，缸径为气缸10的内径，缸高为气缸10的高度。采用该方法，考虑了多重因素对压缩机的影响，保证了压缩机在高转速下仍有高可靠性。该设计方法在设计初期便可实现方案可靠性的全面考量，在初始方案筛选时即可实现轴系、运动件的可靠性确认，从设计源头和根本上确保压缩机小型化的应用可行性。
在本实施例中，10cc≤V≤40cc。
进一步地，15cc≤V≤28cc。
在本实施例中，a上任意点P的坐标满足：0＜Xp≤60mm，Yp＞0。
在本实施例中，b上任意点T的坐标满足：38mm≤Xt≤50mm，0＜Yt≤50mm。
在本实施例中，c上任意点Q的坐标满足：0＜Xq≤80mm，20mm≤Yq≤30mm。
在本实施例中，d上任意点S的坐标满足：0＜Xs≤65mm，16mm≤Ys≤24mm。
在本实施例中，压缩机还包括壳体30，壳体30的内径为D，在绘制a之前，压缩机设计方法还包括：确定对应于V的缸径极值D1max，其中，Xp＝D1max＝(0.46～0.48)*D。
本发明的另一实施例提供了一种压缩机，压缩机包括气缸10、轴承和滑片20，轴承包括上法兰41和下法兰42，气缸10设置在上法兰41和下法兰42之间，滑片20可滑动地设置在气缸10内，压缩机由上述的压缩机设计方法设计而成。该压缩机考虑了多重因素的影响，保证了压缩机在高转速下仍有高可靠性。在初始方案筛选时即可实现轴系、运动件的可靠性确认，从设计源头和根本上确保压缩机小型化的应用可行性。
具体地，压缩机可以为单缸压缩机或双缸、三缸等多缸压缩机。
本发明的另一实施例提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，程序执行上述的压缩机设计方法。
本发明的技术方案能够解决如下技术问题：变频旋转式压缩机在高转速(120rps及以上)下因轴系受力变形大幅恶化导致噪音大的问题，严重影响用户体验；变频旋转式压缩机在高转速(120rps及以上)下因运动件摩擦磨损导致的能效及可靠性降低问题。
本技术方案可有效降低曲轴50在高转速下由于轴系严重受力产生的摩擦功耗损失和机械摩擦噪声；可有效降低运动件高速运行时的摩擦磨损，避免由此导致的能效及可靠性降低。
为了便于理解本方案，下面进一步进行说明。
转子压缩机作为空调系统的动力“心脏”，是实现空调整体功能发挥的关键因素。作为转子压缩机重要产品特征之一的可靠性指标，直接影响到转子压缩机及空调功能的实现程度。随着行业节能环保的发展，转子压缩机向“高能力密度”设计理念的转变，高转速、小型化、轻量化等设计思路会导致整机及相关零部件的可靠性水平降低。在压缩机初始设计阶段，由于不具备利用成熟样机或样件进行试验的条件，同时传统的可靠性评估方式已难以满足转子压缩机高转速、小型化、轻量化的实际应用需要，因此，形成一种基于整机及零部件可靠性设计评估指标为基础的转子压缩机可靠性优化设计方法，具有非常重要的理论和实际意义。
变频旋转式压缩机的壳体30内由上而下设置有电机组件和泵体组件，壳体外连接有分液器部件。其中，分液器部件主要由上盖、筒体、吸气管、隔板、滤网、支架、下盖等组成。泵体组件包括：内部有一定压缩腔空间的气缸10，气缸中间隔板(用于双缸或多缸)，起传动作用的曲轴50，可以支撑曲轴的上轴承(即上法兰41)和下轴承(即下法兰42)，以及对冷媒进行压缩工作的滚子60。压缩过程中滑片20的头部面与滚子外圆面始终接触，从而在气缸内分隔出吸气腔、压缩腔，二者容积之和称为工作腔容积，压缩机所有气缸的工作腔容积之和称为压缩机排量V(cc)。气缸内、外壁由一吸气通路贯穿，制冷剂蒸汽从分液器出口流出，经所述吸气通路进入气缸进行压缩，压缩后的制冷剂蒸汽从气缸端面处的排气口排出进入壳体内封闭空间，经壳体上盖组件的排气管流出进入冷凝器进行散热，然后流入蒸发器进行吸热，此时的过热蒸汽从分液器进气口处进入分液器，其内部的湍流蒸汽经过分液器内部的进气管、出气口流出，进而流入压缩机内完成一个制冷循环。
基于宽频率技术变频压缩机运行时(尤其高频率运行时)，会导致压缩机轴系受力严重恶化、曲轴挠度显著增加、运动件摩擦磨损，对于压缩机高频应用可靠性非常不利，且严重影响用户体验性。因此，对于宽频运行的变频压缩机而言，在设计前期就需对其进行重点研究分析，需建立起一种转子压缩机宽频可靠性优化保障设计方法，从根本上确保压缩机小型化的应用可行性。
本发明提供的设计方法及原理如下：
步骤1、以设计排量V为对象，建立以轴径(也即气缸径向尺寸)为X轴、缸高为Y轴的直角坐标系。
对应的设计排量V(cc)满足：10≤V≤40；进一步地，15≤V≤28。
步骤2、通过系列、结构外形分析，确定对应于设计排量V的缸径极值(最大缸径D1max)、绘制设计排量下的结构尺寸限制线a，该a线为垂直于X轴的一条单值直线，该限制线a上任意点P的坐标为(Xp，Yp)，其中Xp为P点对应的缸径值dp，Yp为P点对应的缸高值Hp。
现对相关分析阐述如下：滚动转子式压缩机工作原理如图2所示。可以看出，泵体压缩腔位于壳体内部，其中心与壳体内径及旋转部件(曲轴)的基轴中心为同心设置；旋转部件(曲轴)还带有偏心部设计，其偏心部与滚子为同心装配，曲轴基轴中心与偏心部中心的距离称为曲轴偏心量；滑片被容纳于气缸滑片槽内，随曲轴旋转运动而进行往复运动，其运行的最大行程为2倍偏心量。从结构布设上来看，滚动转子式压缩机通过气缸精加工面与轴承端面的精密配合，实现泵体压缩腔的轴向密封；通过滑片头部与滚子外圆的配合，实现泵体压缩腔的径向密封。因此，考虑到上述结构特征和设计需求，对于特定系列的滚动转子式压缩机而言，在该系列下必定存在缸径的极大值D1max，当实际气缸直径D＞D1max时，压缩机将面临结构上的设计限制和设计困难。
由于结构所限，对于特定系列的转子压缩机，对应于设计排量V存在缸径极值，此时存在D1max＝(0.46～0.48)*壳体内径，即对于构成结构限制线a上任意点P的坐标(Xp，Yp)，有：Xp＝D1max＝(0.46～0.48)*壳体内径，Yp＞0。
步骤3、通过几何关系分析，确定对应于设计排量V的缸高极值(最大缸高H2max，最小缸高H2min)、缸径极值(最大缸径D2max，最小缸径D2min)，绘制设计排量下的几何尺寸限制线b，该限制线b上任意点T的坐标为(Xt，Yt)，其中Xt为T点对应的缸径值dt，存在D2min≤dt≤D2max；Yt为T点对应的缸高值Ht，存在H2min≤Ht≤H2max。
从几何关系上来看，对于单缸转子压缩机而言，主要的几何尺寸限制因素为曲轴轴径、滚子厚度和密封距离；对于双缸转子压缩机而言，主要的几何尺寸限制因素除上述外，还存在隔板密封距离的限制。如前所述，为确保实际工艺装配的可行性，滚动转子式压缩机泵体压缩腔尺寸应至少遵循以下几何设计原则：
曲轴轴径＜偏心圆外径-2倍偏心量；隔板密封距离＝滚子厚度-偏心量>最小动密封长度(仅限双缸)。
发明人经过大量的研究和论证发现，对于应用于宽频场合的压缩机而言，其偏心量的合理取值范围与普通压缩机相比要更窄，根据偏心量＝(气缸直径-滚子外径)/2的几何关系可知，当排量不变时，基于几何关系设定的气缸直径D2存在极值，同样地，由于排量V＝PI*(气缸半径^2-滚子半径^2)*缸高可知，此时气缸高度H2也存在极值，即对于特定系列的转子压缩机对应于上述设计排量V存在缸径、缸高极值，即对于构成几何限制线b上任意点T的坐标(Xt，Yt)，有：38≤Xt≤65，0≤Yt≤50。
步骤4、通过轴承受力分析，确定对应于设计排量V的缸高极值(最大缸高H3max，最小缸高H3min)、缸径极值(最大缸径D3max，最小缸径D3min)，绘制设计排量下的轴承受力尺寸限制线c，该限制线c上任意点Q的坐标为(Xq，Yq)，其中Xq为Q点对应的缸径值dq，存在D3min≤dq≤D3max；Yq为Q点对应的缸高值Hq，存在H3min≤Hq≤H3max。
从轴承受力的角度来进行分析。滚动转子式压缩机泵体压缩腔的压力直接施加在滚子上，通过曲轴再传递至轴承部分，根据力及力矩平衡原则对轴承承载产生间接影响。因此，从上述表述可以看出，曲轴负载与滚子的受力面积直接相关，从理论上来说，排量一定时，转子压缩机缸径越小，缸高越矮，相同条件下的轴承受力越小。由于缸径与缸高之间呈现反比例关系，对于高频运行的转子压缩机而言，发明人经过大量的研究和论证发现，在一定排量下存在合理的缸高和缸径配合比，使得轴承整体受力较小且轴承受力分布均匀，从而可大幅提升转子压缩机高频运转下的轴系可靠性。此时，轴承受力处于相对合理的范围，因此高频运转时的摩擦磨损较小，高频机械噪声也能得到较好地抑制。
步骤5、通过滑片受力分析，确定对应于设计排量V的缸高极值(最大缸高H4max，最小缸高H4min)、缸径极值(最大缸径D4max，最小缸径D4min)，绘制设计排量下的轴承受力尺寸限制线d，该限制线d上任意点S的坐标为(Xs，Ys)，其中Xs为S点对应的缸径值ds，存在D4min≤ds≤D4max；Ys为S点对应的缸高值Hs，存在H4min≤Hs≤H4max。
从滑片受力的角度来进行分析。如前所述，滚动转子式压缩机泵体压缩腔压力首先作用在滚子上，由于滑片头部与滚子外圆之间为线接触，因此滚子受力也直接传递至滑片，主要从径向方向影响滑片的运动，即滑片在径向方向上的受力应遵循滚子对滑片的法向力与滑片惯性力以及弹簧力之间的平衡。从理论上来说，转子压缩机缸高越矮，滑片头部与滚子间的相互作用力越小；转子压缩机缸径越小，滑片运动的速度和加速度越小，相应的摩擦磨损也随之减小。
由于缸径与缸高之间呈现反比例关系，对于高频运行的转子压缩机而言，发明人经过大量的研究和论证发现，在一定排量下存在合理的缸高和缸径配合比，使得滑片头部整体受力合理且运动速度和加速度较小，从而可大幅提升转子压缩机高频时运动件的可靠性。此时，滑片头部受力处于相对合理的范围，且高频运行时的速度和加速度较小，使得滑片整体的摩擦磨损较小，由此导致的高频机械噪声也能得到较好地抑制。
步骤6、根据上述步骤确定的限制线a、限制线b、限制线c、限制线d所形成的封闭区域，即为对应于设计排量V的最佳设计参数范围。
需要说明的是，在压缩机技术领域中涉及的部件结构众多、且结构参数复杂，最优化的技术参数是需要通过深入研究及大量探索验证才能确定的。压缩机转速范围变宽后，工作运行时面临的可靠性问题相比于现有技术更加复杂，因此对应技术参数的选择至关重要。
根据本发明提案确定的转子压缩机可靠性优化设计保障方法，设计初期便可实现方案可靠性的全面考量，在初始方案筛选时即可实现轴系、运动件的可靠性确认，从设计源头和根本上确保压缩机小型化的应用可行性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩机设计方法，压缩机包括气缸(10)、轴承、滑片(20)，其特征在于，所述压缩机设计方法包括：
以所述压缩机的设计排量V为对象，建立以所述气缸(10)的缸径为X轴，所述气缸(10)的缸高为Y轴的直角坐标系；
绘制V下的结构尺寸限制线a，a为垂直于X轴的一条直线，a上任意点P的坐标为(Xp，Yp)，其中，Xp为P点对应的缸径值Dp，Yp为P点对应的缸高值Hp；
绘制V下的几何尺寸限制线b，b上任意点T的坐标为(Xt，Yt)，其中，Xt为T点对应的缸径值Dt，Yt为T点对应的缸高值Ht；
绘制V下的所述轴承的受力尺寸限制线c，c上任意点Q的坐标为(Xq，Yq)，其中，Xq为Q点对应的缸径值Dq，Yq为Q点对应的缸高值Hq；
绘制V下的所述滑片(20)的受力尺寸限制线d，d上任意点S的坐标为(Xs，Ys)，其中，Xs为S点对应的缸径值Ds，Ys为S点对应的缸高值Hs；
a、b、c、d围绕形成封闭区域，所述封闭区域中的值即为对应于V的缸径和缸高的设计参数范围。
2.根据权利要求1所述的压缩机设计方法，其特征在于，10cc≤V≤40cc。
3.根据权利要求2所述的压缩机设计方法，其特征在于，15cc≤V≤28cc。
4.根据权利要求1所述的压缩机设计方法，其特征在于，a上任意点P的坐标满足：
0＜Xp≤60mm，Yp＞0。
5.根据权利要求1所述的压缩机设计方法，其特征在于，b上任意点T的坐标满足：
38mm≤Xt≤50mm，0＜Yt≤50mm。
6.根据权利要求1所述的压缩机设计方法，其特征在于，c上任意点Q的坐标满足：
0＜Xq≤80mm，20mm≤Yq≤30mm。
7.根据权利要求1所述的压缩机设计方法，其特征在于，d上任意点S的坐标满足：
0＜Xs≤65mm，16mm≤Ys≤24mm。
8.根据权利要求1所述的压缩机设计方法，其特征在于，所述压缩机还包括壳体(30)，所述壳体(30)的内径为D，在绘制a之前，所述压缩机设计方法还包括：
确定对应于V的缸径极值D1max，其中，Xp＝D1max＝(0.46～0.48)*D。
9.一种压缩机，其特征在于，所述压缩机包括气缸(10)、轴承和滑片(20)，所述轴承包括上法兰(41)和下法兰(42)，所述气缸(10)设置在所述上法兰(41)和所述下法兰(42)之间，所述滑片(20)可滑动地设置在所述气缸(10)内，所述压缩机由权利要求1至8中任一项所述的压缩机设计方法设计而成。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，所述程序执行权利要求1至8中任意一项所述的压缩机设计方法。
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