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无油涡旋压缩机的摩擦损失特性分析

无油涡旋压缩机的摩擦损失特性分析

作者：张振宏兰州理工大学

学位级别：硕士

“双碳目标”对于我国新能源汽车的发展指出新的发展思路和要求,其中作为新能源汽车中重要组成系统——压缩机的研究也需新思路和新技术。目前,无油涡旋压缩机凭借重量轻、空间紧凑,高效率、高可靠性和无油润滑等优势,被广泛地应用于新... 详细信息

“双碳目标”对于我国新能源汽车的发展指出新的发展思路和要求,其中作为新能源汽车中重要组成系统——压缩机的研究也需新思路和新技术。目前,无油涡旋压缩机凭借重量轻、空间紧凑,高效率、高可靠性和无油润滑等优势,被广泛地应用于新能源汽车中。然而,由于无油涡旋压缩机中无油润滑,致使其摩擦损失很大程度上影响着压缩机整机性能。本文通过构建完整的无油涡旋压缩机摩擦损失模型,重点对动、静涡旋盘间的摩擦损失、主轴曲柄销、主、副轴承以及小曲拐处轴承的摩擦损失进行了定量化研究,同时分析单参数和混合参数对摩擦损失的影响,提出了降低摩擦损失和提升整机稳定性的改进方案。主要研究内容包含以下几方面:(1)无油涡旋压缩机数学模型的建立,在满足动、静涡旋齿啮合的条件下利用弧长标架获得了圆渐开线的涡旋型线和涡旋型线的基本参数,分别构建了吸气、压缩和排气过程工作腔内气体容积随转角的变化公式,然后探究得到吸气、压缩和排气全过程中容积随主轴转角的变化规律。分析了无油涡旋压缩机工作过程中的泄漏与传热,进一步分析了涡旋压缩机内气体压力随主轴转角的变化规律。(2)摩擦损失特性对无油涡旋压缩机性能的影响。在静力学的基础上,计算和分析涡旋压缩机所受的各气体力和非气体力,得到轴向力和切向力随主轴转角变化趋势相同,径向力基本保持不变。进一步分析动涡旋盘所受离心力、倾覆力矩、自转力矩、小曲拐以及曲轴的受力随主轴转角的变化趋势。建立了动、静涡旋盘之间摩擦损失、动涡旋盘与曲柄销之间、小曲拐以及主轴上主、副轴承的摩擦损失模型,分析得到摩擦损失随主轴转角增加而增加,当主轴转角达到排气角时摩擦损失达到最大,随着主轴转角继续增加,摩擦损失减小。(3)分析单参数—基圆半径、回转半径和转速变化对动、静涡旋盘、动涡旋盘与曲柄销、小曲拐轴承以及曲轴主、副轴承摩擦损失的影响。得到转速对动、静涡旋盘等处摩擦损失的影响最大,在曲轴上主轴承位置处的摩擦损失最大,其次是曲柄销,副轴承处的摩擦最小的结论。将单一参数混合,进一步分析混合参数对摩擦损失的影响。研究回转半径和主轴转速变化对动、静涡旋盘之间、动涡旋盘与曲柄销之间、主轴主、副轴承处摩擦损失的影响;分析基圆半径与主轴速度变化对动、静涡旋盘之间、动涡旋盘与曲柄销之间以及主轴主、副轴承处摩擦损失的影响;最后综合分析了回转半径与基圆半径变化对动、静涡旋盘之间摩擦损失的影响。(4)搭建试验平台,对排量为0.6m/min的无油涡旋压缩机样机进行性能测试,得到在不同排气压力下排气量、排气温度和电机功率随主轴转速的变化规律。利用电机效率、压缩机效率得到试验摩擦损失功率,并通过与仿真模拟分析数据进行对比分析,验证了本文所建摩擦损失模型的准确性。并且进一步给出在无油涡旋压缩机工作时减小摩擦损失的改进措施。

关键词：无油涡旋压缩机数学模型摩擦损失单参数混合参数

基于CFD的无油涡旋压缩机冷却风机结构优化

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基于CFD的无油涡旋压缩机冷却风机结构优化

作者：马捷兰州理工大学

学位级别：硕士

新型无油涡旋压缩机相较于其他类型的容积式压缩机,以可靠性高、运行平稳,适合于无油化的工作环境等优势,在实际工业中被广泛使用。而无油涡旋压缩机在工作过程中核心部件会产生大量的热量,其中冷却通道是为核心部件进行散热的结构。为... 详细信息

新型无油涡旋压缩机相较于其他类型的容积式压缩机,以可靠性高、运行平稳,适合于无油化的工作环境等优势,在实际工业中被广泛使用。而无油涡旋压缩机在工作过程中核心部件会产生大量的热量,其中冷却通道是为核心部件进行散热的结构。为实现压缩机效率最大化,本文利用CFD技术,对无油涡旋压缩机的冷却通道进行模拟仿真。通过优化结构参数提升通道出风量,更好的为动、静涡旋盘散热,确保压缩机高效工作。本论文的主要研究内容如下:首先,本文以排气量为0.6m/min的无油涡旋压缩机为原始模型,基于软件ANSYS Workbench和Fluent为模拟工具,在数值计算的过程中为了确保结果的精准性,对冷却通道外部壳体与内部风轮的耦合结构分别抽取流体域实体,并采用ICEM划分其整体网格,通过MRF的方法对影响无油涡旋压缩机冷却通道内部流体分布的参数进行综合分析。其次,根据仿真结果对风轮附近的紊乱现象进行改善。为解决风轮叶片之间的涡旋和尾迹损耗,将影响气流分布的参数展开研究,通过改变参数分析影响通道气流分布的主要原因。将两组叶片型线对比,得到优化后的型线效率可提升3%;将三组叶片数量对比,得到不同变量可使冷却通道效率提升8%;三组叶片出口安装角对比,得到不同变量可使冷却通道效率提升7%。最终将叶片间涡流最少且尾迹损耗最小的参数选为最优参数,得到最优风轮结构参数。最后,根据仿真结果对外部壳体结构进行优化,在壳体出口处增设导流板,分析导流板对内部流场的主要影响;在壳体蜗舌处增加与其相切的圆角,分析圆角模型对蜗舌附近气流分布的影响;并将已经确定好的优化方案,进行不同风量工况的对比,确定冷却通道所能达到的最佳效率值。经过对无油涡旋压缩机冷却通道结构参数的研究,将最优参数整合,并与原始模型进行对比分析得到:在可行工况的范围内,优化后的冷却通道出风量更大,效率最高可提升4.19%,充分实现为核心部件散热,保持压缩机高效工作的目的。

关键词：无油涡旋压缩机冷却通道仿真模拟结构参数优化效率

多场耦合作用下无油涡旋压缩机的局部型线修正研究

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多场耦合作用下无油涡旋压缩机的局部型线修正研究

作者：齐婷兰州理工大学

学位级别：硕士

近年来,无油涡旋压缩机因其独特的优势应用广泛,众多专家学者对其展开多方面的探索研究。然而,目前关于型线优化和修正的所有研究均采用改变型线参数的方法,这往往对参数所定义的整条曲线产生影响,不具备局部修正的特性。针对此问题,本... 详细信息

近年来,无油涡旋压缩机因其独特的优势应用广泛,众多专家学者对其展开多方面的探索研究。然而,目前关于型线优化和修正的所有研究均采用改变型线参数的方法,这往往对参数所定义的整条曲线产生影响,不具备局部修正的特性。针对此问题,本文建立了无油涡旋压缩机的几何模型,对动涡旋盘进行受力分析,其次通过有限元法得到涡旋齿变形规律并定义了局部修正区间,提出一种基于B样条的既能进行局部修正,又能全局调控的涡旋型线设计方法,最后对涡旋型线进行局部修正并分析对比修正前后的最佳装配间隙。主要研究内容如下:(1)对无油涡旋压缩机涡旋型线几何理论进行阐述,给出涡旋型线方程并建立几何模型,对工作腔进行划分,运用软件编程计算出整体和各单一工作腔腔室容积及其变化率;对动涡旋盘进行受力分析,运用软件编程得到其所受各气体力、力矩随主轴转角的变化规律。(2)基于建立的几何模型、受力分析及实际工况下测得的各腔室的温度与压力,对动、静涡旋盘及其装配体分别进行单一载荷和耦合场作用下的有限元分析,定义涡旋齿内、外壁面变形较大部分为局部修正区间,并通过控制变量法,得到样机的最佳装配间隙。(3)以三次均匀、准均匀B样条曲线作为研究对象,运用反求控制法,分别得到二者表达的涡旋型线,对两种型线进行离散化和误差评定,得到相同型值点下三次准均匀B样条曲线表达的涡旋型线拟合精度更高的结论,最后给出基于B样条的涡旋压缩机工作容积的计算公式,并计算对比修正前后的工作腔容积。(4)以三次准均匀B样条表达的新型涡旋型线和已知的涡旋齿内、外壁面变形规律、局部修正区间为基础,通过调整新型线上对应局部修正区间内的控制点位置,得到修正后的型线并建立修正后动、静涡旋盘和装配体的三维模型。(5)对局部修正后装配体进行有限元分析,得到其最佳装配间隙并与修正前结果进行分析对比,得到局部修正后装配体的最佳轴向间隙基本不变而最佳径向间隙减小的结论,证明本文所提出的型线设计方法的可行性和正确性。

关键词：无油涡旋压缩机 B样条局部修正有限元分析

基于表面织构的无油涡旋压缩机齿顶密封性能研究

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基于表面织构的无油涡旋压缩机齿顶密封性能研究

作者：冯硕兰州理工大学

学位级别：硕士

无油涡旋压缩机由于其压缩工质纯净,符合目前需要洁净工质的行业的要求,越来越受到市场的青睐,无油涡旋压缩机也因此得到飞速的发展。此外,涡旋压缩机还具有结构紧凑,效率高等优点,使无油涡旋压缩机广泛应用于工业,交通,农业等行业,拥... 详细信息

无油涡旋压缩机由于其压缩工质纯净,符合目前需要洁净工质的行业的要求,越来越受到市场的青睐,无油涡旋压缩机也因此得到飞速的发展。此外,涡旋压缩机还具有结构紧凑,效率高等优点,使无油涡旋压缩机广泛应用于工业,交通,农业等行业,拥有广阔的应用前景。无油涡旋压缩机由于其结构特点,泄漏问题依然是影响其效率的很重要的因素,因此,需要对泄漏问题进行研究和优化。根据以上问题,本文以无油涡旋压缩机为研究对象,建立其几何模型和数学模型,分析其泄漏特性;并基于表面织构方法,建立流体间隙的三维模型,进行仿真模拟,分析具有表面织构的密封条在对于无油涡旋压缩机减小摩擦和减少泄漏量方面的功能和作用。本文的主要研究和工作内容如下:(1)建立无油涡旋压缩机的几何模型,并根据几何模型建立了在实际工况下的数学模型。包括其传热模型和泄漏模型。得到了随着主轴转角变化,压力、容积、质量流量的变化规律。(2)分析了压缩机的泄漏模型,计算相邻的两个工作腔在切向泄漏和轴向的径向泄漏的泄漏量大小,得到了质量流量的变化曲线。结果表明:切向泄漏的气体的质量流量远远小于径向泄漏的质量流量,压缩机主要的泄漏形式为径向泄漏,切向泄漏气体的质量流量的变化幅度也远远小于径向泄漏的变化幅度。(3)分析三种不同的密封结构,建立了三种密封结构的泄漏数学模型,并对模型进行计算分析,通过对比发现具有表面织构的密封条密封结构的泄漏量最小,其次是密封条密封结构,光滑密封的泄漏量最大。(4)建立了不同形状及不同深度的表面织构的三维模型,通过对模型进行边界条件的设定,使其的压力入口和压力出口分别为第二和第三压缩腔内的平均压力,对该模型进行仿真模拟,结果表明:具有表面织构的模型比无表面织构的模型对与涡旋盘底面的作用力大,并且具有椭圆形表面织构的模型的作用力最大;圆形表面织构的模型出口的质量流量比无表面织构的模型的小。(5)利用试验验证了仿真结果。在密封条上加工圆形表面织构,并将无表面织构的密封条和具有表面织构的密封条安装在涡旋齿的密封槽中进行对比试验,通过测量不同工况下压缩机出口质量流量以及压缩机工作效率等数值,验证了表面织构对于无油涡旋压缩机的泄漏以及摩擦磨损问题的优化效果。

关键词：无油涡旋压缩机表面织构泄漏密封摩擦

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无油涡旋压缩机的泄漏特性研究

流体机械 2018年第10期46卷 35-40页

作者：彭斌赵生显李要红兰州理工大学甘肃兰州730050

基于圆渐开线型线方程,运用微分几何学得到容积变化规律。从热力学基本定律的角度出发,结合质量、能量守恒方程和气体状态方程,对涡旋压缩机的泄漏特性进行了详细的分析和研究。通过运用改进的Euler法对所建立的数学模型进行求解,得到... 详细信息

基于圆渐开线型线方程,运用微分几何学得到容积变化规律。从热力学基本定律的角度出发,结合质量、能量守恒方程和气体状态方程,对涡旋压缩机的泄漏特性进行了详细的分析和研究。通过运用改进的Euler法对所建立的数学模型进行求解,得到了气体在有泄漏和无泄漏两种不同的工况下的温度、压力和质量的变化趋势。结果表明:泄漏对质量的影响最大,而对压力的影响最小。该数学模型对无油涡旋压缩机的研究和性能优化,具有一定的指导和借鉴作用。

关键词：无油涡旋压缩机泄漏特性数学模型性能优化

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无油涡旋压缩机涡旋盘的应变分析及试验验证

流体机械 2018年第7期46卷 1-8页

作者：彭斌李要红赵生显兰州理工大学甘肃兰州730050

采用Solidworks建立了无油涡旋压缩机动、静涡旋盘的三维模型,运用ANSYS分析软件对涡旋压缩机动涡盘分别在气体力、温度、惯性约束条件下以及在多场耦合载荷下涡旋齿的变形和应力分布规律进行了分析,并研究了不同齿厚和齿高的动涡盘涡... 详细信息

采用Solidworks建立了无油涡旋压缩机动、静涡旋盘的三维模型,运用ANSYS分析软件对涡旋压缩机动涡盘分别在气体力、温度、惯性约束条件下以及在多场耦合载荷下涡旋齿的变形和应力分布规律进行了分析,并研究了不同齿厚和齿高的动涡盘涡旋齿在多场耦合载荷作用下的变形情况,得到涡旋盘的应力分布和涡旋齿变形情况。分析结果表明,对涡旋齿的变形影响最大的载荷是温度载荷场;在腔内气体被压缩时,涡旋齿始端部位温度最高,所受气体力也最大;耦合场下涡旋齿始端顶部变形最大,最大应力出现在齿根部位,且耦合场的最大应力不是各载荷应力的叠加;涡旋齿越高变形越大,涡旋齿越厚变形越小,分析研究结果为定量化确定无油涡旋压缩机的轴向间隙和径向间隙提供了理论依据。

关键词：无油涡旋压缩机涡旋盘耦合 ANSYS 变形应力

无油涡旋压缩机涡旋盘的有限元分析及数控加工研究

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无油涡旋压缩机涡旋盘的有限元分析及数控加工研究

作者：刘翠莲兰州理工大学

学位级别：硕士

涡旋机械具有高效能、低耗损和运行稳定等优点,它在工业中的应用不断得到拓展。无油涡旋压缩机代表着涡旋压缩机领域的最高水平,影响无油涡旋压缩机效率的主要因素有泄漏、摩擦、散热,涡旋盘的表面加工质量、涡旋盘的轴向和径向装配间... 详细信息

涡旋机械具有高效能、低耗损和运行稳定等优点,它在工业中的应用不断得到拓展。无油涡旋压缩机代表着涡旋压缩机领域的最高水平,影响无油涡旋压缩机效率的主要因素有泄漏、摩擦、散热,涡旋盘的表面加工质量、涡旋盘的轴向和径向装配间隙对泄漏量和摩擦有非常重要的影响,在热载荷和结构载荷共同作用下产生的涡旋齿变形很大程度上决定着涡旋盘之间的轴向和径向啮合间隙值。为了更好地了解涡旋齿的变形规律,寻求更高的表面加工质量,提升无油涡旋压缩机的工作效率,论文以有限元方法对实际工况下的涡旋盘变形进行了详细的研究和分析,同时对无油涡旋压缩机涡旋盘的数控加工方法进行了详细研究。论文的主要研究内容如下:论文给出了涡旋型线以及型线的啮合条件,计算了排气温度以及各工作腔的压力。构建了无油涡旋压缩机的三维模型,并对动、静涡盘的装配体进行了运动仿真分析。采用有限元分析软件对涡旋盘在压力场、温度场以及多物理场耦合作用下的变形和应力进行了详细的定量化分析,揭示了不同运行工况对涡旋盘的应力和变形的影响规律,获得了最佳的轴向和径向装配间隙。由于无油涡旋压缩机的结构特殊性和涡旋盘的高加工精度要求,通过详细分析涡旋盘的加工工艺,提出了双圆弧样条插值法逼近涡旋型线的加工算法,与以往涡旋盘的加工方法比较,新算法得出的加工轨迹点数少,表面加工质量好,刀具的轨迹更连续、更光滑,同时该算法的实用性也很强,为无油涡旋压缩机涡旋盘的精密加工提供了更好的思路与方法。采用双圆弧样条插值法在计算机辅助加工制造模块中对涡旋盘进行了模拟加工,通过后置处理程序生成了NC加工代码,并在DMG加工中心上对涡旋盘进行了实际加工,在三坐标测量机上完成了涡旋盘的精度检测,检测结果表明采用双圆弧样条插值法加工后的涡旋盘能完全满足设计精度要求。最后通过搭建的测试系统对新样机进行了详细的性能测试,测试结果验证了有限元分析以及加工方法的优越性,并为无油涡旋压缩机的研发提供了理论指导。

关键词：无油涡旋压缩机有限元分析数控加工 CAM 性能测试

无油涡旋压缩机零件几何公差与装配管理系统设计

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无油涡旋压缩机零件几何公差与装配管理系统设计

作者：袁丹丹南昌大学

学位级别：硕士

无油涡旋压缩机以其独特的结构和性能优势广泛应用于多领域和一些特殊工作条件下,被行内誉为“无需维修空气压缩机”和“新革命空气压缩机”。由于它本身的特殊性,零件的加工精度和装配精度要求高,生产质量难控制,企业批量生产目标难实... 详细信息

无油涡旋压缩机以其独特的结构和性能优势广泛应用于多领域和一些特殊工作条件下,被行内誉为“无需维修空气压缩机”和“新革命空气压缩机”。由于它本身的特殊性,零件的加工精度和装配精度要求高,生产质量难控制,企业批量生产目标难实现。因此,对无油涡旋压缩机零件形位公差的检测与管理,及装配方案的研究与执行具有十分重要的意义。论文基于Visual Studio2008平台和SQL Sever2005软件设计开发了公差与装配管理系统,并建立了面向对象的特征数据库。主要进行了以下方面的研究：分析研究无油涡旋压缩机结构、工作原理、性能要求等因素,提出关键零件检测项与公差要求,明确系统需求;应用结构化分析方法与UML建模技术结合,建立了系统的信息模型,包括系统类图、特征模型和数据模型;结合国内外对相关形位误差的研究现状,进行了误差建模分析,并设计了以最小二乘法为基础的评定算法,理清了算法流程;进行了系统架构设计、界面规划及编码方式的研究,采用了.NET与Matlab混合编程实现复杂计算与图显功能,并且设计了基于三层架构的面向对象的分层编码方式,提高了系统的可维护性。论文构建了集数据计算与图形显示为一体的公差管理系统,将图纸信息管理、检测信息管理、装配管理与公差管理结合为一体,成为联系检测系统、模拟仿真系统和装配生产线的纽带,提高了系统的灵活性和可扩展性,提高了企业的信息化管理水平。

关键词：无油涡旋压缩机公差管理信息模型最小二乘法

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无油涡旋压缩机的内部流场数值模拟研究

无油涡旋压缩机的内部流场数值模拟研究

作者：李博睿东北大学

学位级别：硕士

近年来,随着人口的增长和资源的枯竭,能源与环境作为人类生存发展至关重要的问题,得到了世界各国的重视。燃料电池作为一种新型能源,以其环保、清洁、高效的优势迅速得到政府、专家和企业的关注,并在民用和军用领域的各个行业展现了广... 详细信息

近年来,随着人口的增长和资源的枯竭,能源与环境作为人类生存发展至关重要的问题,得到了世界各国的重视。燃料电池作为一种新型能源,以其环保、清洁、高效的优势迅速得到政府、专家和企业的关注,并在民用和军用领域的各个行业展现了广阔的应用前景。燃料电池的供气系统负责为燃料电池反应堆提供燃料和氧化剂,提高供气系统的效率对改善整个燃料电池系统的能量转化率有重要意义。压缩机是供气系统的核心部件,占据了最多的附加能耗。鉴于现存文献对用于燃料电池的压缩机内部流场研究较少,本课题以某公司生产的用于燃料电池的无油涡旋压缩机作为研究对象,对其应用在燃料电池环境中的内部流场进行了分析。本课题的研究方法是采用基于有限体积法的计算流体力学(CFD)和动网格结合对完整的二维流场进行数值模拟和分析。首先介绍了燃料电池供气系统中压缩机的重要作用以及计算流体力学的理论基础。然后结合无油涡旋压缩机的工作原理和设计参数,在SolidWorks中完成对动、静涡旋盘几何模型的创建和装配,对所形成的封闭压缩腔创建流场模型,提出一些合理的假设将流场模型简化为二维模型。最后在流场模型的基础上生成高质量网格,并在Fluent中利用动网格技术对无油涡旋压缩机的实际运动进行模拟,通过求解不可压流的瞬态控制方程求得内部流场的速度、压强的分布以及流量与主轴转角关系曲线等重要信息。这些信息对深入研究无油涡旋压缩机的工作过程、提高其工作效率和可靠性具有一定参考意义。

关键词：燃料电池无油涡旋压缩机内部流场动网格