涡旋压缩机主轴传动系统动平衡仿真分析.pdf
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1、机械设计与制造80Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月涡旋压缩机主轴传动系统动平衡仿真分析杨潍泽,冯治国,苏亚峰(贵州大学机械工程学院,贵州贵阳5 5 0 0 2 5)摘要:针对涡旋压缩机主轴传动系统动平衡问题,建立了涡旋压缩机主轴传动系统的机构模型和动平衡方程。基于多体动力学分析软件ADAMS分析了转速、偏心块质量以及平衡块质量对主轴传动系统不平衡力和力矩的影响,并以偏心块和平衡块质量为变量、以主轴承支反力为目标进行优化设计。结果表明:偏心块是影响主轴系统动平衡的主要因素;电机转子主副平衡块只能对力或力矩单一因素有利;调整偏心块和平衡块质量能够有效
2、优化主轴传动系统的不平衡力和不平衡力矩。通过优化计算有效降低了主轴承受力,改进了主轴传动系统的动力学性能。关键词:涡旋压缩机;动平衡;优化设计;ADAMS中图分类号:TH16TH455文献标识码:A(School of Mechanical Engineer,Guizhou University,Guizhou Guiyang 550025,China)Abstract:To study the scroll compressor for dynamic balance of principal axiss transmission system,the mechanism model and
3、dynamic balance equation are established on the principal axiss transmission system.The multi-body dynamics analysis soft-ware ADAMS was used to analyze the influence of the rotating speed,eccentric wheel and balance block mass on the unbalancedforce and torque of the principal axiss transmission sy
4、stem.The mass of the eccentric wheel and balance block were used as vari-ables and the main bearing support reaction force was targeted to optimize the analysis.The results show that the eccentric blockparameters are the main parameters that affect the dynamic balance of the spindle drive system;adj
5、usting the mass of the eccen-tric block and the balance block can optimize the unbalanced force and torque of principal axiss transmission system.Key Words:Scroll Compressor;Dynamic Balance;Optimal Design;ADAMS文章编号:10 0 1-3 9 9 7(2 0 2 3)0 8-0 0 8 0-0 4Simulation and Analysis of Dynamic Balance of S
6、crollCompressors Transmission SystemYANG Wei-ze,FENG Zhi-guo,SU Ya-feng1引言随着全球不可再生资源的短缺和环保意识的增强,新能源取代传统能源是大势所趋,在汽车行业,具有节能环保等特点的新能源汽车逐步替代传统汽车亦成为行业共识。电动汽车是新能源汽车发展的主流,这推动了为电动汽车空调系统配套的电动涡旋压缩机产业的发展。电动涡旋压缩机具有高效率、高可靠性和低噪声等优点,通过电机驱动主轴和动涡旋盘绕静涡旋盘做公转平动,实现压缩腔容积周期性变化完成对冷媒介质的做功。涡旋压缩机为满足型线啮合需要传动系统采用偏心配置,因此动涡旋盘的质心并
7、不处于涡旋盘的基圆中心轴线上,由此偏心质量产生离心惯性力将引起压缩机的振动,进而影响压缩机运转的安全性、可靠性、寿命和效率,所以对涡旋压缩机主轴传动系统进行严格的平衡尤为重要。来稿日期:2 0 2 2-0 6-2 0基金项目:贵州省优秀青年科技人才培养项目(黔科合平台人才 2 0 17 5 6 3 0)资助,贵州省基础研究项目(黔科合基础 2 0 19 116 6 号)作者简介:杨潍泽,(19 9 7-),男,贵州铜仁人,硕士研究生,主要研究方向:先进制造技术;冯治国,(19 7 8-),男,贵州遵义人,博士研究生,教授,博士生导师,主要研究方向:先进制造技术、运动控制技术文献!通过“变转速、
8、多平面、分步平衡”的方法完成了涡旋压缩机的动平衡试验,结果表明在高速运转条件下涡旋压缩机能够保持低振状态;文献 2-4 通过对涡旋压缩机主轴传动系统组件的参数化建模,并以平衡重的质量、形状尺寸和轴向分布为变量,实现了主轴的模态参数和主副轴承所受力和力矩的优化,结果显示轴承支撑力显著降低,提高了主轴稳定性;文献 5-6 实现了在气体力作用下以主副平衡块质量、平衡块安装角为变量,以主副轴承、机架的受力优化目标的优化分析,通过与传统方法对比结果表明方法有效。这里通过理论分析并结合动力学仿真软件对电动涡旋压缩机主轴传动系统的动平衡问题进行了研究,分析不同转速、平衡块和偏心轮质量对轴系受力的影响,通过A
9、DAMS的优化模块,以偏心块和平衡块质量为优化变量主轴承支撑力为目标进行优化设计。(3)第8 期2涡旋压缩机构模型的建立涡旋压缩机主轴传动系统由电机转子、主轴、偏心块、轴承、防旋环、动涡旋盘组件以及主副平衡块组成,如图1所示。涡旋压缩机主轴被设计为带有偏心轴段的阶梯轴,并且运用防旋环销防止动涡旋盘自转,使得动涡旋盘在主轴带动下相对静涡旋盘中心作公转平动,完成动静盘间吸排气腔容积的变化,实现压缩冷媒做功。动涡旋盘与主轴曲柄销采用轴承联接,有利于降低摩擦功耗和配合端面磨损,动涡盘组件质量包含动盘轴承、防旋环的质量和涡旋盘质量。涡旋压缩机主轴传动系统动不平衡量主要由动涡旋盘组件、曲轴曲柄销、偏心块以
10、及主副平衡块四部分所产生的离心惯性力和惯性力矩组成。动涡盘偏心块主轴承主轴主平衡块电机转子副平衡块副轴承图1涡旋压缩机主轴传动系统结构示意图Fig.1 Structure Diagram of Scroll Compressor Spindle Drive System3动平衡理论分析由于涡旋齿是非对称结构,因此动涡旋盘的质心并不处于动涡旋盘的基圆中心,一般采用先移动动涡旋盘质心再平衡轴向惯性力和力矩的两步平衡法对涡旋压缩机进行动平衡。第一步是考虑到动涡旋盘底板有一定厚度通过增加或减少一定质量,将动涡旋盘的质心移动至动涡旋齿的基圆中心的轴线上,即一次平衡,增加或减少的质量即为一次平衡重。动涡旋
11、盘底板一次平衡,如图2 所示。一次平衡重图2 动涡旋盘底板一次平衡Fig.2 Primary Balance of Scroll Plate Bottom Plate动涡旋盘相对于主轴偏心布置于曲柄销的轴颈位置,因此动涡旋盘的离心惯性力会通过动盘轴承传递到曲轴上,为了使主轴传动系统动平衡,沿主轴轴向配置平衡质量以平衡动涡旋盘和曲柄销产生的离心惯性力和力矩,实现主轴系统的二次平衡,以减小主轴承的动载荷。二次平衡受力模型,如图3 所示。将动涡旋盘与主轴作为一体,认为各组件的惯性力均作用与对应部件质心位置,图示杨潍泽等:涡旋压缩机主轴传动系统动平衡仿真分析F,+F,+Fb3-Fb1-Fb2=0力矩平
12、衡:A-A面:F,L,+F,L,+Fi2L4-FhiL3-FbsL,=0其中,F=m,R,a。式中:m一离心部件质量;R一各偏心重相对主轴的旋转半径;一主轴的角速度;L一各离心部件质心到A-A截面距离。涡旋压缩机主轴传动系统受工作环境、承受频繁的振动和冲击载荷、安装结构尺寸等条件的限制,偏心块和平衡块的功能需求和形状已经确定,只能通过调整偏心块和主副平衡块的制造方法(改变密度)来改变配重进而优化动平衡状况。定义如式(3)平衡系数t、s,当平衡系数=0.9,1.1 认为主轴传动系统得到有效平衡。LA+AF.图3 二次平衡中主轴受力模型Fig.3Stress Model of Spindle in
13、 Quadratic EquilibriumF+F,+Fr3防自转孔$=Fa+Fi2F,L,+F,L,+Fb2L4T=FuiL,+Fb3Ls通过EXCEL规划求解功能以式(3)为约束函数,式(1)、式(2)取最小值为目标函数求解设计变量,转速取10 0 0 0 r/min,其计算结果为:偏心块质量12 4.5 1g,主平衡块2 5.2 g,副平衡块2 4.8 g,力平衡系数1.0 0 4,力矩平衡系数1.0 0 8,剩余不平衡力和力矩分别为2.6 5 N和2 3 3.5 Nmm。原设计计算结果为:力平衡系数1.002,力矩平衡系数0.7 8,剩余不平衡力和力矩分别为2.3 8 N和12175.
14、5Nmm。4 基于Adams的动平衡仿真4.1设计变量与仿真条件设置将在UGNX中建立的涡旋压缩机主轴传动系统机构模型导人至ADAMS,由于偏心块和平衡块的功能需求和形状已经确定,因此优化设计时以偏心块、电机转子主副平衡块的质量为(改变密度)优化变量。ADAMS/view中约束分为四类即低副、基本副、耦合副和特殊副。涡旋压缩机主轴传动系统在Adams/view中各旋转运动部81惯性力、惯性力矩处于平衡,则有平衡方程 9-10),如式(1)、式(2)所示:惯性力平衡:(1)(2)LF3B-B区区h2Fb2No.882机械设计与制造件的约束关系定义,如表1所示。通过各部件质量实测值以及在1044U
15、GNX中测量的各部件的体积反推各部件等效密度,涡旋压缩机(u.N)42传动系统各运动部件质量和等效密度,如表2 所示。表中动盘组0件的质量包括涡旋盘、防旋环和滚珠轴承,转子的质量不包括转子主副平衡块质量,平衡块质量为单片平衡块质量。4.2主轴转速对不平衡力和力矩的影响该型涡旋压缩机设计工况转速(10 0 0 0 12 0 0 0)r/min,由动平衡方程可知偏心重离心惯性力与主轴转速的平方成比例,因此在平衡主轴传动系统离心惯性力时,需要先明确转速对主轴承所受力和力矩的影响。各部件以设计实测值为初始值,分别计算10000r/min、10 8 0 0 r/m i n 和12 0 0 0 r/min
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