压缩机虚拟样机仿真分析

本科毕业设计(论文) 题目：基于Pro/E的涡旋压缩机虚拟样机设计

教学单位：机电工程系

专业：机械设计制造及其自动化

学号： 0912010101

姓名：岳云欢

指导教师：邱海飞马志奇

2013年 5月

摘要

涡旋压缩机是近几年来发展迅速的一种新型压缩机械，具有效率高、能耗小、结构紧凑、运行平稳、寿命长、气源清洁等特点。但是涡旋压缩机的设计目前仍处于传统的设计阶段，为提高涡旋压缩机的设计效率，保证其运转性能，本文突破传统的二维设计方法，采用虚拟设计技术来探索涡旋压缩机的运动全过程。

本文涡旋压缩机为研究对象，通过参考国内外相关资料了解其结构及工作原理，运用Pro/E软件对其进行三维实体建模、虚拟装配以及运动学仿真分析。使用ANSYS 对关键零部件进行模态分析，可以预测结构的实际振动响应，为涡旋压缩机的动力学特性改进提供技术参考和依据。

关键词：涡旋压缩机；虚拟装配；运动仿真；模态分析；Pro/E

Abstract

Scroll compressor is a new type compressor has developed rapidly in recent years, with high efficiency, low energy consumption, Compact structure, smooth operation, long service life, air cleaning characteristics. But the design of scroll compressor is still in the traditional design stage, in order to improve the design efficiency of scroll compressor, guarantee its working performance; this paper breaks through the traditional two-dimensional design method, the whole process of using virtual design technology to explore the movement of scroll compressor.

In this paper, the scroll compressor as the research object, by reference to the relevant information to understand the structure and working principle, analysis of 3D solid modeling software Pro/E, the virtual assembly and kinematics simulation application. The use of ANSYS modal analysis of key parts and components, can predict the actual vibration response of structure improvement, to provide technical reference and basis for dynamic characteristics of scroll compressor.

Keywords: scroll compressor; virtual assembly; motion simulation; modal analysis;Pro/E

目录

第1章绪论 (1)

1.1涡旋压缩机的研究背景 (1)

1.2 涡旋压缩机国内外研究现状 (1)

1.3主要研究内容 (2)

1.3.1研究目的 (2)

1.3.2主要研究内容 (2)

1.3.3研究意义 (3)

第2章涡旋压缩机的结构与工作原理 (4)

2.1涡旋压缩机的基本结构 (4)

2.2涡旋压缩机的工作原理 (4)

2.3涡旋压缩机研究现阶段存在的问题和展望 (6)

第3章基于Pro/E的涡旋压缩机零部件设计 (7)

3.1设计环境 (7)

3.2建立零件实体模型 (7)

3.3主要零部件的三维模型 (7)

3.3.1轴系部件设计 (7)

3.3.2涡旋盘设计 (8)

3.3.3静平衡设计 (9)

3.3.4防自转机构设计 (10)

第4章涡旋压缩机的虚拟装配 (11)

4.1虚拟装配 (11)

4.2零件位置约束关系分析 (11)

第5章涡旋压缩机的运动仿真 (14)

5.1动力学仿真技术简介 (14)

5.2运动仿真环境 (14)

5.3基于Pro/E的运动学仿真分析 (14)

5.3.1 2500r/min下的曲轴运动学仿真分析 (15)

5.3.2 2900r/min下的曲轴运动学仿真分析 (18)

5.3.3 3600r/min下的曲轴运动学仿真分析 (21)

5.4关键零部件的有限元模态分析 (24)

5.4.1主轴模态分析 (24)

5.4.2支架体模态分析 (26)

总结 (29)

致谢 (30)

参考文献 (31)

第1章绪论

1.1涡旋压缩机的研究背景

伴随着涡旋压缩机研发技术的逐步成熟，我国当前涡旋空压机市场需求量大，而国内生产力不足；同时随着私家车的普及，汽车空调也是一个不可低估的市场，近几年来我国汽车市场发展迅速，汽车空调的配套设备产品也必须解决，涡旋式汽车空调具有更大的技术优势。而相对来说，外资企业产品主要投放到高端产品上；国内企业自主研发力度不够，在中低端产品市场上不能满足需求，这是一个很好的发展机遇。

1.2 涡旋压缩机国内外研究现状

自从进入上世纪70年代，中东战争爆发造成的能源危机以及精密设备和计算机数控技术的快速发展，给涡旋机械，特别是涡旋压缩机的发展带来了绝好的机遇。七十年代初，美国A．D．L公司进行了深入和卓有成效的研究，解决了涡旋盘端部补偿磨损的密封装置，并在此基础上与瑞士公司合作开发了以空气、氟里昂和氨气为介质的涡旋压缩机加工样机；1972年A．D．L公司将氨气涡旋压缩机安装在远洋海轮上并获得成功，这标志着涡旋压缩机应用时代的到来【1】。1987年，美国Copeland 制冷公司着手涡旋压缩机的批量化生产。迄今为止，Copeland制冷已经成为设计技术最先进、生产规模最大的涡旋压缩机生产厂家，截止1997年，他们的年产量已经达到了二百万台，产品规格覆盖了从1.5HP到5HP的中小功率压缩机市场【2】。美国作为世界上最早掌握涡旋压缩机设计、制造技术的国家，其技术实力和产品布局都在世界上居于领先地位。日本公司相对起步较晚，但市场定位准确、产品经济性好。三菱公司的1HP产品率先投入市场，这打破了业界关于批生产压缩机功率不可能低于1.5HP的传统理念；之后，在中小功率压缩机市场上，日本后来居上。由于家用空调和轿车的普及，日本公司在中小功率产品市场上获得了丰厚的利润，并利用积累的雄厚资金将变频调速等先进技术应用于涡旋压缩机领域，使产品的规格布局迅速扩大。

在我国，涡旋压缩机的研发工作始于上世纪八十年代中期，经过近二十年的努力，已经形成了比较成熟的涡旋式空气与制冷压缩机理论体系。1987年，我国第一

台涡旋压缩机样机研制成功。1994年，广州万宝电器集团引进日本Hitachi公司的生产线，实现空调用涡旋压缩机的批量生产【3】。1997年，爱默生．谷轮公司在苏州建立年产百万台的生产线，首次在我国实现涡旋压缩机大批量生产。春兰公司的百万台规模生产线上马后，业界关于其单台压缩机向国外专利机构支付的不蜚专利授权费的争议四起【4】。我国国有企业在压缩机领域，往往更倾向于开发石化、电力等领域的大型压缩机，而忽视了涡旋压缩机的巨大市场份额。在科研机构里，除了西交大的国家工程中心以外，对涡旋压缩机的研究投入都不太多，而且大都停留在理论研究上。综上所述，在家用空调和汽车空调市场大幅度上扬的市场环境下，在国家节约能源的重大决策出台后，涡旋压缩机会有一个很大的发展。

1.3主要研究内容

1.3.1研究目的

涡旋压缩机是一种新型的压缩机，是当今世界的节能压缩机，被业内誉为“无需维修空气压缩机”和“新革命空气压缩机”。涡旋压缩机的动、静涡旋盘和曲轴是涡旋压缩机的主要工作部件，而且承受的是交变载荷，除了满足一定的强度要求外，还应考虑其耐疲劳性能，对其进行应力及变形的分析至关重要。涡旋压缩机虚拟样机模型的建立将有助于完成其系统的动力学研究、零部件的强度分析与计算。

1.3.2主要研究内容

（1）结构分析和概念设计

收集国内外相关资料，分析涡旋压缩机基本结构和工作原理，提出面向市场需求的涡旋压缩机类型和规格。根据以上分析，参与涡旋压缩机概念设计，负责确定传动机构布局和相关功能零部件选择、配置，为零部件参数设计作好前期准备工作。（2）主要零部件的三维实体模型设计与装配

建立基于Pro/E实体设计软件的涡旋压缩机主要零部件的三维模型；完成压缩机在计算机上的虚拟装配。

（3）对主部件进行运动学仿真分析

运用软件对涡旋压缩机进行深入细致的动力学研究，对主部件进行运动学仿真及模态分析。

1.3.3研究意义

随着经济全球一体化大环境的形成，市场竞争愈演愈烈，国内许多企业面临着严峻的考验，企业在积极主动地采用先进技术和生产方式的同时也应增强自身在市场竞争中的应变能力和生存能力。我国许多产品开发大多数还采用的是传统的老方法：设计试制出原型样机，然后测试，验证并分析。工程师设计出产品，往往要经过多次反复的试制才能成功进入市场，产品开发时间长，耗费资金大，而且无法在缩短上市时间上有实质性的突破。

近年来，涡旋压缩机作为一种新型的压缩机械发展势头迅猛，引起越来越多人的重视。如何用最少的钱创造出最大的价值是企业所盼望的，目前应用越来越广泛的虚拟装配技术成为了企业的首选。虚拟装配设计是产品设计的重要环节，它可以为企业带来众多的经济效益，例如缩短产品的开发周期，提高产品的质量和可靠性，降低生产成本和减少库存等【5】。本课题顺应时代的发展，希望可以为为涡旋压缩机的设计装配及受力研究方面提供一点小小的参考。

第2章涡旋压缩机的结构与工作原理

2.1涡旋压缩机的基本结构

涡旋压缩机主要由动涡旋盘、静涡旋盘、主轴、轴承、机架、十字滑块组成（如图 2.1）。本课题中所选用的主轴为带有偏心结构的阶梯轴，涡旋盘选用圆渐开线线型。

图2.1涡旋压缩机

2.2涡旋压缩机的工作原理

涡旋压缩机是一种借助容积变化来实现气体压缩的容积式压缩机。其主要部件是两个形状相同但角相位置相对错开1800的渐开线涡旋盘（如图2.2），其中一个是固定涡旋盘叫做静涡旋盘，而另一个则是由偏心主轴带动，其轴线绕着静涡旋盘轴线做公转平动的动涡旋盘。装配完成后，两个涡旋盘之间形成了数对月牙形的封闭腔，随着偏心主轴的转动，这些月牙形气腔的形状大小一直在变化。气体从吸气口进入吸气腔，相继被吸入到外围与吸气腔相通的月牙形气腔里。随着这些外围月牙形气腔的闭合而不再与吸气腔相通，其密闭容积便逐渐被转移到静涡旋盘的中心且不断缩小，气体被不断压缩而使压力升高【6】。由于动静涡旋不断形成封闭腔，使吸气、压缩、排气过程（如图2.3）连续进行。

本课题方案中，由动涡旋盘、静涡旋盘、偏心轴、平衡机构和防自转机构等组成传动系统。涡旋压缩机的传动机构按照其使用目的可分为两类：一类用于传递动力，如主轴机构：另一类用于保证涡旋压缩机的正常工作，如防自转机构十字滑块。

图2.2 动静涡旋盘角相位示意图

图2.3压缩过程示意图

2.3涡旋压缩机研究现阶段存在的问题和展望

在我国，研究涡旋压缩机的科研机构还停留在理论研究以及测绘和仿制国外成品的层次上，这样不仅容易引发知识产权纠纷，还会使产品概念设计中的很多问题被忽略，不利于产品的自有化。同时，科研机构缺乏研究资金，不能进行样机的实验，得不到测试数据，研发进展缓慢。而企业又更倾向于直接引进国外整套的生产线，使得我国的涡旋压缩机研究水平在世界上处于比较弱势的地位。本人查阅了一些国内外的资料并结合自己的想法，总结了目前我国涡旋压缩机的开发应该需要注意的以下几个问题：

(1)在产品研发过程中使用功能强大的CAD／CAM／CAE软件来达到缩短产品研发周期的目的。我国的科研机构在产品开发过程中，还在延续着以前的概念设计-→样机实验-→修改设计方案-→再实验的流程【7】。这不仅浪费了大量的人力资源，而且还严重的影响了产品研发进度，降低了产品的竞争力。这时我们需要靠使用CAD ／CAM／CAE软件来节省资源，提高产品的研发及生产竞争力。

(2)降低产品的生产成本。国外涡旋压缩机的产品主要将目光集中在我国的高端市场上，而忽略了我国的低端市场，这就给国内相关的企业提供了绝好的发展机会。如果能在现在实现批量化生产的基础上，改进生产工艺，在确保了主要参数和整机性能的基础上来优化产品结构，降低产品成本，这将使我国的涡旋压缩机产业迈入一个新的台阶。

(3)优化结构减少气体泄漏损失和气体阻力损失；加大传动机构研究力度，减少摩擦功耗损失，以此来提高涡旋压缩机的容积效率和工作可靠性。

(4)拓宽产品的应用范围和使用领域。当前我国自主开发的压缩机产品大多属于中等排量的压缩机，为了在市场竞争里脱颖而出，解决排量规格的局限性设计出大排量和1HP以下小排量的类型，以及对变频调速等技术的应用将是国内研发人员需要首先突破的难关。

第3章基于Pro/E的涡旋压缩机零部件设计

3.1设计环境

本设计环节是在高性能PC机上安装的美国PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件上完成的。

3.2建立零件实体模型

本课题在实体建模过程中，主要用到的各零部件的形体特征，在此可以分解各零部件的形体特征类别（如图3.1）

图3.1形体特征类别图

3.3主要零部件的三维模型

3.3.1轴系部件设计

主轴为偏心结构偏心距为0.8mm，有八个阶总长为297mm的偏心阶梯轴（如图3.2）。

图3.2 偏心主轴

（1）动涡旋盘

动涡旋盘主要由涡旋齿、端板、轮毂组成，零件上一些不太重要的细节做了相应的简化。当线型为圆渐开线，修正角γ和齿厚h时，通过重定义曲线方程参数可以得到涡旋齿【8】：

m＝N*2π*t

x＝a*(cos(m*180/π+90)＋m*sin(m*180/π+90))

y＝a*(sin(m*180/π+90)－m*cos(m*180/π+90))

z＝0

上式为圆的渐开线基线方程。其中t:软件自身变量，0~1变化；N:涡旋圈数；a:渐开线基圆半径。

（a）动涡旋盘正面（b）动涡旋盘反面

图3.3动涡旋盘设计

（2）静涡旋盘

（a）静涡旋盘正面（b）静涡旋盘反面

图3.4 静涡旋盘设计

（1）小平衡铁

涡旋盘围绕主轴作公转平动时必然会产生公转惯性力和力矩，为减少压缩机的振动和延长压缩机寿命，本课题中采用增加配重的方法（如图3.5）来解决问题。

图3.5 配重组件示意图Ⅰ

（2）大平衡铁

偏心部件在高速运转过程中惯性力会对主轴产生不良的影响，故采用增加配重大平衡铁部件（如图3.6）来平衡惯性力。

图3.6 配重组件示意图Ⅱ

3.3.4防自转机构设计

防自转机构主要用来阻止动涡旋盘切向气体力所引起的自转运动趋势。常见的防自转机构有十字环、圆柱梢、特殊滚珠机构、小曲柄销等。本课题中选用十字环（如图3.7）防自转机构。

图3.7 十字滑块

第4章涡旋压缩机的虚拟装配

4.1虚拟装配

装配体设计有两种设计方法：自下而上设计方法和自上而下设计方法。本课题中使用的装配方法是自下而上装配方法，即将已绘制完成的零件插入到装配体文件中，形成装配体【9】。

本课题中涡旋压缩机是由子装配及零部件组成的，在Pro/E环境下进行涡旋压缩机的虚拟样机设计也是从其子装配及零部件开始的。总的来说，进行涡旋压缩机的虚拟样机设计可以按照下面的流程（如图4.1）来进行。

图4.1虚拟装配过程图

4.2零件位置约束关系分析

零件的装配过程，实际上就是一个约束限位的过程，根据不同的零件模型及设计需要，选择合适的装配约束类型，从而完成零件模型的定位。一般要完成一个零件的完全定位，可能需要同时满足几种约束条件。Pro/E提供的约束类型有：（1）匹配：指两零件指定的平面或基准面重合或平行且两平面的法线方向相反。

（2）对齐：使两零件指定的平面、基准面、基准轴、点或边重合或共线。

（3）插入：使两零件指定的旋转面共旋转中心线，具有旋转面模型有圆柱、圆台、球等。

（4）坐标系：使零件装配的坐标系与其装配零件的坐标系对齐，来完成装配零件的放置。

（5）相切：在两个进行装配的零件中，各自指定一个曲面或一个为平面，另一个为曲面，使其相切。

（6）线上点：在一个零件上指定一点，然后在另一零件上指定一条边线，使该点在这条边线上。

（7）曲面上的点：在一个零件上指定一点，然后在另一个零件上指定一个面，则指定的面和点相接触。

（8）曲面上的边：在一个零件上指定一条边，然后在另一个零件上指定一个面，则指定的边位于指定的面上。该选项常配合“对齐”、“匹配”等选项一起使用。

在Pro/E中，元件的放置还有一种装配方式——连接装配。使用连接装配可利用机构模块直接进行执行机构的运动分析与仿真，它通过上面所讲的各种约束条件来限定零件的运动方式及其自由度。常用的连接类型：

（1）刚性：刚性连接。自由度为零，零件装配处于完全约束状态。

（2）销钉：销钉连接。自由度为1，零件可沿某一轴旋转。

（3）滑动杆：滑动连接。自由度为1，零件可沿某一轴平移。

（4）圆柱：缸连接。自由度为2，零件可沿某一轴平移或旋转。

（5）平面：平面连接。自由度为2，零件可在某一平面内自由移动，也可绕该平面的法线方向旋转。该类型需满足“平面”约束关系。

（6）球：球连接。自由度为3，零件可绕某点自由旋转，但不能进行任何方向的平移。该类型需满足“点对齐”约束关系【10】。

本课题涡旋压缩机中各部件所需的约束关系（如表4.1）

表4.1 各运动部件之间的约束关系

完成的涡旋压缩机子装配图（如图4.2）及总装配图（如图4.3），轴系子装配由主轴、轴承、带轮部件组成。

图4.2 轴系子装配图

涡旋压缩机的总装配由轴系子装配、动涡旋盘、静涡旋盘、机架、端盖、十字滑块及大小平衡铁组成。

图4.3 涡旋压缩机总装配图

第5章涡旋压缩机的运动仿真

5.1动力学仿真技术简介

动力学仿真技术(Dynamics Emulating Technology)是指在计算机上建立产品的虚拟样机之后，利用软件对系统的运动进行仿真并分析其各种工况下的运动学和动力学性能，并对物理样机进行之前难以解决或者根本无法进行的试验，从而可以对结构缺陷进行修改，直到获得最优设计方案。这项仿真技术最初源于对多体系统动力学的研究。

复杂机械系统的力学模型基本表现为多机构通过运动副而连接的系统，因此被称为多体系统。对于多体系统研究人员最关心的问题主要分为两类：一是在不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置、速度和加速度的关系，称为系统的运动学分析；二是讨论载荷与系统运动的关系，即动力学分析【11】。

综上所述，动力学仿真技术是多项技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与虚拟建模的技术。应用数学中的数值算法为其提供了有效算法；计算机的可视化技术以及动画技术的发展为其提供了用户界面；CAD／FEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。

5.2运动仿真环境

本课题中依靠美国PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire5.0软件进行运动学仿真分析【12】、美国ANSYS公司开发的ANSYS 10.0软件【13】进行模态分析，两者共同来完成涡旋压缩机的动态分析及运动仿真过程。

5.3基于Pro/E的运动学仿真分析

本课题中主要运用Pro/E对已装配好的涡旋压缩机主轴、动涡旋盘、十字滑块进行运动学仿真分析，分析在不同转速下三个部件的位移、速度、加速度的变化。初步选用曲轴转速为2500r/min、2900r/min、3600r/min三种情况，在“运动分析”对话框中设置定义的伺服电动机的执行时间为2s，帧频为35。

5.3.1 2500r/min下的曲轴运动学仿真分析

（1）主轴运动学变化曲线

图5.1a主轴位移变化图

图5.1b主轴速度变化图

图5.1c主轴加速度变化图

主轴随电机作匀速圆周运动，主轴随时间变化的位移曲线为正弦曲线，最大位移为217mm,最小位移为212.5mm如图5.1a所示。其速度随着时间的变化保持匀速运动，v=2632.5mm/s如图5.1b所示。主轴加速度随时间变化保持不变a=9554mm/s2如图5.1c所示。

（2）动涡旋盘运动学变化曲线

图5.2a动涡旋盘位移变化图

图5.2b动涡旋盘速度变化图

图5.2c动涡旋盘加速度变化图

动涡旋盘随时间变化的其位移变化图像近似正弦曲线，最大位移s=221mm，最小位移s=214.7mm如图5.2a所示。由于动涡旋盘绕主轴作公转平动，所以其速度、加速度保持不变为直线如图5.2b、5.2c。