旋转排气阀的特性研究

钱新春　杨骅　屈宗长

摘要：本文研究了同步回转式制冷压缩机气阀在旋转运动作用下的工作状态，并对气阀阀片的自由振动以及强迫振动进行了分析，讨论了由于旋转运动产生的离心力和科氏力对气阀阀片的振动特性的影响，建立了在离心力的作用下气阀阀片振动的数学模型，并提出了合适的求解方法。

关键词：同步回转机械；排气阀特性；旋转气阀；振动特性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）50-0243-03

同步回转式制冷压缩机是一种新型回转式制冷压缩机，有关研究是从21世纪初开始的，2003年首次提出了关于同步回转式压缩机的概念，介绍了同步回转式压缩机的工作原理及结构特点。随后针对同步回转式油泵和空气压缩机展开了一系列的研究，主要集中在运动分析，泄漏研究，动力特性研究，摩擦特性研究。

论文从旋转状态下的舌簧阀的工作特性出发，研究了高速旋转运动产生的离心力对舌簧阀工作特性的影响，建立了其阀片运动规律数学模型，分析了旋转状态下的舌簧阀在气体压力和离心载荷作用下的瞬时工作特性。

一、旋转气阀安装方式

在同步回转式制冷压缩机中，需要安装排气阀以保证压缩气体过程能顺利完成。由于同步回转式制冷压缩机的转子、气缸以及气缸端盖都处于同步回转运动，因此排气阀无论是安装在气缸端盖上，还是安装在气缸外壁面上，其工作时都会处于旋转状态，这不可避免的会对气阀的工作特性带来影响。

如图1所示为同步回转式制冷压缩机排气阀在气缸上的安装方式示意图，从图中可以看出，同步回转式制冷压缩机的排气阀采用等截面舌簧阀结构，并安装在气缸外壁面上，在压缩机工作时与气缸一起做旋转运动，旋转轴为气缸的中心轴，旋转速度为气缸的运动速度，可以通过运动分析得到。

图2给出了排气阀在不同的旋转系统中的安装方式。从图中可以看出，排气阀在旋转系统中的安装方式主要有两种，可以通过其横轴线与旋转轴的位置关系来判断。一种安装方式为排气阀的横轴线与旋转轴平行，如图2（a）所示；另一种安装方式如图2（b）所示，其排气阀的横轴线与旋转轴处于垂直状态，这也是同步回转式制冷压缩机的排气阀采用的安装方式。

二、旋转运动对阀片运动特性的影响

不同安装方式的梁在受到旋转运动的作用也不同，如图2中的a所示的阀片，其横轴线与旋转轴平行，这时科氏力会以速度相关项出现在阀片横向振动的控制方程中，并会直接影响阀片的挠度。

而如图2中的b所示，阀片的横轴线并不与旋转轴平行，而是处于垂直的位置。在这种情况下，由于阀片的旋转运动所带来的科氏力会使舌簧阀阀片发生以阀片纵向轴线为中心的扭曲现象，导致阀片的振动为复杂的扭转和弯曲的耦合振动。

由于同步回转式制冷压缩机中舌簧阀阀片的厚度与宽度的比值要远小于宽度与长度的比值，这意味着舌簧阀阀片的抗弯刚度要远小于抗扭刚度。因此，可以假设同步回转式制冷压缩机中舌簧阀阀片的变形还是以弯曲变形为主，并不会产生明显的扭转变形，也就是说科氏力对该安装方式中的旋转舌簧阀的阀片变形的影响很小，可以忽略不计。

三、旋转作用下气阀的数学模型

如图3所示为梁单元受力示意图，图中给出了dx单位长度的梁单元受到离心力以及压力等作用力作用下的受力状况。当气阀阀片做横向振动时，根据牛顿第二定律可以得到如下的运动方程：

虽然用卷积积分的方式来求解方程（13）是比较常见的一种方式，但是该方法用在同步回转式制冷压缩机的气阀模拟时并不合适。因为如果要采用卷积积分的方式对方程（13）进行求解，无论是理论计算还是数值计算，其外部激励Px，t都必须要求有一个明确的解析表达式，以便卷积积分能够正常进行。如果存在这样一个外部激励的理论解析式的话，就表明该外部激励Px，t与气阀的响应yx，t并不存在耦合关系，或者说属于弱耦合关系，只有这样，才能给出一个外部激励的明确解析式。而对同步回转式制冷压缩机而言，由工作腔压力变化而引起的气阀阀片的外部激励的变化同时影响到气阀阀片的响应；反过来气阀阀片的响应也同时影响到工作腔内的气体压力，两者相互影响。这是一个典型的强耦合关系，因此在该问题上并不能采用卷积积分的方式对方程（13）进行求解。

五、结论

论文研究了同步回转式制冷压缩机气阀在旋转运动作用下的工作状态，通过等截面梁的相关理论对气阀阀片的自由振动以及强迫振动进行了分析，讨论了由于旋转运动产生的离心力和科氏力对气阀阀片的振动特性的影响。通过研究发现科氏力对气阀阀片的影响作用很小，而离心力对气阀振动的影响不仅体现在外激励上，还会影响到其自由振动特性。在上述分析基础上建立了考虑旋转运动而产生的离心力的作用的气阀阀片振动的数学模型，并提出了合适的求解方法。

参考文献：

[1]Kawahara K. Tribological evaluation of rotary compressor with HFC refrigeration[C].1996.

[2]杨骅，屈宗长，周慧，et al.同步回转式压缩机滑片摩擦特性研究[J].西安交通大學学报，2008，（07）.

[3]屈宗长，同步回转式压缩机的几何理论[J].西安交通大学学报，2003，（07）.

[4]黄曌宇，蒋伟康，刘春慧，等，旋转式压缩机气流噪声研究综述和展望[J].振动与冲击，2007，（07）.