滚动活塞式压缩机滑片所受气体力的仿真分析

石冬宇

（广西大学机械工程学院， 南宁530000）

0 引言

滚动活塞式旋转压缩机因与往复式压缩机相比，具有体积小、重量轻、成本低、性能高等优点而被广泛应用于现代空调等小容量制冷系统中[1-3]。图1给出了滚动活塞式旋转压缩机的结构示意图。滚动活塞1被安装在轴8偏心装置上，滑片4由于背部气体压力和弹簧力的作用下与滚动活塞紧密接触从而将中间的气缸7分为两个密闭气腔－吸气腔2和压缩腔6。压缩机工作时，随着转轴的转动，滚动活塞随着偏心轮的转动而转动，滑片作高速往复运动。从上可知，滑片始终受到很高的气体压力作用，了解其中滑片受力情况对滚动活塞压缩机的设计，性能改进，故障分析都有着至关重要的作用[4-7]。

图1 滚动活塞结构简图

在文献[4]中，作者认为在滚动活塞转动的一周过程中，理论上压缩腔内气体力变化可分为三个阶段，但由于吸气孔和排气孔口的影响，准确来说其压力的变化理论式子可分为五个阶段来表示；在文献[8]中，认为滑片圆弧端部所受气体力方向是在竖直方向上的，但实际上气体力方向应是与滑片圆弧端垂直的。在已有的文献中为了方便计算，而作出了上述的简化，但更为深入地了解滑片实际受力情况，能给压缩机结构设计提供更有力的帮助。

1 工作腔气体压力变化

图1 中的A、B点排气孔下边缘点、排气孔上边缘点。设滚动活塞初始点为滑片未伸进气缸，其与滑片的接触点。与文献[4]相比，多考虑了A、B点对压缩腔内压力的影响。在滚动活塞与气缸的接触点经过点A时，压缩腔因排气孔口的存在，将与吸气腔连通，此阶段，压缩腔内压力迅速减小至吸气压力；随着滚动活塞的转动，在接触点经过B点后，由于容积变小至零，其内压力理论上应为无限大，但由于设计间隙的存在，此后压力与吸气腔压力相同。结合文献[4]中所述，压缩腔气体压力更为具体的计算式可由下式表示：

其中，α1、α2为吸气孔上边缘角和排气阀打开时角度；α3、α4排气孔下边缘角和上边缘角；Vy为压缩腔容积。

2 滑片所受气体力

滑片伸进气缸内部分所气体力如图2所示，其中Fh为压缩腔和吸气腔压差产生的力，Fs、Fd分别为吸气腔、压缩腔内对滑片圆弧端部的力，Ov为滑片圆弧中心，Od为滑片与滚动活塞接触点。分别另α为滑片－滚动活塞的法向接触力与滑片轴线的夹角，β为Fs与滑片轴线的夹角；γ为Fd与滑片轴线的夹角。与文献[8]相比，本文把滑片的圆弧端部形状考虑在内，更贴近实际。根据图2中几何关系得：

图2 滑片伸进气缸部分受力情况

其中，r为滚动活塞外圆半径，rv为滑片圆弧端半径，t为滑片厚度。

3 MATLAB实例计算

以下将利用Matlab软件，以某型号单缸立式滚动活塞压缩机为例，模拟仿真在其工作腔压力和滑片受力的变化情况。计算参数如表1所示。仿真结果如图3、4、5所示。

表1 某变频滚动活塞压缩机结构参数

图 3 为滚动活塞转一周时，两工作腔压力变化曲线。从图中可以更明显看出，在阶段时，两工作腔内压力相等且都为吸气压力。在阶段，压缩腔内压力指数型上升到额定的排气压力；阶段3，压缩腔内压力逐渐减小到壳体内部压力；阶段－滚动活塞转过排气阀口下边缘时，排气腔内压力迅速减小到与吸气腔相同。阶段，滚动活塞转过排气孔上边缘点，压缩腔内压力与吸气腔相同。

图3 两工作腔气体压力变化曲线

图4 为滑片水平方向所受气体力变化情况。从中可以看出，在水平方向上，滑片侧面为气体力主要受力面，其为两气腔的压力差产生的力；而滑片端部则相对很小，且吸气腔内对端部的力始终大于吸气腔一侧。

图4 滑片水平方向受气体力变化曲线

图5 为伸进气缸内滑片竖直方向上受力变化曲线，从图中可看出，相比较于图4中水平方向上，竖直方向的Fd和Fs所占比例更大，在一开始时，两者差不大，在压缩腔开始压缩气体后，Fd2要大于Fs2。

图5 滑片竖直方向受气体力曲线

4 总结

本文对已有文献中滑片所受气体力的情况分析不足，结合滚动活塞压缩机结构实际情况，认为压缩腔内气体的压力变化可分为5个阶段；接着对滑片伸进气缸部分所受气体力进行分析，考虑了滑片圆弧端部的影响；最后利用MATLAB仿真分析气体力的变化情况，仿真结果可为后续滑片动力学的研究提供一定理论基础。