旋轉式壓縮機氣缸內圓變形有限元分析及試驗研究

趙旭敏，陳輝

（珠海格力電器股份有限公司機電技術研究院，廣東珠海 519000）

旋轉式壓縮機氣缸內圓變形有限元分析及試驗研究

趙旭敏*，陳輝

（珠海格力電器股份有限公司機電技術研究院，廣東珠海 519000）

為研究旋轉式壓縮機泵體組裝完成后氣缸內圓變形原因及規(guī)律，使用Pro/MECHANICA對氣缸與軸承的裝配三維模型進行精確的網格劃分、定義約束和載荷，利用ANSYS軟件對有限元模型進行了仿真計算，并設計了一種氣缸內圓變形量測試的試驗方法，測試了不同螺釘連接力下旋轉式壓縮機氣缸內圓的變形量，試驗結果與仿真計算一致。經分析研究提出一種可減少旋轉式壓縮機泵體裝配后氣缸內圓變形的改進方案，并通過試驗對該改進方案進行了驗證，測試結果表明，該氣缸結構改進方案是合理的和可行的。

壓縮機；泵體；氣缸；內圓；變形

0 引言

近年來，旋轉式壓縮機生產的自動化水平得到顯著提高，降低了生產成本，減輕了勞動強度，提高了生產效率，但旋轉式壓縮機泵體組裝后，常出現泵體運轉不暢甚至卡死的情況，成為制約旋轉式壓縮機生產效率和壓縮機可靠性提高的重要因素[1-3]。調查研究后發(fā)現，壓縮機泵體生產線上使用全自動氣缸調芯機來調整軸承和氣缸的相對位置，雖可精確達到壓縮機排氣間隙（同心組裝時滾子與氣缸的徑向間隙）要求，滿足壓縮機正常工作的條件，但調芯后通過螺釘緊固軸承和氣缸后，會引起壓縮機氣缸內圓的變形，影響排氣間隙要求的精度，并造成壓縮機泵體運轉不暢，降低了壓縮機的可靠性。

現有技術無法監(jiān)控下軸承緊固后壓縮機的排氣間隙，只能靠泵體順暢度來檢查，因此有必要對氣缸內圓變形量及影響變形的因素進行試驗和研究。本文通過有限元仿真分析得到了氣缸內圓變形的基本規(guī)律，并設計了氣缸內圓變形量測試的試驗方案，結合仿真與試驗結果，提出可減少壓縮機泵體裝配后氣缸內圓變形的設計方案并進行了試驗驗證。

1 有限元分析

隨著計算機技術的發(fā)展，采用有限元法可以快捷、精確地計算旋轉式壓縮機零部件的應力分布及變形大小，且成本較低，是目前工業(yè)設計中廣泛采用的計算方法[4-5]。本文利用 Pro/MECHANICA的FEM 模塊對建立的氣缸與軸承裝配的三維模型進行精確的網格劃分、定義約束和載荷，并利用ANSYS分析軟件對有限元模型進行計算，分析壓縮機泵體組裝后氣缸內圓的變形情況。

1.1 三維模型

利用Pro/E軟件建立氣缸、軸承和螺釘裝配的三維模型，為減少仿真計算的誤差，建立了精確的螺紋連接模型，如圖1所示。

圖1 螺紋連接三維模型

1.2 網格劃分

網格劃分方案對計算結果的影響很大[6]。通過對單元數量、單元密度、單元扭曲、單元形狀、計算時間及計算精度等各方面的綜合考慮，選用Solid單元作為劃分網格的單元類型，為減少局部應力集中對仿真計算結果的影響，對三維模型的螺紋連接處進行了網格細化控制，網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

1.3 邊界條件及結果分析

各接觸面均采用“無相互貫穿”接觸類型，并定義合適的螺紋摩擦系數，在螺釘頭部周向節(jié)點施加一定的扭矩載荷，同時約束氣缸外周面的全部自由度，氣缸變形有限元結果如圖3所示。

由圖3可以看出氣缸內圓靠近4個螺釘孔處徑向變形最大。氣缸變形量具體仿真計算數值見表1。

從仿真計算數據可以看出，氣缸內圓變形量隨著扭矩載荷的增大而增大，靠近軸承端變形量較大，中間位置幾乎無變形。

圖3 有限元結果

表1 氣缸內圓變形量仿真計算結果

2 試驗研究

2.1 測試系統

該測試系統主要由計算機、MMQ400型圓度儀、扭力扳手、氣缸、上軸承、改進后的下軸承和螺釘組成。MMQ400型圓度儀如圖4所示，其測頭臂長較短且不能彎曲，不能直接穿過軸承頸部進入氣缸內圓中進行圓度測量，故需對下軸承進行重新設計，將下軸承頸部切除，如圖5所示。

圖4 MMQ400型圓度儀

圖5 下軸承

利用線割切掉下軸承頸部，且線割后對下軸承進行去毛刺和下端面精磨處理，保證下軸承下平面與氣缸端面配合精度與量產一致。同時下軸承外圓直徑要比氣缸精加工面直徑小5 mm左右，保證一定的單邊余量，以便于在測試氣缸圓度時利用圓度儀通過單邊余量調節(jié)氣缸為水平，以保證測試結果的準確性，如圖6所示。

圖6 測試組件

2.2 測試方法與步驟

為準確研究壓縮機泵體組裝過程中上、下軸承緊固后氣缸內圓變形的規(guī)律和影響因素，本試驗嚴格按照泵體組裝順序，利用扭力扳手以一定的螺釘預緊力緊固上、下軸承和氣缸，并通過扭矩扳手檢定儀檢驗扭力扳手力矩設定值的準確性。通過測量5種不同螺釘擰緊扭矩下2個相同的氣缸內圓上、中、下3處的變形量來分析氣缸內圓變形規(guī)律和影響因素（氣缸內圓上、中、下3處分別為距離氣缸內圓上端面2 mm處，氣缸內圓中間和距離氣缸內圓下端面2 mm處）。

壓縮機氣缸變形量測試共分為5個步驟：①測量組裝前氣缸內圓上、中、下三處的圓度；②使用力矩扳手擰緊螺釘，緊固上軸承與氣缸后，測量氣缸內圓上、中、下三處的圓度；③使用力矩扳手擰緊螺釘，緊固上、下軸承和氣缸后，測量氣缸內圓上、中、下三處的圓度；④拆卸上軸承后，測量氣缸內圓上、中、下三處的圓度；⑤拆卸下軸承后，測量氣缸內圓上、中、下三處的圓度。

2.3 測試結果與分析

從氣缸內圓變形圖樣可以看出，螺釘緊固氣缸和軸承后，氣缸內圓變形形狀呈現花瓣狀，靠近螺釘孔處氣缸內圓徑向變形最為嚴重，變形方向朝向氣缸內圓軸線。MMQ400型圓度儀測量出的氣缸內圓變形圖樣見圖7。

圖7 氣缸內圓變形圖樣

分別對 5種不同的螺釘擰緊扭矩下兩個相同規(guī)格的氣缸內圓上、中、下3處圓度的變形量取平均值，得到的變形量平均值見圖8。

圖8 2個氣缸內圓變形量平均值

從試驗數據可看出，僅上軸承（或下軸承）和氣缸緊固后，氣缸內圓變形主要發(fā)生在上軸承端（或下軸承端）；上、下軸承和氣缸緊固后，上軸承端和下軸承端都隨螺釘擰緊力矩的增大而呈增大的趨勢，而中間則基本沒有變化，試驗現象與仿真結果一致，驗證了仿真計算的準確性。

試驗完成后單獨測氣缸內圓上、中、下3處的圓度發(fā)現，與試驗前氣缸內圓上、中、下3處的圓度基本一致，說明螺釘擰緊扭矩達到17.5 Nm時，氣缸內圓變形仍為彈性變形。

3 改進方案及試驗分析

通過試驗和仿真結果分析得出，螺紋連接力對壓縮機氣缸內圓變形有很大的影響,且越靠近螺釘孔處氣缸內圓變形越大。

3.1 改進方案

為解決壓縮機氣缸內圓變形問題，在氣缸內圓與螺釘孔之間設置凹槽，如圖9所示。使用螺釘將氣缸和軸承緊固后，螺牙所承受的連接力轉移至氣缸設置的凹槽上，可有效減少氣缸內圓的變形。

圖9 設置凹槽的氣缸

3.2 試驗及分析

將軸承和改進后的氣缸用螺釘緊固后，使用MMQ400型圓度儀測量氣缸內圓上、中、下3處的圓度發(fā)現，氣缸內圓變形測量圖樣與未改進氣缸內圓變形測量圖樣形狀類似但變形量明顯減小，改進后的氣缸內圓變形圖樣如圖10所示。

圖10 改進后的氣缸內圓變形圖樣

改進前后上、下軸承同時緊固，螺釘擰緊扭矩為17.5 Nm時的氣缸內圓變形量對比見圖11，改進后較改進前變形量減少50%以上。

由上述試驗數據可以看出，通過在氣缸內圓與螺釘孔之間設置凹槽，可有效減少螺釘緊固后氣缸內圓的變形。

圖11 改進前后氣缸內圓變形量對比

4 結束語

1）使用Pro/MECHANICA的FEM模塊對氣缸與軸承的裝配三維模型進行精確的網格劃分、定義約束和載荷，并用ANSYS軟件對有限元模型進行計算，仿真結果與測試結果一致，驗證了仿真的準確性。

2）通過改進下軸承的結構使用MMQ400型圓度儀可以準確測量螺釘緊固氣缸和軸承后，氣缸內圓的變形量，通過測量不同螺釘預緊力下氣缸內圓的變形量，發(fā)現氣缸內圓變形形狀呈現花瓣狀，靠近螺釘孔處氣缸內圓徑向變形最為嚴重，且變形量隨螺釘擰緊扭矩的增大而增大。

3）提出了一種氣缸結構的改進方案，經試驗得出該氣缸結構改進方案合理，有效減少了壓縮機泵體組裝后氣缸內圓的變形量。

[1]周子成. 我國空調壓縮機制造業(yè)的現狀和發(fā)展方向[J].制冷與空調, 2004, 4(4): 1-7.

[2]李連生, 趙遠揚, 楊啟超, 等. 制冷與空調壓縮機的技術現狀與發(fā)展趨勢[C]// 第二屆中國制冷空調行業(yè)信息大會會議資料集. 2004: 67-76.

[3]馬國遠, 李紅旗. 旋轉壓縮機[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001.

[4]李波. 螺栓螺紋三維接觸有限元分析[J]. 計算機應用技術, 2010, 5(37): 31-33.

[5]劉而烈, 崔恩第, 徐振鐸. 有限單元法及程序設計[M].天津: 大學出版社, 1999.

[6]李濤, 左正興, 廖日東. 結構仿真高精度有限元網格劃分方法[J]. 機械工程學報, 2009, 45(6): 304-308.

Finite Element Analysis and Experimental Study for Bore Deformation of Rotary Compressor Cylinder

ZHAO Xu-min*, CHEN Hui
(Zhuhai Gree Electrical Appliances Co., Ltd, Zhuhai, Guangdong 519000, China)

In order to study the deformation reason and law of the cylinder bore after the completion of the rotary compressor pump body assembly, actually loads and constraints defining and meshing of the three-dimensional model of the cylinder and bearing assembly have been carried out by the software of Pro/MECHNICA, and the bore deformation simulation calculation has been carried by using the finite element analysis software of ANSYS. A test plan of the cylinder bore deformation was designed, and the cylinder bore deformation under different screw connection force was tested. The test results were consistent with the simulation results. After the analysis of the data, an improvement plan of the cylinder structure which can reduce the deformation of the cylinder bore effectively was put forward, and the result of the verified test showed that this cylinder structure improvement plan was reasonable and feasible.

Compressor; Pump body; Cylinder; Bore; Deformation

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.208

*趙旭敏（1985-），男，工程師，學士。研究方向：壓縮機設計。聯系地址：珠海市香洲區(qū)前山格力電器機電研究院，郵編：519000。聯系電話：15819403916。E-mail：xumzhao@126.com。