壓縮機(jī)金屬膜片層間接觸力學(xué)行為的研究

閆百歲

摘 要：為了解析隔膜壓縮機(jī)的膜片受力原理，專門建立了一個(gè)力學(xué)模型。在不同撓度的情況下，理論計(jì)算就可以算到膜片的撓度曲線、主剪切應(yīng)力、徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力。依照膜片不同高度的著力分布，可以得到每層膜片在接觸面的滑動(dòng)區(qū)以及粘著的一個(gè)狀況，可以知道如何把膜片的摩擦損失降到最低，而且還可以延長膜片的使用壽命。本文主要從壓縮機(jī)的金屬膜片理論受力這方面進(jìn)行解析。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī); 金屬膜片; 接觸; 力學(xué)行為

1前言

壓縮機(jī)是根據(jù)隔膜在氣缸中進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行運(yùn)作來達(dá)到氣體的傳輸和壓縮，其是一款有特殊結(jié)構(gòu)的容積式壓縮機(jī)，并且有許多的優(yōu)點(diǎn)，因其密封性好，壓縮性強(qiáng)，大范圍的運(yùn)用于輸送各式各樣的有毒有害或者易燃易爆以及純度較高的氣體。從隔膜壓縮機(jī)膜片來說，這兩種材料就是非金屬和金屬隔膜式。從以往研究中可知，壓縮機(jī)的氣腔曲面形狀和膜層接觸摩擦的損失都會(huì)影響到膜片的使用壽命，對此狀態(tài)很多人都會(huì)探究前者多一些，而膜片之間摩擦損壞研究的比較少。

2膜片的受力分析

想要計(jì)算出隔膜壓縮機(jī)的三層膜片的撓度曲線以及應(yīng)力應(yīng)變值，可以采用單層膜片的求解方法和過程。首先把三層膜片看成一個(gè)整體，這樣就可以算出三層膜片的撓度曲線。使單層膜片整體受到壓力并對其進(jìn)行求解和解析，再把整個(gè)單層膜片分為三層，就可以算出每一層膜片的彎曲應(yīng)力以及拉伸應(yīng)力，可以依照每個(gè)膜片在受力變化的情況進(jìn)行，求出分布的黏著曲和滑移區(qū)。另一邊，壓縮機(jī)的膜片在正常運(yùn)行中是重復(fù)向上運(yùn)動(dòng)，所以只要探究膜片往上運(yùn)動(dòng)的軌跡，進(jìn)而推算出膜片的整個(gè)運(yùn)行周期所接受壓力狀況。

從圖1可以看出，各膜片之間在接近的時(shí)候?qū)儆诜蔷€性的，每個(gè)膜片層之間的接觸面，黏著區(qū)與滑動(dòng)區(qū)會(huì)隨著膜片上的應(yīng)力和形狀的變化而變化。對膜片層之間的接觸問題進(jìn)行研究，需要達(dá)到以下兩種要求：第一，上下兩個(gè)面不能互相滲入;第二，膜片之間的摩擦力要遵守庫侖定律。在圖1中，T表示主剪切應(yīng)力;Q表示摩擦系數(shù);P表示壓應(yīng)力，如果膜片表面上的主剪切應(yīng)力大于壓應(yīng)力會(huì)造成膜片之間相互移動(dòng)，就是T≥QP。膜片表面的主剪切應(yīng)力小于壓印力與摩擦系數(shù)沉積會(huì)造成膜片層之間的黏著。就是T

3針對金屬膜片的受力進(jìn)行解析

本文針對壓縮機(jī)膜片進(jìn)行受力的分析。所選用試驗(yàn)的隔膜壓縮機(jī)和膜片的每一種參考數(shù)值為：曲面半徑204mm，曲面撓度5.9mm，撓度指數(shù) 4，膜片直徑 428mm，膜片泊松比0.31，單個(gè)膜片厚度0.5mm，膜片的材料都是不銹鋼。

3.1 薄膜運(yùn)行時(shí)的撓度曲線

計(jì)算方程為：

任意選取膜片運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行解析，把撓度分別選為 1，3，5mm 時(shí)膜片的撓度方程，依照撓度方程探究膜片往上運(yùn)行中的受力狀況，即：

依據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊中撓度方程設(shè)計(jì)求解氣腔曲線，即：

膜片在上面（3），（4），（5）情況下所受到的壓力進(jìn)行計(jì)算，把任何一個(gè)撓度下三層膜片所接觸的黏著區(qū)和滑移的劃分狀態(tài)計(jì)算出來。

3.2不同撓度膜片所受壓力變化分布情況

這三層膜片的撓度曲線是相同，其所受的壓力大致也是相同，能算出任何一層膜片上的應(yīng)力應(yīng)變，就可以把其他兩層膜片的應(yīng)力應(yīng)變值也能算出來。上述已經(jīng)得到單層膜片，微分單元體上徑向及周向應(yīng)力的計(jì)算公式。為了方便計(jì)算引入變量α1 ，α2，如下圖：

膜片徑向和周向應(yīng)變值大小大致與應(yīng)力值一樣，依照求得撓度5.9mm的應(yīng)力應(yīng)變值，可以得出撓度（3），（4），（5）公式，膜片上兩向應(yīng)力應(yīng)變分布的特點(diǎn)。

4結(jié)論

試驗(yàn)得出的結(jié)論有以下兩點(diǎn)：①每層膜片之間在向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，接觸而產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都屬于滑移區(qū)，而最大拉應(yīng)力一般都會(huì)在滑移區(qū)的邊緣，所以如果膜片出現(xiàn)裂縫情況出現(xiàn)都會(huì)在滑移區(qū)的邊緣。②膜片黏著、滑移區(qū)域的面積會(huì)受摩擦系數(shù)、厚度以及膜片兩側(cè)的壓強(qiáng)大小等而受到影響，像摩擦系數(shù)以及厚度等，都跟膜片的材料有關(guān)。膜片層之間在接觸的時(shí)候就可以改變這些因素，從而把膜片的摩擦損失降到最低。

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