安吉阁

（中山市技师学院 广东中山 528400）

基于Pro/E的滚动转子式压缩机运动仿真

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目前滚动转子式压缩机广泛应用于家用空调器中，压缩机是空调系统的“心脏”，在滚动转子式压缩机的设计与开发过程中，滑片行程随时间变化的函数规律是设计人员关注的焦点，而常规的设计方法无法动态地分析这个问题。本文运用Pro/E软件建立滚动转子式压缩机的运动仿真机构，不但可以直观快捷的了解结构设计的合理性，还可以生成滑片的位移、速度和加速度曲线。

滚动转子式压缩机；Pro/E；运动仿真

1 引言

空调用滚动转子式压缩机最早由美国GE公司研制并生产，由此引发了空调用压缩机在结构上的巨大进步[1]。将压缩机分为泵体组件、壳体组件和电机组件三个部分，其中泵体主要包括：上法兰、下法兰、曲轴、滚子、滑片、气缸和曲轴；壳体组件主要包括：上盖、下盖、壳体、分液器等；电机组件主要包括：定子组件和转子组件等，如图1所示。

运动仿真是使用计算机来模拟和分析真实事物的运动和变化过程,并获得相应的结果[2]。 Pro/E提供了完善的仿真功能，使用三维实体建模模块创建模型后，即可模拟模型的运动过程、分析机构的运动轨迹、位移及干涉问题，还可以将仿真的结果输出，生成MPG、AVI等格式的文件。

在滚动转子式压缩机设计开发过程中，为减少滑片端部的泄漏以及降低功率损耗，滑片的运动特性是设计人员关注的焦点。通过创建位移函数，然后求导得到滑片运动的速度和加速度函数，求解过程非常复杂。用Pro/E建立滚动转子式压缩机的三维仿真模型就可直观地分析滑片的运动情况，缩短产品设计开发周期[3]。

2 滚动转子式压缩机工作原理与运动模型

2.1 工作原理

如图2所示滚动转子式压缩机的运动结构示意图，圆形气缸的径向开设有吸气孔口和排气孔口，滚子装在曲轴上，滚子沿气缸内壁滚动，与气缸形成一个月牙型的工作腔，它的两端有上下法兰密封，构成压缩机的工作腔。滑片靠背部弹簧力和气体力的作用与滚子紧密接触，将月牙形的工作腔分隔为两部分，与吸气口相通的吸气腔，与排气口相通的排气腔，滑片随滚子的滚动

沿滑片槽作往复运动[4]。

图1 滚动转子式压缩机结构图

图2 滚动转子式压缩机的运动结构示意图

图3 滑片的运动规律

图4 滚动转子式压缩机泵体装配图

图5 运动仿真模型图

2.2 运动模型

图3为滑片运动规律图，用CD表示滑片，视滑片为刚体，则其上任何一点的运动代表滑片的运动。在压缩机正常运行时转子中心O1绕气缸中心O顺时针方向旋转，其轨迹是一个半径为曲轴偏心距的圆，滑板受气体力和弹簧力的作用，紧压在转子上，作往复运动，连接CD、O1D、O1O的粗实线恰与往复压缩机中的曲柄连杆机构相似[5]。如果规定滑片被滚动转子完全推出气缸内孔时，其端部D点的位移为零，D点向气缸内运动产生的位移为正，在任意转角θ时，滑片位移为：

对式（1）求导，则得滑片运动的速度及加速度计算公式（2）和（3）：

由上述计算可知滑片位移、速度和加速度均为转角θ的函数，在计算过程中θ和w关系的转换非常复杂，而运用Pro/E进行的仿真过程可以避免这一复杂运算。

3 零件建模与装配设计

在零件建模过程中其主要参数如下：气缸直径D=57.181mm；滚子外圆直径d=45.88mm；曲轴偏心距e=5.9mm。

装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副[6]。

运用Pro/E零件设计完成泵体主要零件的创建，依据滚动转子式压缩机泵体装配关系完成泵体装配如图4所示。为尽量简化模型，对不参与运动的上法兰等不添加运动模型中来。

4 滚动转子式压缩机运动仿真分析

在Pro/E Mechanism工作环境中，机构的运动仿真主要通过以下4个步骤进行：（1）定义运动副；（2）添加驱动；（3）进行分析测量；（4）输出分析结果。

4.1 定义运动副

根据滚动式压缩机的工作原理,首先应确定仿真分析中各零件部件的连接方式，其中气缸采用刚性连接, 曲轴有一个旋转的自由度曲轴与下法兰销钉连接，滚子与曲轴销钉连接，滑片与气缸滑动杆连接，滑片与滚子凸轮连接，如图5所示。

4.2 添加驱动并定义测量

要让机构能产生动作必须要加入动力条件,即模型中添加驱动器。在Pro/E Mechanism模块中

为所建模型添加驱动，工作时滚动转子式压缩机的动力由曲轴上输入，故将曲轴轴线销钉连接处作为添加伺服电动机的旋转中心，定义运动轴为转子中心线，伺服电机速度为常数，在这里把伺服电机转速设为60deg/s，即每6秒旋转l周[7]。

图6 滑片位移—时间曲线

图7 滑片速度—时间曲线

图8 滑片加速度—时间曲线

4.3 仿真结果

选择滑片底部中心点作为测量点，分析的结果可用图表的形式输出，这样从图表可以判断机构的运动结果是否与设计一致，从而提高机构设计的准确性[8]。

图6所示为滑片位移—时间曲线，图7所示为滑片速度—时间曲线，图8所示为滑片加速度—时间曲线。

5 结论

本文首先建立了滚动转子式压缩机运动分析的数学模型，并在Pro/E中建立其装配模型，利用Mechanism模块对模型进行运动仿真分析，从而不需要通过实物试验就可以比较直观地判别滚动转子式压缩机各运动部件设计的合理性，从运动的角度保证了压缩机结构设计的合理性与可靠性，并能够简单快捷地得到滑片的位移、速度和加速度曲线，为进一步实现滚动转子式压缩机的动力学分析、敏感度分析和优化设计打下了坚实的基础。同时提高了设计质量，缩短了设计周期，降低了设计成本，加快了产品的更新换代速度。

[1] 张华俊，袁秀玲，刘勇等．滚动转子式变频压缩机的实验研究[J]．制冷与空调.2004(4)：14-16．

[2] 祝凌云,李斌Pre/Engineer运动仿真和有限元分析[M].北京:人民邮电出版社，2004：3.

[3] 马国远，李红旗.旋转压缩机[M].北京：机械工业出版社，2003:28.

[4] 蔡晓君，罗福华. 基于Pro/E Mechanism的旋叶式压缩机运动仿真[J]．压缩机技术，2006(5)：24-26．

[5] 吴业正，李红旗，张华等.制冷压缩机[M].北京：机械工业出版社，2011：92.

[6] 王凯，曹西京．基于Pro/E的机械产品机构运动的仿真设计[J]．轻工机械，2006(3)：62-64．

[7] 钱珊．基于Pre/MECHANISM的旋转式压缩机运动仿真机构的建立与分析[J]．压缩机技术，2009(2):6-9．

[8] 吕颢，任挪颖，颜俊等．基于Pro/E实现活塞压缩机的运动仿真[J]．压缩机技术，2006(6):13-16．

Motion simulation of rotary compressor base on Pro/E

AN Jige
（ZhongShang Technician College Zhongshan 528400）

The rotary compressor is widely used in household air conditioner. Compressor is the heart of air conditioning system，and pump body is the heart of compressor. In the development and design of rotary compressor, function rule of the vane traveling distance along with the time variation are often the points which the designers pay attention. The conventional design method is unable to solve the above problems. This paper aims at setting up simulation mechanism of rotary compressor which established by Pro/E. It not only solved the above problem visually and quickly, but also build the characteristic curve.

Rotary compressor; Pro/E; Motion simulation