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1、设 计 计 算滑 块 压 缩 机 滑 块 与 直 线 轴 承 间 相 对 滑 动 的 分 析 X西 安 交 通 大 学 林 强 金 光 熹摘 要 对 滑 块 压 缩 机 中 滑 块 与 直 线 轴 承 间 的 相 对 滑 动 现 象 进 行 了 分 析 ,建 立 了 圆柱 滚 子 滚 动 模 型 ,给 出 了 滑 块 与 直 线 轴 承 间 无 相 对 滑 动 时 所 需 最 小 预 紧 力 的 计 算 公 式 。关 键 词 滑 块 压 缩 机 直 线 轴 承 相 对 滑 动 预 紧 力1 前 言美 国 太 康 公 司 (Tecumseh Co) 开 发 的 滑 块 压 缩机 ,自 1990
2、年 公 开 以 来 ,备 受 重 视 ,竞 相 研 究 。 该压 缩 机 结 构 紧 凑 ,力 平 衡 性 好 ,振 动 和 噪 声 小 ,较好 地 解 决 了 吸 气 阀 开 闭 不 及 时 和 吸 气 阀 过 热 等 问题 1 ,在 高 压 无 油 润 滑 压 缩 机 领 域 具 有 广 阔 的 应用 前 景 。 但 由 于 在 滑 块 滑 道 摩 擦 副 间 沿 其 接 触 面的 法 线 方 向 作 用 着 每 一 列 的 活 塞 力 ,加 之 散 热 条件 差 ,故 磨 损 严 重 ,因 此 滑 块 压 缩 机 在 研 制 中 需 解决 的 关 键 问 题 是 如 何 减 小 滑 块
3、滑 道 间 的 磨 损 ,文献 2 提 出 在 滑 块 与 滑 道 摩 擦 副 间 采 用 滚 动 摩 擦副 替 代 滑 动 摩 擦 副 ,在 滑 动 上 安 装 直 线 滚 动 轴 承 ,把 滑 块 与 滑 道 间 的 滑 动 摩 擦 转 变 为 滚 动 摩 擦 ,使摩 擦 副 间 的 磨 损 大 为 减 小 。 压 缩 机 工 作 过 程 中 ,滑 块 与 滑 道 间 的 相 互 作 用 是 一 个 交 变 载 荷 ,直 线滚 动 轴 承 能 否 正 常 工 作 是 实 现 这 一 目 标 的 关 键 。下 面 就 滑 块 滑 道 摩 擦 副 及 直 线 轴 承 中 圆 柱 滚 子 的受
4、力 和 运 动 情 况 进 行 分 析 。2 滑 块 滑 道 运 动 机 构图 1 为 滑 块 滑 道 机 构 的 运 动 、 受 力 示 意 图 ,在曲 轴 的 驱 动 下 ,滑 块 推 动 滑 道 沿 水 平 方 向 左 右 运动 ,而 滑 块 相 对 于 滑 道 做 上 下 移 动 。 直 线 轴 承 安装 在 滑 动 的 两 侧 ,滑 块 与 直 线 轴 承 有 相 对 运 动 。滑 块 滑 道 机 构 的 运 动 分 析 和 气 缸 中 压 缩 气 体 的 压力 、 每 列 活 塞 往 复 惯 性 力 的 计 算 参 数 见 文 献 3、4。 滑 块 与 滑 道 间 的 作 用 力
5、F、 滑 块 沿 滑 道 的 位移 s 及 速 度 V 和 加 速 度 a 的 计 算 如 下 :F = F2 - F1 2 Ff1 + Is (1)s = r(1 + sin ) (2)V = ds/ d t = r cos (3)a = d2 s/ d t2 = ” r 2sin (4)式 中 F1、 F2 活 塞 1、 2 中 的 气 体 力 ,NFf1 活 塞 的 往 复 摩 擦 力 ,NIs 往 复 惯 性 力 ,N 曲 柄 转 角 ,rad 曲 柄 旋 转 角 速 度 ,rad/ sr 曲 柄 半 径 ,mm图 1 滑 块 压 缩 机 机 构 示 意 图取 活 塞 1 处 于 气
6、缸 顶 端 时 的 曲 柄 转 角 为 起 始角 ,式 (1) 中 ,当 0 时 ,取 “ + ” ,式 (4) 中 ,当- / 2 / 2 时 ,取 “ - ” 。图 2 为 滑 块 与 直 线 轴 承 间 所 受 的 活 塞 力 F、滑 块 沿 滑 道 的 速 度 和 加 速 度 随 曲 柄 转 角 的 变化 曲 线 。 由 于 滑 块 与 直 线 轴 承 间 沿 法 线 方 向 存 在游 隙 ,运 动 过 程 中 滑 块 只 有 一 边 与 直 线 轴 承 接 触 。当 活 塞 力 F 0 ,即 0 a 和 b 2 时 ,气体 活 塞 力 方 向 是 从 右 向 左 ,这 样 滑 块 与
7、 滑 道 A 边上 的 直 线 轴 承 接 触 ;反 之 ,当 F 0 时 ,即 a 61 流 体 机 械 2000 年 第 28 卷 第 6 期X 收 稿 日 期 :1999 09 23 b ,活 塞 力 的 方 向 反 向 ,滑 块 与 滑 道 B 边 的 直 线 轴承 接 触 。 而 从 图 2 中 可 以 看 出 ,当 曲 柄 转 角 = a 和 = b 时 ,滑 块 的 运 动 速 度 、 加 速 度 并 不 为零 ,这 样 当 滑 块 从 与 滑 道 的 一 边 接 触 转 向 与 其 另一 边 接 触 时 ,将 与 滑 道 上 的 直 线 轴 承 发 生 相 对 滑动 ,即 轴
8、承 打 滑 ,发 生 打 滑 后 ,轴 承 内 部 摩 擦 和 发热 加 剧 ,严 重 时 会 导 致 轴 承 迅 速 烧 伤 损 坏 。图 2 F - 、 V - 、 a - 曲 线3 直 线 滚 动 轴 承 打 滑 的 解 决 方 法为 了 消 除 滑 块 和 直 线 轴 承 间 存 在 的 打 滑 现象 ,文 献 5 提 出 了 在 滑 道 与 直 线 轴 承 间 安 装 一 组预 紧 弹 簧 ,使 直 线 轴 承 在 工 作 过 程 中 始 终 与 滑 块两 侧 同 时 保 持 接 触 ,其 结 构 如 图 3 所 示 。 由 于 滑块 在 沿 滑 道 的 运 动 过 程 中 ,其 加
9、 速 度 和 所 受 的 活塞 力 均 随 曲 柄 转 角 呈 周 期 性 变 化 ,因 此 所 需 的预 紧 力 的 大 小 同 时 受 到 多 个 因 素 的 影 响 。 弹 簧 力过 小 不 能 起 到 完 全 消 除 相 对 滑 动 的 作 用 ,反 之 ,弹簧 力 过 大 ,则 会 加 大 轴 承 的 滚 动 摩 擦 力 ,造 成 轴 承磨 损 加 剧 ,影 响 其 使 用 寿 命 ,同 时 也 增 加 了 压 缩 机的 功 率 消 耗 。 选 取 合 适 的 弹 簧 预 紧 力 是 保 证 滑 块和 直 线 轴 承 间 无 相 对 滑 道 的 关 键 所 在 ,因 此 有 必要 对
10、 所 需 的 最 小 预 紧 力 进 行 计 算 。图 3 带 预 紧 弹 簧 的 滑 块 滑 道 机 构4 滚 动 模 型 的 建 立滑 动 与 滑 道 间 采 用 直 线 滚 动 轴 承 ,该 轴 承 采用 润 滑 脂 润 滑 ,圆 柱 滚 子 在 轴 承 轨 道 中 呈 自 由 状态 ,与 滑 块 接 触 的 圆 柱 滚 子 在 摩 擦 力 的 作 用 下 沿轴 承 轨 道 来 回 运 动 ,并 且 推 动 其 它 圆 柱 滚 子 沿 轴承 轨 道 循 环 往 复 运 动 ,因 此 它 不 受 滑 块 滑 动 距 离的 限 制 。 由 于 采 用 润 滑 脂 润 滑 ,并 且 非 工 作
11、 状 态的 滚 动 体 处 于 自 由 运 动 状 态 ,滚 动 体 间 相 互 推 动所 需 的 作 用 力 是 很 小 的 ;另 外 ,由 于 滑 块 压 缩 机 中滑 动 轴 承 的 工 作 面 通 常 是 垂 直 与 水 平 面 ,并 且 滚动 体 的 质 量 非 常 小 ,因 此 我 们 做 如 下 假 定 :(1) 在 轴 承 工 作 时 ,处 于 工 作 状 态 的 滚 动 体 的运 动 主 要 受 上 下 工 作 面 的 影 响 ,忽 略 滚 动 体 所 受的 重 力 及 其 它 非 工 作 的 滚 动 体 对 其 的 作 用 力 。(2) 滚 动 体 与 上 下 接 触 面
12、间 的 滑 动 摩 擦 系 数和 滚 动 摩 阻 系 数 相 同 。由 于 滑 块 带 动 圆 柱 滚 子 运 动 ,根 据 上 下 两 平面 的 摩 擦 系 数 相 等 的 假 设 ,圆 柱 滚 子 在 两 滑 道 平面 上 所 受 的 滑 动 摩 擦 力 应 该 相 等 ,因 此 ,当 圆 柱 滚子 与 上 平 面 即 滑 块 平 面 间 发 生 相 对 滑 动 时 ,圆 柱滚 子 与 下 平 面 即 滑 道 平 面 始 终 处 于 纯 滚 动 状 态 。411 刚 体 运 动 方 程把 直 线 轴 承 中 圆 柱 滚 子 在 XY 平 面 上 的 运 动看 成 刚 体 的 平 面 运 动
13、 。 从 运 动 学 知 道 ,平 面 运 动刚 体 的 位 置 只 需 要 三 个 独 立 参 数 ,通 常 取 质 心 的两 个 坐 标 x、 y 和 刚 体 在 XOY 平 面 内 的 转 角 ,当刚 体 运 动 时 ,这 三 个 参 数 是 时 间 的 连 续 函 数 ,要 确定 这 三 个 参 数 和 刚 体 所 受 的 力 之 间 的 关 系 ,只 需要 用 以 下 一 组 运 动 微 分 方 程 即 可 6 :md2 x/ d t2 = Fxmd2 y/ d t2 = FyIcd2 / d t2 = mc ( F-)(5)式 中 Fx 刚 体 在 X 方 向 上 所 受 的 作
14、用 力 ,NFy 刚 体 在 Y 方 向 上 所 受 的 作 用 力 ,Nm 圆 柱 滚 子 的 质 量 ,kgIc 圆 柱 滚 子 的 转 动 惯 量 ,kg m2mc 圆 柱 滚 子 所 受 的 力 矩 ,N m 圆 柱 滚 子 的 转 动 角 ,rad滑 块 与 轴 承 滚 动 体 间 的 受 力 如 图 4 所 示 ,根据 以 上 所 做 的 假 设 ,从 平 面 刚 体 运 动 微 分 方 程 可以 得 到 圆 柱 滚 子 平 面 运 动 方 程 组 :71Vol. 28 ,No. 6 ,2000 FLUID MACHINERY Ff1 - Ff2 = ma0Fn - N = 0(
15、Ff1 + Ff2) R - ( Fn + N) e = Ic(6)式 中 Ff1、 Ff2 圆 柱 滚 子 所 受 的 摩 擦 力 ,NFn、 N 上 、 下 滑 道 在 垂 直 方 向 对 圆 柱 滚子 的 作 用 力 ,Ne 滚 动 摩 阻 系 数 ,m 圆 柱 滚 子 的 角 加 速 度 ,rad/ s2a0 圆 柱 滚 子 在 质 心 的 加 速 度 ,m/ s2图 4 圆 柱 滚 子 运 动 示 意 图412 圆 柱 滚 子 与 滑 块 平 面 无 相 对 滑 动 的 条件如 图 4 所 示 ,如 要 圆 柱 滚 子 在 滑 块 平 面 上 的相 对 运 动 为 纯 滚 动 ,则 圆 柱 滚 子 在 A 点 即 与 滑 块平 面 接 触 点 处 的 加 速 度 aA 要 与 滑 块 运 动 的 加 速度 aH 相 等 。 由 基 点 法 公 式 得 ,平 面 图 形 上 任 意 点的 加 速 度 aM 等 于 基 点 加 速 度 a0 和 该 点 绕
