冰箱用壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：我們每家每戶都有冰箱，咱們也逐漸關(guān)注起來了冰箱的性能。據(jù)權(quán)威分析，冰箱內(nèi)部主要的能耗部件就是冰箱壓縮機(jī)，也就是壓縮機(jī)主導(dǎo)著冰箱用電水平。線性壓縮機(jī)具有電磁系統(tǒng)，這個(gè)電磁系統(tǒng)與機(jī)械彈簧進(jìn)行簡諧振動，進(jìn)行線性推動活塞，起到增加氣壓的作用，和柱塞泵類似。本文介紹了線性壓縮機(jī)技術(shù)，分析和設(shè)計(jì)了冰箱線性壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)比較了每個(gè)壓縮機(jī)主體的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了最佳的結(jié)構(gòu)方案，開發(fā)了一種用于改進(jìn)設(shè)計(jì)的模型，分析了活塞，進(jìn)氣口和排氣口閥強(qiáng)度校核等。設(shè)計(jì)了一款動力吸震器，為單布置活塞進(jìn)行吸震。關(guān)鍵詞：線性壓縮機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；活塞；強(qiáng)度校核；動力吸震器。目錄TOC\o"1-3"\h\u513引言 緒論1.1課題的研究背景和意義冰箱耗電量的主要組成是壓縮機(jī)，其占總用電量80%~85%[1]。往復(fù)式壓縮機(jī)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動，機(jī)械效率相對較低，輸入功率只有30%~50%被利用[2]。隨著節(jié)能環(huán)保的出現(xiàn)，新能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，以及工質(zhì)替代的迫切需要，人們開始考慮使用直線電機(jī)驅(qū)動的直線壓縮機(jī)來代替原有的壓縮機(jī)[3]。直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、性能好，能效比高、減少溫室氣體排放。因此，研究直線壓縮機(jī)具有很好的前景，作為下代冰箱的核心技術(shù)[4]，它有很好的發(fā)展。1.2外線性壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀英國人wheatstone[5]在我國第一次鴉片戰(zhàn)爭那年，發(fā)明了線性電動機(jī)的雛形。新中國成立后一年，美國首先發(fā)明了直線感應(yīng)電機(jī)原理[6]，用在了核工業(yè)中的電磁泵上。南斯拉夫與中華人民共和國建交那年，Lavinge[7]提出動磁式結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)的理念。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，線性壓縮機(jī)主要用于航空航天、軍事和冰箱。后來英國航天設(shè)計(jì)的牛津斯特林制冷機(jī)，采用了板簧技術(shù)[8]，開辟了一個(gè)新的研究方向。圖1-1牛津斯特林制冷機(jī)圖1-2斯特拉制冷機(jī)中直線驅(qū)動器和板彈簧Figure1-1OxfordStirlingrefrigeratorFigure1-2lineardriveandleafspringinStirlingrefrigeratorSunpower公司也開發(fā)出直線壓縮機(jī)，直線驅(qū)動器和板彈簧等產(chǎn)品。韓國LG用了8年研發(fā)的壓縮機(jī)，已經(jīng)投入了市場，聲稱使制冷機(jī)能效大幅提高20~30%。 圖1-3Sunpower直線壓縮機(jī)圖1-4LG直線壓縮機(jī)樣機(jī)Figure1-3SunPowerlinearcompressorFigure1-4LGlinearcompressorprototype到目前為止，國外直線壓縮機(jī)的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析處于先進(jìn)的地位，在制冷領(lǐng)域已經(jīng)確定了一套比較完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法。與此相比，國內(nèi)對直線壓縮機(jī)尤其是實(shí)驗(yàn)部分的理論研究還比較少，尤其是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)方面，這極大地限制了直線壓縮機(jī)的應(yīng)用和推廣。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)對冰箱壓縮機(jī)技術(shù)的研究始于上世紀(jì)60年代，其中典型的是動圈式直線電機(jī)驅(qū)動的，斯特林壓縮機(jī)的開發(fā)。上世紀(jì)80年代，我國引進(jìn)了直線壓縮機(jī)技術(shù)，開發(fā)了一些小型壓縮機(jī)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究。1991年，西安交大的顧兆林[9，10]等人設(shè)計(jì)壓縮機(jī)電機(jī)。重慶大學(xué)的王建生和其他人已經(jīng)研究了由復(fù)合亞極性線性馬達(dá)驅(qū)動的活塞式壓縮機(jī)[11，12，13]，許多大學(xué)和物理研究所也相繼研究了線性壓縮機(jī)。浙江大學(xué)的周文杰等人[14]研制了直線臂板簧支撐的壓縮機(jī)。近年來，越來越多的國內(nèi)研究人員投入到直線壓縮機(jī)的理論研究和開發(fā)中，并開發(fā)了樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但就其范圍而言，仍然很小。與此同時(shí)，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開發(fā)了一種動磁直線壓縮機(jī)，其支撐為圓漸開線板彈簧。目前國外對線性壓縮機(jī)的探索，還處于領(lǐng)先地位，產(chǎn)品質(zhì)量高，設(shè)計(jì)制造方案成熟。國內(nèi)還處于樣機(jī)的階段，極大地限制了直線壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍。但是隨著國內(nèi)研究的深入和發(fā)展，前景會更加廣闊。1.3本文研究工作本文設(shè)計(jì)了制冷量為120W直線壓縮機(jī)。比較了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行選型，分析了其工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款動磁式線性壓縮機(jī)，對其結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括：線性電機(jī)結(jié)構(gòu)選型、氣缸活塞設(shè)計(jì)、閥體設(shè)計(jì)、彈簧共振系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及吸震器設(shè)計(jì)。根據(jù)本文工況要求，對零件的參數(shù)計(jì)算，得到了確定的參數(shù)。但其系統(tǒng)是無時(shí)無刻在變化的，本論文數(shù)據(jù)僅供參考，對線性壓縮機(jī)的動態(tài)性能和氣閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)，希望能為完善直線壓縮機(jī)的發(fā)展提供參考。建立了振動學(xué)模型，對彈簧，質(zhì)量、運(yùn)行方程等進(jìn)行分析計(jì)算，并在后面設(shè)計(jì)了一款動力吸震器。2整體設(shè)計(jì)2.1線性壓縮機(jī)的分類2.1.1根據(jù)氣缸配置進(jìn)行分類線性壓縮機(jī)根據(jù)氣缸配置形式進(jìn)行分類可分為：立式，臥式，角度式冰箱壓縮機(jī)。其中：比較常見的是臥式壓縮機(jī)，有對稱平衡型的氣缸布置方式。立式壓縮機(jī)為直立配置，其結(jié)構(gòu)緊湊。角度式為多汽缸配置，常見于高壓機(jī)。因此分析了功能，本設(shè)計(jì)采用了臥式布置。2.1.3電機(jī)結(jié)構(gòu)選型分類電機(jī)為線性壓縮機(jī)的重要組成部分，分類如圖所示[17]，在電機(jī)分類中，由于動子不同可分為動磁式線性電機(jī)、動鐵式線性電機(jī)、動輪式線性電機(jī)、動磁鐵式電機(jī)[18]。圖2-1線性電機(jī)分類圖Figure2-1classificationdiagramoflinearmotor動磁式線性壓縮機(jī)，動子是永久磁鐵，線圈固定。材料的利用率大，推力大，結(jié)構(gòu)緊湊、效率更高。動鐵式線性壓縮機(jī)，動子是鐵芯材料，線圈固定，驅(qū)動力大，壓縮比高。但是機(jī)形較大，還得有多相繞組驅(qū)動，動子有摩擦，不穩(wěn)妥。動圈式線性壓縮機(jī)，動子是線圈，磁體固定。優(yōu)點(diǎn)是控制準(zhǔn)確，動子無徑向力，無磁滯損耗。但是，線磨損問題大，質(zhì)量大。動磁鐵式線性壓縮機(jī)，與動磁式壓縮機(jī)相似，只是鐵芯在磁鐵的外部，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。表2-1直線電機(jī)分類表Table2-1classificationoflinearmotor類型動磁式動鐵式動圈式動磁鐵式可動體永磁體鐵芯線圈磁體與鐵芯慣性中大小大震蕩頻率40Hz~70Hz低30Hz以上低優(yōu)點(diǎn)可靠性高驅(qū)動力大反應(yīng)迅速驅(qū)動力大缺點(diǎn)原理復(fù)雜徑向力大飛線磨損活塞質(zhì)量重我們經(jīng)過分析上述優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了動磁式線性電機(jī)。2.1.4活塞結(jié)構(gòu)選型分類線性壓縮機(jī)活塞往復(fù)振動運(yùn)動，活塞布置分為單側(cè)與雙側(cè)。布局方式如圖2-2所示。由于氣隙寬度對直線電動機(jī)內(nèi)部的電磁場產(chǎn)生非常大的影響，因此需要使電動機(jī)在動作中氣隙寬度不發(fā)生大的變化。單側(cè)壓縮時(shí)，全程一半時(shí)間受氣體力，這就產(chǎn)生了徑向力不平衡，產(chǎn)生震蕩。兩側(cè)壓縮時(shí)候，運(yùn)動狀態(tài)對稱，雙缸對置，對振動起到強(qiáng)大的降低效果，但兩側(cè)布局的要求尺寸大，不利于在狹窄的空間內(nèi)的設(shè)置，相應(yīng)地，閥組變得復(fù)雜，必須如圖那樣綜合兩側(cè)的氣缸的空氣路進(jìn)行設(shè)計(jì)的不良影響。選擇哪個(gè)布局與采用哪種類型的線性驅(qū)動器密切相關(guān)。如果采用動線圈式和動磁鐵式單相直線振動電動機(jī)的方案，通過組合兩側(cè)布局，完全抵消了單相電動機(jī)在尺寸、結(jié)構(gòu)上簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此使用單側(cè)布局是最合適的。圖2-2單側(cè)布置方式圖Figure2-2singlesidelayout圖2-3雙側(cè)布置方式圖Figure2-3bilaterallayout2.1.5根據(jù)氣閥的配置方式進(jìn)行分類傳統(tǒng)的壓縮機(jī)氣閥在氣缸的同側(cè)的設(shè)計(jì)，我們設(shè)計(jì)一種新的進(jìn)排氣方案。將進(jìn)氣閥移至后方，活塞上設(shè)置先導(dǎo)閥，排氣閥設(shè)置設(shè)置在氣缸上，就是進(jìn)氣閥，先導(dǎo)閥，排氣閥在一條直線上，這樣設(shè)計(jì)讓流動阻力以及熱損失小。該方案有一定的優(yōu)越性，適用于沒有中心軸的情況。我們采用這種吸氣方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1.6活塞定位與行程控制方案的比較分析活塞的旋轉(zhuǎn)定位：旋轉(zhuǎn)定位是確保直線電機(jī)工作的一部分。分類為：有中心軸，可用直線軸承。方形限位。沒有中心軸，采用外部支撐方式，兩個(gè)柱塞與動子連接，與半缸進(jìn)行配合，限制軸向旋轉(zhuǎn)。活塞行程控制：有位移傳感器，可以直接用傳感器檢測活塞的位置。沒有位移傳感器，通過分析計(jì)算控制電壓、電流時(shí)間等特值。本文采用了擋塊的設(shè)計(jì)方法，在彈簧動子周圍加以擋塊，使其位移只能到達(dá)擋塊范圍內(nèi)，這樣設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且變頻不受到影響。2.2設(shè)計(jì)活塞結(jié)構(gòu)以及動子結(jié)構(gòu)2.2.1活塞結(jié)構(gòu)及動子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)上述活塞采用單側(cè)活塞時(shí)，在制冷壓縮機(jī)等工況下，功率和排氣量不大，工作頻率不太高，兩側(cè)布置的優(yōu)點(diǎn)不明顯，但限制了尺寸，因此選擇了單側(cè)動子的壓縮并增加了振動吸震器。2.2.1密封潤滑方案的比較分析活塞環(huán)密封時(shí)，活塞不能太長，通過細(xì)長的連桿連接。現(xiàn)在，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，在活塞氣缸上涂“特氟隆”材料。將活塞做成中空形狀兼具吸氣功能的吸排氣方式出現(xiàn)了，活塞和電動機(jī)動子的密合性也在提高。本文用噴涂的方式。在裝配時(shí)候，在缸體、限位器等加入脂潤滑。2.2.2諧振元件方案的比較分析線性壓縮機(jī)的共振元件是柱彈簧和板彈簧，柱彈簧易生產(chǎn)，并且具有一些優(yōu)勢，板簧的尺寸小，剛度性能還有穩(wěn)定性相對比較高[14]，但是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都比較困難。因此，本文首先使用螺旋柱狀彈簧來設(shè)計(jì)線性壓縮機(jī)。2.3本章的總結(jié)根據(jù)冰箱的使用要求，比較了線性電動機(jī)的不同示意圖，活塞的布置，空氣回路，密封，潤滑和線性壓縮機(jī)的共振元件。結(jié)果表明，由動磁體或動磁體線性同步振動電動機(jī)驅(qū)動的線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是合理的。效率和尺寸成本的比較，根據(jù)線性壓縮機(jī)動磁體和動磁體的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)化效率，我們選擇了技術(shù)方案例如動子的單向壓縮，帶空心活塞的進(jìn)氣口，不帶位移傳感器的控制，不帶活塞環(huán)的密封方式，低油潤滑和共振圓柱彈簧元件。3設(shè)計(jì)計(jì)算3.1壓縮機(jī)活塞與缸體設(shè)計(jì)線性壓縮機(jī)的熱分析應(yīng)以壓縮制冷循環(huán)為分界點(diǎn)。完整的線性壓縮機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)，電磁系統(tǒng)，熱力學(xué)氣體系統(tǒng)，氣體系統(tǒng)吸氣，排氣，管道系統(tǒng)等組成，并且全部系統(tǒng)相互鏈接并相互影響。設(shè)計(jì)制冷量工況為120W的直線壓縮機(jī)，所研制的壓縮機(jī)使用異丁烷R600a作為工質(zhì)，R600a繪制壓焓圖如圖所示[19]。其中6-0-1為吸熱過程，即冰箱的工作過程，1-2為壓縮機(jī)工作過程，2-5為冷凝器中冷卻的過程，5-6為節(jié)流過程，工質(zhì)通過5-6回到冰箱蒸發(fā)器中繼續(xù)完成6-0-1的循環(huán)過程。圖3-1R600a標(biāo)準(zhǔn)工況壓焓圖Figure3-1pressureenthalpydiagramofR600aunderstandardworkingcondition計(jì)算單位容積制冷量：q0=h1?h6=247.72(kJ/kg)qv=q0v1=359.17(kJ/m3式中：h1、h6為1點(diǎn)處和6點(diǎn)處的比焓值；v1為吸入氣體比容，查R600a的熱力性質(zhì)表得壓縮機(jī)的理論輸氣量為：（3-3）式中：冰箱的功率為120WQ0=120×3600×0.001=432計(jì)算容積系數(shù)：容積系數(shù)：（3-4）式中：a為相對余隙容積；n為膨脹過程指數(shù)；氣缸公稱壓力比：（3-5）本壓縮機(jī)單缸排氣量v?=1.2028m3/h，小型壓縮機(jī)的余隙容積α約為2%~6%壓力系數(shù)λpλp為進(jìn)氣過程中壓力損失程度，取λp=取溫度系數(shù)λt計(jì)算泄露系數(shù)λ主要由閥組件的泄露，以及活塞的泄露造成的，取λl總系數(shù)：λ排=λvλpλtλ則氣缸工作容積為：V=Vhλ=1.2028×106設(shè)活塞行程為l=20mm，則活塞面積Ap（m2）與直徑D（mm）分別為：Ap=V?l=0.0601m2D=2Apπ=0.2767mm（對于往復(fù)式壓縮機(jī)，在確定冷卻能力之后確定氣缸的工作容積。氣缸的工作容積是活塞的面積和直徑的容積，當(dāng)活塞的沖程較大時(shí)，活塞的直徑變小，機(jī)芯的振幅變大，往復(fù)運(yùn)動的推力變大同樣，活塞的位移值越小，活塞直徑越大，所需的發(fā)動機(jī)推力就越大。參考GB/T2822?1981壓縮機(jī)Ra40系列中尺寸選擇活塞直徑d=25mm。根據(jù)氣缸的標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑，選擇直徑和行程，本壓縮機(jī)設(shè)計(jì)取值為圓形活塞，氣缸活塞直徑d=25mm，活塞行程為l1計(jì)算得出壓縮機(jī)工作容積：V1=π4d2l1考慮到與理論制冷熱量129.6w相對應(yīng)，選擇的間隙系數(shù)較小，因此是合理的。為了確保良好的密封性，氣缸壁的長度必須大于活塞的長度。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，氣缸壁長40mm，活塞長15mm。實(shí)際輸送氣量：V?=λ排V1f×式中：V?壓縮機(jī)工作容積V頻率取交流電頻率f=50Hz計(jì)算得到:V活塞力的計(jì)算：根據(jù)進(jìn)氣P1和排氣壓力P2分別為0.063MPa和0.762MPa，計(jì)算出活塞對缸體推力大小為：F=P2×S=374.05N（3活塞結(jié)構(gòu)：氣缸活塞直徑d=25mm，活塞行程為l1=20mm。汽缸壁長為40mm，活塞長15mm。3.2活塞與缸體結(jié)構(gòu)尺寸及校核3.2.1活塞桿強(qiáng)度校核使用活塞和缸體外壁的材料40Cr，對其尺寸精度要求很高(IT5~IT7)。屈服點(diǎn)σs≥785MPa活塞采用中空吸氣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，活塞半徑：d=12.5mm。空心軸的強(qiáng)度校核；因?yàn)槭侵锌蛰S，所以進(jìn)行截面積的計(jì)算，設(shè)計(jì)桿外徑為23mm、內(nèi)徑為16mm，設(shè)計(jì)活塞桿長度l=42mm,中空活塞軸厚度為4mm活塞桿長度l<10d,所以按照強(qiáng)度條件進(jìn)行校核:[d]≥4Fnsπσs式中：F為活塞桿最大推力，由上文給出F=374.05NNs為安全系數(shù)，一般取Ns=2~4,取4，解得：[d]=15.58mm[S]=πd24=190.59mm2S=π(D2?d2可以看到：S>[S]，活塞軸的強(qiáng)度合理。3.2.2氣缸壁厚校核設(shè)計(jì)缸筒壁厚δ=6mmδD>0.25[δ]≥D2（[式中：δ為缸筒壁厚；Pmax氣缸瞬間承受的最大壓力與上文中P2[σ]為材料許用應(yīng)力=785MPa；計(jì)算出[δ]=1.807mm由此可知：δ>4[δ]所以缸壁厚完全符合要求。4彈簧設(shè)計(jì)4.1動力學(xué)模型我對此系統(tǒng)建立動力學(xué)模型，得到：單自由度彈簧阻尼系統(tǒng)，因?yàn)闄C(jī)器安裝在冰箱上。基礎(chǔ)剛度大，不考慮重力，繪制動態(tài)方程式微分方程。動子部分，帶有永磁體的支架和活塞簡化為質(zhì)量塊。圖4-1線性壓縮機(jī)動力學(xué)模型Figure4-1dynamicmodeloflinearcompressor由此得到動子受迫振動的微分方程：md2x(t)dt2+c式中：x(t)為時(shí)間函數(shù)，s；c為阻尼系數(shù),主要為摩擦阻尼，N(m/s)；Fe(t)為是電磁驅(qū)動力，（N=QsinwtFg(x)為是氣體力，（N4.2諧振彈簧設(shè)計(jì)安裝諧振彈簧是為了消除轉(zhuǎn)子進(jìn)行高頻直線往復(fù)運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的慣性力，不僅起到行程限制的作用，還可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量使電動機(jī)在諧振狀態(tài)下動作，提高電動機(jī)的效率。動磁直線振動電機(jī)在強(qiáng)制振動下運(yùn)行。彈簧對電動機(jī)的性能有很大的影響，因?yàn)闉榱舜_保電動機(jī)的高效率，必須接近電動機(jī)的固有振動頻率。在工程上，為了在缸內(nèi)膨脹和壓縮時(shí)表現(xiàn)出非線性氣墊的彈性，從而改變系統(tǒng)的剛性，在彈簧設(shè)計(jì)中必須考慮氣體剛性的影響。4.2.1氣體等效剛度Kg=A2s(P2式中：活塞面積A為490.87mm2；動子振幅S為20mm；(P2?P1)當(dāng)電磁力的頻率和系統(tǒng)的共振頻率相同時(shí)，振幅最大。機(jī)械共振頻率、動子質(zhì)量m和系統(tǒng)等效剛性k關(guān)系為：2πf=K+Kgm式中：m為運(yùn)動質(zhì)量,包括永久磁體、支架、活塞質(zhì)量等。本文動子質(zhì)量由三維模型中，動子在Solidworks中質(zhì)量計(jì)算，如圖4-2所示，m=0.868kg；解得：彈簧剛度K=77090N/m圖4-2線性壓縮機(jī)動子質(zhì)量屬性Figure4-2rotormassattributesoflinearcompressor本設(shè)計(jì)中，計(jì)算出彈簧剛度K=77090N/m。設(shè)計(jì)時(shí)選取12根彈簧、6根一組對稱布置，可知每根彈簧剛度K1為6424.18N/m，設(shè)彈簧中徑D為20mm。有一定預(yù)壓縮量的壓縮彈簧。由于負(fù)載的影響，活塞的初始安裝位置不在動態(tài)平衡位置，而是可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使活塞的初始安裝位置與動態(tài)平衡位置重合。即彈簧初始安裝位置設(shè)為Xs=Xd=10mm。4.2.2選擇材料和確定許用應(yīng)力壓縮機(jī)彈簧屬于變載荷，作用次數(shù)十萬以上，按照Ⅰ類選取設(shè)計(jì)，選取彈簧材料為合金鋼50GrVA，[τ]=430MPa4.2.3計(jì)算彈簧鋼絲直徑d首先取彈簧指數(shù)C，然后計(jì)算曲度系數(shù)K，設(shè)預(yù)壓縮力F1=120N，氣體力F2=375N，則單根彈簧：F1=10N，F(xiàn)2=31.25N由表12-5初選C^=7K^=4C^?14C^+1+0.615C^（計(jì)算出K^=1.21按照（式12-8）d^≥1.6K^F2C^2[得出d^>=0.889取d=2mm所以：C=D4.2.4求工作圈數(shù)z彈簧變形量：λ2=F2C=3.125λ1=λ2+?=13.125式中：工作行程h1=20mm，由于對稱布置，取h=10mm。彈簧剛度C=F2?F1λ2按照公式：z=Gdλ28F2C式中：彈簧切變模量取：G=80000MPa，鋼絲直徑d=2mm，求出工作圈數(shù)z=9.64取z=10。4.2.5計(jì)算彈簧尺寸彈簧總?cè)?shù)：z1=z+2 （4-1彈簧自由高度：H0=pz+1.5d （4-1彈簧節(jié)距：p=D3~D2 （彈簧螺旋升角：α=arctanpπD2 （彈簧鋼絲展開長：L=πD2z1cosα 彈簧外徑：D=D2+d （4-彈簧內(nèi)徑：D1=D2?d （計(jì)算出彈簧幾何參數(shù)如表4-1所示：表4-1共振彈簧幾何參數(shù)表Table4-1geometricparametersofresonancespring彈簧中徑D鋼絲直徑d總?cè)?shù)z自由高度H0節(jié)距p20mm2mm12138mm9mm外徑內(nèi)徑螺旋角α展開長L22mm18mm8.15°761.29mm4.3彈簧校核4.3.1穩(wěn)定性驗(yàn)算彈簧按照兩端固定考慮，其高徑比為：b=H0D2=13820=6.9>5.3 進(jìn)行驗(yàn)算：Fc=CucH0>F2 式中：Fc為穩(wěn)定時(shí)臨界載荷；F2為彈簧最大工作載荷FCu為不穩(wěn)定系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)（圖12-17）得到Cc為彈簧剛度C=12N/mm計(jì)算得到Fc=463.68N>F4.3.2疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算按照變載荷作用次數(shù)：N≥106考慮，由表12-7查得：τ0=0.3σB，已知σSF=τ0+0.75τminτmax≥[Sτmax=8KCF2πd2=92066Paτmin=8KCF1πd2=29461Pa帶入上式得：SF=0.24≥[SF] [SF]取靜強(qiáng)度驗(yàn)算SS=τsτmax=1.32≥[S式中：τs4.3.4共振驗(yàn)算彈簧的工作頻率是預(yù)先給定的，為避免共振對彈簧強(qiáng)度影響，就得限制彈簧得工作頻率比。彈簧自振頻率：f=3.56×105dzD22=148.33Hz 彈簧工作頻率:fw=50Hz（4-1fwf=0.33（4-按照閥片彈簧fwf≤5閥體設(shè)計(jì)活塞式壓縮機(jī)一般都采用自動闊，也就是說，氣閥的開閉不需要其他驅(qū)動機(jī)構(gòu)，只通過閥板兩側(cè)的壓力差實(shí)現(xiàn)。氣閥是壓縮機(jī)的重要部件，同時(shí)也比較容易損壞。壓縮機(jī)的主要作用是控制氣體的進(jìn)出。空氣閥的使用壽命是衡量壓縮機(jī)整體質(zhì)量的重要指標(biāo)，對壓縮機(jī)的可靠性影響大。因此，空氣閥經(jīng)常被比作“心臟壓縮機(jī)”及其設(shè)計(jì)。目前高速壓縮機(jī)的發(fā)展是有限的，但主要問題之一是氣閥。5.1氣閥的研究現(xiàn)狀壓縮機(jī)的研究發(fā)展隨著往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展而興盛。50年前由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速低，氣閥的可靠性和經(jīng)濟(jì)性一直沒有受到很大的考驗(yàn)，氣閥在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)上也一直沒有出現(xiàn)重大問題，但隨著工業(yè)的發(fā)展，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提出更多要求時(shí)，氣閥問題逐漸凸顯，人們開始大力研究氣閥隨著氣閥的可靠性和經(jīng)濟(jì)性問題日益突出，現(xiàn)代測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了氣閥的研究。研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)了閥板、彈簧、緩沖板等易損件，同時(shí)，閥門的運(yùn)動規(guī)律對氣體的可靠性有很大的影響，此外，對閥門的運(yùn)動規(guī)律的研究也是最重要的，所提出的數(shù)學(xué)模型提供了依據(jù)。文勇等人分析在不同轉(zhuǎn)速下閥的運(yùn)動規(guī)律。李云等。潘書林等人研究了閥板質(zhì)量對閥板性能的影響，對環(huán)形閥的傾斜運(yùn)動進(jìn)行了分析和研究。建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來分析壓縮機(jī)閘閥的傾斜運(yùn)動及其影響。目前的氣閥壽命相對于低壓、中壓縮機(jī)的最髙可以達(dá)到8000h以上的高壓壓縮機(jī)也可以達(dá)到4000h。制冷用全封閉壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間可達(dá)到全年，在空氣閥中流動的能量損失可降低到5%左右。目前，往復(fù)式壓縮機(jī)中廣泛使用的閥有環(huán)狀閥，盤狀閥，網(wǎng)狀閥，舌簧閥，簧片閥。5.2氣缸的結(jié)構(gòu)類型與對比壓縮機(jī)使用的氣閥由進(jìn)氣閥和排氣閥組成。在許多壓縮機(jī)中，進(jìn)、排氣闊的結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別在于閥座與升程限位器，哪個(gè)在工作腔內(nèi)。壓縮機(jī)氣閥有幾個(gè)分類方式，按氣體流向分，包括回流閥與直流閥。回流閥的氣流通過氣閥時(shí)有兩次直角的轉(zhuǎn)折，效率低。直流閥的閥板幾乎與氣流方向平行，氣流通過閥時(shí)偏轉(zhuǎn)小、流量大、阻力損失小。氣閥如環(huán)形閥、簧片閥、氣墊閥、碟閥、條形閥、菇形閥等，用啟閉元件來分類呼。環(huán)形閥具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、加工方便的優(yōu)點(diǎn)，但其閥板是簡單的環(huán)形，在工作過程中容易轉(zhuǎn)動。氣閥彈簧很多，每個(gè)環(huán)的運(yùn)動規(guī)律往往不一致。與環(huán)形閥相比，在升程限制器上增加了氣墊室，閥板比一般環(huán)形閥厚，環(huán)形槽直接導(dǎo)向。由于氣墊的阻尼作用，閥板沖擊升程限制器的速度很小或沒有沖擊，從而提高了閥門的可靠性，降低了噪音。但氣墊閥也有很多缺點(diǎn)：閥板容易延遲開啟和關(guān)閉，氣墊室容易堵塞，經(jīng)濟(jì)性差，升程限制器的氣流通道小。此外，氣墊閥的加工難度相對較大，成本較高。與上述兩種氣閥相比，網(wǎng)狀閥有許多優(yōu)點(diǎn)：由于閥板組合成一個(gè)整體，因此具有相對一致的運(yùn)動規(guī)律。與同直徑的其他閥門相比，網(wǎng)狀閥門具有更大的有效流通面積、更多的通道和更好的經(jīng)濟(jì)性。舌簧閥，閥門通常使用彈性薄鋼板，分為固定端和自由端。由于大塊材料本身是靈活的，具有一定的彈簧力，因此不能用舌簧閥施加彈簧。舌簧閥還有另一個(gè)特點(diǎn)：余隙小，結(jié)構(gòu)簡單。閥門關(guān)閉后，閥門與樂器的簧片運(yùn)動相似。與上述閥門相比，該閥門的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。通常適用于活塞直徑小于100毫米的小型冷卻壓縮機(jī)。5.3直線壓縮機(jī)的氣閥選型閥一般有兩種布置方式：吸氣排氣閥，都在氣缸頂部，或：排氣閥在氣缸頂部，然而吸氣閥在空心活塞上，這種氣流更合理。本次壓縮機(jī)中:進(jìn)氣閥采用舌簧閥，選用材質(zhì)為Sandvik20C，查得其性質(zhì)：彈性模量為1.45×109Pa，泊松比進(jìn)氣閥的閥擋板選用的材質(zhì)為PEEK，彈性模量為3.66×109Pa，泊松比0.45，密度1.32g/cm3。該聚合物有以下優(yōu)點(diǎn)。耐高溫，耐腐蝕，排氣閥采用盤狀閥最好，但是盤狀閥的設(shè)計(jì)資料較少，不完善。所以本次設(shè)計(jì)采用環(huán)狀閥。5.4現(xiàn)代氣閥提出了新的要求要求阻力損失很小。由于氣孔直徑小，閥門大小本身受到限制，因此結(jié)構(gòu)小，形狀合理，閥門通道面積大。閥門的阻力損失應(yīng)在壓縮機(jī)指示動力的范圍內(nèi)控制。閥門開關(guān)迅速不及時(shí)漏氣，提高機(jī)器效率。閥門材料必須具有強(qiáng)度、高揮發(fā)性、耐磨、內(nèi)部可食性等性能。有良好的可靠性，長壽命。閥門的工作條件比較差，需要承受反復(fù)的沖擊載荷。因此，為了確認(rèn)閥門運(yùn)動規(guī)律是否良好，必須確定適當(dāng)?shù)拈y門形狀大小和升程。余量空間體積小，小型制冷壓縮機(jī)的余量空間影響壓縮機(jī)的容積效率。彈簧閥的特點(diǎn)是可用空間小。相對空閑空間容積一般在空中高峰工作容積上左右，因此這方面比較合適。需要低噪音、簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本、簡單的制造、易維修性。5.5進(jìn)氣闊的結(jié)構(gòu)分析鑒于前文動力分析中確定的氣缸直徑25mm，所以舌簧閥采用如下閥片，有2個(gè)閥孔，取閥孔直徑為d1=2.6mm。簧片閥最主要的2個(gè)參數(shù)即簧片閥的閥片升程與閥片厚度。圖5-1閥片圖Figure5-1valveplatediagram圖5-2進(jìn)氣閥組件圖Figure5-2intakevalveassemblydiagram5.6計(jì)算閥片的升程簧片閥的閥門一端固定，一端自由。首先，假設(shè)離固定端最遠(yuǎn)的閥門中心的閥門升降機(jī)為h0。閥門固定端的距離決定了閥門中心的升降機(jī)從最近到最近，距離第二遠(yuǎn)并列的2個(gè)閥孔中心的升程分別為h1、h2最近的一個(gè)閥孔升程為h3。那么由幾何關(guān)系可以確定由幾何關(guān)系確定：?1=?2=0.84?0?3=0.68?0（5最大升程：?e=1.19?0 （5平均生程：?cp=?0+?3+?閥間隙通道面積：Av=zπd1?cp=27.43式中：z為閥孔數(shù)，取z=1。圖5-3簧片閥流量系數(shù)α與?0Fig.5-3flowcoefficientαandrelation?0表5-1簧片閥流量系數(shù)取值參考Table5-1referencevalueofreedvalveflowcoefficient?00.70.8av0.96~0.880.86~0.670.78~0.630.70~0.590.63~0.550.54~0.490.20.49任意選取?0d/2的數(shù)值。在圖中查出相應(yīng)的流量系數(shù)av，然后計(jì)算出h0和閥隙通道面積Av，算出有效流通面積a當(dāng)?0d/2<0.55?0d/2=0.5（5?0=0.65mm（5-?g=1.19?0=0.774mm?g=0.8mm（5-?cp=0.84?0=0.56mmavAv=11.02mm25.7閥片的厚度閥片開啟高度達(dá)到最大時(shí)的平均氣體力為F=k(avAv)pM2剛性系數(shù)為K=μF?cp=171.71N/m對于進(jìn)氣閥釆用舌簧閥的小型壓縮機(jī)而言，系數(shù)u取值一般為0.06~0.14，這里取0.12.閥片厚度為：t=2LKEb（5-其中L和b為閥片的長和寬，由于氣缸直徑的限制，取閥片長度L=16mm，寬度b=8mm在確定材料后可調(diào)整。E為材料的彈性模量，選用材質(zhì)為Sandvik20C，查得其性質(zhì)：彈性模量為1.45×109Pa，泊松比0.3，密度5.8閥片的校核5.8.1當(dāng)量撞擊速度閥片升程確定以后，要進(jìn)行校核，看是否符合設(shè)計(jì)要求。校核分為三個(gè)部分：各種氣閥對升程與閥孔直徑的關(guān)系都有要求，對于舌簧閥而言，若閥孔直徑皆相同，則閥孔個(gè)數(shù)、閥孔直徑、閥片升程應(yīng)滿足下面的關(guān)系：zπd1hcp≤z化簡得：?由此計(jì)算，14壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓力、閥門剛度、閥門提升、閥門開啟過程、閥門運(yùn)動質(zhì)量等因素會影響閥門沖擊速度，進(jìn)而影響壽命。因此，必須確保閥門的等效沖擊速度滿足限制條件。當(dāng)量撞擊速度：v=che（5-式中c為壓縮機(jī)角速度。一般來說，钚以低于壓縮機(jī)驅(qū)動電動機(jī)速度變化的特定值的速度檢查閥門升降機(jī)。一般來說，對于現(xiàn)有的往復(fù)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)速度越高，該值就越大。如果壓縮機(jī)速度小于1500r/min，則該值必須小于0.4。如果壓縮機(jī)速度大于1500r/min，小于3000r/min，則該值必須小于0.6。壓縮機(jī)速度更大時(shí)，如果上述閥門升降機(jī)確定，則在檢查時(shí)，直線壓縮機(jī)使用的直線電動機(jī)將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的速度與直線電動機(jī)的速度相比較。假設(shè)使用與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似的線性電動機(jī)。等效沖擊速度如下：這個(gè)數(shù)字相對較小為0.125m/s，所以符合檢查條件。5.8.2進(jìn)氣閥，閥隙平均馬赫數(shù)M的校核閥門的運(yùn)動規(guī)律受作用于閥門的氣流頂部推力和閥門本身的彈簧力的影響和限制，氣流的頂部推力與閥門氣流速度的平方成正比。平均馬赫數(shù)是判斷氣流阻力損失的主要參數(shù)。從減少氣流損失的角度來看，需要最大限度地減少馬赫數(shù)，但閥門升降機(jī)也受上述兩個(gè)條件的限制，所以對于R600a工質(zhì)而言，馬赫數(shù)取0.17~0.28之間，最大不超過0.35。活塞平均速度：Cm=sn30（活塞面積：Ap=14πd2閥隙平均速度：Cv=CmApa當(dāng)量音速：a=KRT（5-1氣體參數(shù)R=287.2J/kg?K；絕熱指數(shù)K=1.4；進(jìn)氣溫度T=M=Cv/a=0.32<0.5數(shù)值在正常范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。5.9先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)先導(dǎo)閥也稱為輔助閥，廣泛用于液壓系統(tǒng)。本文是為了減少空氣間隙而設(shè)計(jì)的閥門，彈簧預(yù)壓力相對較小，起到關(guān)閉閥門入口的作用。圖片是先導(dǎo)閥的形式。圖5-4先導(dǎo)閥圖Figure5-4pilotvalvediagram先導(dǎo)閥彈簧設(shè)計(jì)與共振彈簧相似，這里就不過多設(shè)計(jì)了，預(yù)緊力10N，行程h=2mm，選取C1=5，進(jìn)行計(jì)算，列出參數(shù)表如圖。表5.2排氣閥預(yù)緊彈簧參數(shù)表Table5.2parametersofpretighteningspringofexhaustvalve彈簧中徑D鋼絲直徑d總?cè)?shù)z自由高度H0節(jié)距p10mm0.60mm1015mm2mm外徑內(nèi)徑螺旋角α展開長L行程h11mm9mm8.15°31.72mm2mm6排氣閥設(shè)計(jì)6.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的排氣結(jié)構(gòu)閥門板固定在底座上，對于直線壓縮機(jī)遇到的缸問題，該結(jié)構(gòu)的閥門容易被破壞。有些放棄排氣閥，采用彈簧閥的結(jié)構(gòu)設(shè)置，但排氣閥對材料的要求很高，沖擊噪音很大。兩種結(jié)構(gòu)都有局限性。本文設(shè)計(jì)了創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，以防止閥門在正常排氣時(shí)碰撞。沖擊汽缸時(shí)，閥門能很好地得到緩沖，確保壓縮機(jī)工作的穩(wěn)定性和較長的工作壽命。排氣結(jié)構(gòu)如圖6-1所示，排氣閥片采用板閥，不固定。閥門板采用凸結(jié)構(gòu)，確保密封良好。在活塞氣缸頂部，設(shè)有限位閥座，上方加閥片限位來固定閥片，閥片限位有孔隙，用以出氣體，然后用彈簧進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為10N，上方設(shè)有閥蓋，有彈簧墊，用來增加彈簧的預(yù)緊力，氣體經(jīng)過頂開閥片排處，閥蓋上有M10螺紋孔，用來排除氣體。而且我們的排氣腔大，起到消音器的作用，因此不需要在排氣腔后面再安裝消音器。圖6-1排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖Figure6-1exhaustvalvestructurediagram初始壓縮階段，即壓縮機(jī)打開時(shí)排氣室壓力大小等于吸入壓力，排氣閥門板受到的壓力最大，因此，根據(jù)此時(shí)間設(shè)計(jì)預(yù)擰緊彈簧參數(shù)。吸氣壓力Po=0.063MPa，排氣壓力Pk=0.762MPa。可以計(jì)算出排氣閥板受最大推力Fm=374N。經(jīng)過計(jì)算預(yù)緊彈簧尺寸如表6-1所示。表6-1排氣閥預(yù)緊彈簧參數(shù)表Table6-1parametersofpretighteningspringofexhaustvalve彈簧中徑D鋼絲直徑d總?cè)?shù)z自由高度H0節(jié)距p20mm0.8mm1025mm1.98mm外徑內(nèi)徑螺旋角α展開長L21mm19mm8.15°761.29吸入、排氣壓力損失影響排氣量，一般情況下，閥門有效通過面積越大，吸入、排氣壓力損失越小，排氣量越大。研究表明，吸氣、排氣閥差異化設(shè)計(jì)可以增加排氣量，得出最佳吸氣、排氣閥有效流動面積比，在按最佳面積分配閥門有效流動面積時(shí)，吸氣、排氣平均壓力損失和最小值、實(shí)際壓力比最小值、排氣量最大值、排氣溫度最低。增加壓縮機(jī)排氣量的措施是，設(shè)計(jì)壓縮機(jī)時(shí)使用大型閥門代替多閥門，吸氣閥可以比排氣閥稍微多一些的方式提高吸氣閥的有效通風(fēng)面積。設(shè)計(jì)閥門時(shí)，請使用可能的閥門面積利用系數(shù)較高的閥門類型。壓力大的情況下，可適當(dāng)提高吸氣閥升程。6.2排氣閥校核排氣閥板采用傳統(tǒng)活塞壓縮機(jī)用閥板，閥板厚度為2mm，材料采用：3cr13,具有優(yōu)良的耐腐蝕性，而且其性質(zhì)還包括著較高的強(qiáng)度和耐磨性，厚度3mm，半徑10mm。排氣口的壓力P2=0.762MPa，材料的屈服強(qiáng)度[根據(jù)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核按照有限壽命8000h計(jì)算，彎曲條件下，我們按照1萬小時(shí)計(jì)算，N=104、系數(shù)kσ=1.65、εσ=0.81、β材料疲勞極限：σ?1c=εσβkσ查找[1]圖1-6，得到修正系數(shù)qK0=(Kσ?1)q0假設(shè)Nσ?1102=σ?1m式中：m為材料常數(shù)取m=9。σ?1c102=σ?110計(jì)算材料常數(shù)m`=lgN0?lg10條件疲勞極限為:σ?1(104)c=σ?1cS=σ?1(104)cσa=2.28>[s]疲勞強(qiáng)度滿足條件。7電磁系統(tǒng)7.1動子磁鐵支架設(shè)計(jì)為提高直線驅(qū)動器的性能，永磁體采用的是銣鐵硼N45H，相對磁導(dǎo)率約為1.04。永磁支架應(yīng)為非磁性、不導(dǎo)電、具有一定機(jī)械強(qiáng)度、由不銹鋼制成。由于永磁體是徑向磁化的，所以采用八個(gè)瓦形結(jié)構(gòu)，通過緊固螺釘固定在永磁體支架上。磁鐵的矯頑力約為96300A/m。7.2直線壓縮機(jī)的電磁系統(tǒng)通過以上介紹，我們知道直線壓縮機(jī)的特點(diǎn)是它的直線電機(jī)，所以電磁系統(tǒng)是直線壓縮機(jī)的重要組成部分。無論什么類型的直線壓縮機(jī)，其基本工作原理都是由電磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁力驅(qū)動。當(dāng)電流通過線圈時(shí)，磁場產(chǎn)生驅(qū)動力，驅(qū)磁鐵帶動動子運(yùn)動。通過三部分進(jìn)行分析：1.回路中的電量關(guān)系；2.電磁關(guān)系；3.能量關(guān)系。7.2.1回路的電量關(guān)系當(dāng)直線電機(jī)通入電源時(shí)，電源電壓為u，磁場中的線圈通過交變的電流，受到安培力的作用而運(yùn)動；電路中會產(chǎn)生動生電動勢ε1以及感生電動勢ε=ε1+ε2此時(shí)的電路如圖所示。圖7-1電路圖Figure7-1circuitdiagram于是列出：(uR?u)?ε=0整理有：u=iR?ε（7-37.2.2電磁關(guān)系根據(jù)電路的分析，由電磁關(guān)系有：ε=?Nd?(z,i)dt式中:N表示線圈的有效匝數(shù)；d?(z,i)是不考慮漏磁時(shí)，可表示為φ(z,i)=φ0(z)+φi其中φ0φ(z,i)一般而言φ(z,i)是與電流和位移相關(guān)的函數(shù)，當(dāng)行程振幅不大時(shí)，也可近似的認(rèn)為φ即任一閉合回路中，磁壓降的代數(shù)和等于磁動勢的代數(shù)和，可表示為iN=hl+hδδ式中：iN為磁動勢；h是磁場強(qiáng)度；l為磁路的長度；∑hl?δδ是氣隙徑向間隙；hδ=φisμ式中：?δδμ0為s是氣隙中徑截面面積；φi可以看出，φi與i成正比，令φ當(dāng)工作電流不大時(shí)，磁路處于未飽和狀態(tài)，工作過程磁導(dǎo)率變化不大。但是氣隙中的磁阻卻很大，可近似認(rèn)為：Ndφ0dt=Belz`上式為氣隙的均強(qiáng)磁通密度，l為導(dǎo)線的有效長度。則整理有u=iR+Belz`+Ldidt 7.2.3能量關(guān)系系統(tǒng)的輸入能量與輸出能量一定是相等的，忽略產(chǎn)生的熱量。輸入能量只有輸入的電功，為uidt、磁場力做功Fεdz、鐵損i2Rdt因而能量方程為：uidt=Fεdz+i2Rdt+Lidt 由于有摩擦，取驅(qū)動力為FεFε=Be×1×πDn接入電源為交流電源，則其電流可以表示為i=Imsin(50t) （7式中：Im如此，令KεFε=KεImsin(ωt?即激振力幅值F而激振力幅值計(jì)算涉及機(jī)械系統(tǒng)等效剛性系數(shù)K與等效阻尼系數(shù)C有關(guān)。Fg=A(K?mw2)2+CA為行程振幅20mm；令Q=K?mω2、由于設(shè)計(jì)頻率為50Hz，與激振電流頻率相同，所以Q值為Fg=ACw（7-可近似的取得Fg的值為120N設(shè)選取的切割磁場通電導(dǎo)線允許的最大電流500mA，線直徑1mm，氣隙取s=0.5mm，磁力Be=Hc×s×0.9=43.34A/m，由式7-11計(jì)算得由此可得線圈直徑180mm，匝數(shù)100匝，與動子磁鐵氣隙小于0.5mm，電源電壓取24V，50HZ，滿足設(shè)計(jì)要求。8吸震設(shè)計(jì)我們采用了單側(cè)布置，存在徑向力，振動有輸出。為降低壓縮機(jī)振動，可以通過增加，一個(gè)振動吸震器解決，其動力學(xué)模型如圖所示。圖8-1動力學(xué)模型Figure8-1dynamicmodel其中m1是動態(tài)平衡器的質(zhì)量，k1是第一道輔助彈簧的剛度，k2是第二道輔助彈簧的剛度，x1是動力吸震器的動子位移。根據(jù)機(jī)械動力學(xué)[46]列出運(yùn)行方程：md2xdt2m1d2x1d將以上兩個(gè)方程相加得到質(zhì)量塊對機(jī)架的方程：m1d2x1dQ(t)=md2xdt2為了保證沒有振動傳遞到外殼，于是Q(t)=0，即：md2xdt2系統(tǒng)能量方程為:i2Rdt+Lidt+Fdz=uidt（8-運(yùn)行能量方程：iR+Ldidt+Fdxdt=u進(jìn)行傅里葉變換：x(t)X(jω)（得到：X(jω)=f(?m1ω2X1(jω)=fkI(jω)=(?mω2+CjD(jω)=(R+Ljω)[(?mω2若輸出振動為0：mω2X(jω)+m代入變換后的式得到：k1=mm1ω2從以上公式可以看出，輸出振動為0的條件與活塞系統(tǒng)的等效剛度和阻尼系數(shù)無關(guān)，因此與環(huán)境條件和熱負(fù)荷無關(guān)。再令：U(jω)=U(ω)（得到：X(ω)=f(?m1ωX1(ω)=fkI(ω)=(?mω2+Cj可以得到電壓和電流的幅值、U?=D(jω)f(?mI?=(?mω2+Cj得到：I(jω)=Km1?U?=(?k2mR?C電機(jī)消耗電功為：W=12ReU(jω)得到：W=X?22f2當(dāng)滿足：Km1=k2m電機(jī)最小電流和功率為：Imin?=X?fωWmin=X?2C化簡得到彈簧剛度分別為：k1=mm1m+mk2=mm1K通過計(jì)算有無動平衡機(jī)的單活塞直線壓縮機(jī)的最小功耗，發(fā)現(xiàn)最小功耗的表達(dá)式是相同的。從公式可以得出，當(dāng)：k1ω>Km（8-因此，增加減振器后，我們只需要固定比系統(tǒng)固有頻率稍大的工作頻率，就可以達(dá)到減振降噪的效果，但實(shí)際的直線壓縮機(jī)功耗并沒有增加太多。由前面計(jì)算結(jié)果：K=77090.14286N/m、m=0.868Kg.、ω=50000、設(shè)K1=50000N/m，根據(jù)公式（8-28）和（求得：m1=0.541kg、K2根據(jù)計(jì)算出的彈簧進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)列出彈簧參數(shù)表如表8-1所示：表8-1輔助彈簧1、2參數(shù)表Table8-1parametersofauxiliaryspring1and2彈簧1彈簧中徑D鋼絲直徑d總?cè)?shù)z自由高度H0節(jié)距p115mm1.4mm626.8mm4.8mm外徑內(nèi)徑螺旋角α展開長L116.4mm113.6mm8.15°2166.6mm彈簧2彈簧中徑D鋼絲直徑d總?cè)?shù)z自由高度H0節(jié)距p115mm2.5mm626.8mm4.2mm外徑內(nèi)徑螺旋角α展開長L117.5mm113.5mm5.33°1865.7mm9總結(jié)本文設(shè)計(jì)了一款制冷量為120W線性壓縮機(jī)，總體設(shè)計(jì)為：首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析選型，選擇了動磁式線性電機(jī)結(jié)構(gòu)，單側(cè)活塞布置的方式，活塞定位采用2個(gè)氣缸桿進(jìn)行定位，然后根據(jù)制冷量，計(jì)算了活塞氣缸直徑為25mm，行程為20mm。接下來計(jì)算了動子12個(gè)諧振彈簧的尺寸，根據(jù)solidworks仿真確定了整個(gè)動子的質(zhì)量，下一章設(shè)計(jì)了閥結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣閥采用舌簧閥，排氣閥采用彈簧板閥，空心活塞上設(shè)計(jì)了一先導(dǎo)閥，目的是為了減小余隙系數(shù)，使壓縮機(jī)更穩(wěn)定，并且對閥組件進(jìn)行計(jì)算校核，分析了閥選型的依據(jù)。接下來設(shè)計(jì)了電磁系統(tǒng)，對電磁力與驅(qū)動力進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出了線圈，磁鐵尺寸。最后進(jìn)行設(shè)計(jì)了一個(gè)動力吸震器，放在了壓縮機(jī)后方多余容積處，吸收單側(cè)活塞產(chǎn)生的振動，建立了動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了彈簧，質(zhì)量塊的參數(shù)，為現(xiàn)代線性壓縮機(jī)技術(shù)提供一個(gè)有效的參考。總體設(shè)計(jì)圖如下圖所示。圖9-1總體設(shè)計(jì)圖Figure9-1overalldesign參考文獻(xiàn)[1]任金祿，陳俊健．新型制冷壓縮機(jī)制冷與空調(diào)，2003，(6)：1～6[2]方澤云，何國庚，鄧承武，等.電冰箱的節(jié)能與高效壓縮機(jī)的研究.家電科技，2001，3：12～14[3]Remich，NormanCJr.Thelinearcompressor.ApplianceManufacturer，Chicago，Sep1993，145～151[4]NicholasR.vanderWalt，ReuvenUnger.LinearCompressors-aMaturingTechnology，Proceeding45thInternationalApplianceTechnicalConference，UniversityofWisconsin，Madison，1994，239～246G.y.Song，H.k.Lee，J.y.Yoo，J.k.Park，Y.h.Sung.Developmentofthelinearcompressorforahouseholdrefrigerator.ProceedingsApplianceManufacturerConference&Expo，Cincinnati，Ohio，USA，2000.[6]Doelz，H.O.H.，SmallElectricRefrigeratingMachine，US.PatentNo.2679732，1954.[7]Lavigne，A.，ElectromagneticCompressorofrefrigerators，Kaeltetechnik，1955，7(5):l40-141.[8]丁國忠，張曉青，何明順等.斯特林用直線壓縮機(jī)的研究［J］.低溫技術(shù)，2008(6):458-462.[9]顧兆林線性驅(qū)動微型高壓壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方案研究流體機(jī)械，1995，23（4）；18~21[10]顧兆林，等電磁線性驅(qū)動高壓壓縮機(jī)，CN2105572U.1992.5.27[11