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双层滑片回转运动

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摘要

建立双层滑片运动机构的力学模型,并全面分析其力学特性。能过分析发现,与机械摩擦损失相比,双层滑片之间相对运动产生的粘性摩擦损失很小,可以忽略不计;采用双层滑片能够明显改善滑片端部的密封效果,减轻滑片的摩擦磨损,但滑片应力有所增加,强度有所降低;厚度比对双层滑片的受力及摩擦磨损影响很小,只对强度产生较大影响。从增加强度和便于加工的角度考虑,优化出双层滑片机构厚度比的适宜值。

关键词:滑片机构;力学特性;压缩机

符号表

E-材料的弹性模量pa-小室a的压力ρΦ-气缸型线矢径

e-气缸型线升程pb-滑片背部压力Φ-转角或极角

Fn-端部约束力ph-滑片后基元压力ΦF-F滑片中心线的位置角

Ft-端部摩擦力pq-滑片前基元压力ΦR-R滑片中心线的位置角

f1、f2-滑片与气缸、r-转子半径τ-剪切应力

转子间的摩擦系数R1、R2-侧面约束力ω-转子的角速度下标

H-滑片轴向长度Rτ1、Rτ2-侧面摩擦力c-气缸

h-滑片径向长度RG-滑片质心距转动中心距离F-F滑片

L-滑片伸出槽外的长度R0-滑片F与R间的支反力R-R滑片

m-滑片质量rυ-滑片端部圆弧半径υ-滑片

M0-滑片F与R间的力矩θ-滑片倾角

p-压力μ-材料的泊松比

1引言

滑片回转运动机构具有结构简单、运转平稳等优点,广泛用于压缩机、液压泵、真空泵及发动机等机械[1~3]。滑片运动机构的主要缺点是滑片与气(液)缸内壁之间存在较大的摩擦和磨损,严重阻碍其工作寿命及机械效率的提高。作者研制出的双层滑片回转运动机械可以在改善滑片端部密封效果的同时,明显地降低滑片的摩擦和磨损[4]。图1示意出双层滑片压缩机的结构原理,转子上的每个滑片槽内都安放两块重叠而又可以相对自由滑动的滑片,转子旋转时,滑片靠离心惯性力甩向气缸内壁,这两块滑片的端部都与气缸内壁保持接触,形成两端密封线。由于两滑片端部均有圆弧过渡,则使两滑片端部内侧形成一个小室a,通过滑片在气缸壁上刮油和两滑片接合缝隙的泄漏,在压缩机起动很短时间内小室a就会充满润滑油,在滑片端部两道密封线之间形成油封,高压侧的气体必须克服此油封后才能泄漏到低压侧,这样就大大降低了滑片端部的泄漏损失。同时气缸壁对滑片端部的正约束力也由两块滑片一起随,减少了正约束力的幅值,使滑片端部的磨损均匀,磨损量降低。

1-转子2-气缸3-滑片4-吸气口5-排气阀

图1双层滑片压缩机的结构简图

处于同一滑片槽中的两块滑片,以转子旋转方向为基准,靠前一块称为上层滑片(简称滑片F),靠后一块称为下层滑片(简称滑片R),滑片F与R的厚度比是设计双层滑片机构的关键。本文在建立力学模型的基础上,全面分析双层滑片运动机构力学特性,优化出双层滑片机械厚度比的适宜值。

2受力及摩擦分析

2.1受力分析

图2是双层滑片机构的隔离体受力分析图。滑片F和R是面接触,它们之间的约束力可简化为作用在质心处的一个集中力和一个力矩,方向如图2所示为正,反之为负。气缸型线采用简谐型线[5],即ρ(Φ)=r+esin2Φ。以双层滑片分界线与气缸内表面交点所处的角度Φ作为滑片的位置角。

图2双层滑片机构的隔离体受力分析图

按照库仑摩擦定律,滑片与气缸及滑片槽之间的摩擦力等于其间的正约束力与摩擦系数的乘积。滑片周围流体对其产生的粘性阻力很小,可以忽略。根据达朗伯原理,分别对滑片F及R建立+X、+Y方向的力平衡方程以及对滑片质心G的力矩平衡方程。于是式中:;;;FeYF=-mFrω2sinθ;FeYR=-mRrω2sinθ;FrF=-mFafF;FrR=-mRarR;FkF=-2mFωυRf;FkR=-2mRωυrR;FbF=pbBFH;FbR=pbBRH;FdF=(pq+pa)BFH/2;FdR=(ph+pa)BRH/2;FpF=pqLFH;FpR=phLRH;

ΨF=tg-1[eωsin2ΦF/ρ(ΦF)];aF=ΨF+sin-1[rsinθ/ρ(ΦF)];ΨR=tg-1[eωsin2ΦR/ρ(ΦR)];aR=ΨR+sin-1[rsinθ/ρ(ΦR)]。

滑片的运动速度υr和加速度ar惯性力及气体力的分析详见文献[5]。用高斯消去法对式(1)进行求解,可求出滑片F、R的端部与缸壁之间的法向反力及其它约束力与力矩。

2.2摩擦损失的比较

滑片端部与气缸内表面之间相对运动产生的摩擦损失为

Lt=f1[FnFρ(ΦF)+FnRρ(ΦR)]ω(2)

双层滑片回转运动责任编辑:刘老师    阅读:人次