壓縮機彈簧設計與試驗分析

陳雄輝

摘 要： 變頻壓縮機受力情況復雜，為了保證壓縮機的可靠性，壓縮彈簧具有重要作用。本文基于壓縮彈簧的工作特性，對滑片所受的最小彈簧力進行計算，根據相關參數對最大排量26cc壓縮機壓簧結構進行設計，并通過彈簧疲勞強度校核和壓縮機可靠性驗證，證明本設計可靠可行。

關鍵詞：壓縮彈簧;結構設計;疲勞強度校核;可靠性

1 問題的提出

泵彈簧是滾動轉子式壓縮機泵體的重要零件之一。由于轉子式壓縮機使用壓縮彈簧具有壽命長，成本低等優點，因此國內外許多壓縮機廠家都采用壓簧結構。尤其是對于變頻壓縮機，轉速在很大范圍內變化，彈簧的受力情況很惡劣，壓縮彈簧更具有不可替代的優越性。同時，泵彈簧的質量如何，直接影響壓縮機的可靠性。泵彈簧的失效原因有兩種情況：（1） 過載失效。由于設計缺陷，彈簧在高應力下工作，造成彈簧斷裂或松弛。（2）疲勞失效。由于設計不當和材料問題，如表面脫碳、裂紋、內部存在非金屬夾質物等因素造成彈簧早期疲勞斷裂，或在腐蝕介質中工作，使彈簧產生腐蝕疲勞失效。

根據壓縮機結構及壓縮彈簧的特點，在保證壓縮機可靠性、性能、噪聲振動等要求的前提下，擬在最大排量壓縮機上采用圓柱螺旋壓縮彈簧。

2 壓縮彈簧的工作特性分析

壓簧工作時有一最小長度Lmin和最大長度Lmax，壓并高度Hb=n+1.5d （其中d為彈簧絲直徑，n為彈簧有效圈數），彈簧自由長度為Lo，（Lmax-Lmin）/Lo越大，表明彈簧的工作情況越惡劣，為保證彈簧工作的可靠性，在現有泵體結構上設計彈簧將十分困難。首先Lmin不能太小，而且Lmin>Hb，如果Lo增加，則Hb也會增加，則Lo必須相應的增加以保證可靠性。而Lmin取決于滑片的高度H和滑片尾部彈簧槽的深度△H以及氣缸壁厚δ。對于我公司現有的壓縮機，滑片高度和氣缸內徑已限定，不可改變，這將導致對于一定工作容積（即氣缸的內徑Di和滾子的外徑do一定）的泵體，所需的彈簧的最大長度將越大，則彈簧槽的深度就越大，這樣氣缸彈簧孔的深度就越大。這勢必導致滑片兩側的密封面長度就越小，達到一定限度時，將會影響壓縮機的工作性能。同時，自由長度的增加將會增加Hb的增加，而d/Hb 值的大小也是壓縮彈簧設計時要考核的一個重要指標。

根據壓縮機的結構特點，現有壓縮機容積改變是通過改變滾子外徑和曲軸偏心量來達到的，工作容積越大，則滾子外徑越小，由上述分析可知，對彈簧設計更加不利。如果通過改變氣缸的高度來改變壓縮機工作容積的大小，則對彈簧的設計更加有利，但這樣對生產線的改動較大，周期長，成本高，目前不宜采用。

綜上所述，對工作容積小的壓縮機設計壓簧要比工作容積大的壓縮機容易，而且可靠性高。因此，對工作容積最大26cc壓縮進行改進設計，使之適用于壓縮彈簧，并可以覆蓋小排量機型，達到提高壓縮機可靠性及降低成本的目的。

3 滑片所受的最小彈簧力計算

壓縮機在運動過程中，滑片受到橫向氣體力（垂直滑片運動方向）、縱向氣體力（沿滑片運動方向）、彈簧力及滑片自身的慣性力。

作用在滑片縱向的力有兩端的氣體力、彈簧力、滑片慣性力等。

壓縮機在運轉過程中，由于滑片兩側分別是吸氣腔和排氣腔，因此壓差很大。氣體從滑片與滾子之間的接觸面的泄漏將直接影響壓縮機的性能。因此，要保證滑片端部在滾子的任意轉角φ都必須緊貼于滾子的外表面，這就要求有足夠的彈簧力F作用，使滑片縱向壓向滾子外表面的力恒大于零，即∑F>0。

設滑片上部作用有氣體壓力Pd，下部因與滾子外圓接觸，假定接觸點在滑片厚度b的中央，即一半作用氣體壓力P1（吸氣腔壓力）、另一半作用氣體壓力P2（排氣腔壓力）。

也就是要保證在以下三種情況下（1）式成立：

（1） 壓縮機未運轉時，氣體力、慣性力均為0，式（1）為：彈簧力F>0

也就是說，壓縮機未運轉，只要彈簧在最長的工作狀況下，F>0 。即保證轉角

φ=180°時F>0即可，即彈簧初始力大于零。

（2） 壓縮機已開始運轉，但高低壓尚未形成，計算最小彈簧力Fmin 。

這時Pb、P2、P1均等于零

s1滿足式（2）要求。因此對于最大排量26cc壓縮機，圓柱螺旋泵彈簧均滿足疲勞強度的要求。

6壓縮機可靠性驗證

按以上設計方案，裝配壓縮彈簧結構的機型，進行性能測試及可靠性試驗。試驗結果均合格。

7 結論

通過以上設計計算及試驗驗證，最大排量26cc壓縮機采用壓縮彈簧結構滿足使用要求。

參考文獻

[1]《機械設計手冊》，化學工業出版社，成大先主編，1999.5

[2]《制冷壓縮機》，機械工業出版社，繆道平、吳業正主編，2001.2