干式双螺杆空压机气动噪声优化设计_李金禄.pdf

o 干式双螺杆空压机气动噪声优化设计李金禄，耿茂飞，姜慧君，王 乐，崔 冬，李小仨（合肥通用机械研究院有限公司 压缩机技术国家重点实验室，安徽 合肥）摘 要：目前国内外干式双螺杆压缩机大多数直接采用了喷油螺杆压缩机的型线，一般通过改变齿数比，适应干式螺杆压缩机低压比和大气量的需求。通过对干式双螺杆空压机型线开展优化设计，将螺杆压缩机型线中瞬时啮合的曲线变为逐点啮合的曲线，避免压缩机螺杆齿面啮合的泵吸作用，从而降低压缩机气动噪声，改善压缩机运行环境。关键词：双螺杆；空压机；型线；泵吸作用中图分类号：文献标志码：文章编号：（）o o o o oo，g，（oo o oo oo，o，）：，o oo o o o o oo，oo o，o o o o o oo o oo o oo o，o o oo o o oo ，o o o oo ，oo o o o oo oo：；oo；o；o收稿日期：基金项目：合肥市自然科学基金（）；安徽省重点研究与开发计划（）作者简介：李金禄（），男，河北保定人，高级工程师，学士，主要从事压缩机及净化设备的研究。引言干式双螺杆空压机结构简单、可靠性高，广泛应用于粉粒输送、燃料电池阴极供气等领域，但是较大的噪声是其主要缺点之一。压缩机的噪声主要分为机械噪声、电磁噪声和气动噪声。其中气动噪声与压缩机周期性的吸气和排气密切相关，以往的研究大多也集中在排气气流脉动方向，而忽略了螺杆压缩机最核心的技术 型线设计，良好的型线设计可以有效降低螺杆压缩机的气动噪声。随着干式螺杆空压机的发展，近年来对转子型线提出了更高的要求。双螺杆压缩机的型线设计大致经历了三代发展，其中第三代型线为新型不对称型线，被普遍认为在压缩机的效率、性能和体积上具有明显的优势。由于润滑油对螺杆压缩机可起到密封、润滑、冷却和降噪等作用，喷油螺杆压缩机逐渐占据了市场的主流，新型的螺杆压缩机型线通常针对此类压缩机而开发。而对于某些特殊场合，例如近年来迅速发展的燃料电池用空压机，对压缩机的压比要求不大，但是需要完全的无油空气，避免油颗粒对燃料电池系统的污染。近年来针对燃料电池空压机也开发了专用转子或干式螺杆压缩机专用型线，并测试了其性能。干式螺杆空压机型线技术的发展较为缓慢，目前很多机型仍直接采用第二代甚至第一代型线，除了效率较低外，压缩机的气动噪声也较大，这与落后的型线设计有密切的关系。以燃料电池双螺杆空压机为例，开展型线优化设计，并通过功能样机的噪声实验，验证了型线设计对螺杆压缩机气动噪声优化的效果。型线设计1.1 设计参数燃料电池双螺杆空压机主要应用于客车等较大型车辆上，能够适应复杂行车环境下气量调节，燃料电池液压气动与密封年第期空压机初始设计参数如表 所示。表 燃料电池空压机设计参数设计参数值电池功率 介质空气流量（）入口压力（）压比1.2 型线设计近几十年来，双螺杆压缩机在行业中占据了重要的地位，但双螺杆压缩机转子型线多用于喷油压缩机，如、日立等。许多干式双螺杆压缩机转子型线直接参考了上述型线。图 为优化设计的燃料电池空压机转子型线与啮合线，其曲线及啮合关系如表 所示。对其中 段曲线进行了优化，以 型线为例，其 段曲线为拼接而成，分别为 圆弧和 椭圆弧，圆弧 与其共轭包络线在啮合过程中，整段曲线瞬时啮合且瞬时脱开，产生泵吸作用，引发了较大的气动噪声。图 燃料电池空压机转子型线与啮合线表 型线组成齿曲线和啮合线阴转子阳转子齿曲线曲线性质齿曲线曲线性质啮合线o 曲线或多项式曲线o 曲线或多项式曲线共轭包络线圆弧共轭包络线圆弧圆弧圆弧共轭包络线圆弧圆弧共轭包络线为了避免 段曲线的拼接，降低型线设计的复杂性，同时改善转子运行过程中的泵吸作用，引入了“o”曲线和多项式曲线。如图 和图 所示，在极坐标上，点和 点的斜率为，（即齿顶和齿根圆弧相切），因此可以找到满足这些要求的曲线，给出了三条满足该条件的曲线。曲线：（）o（）c，曲线：（）c，曲线：（）o（）c，其中，、和 c（）为常量，可通过下式来确定。（）（）（）（）|（）式中，坐标上任一点与坐标原点的距离 阴转子齿根圆半径 阴转子齿顶圆半径图 极坐标下曲线 图 直角坐标下曲线 以多项式曲线为例，段曲线的方程如下：|o（）|（）|（）（）式中，阴转子节圆直径 旋转角度变量 角度参数 o则对应的共轭曲线 通过下式，建立超越方程，采用数值方法求解，其中 为传动比。o（k ）（k ）o（）（k ）o（k ）（），k|（）需要注意的是，在阴转子的齿根（点）处，曲线的曲率半径不宜过小，否则容易与阳转子上的共轭曲线互相干涉。根据设计经验，当 偏小时，极易因为齿根出曲率半径过小而导致共轭曲线求解失败。因此曲线 虽然满足数学上的相切要求，但不宜采用为阴转子的齿曲线，曲线 和曲线 在 点处更容易获得较大的曲率半径。对于传统 型线，圆弧曲线与其共轭包络线（同样是圆弧）的啮合线 ，在某个时刻完全啮合，下一个瞬间又完全脱开，形成的泵吸作用对干式空压机来说，转子间微小间隙中的气膜破裂，产生较大的气动噪声。对于喷油空压机，泵吸作用同样会使油膜破裂，降低密封性。优化型线中，段为一整段曲线，其啮合点从 点到 点逐点连续过渡，运行过程平稳，从而有效降低压缩机运行过程中的气动噪声。实验验证在相同条件下（相同机壳、转子尺寸、啮合间隙、材料、装配工艺等），对比了目前常用的 齿型 型线空压机与优化型线空压机噪声参数。图 为优化型线转子。图 优化型线转子实验测试台流程图如图 所示，实验台如图 所示。通过控制台控制变频电机转速，经齿轮箱驱动压缩机阴阳转子，控制台可显示电机转速、输入功率等参数。压缩机出口压力由阀门开度控制，在排气管路上，设置压力、温度和压差计等传感器，测量压缩机体积流量。现场放置大气压力计及环境温度计。在压缩机规定距离，用噪声仪测量工作状态下整机系统的噪声。图 实验台流程简图图 压缩机性能实验台不同排气压力下噪声对比参数如图 所示（阳转子转速恒定为 ），随着排气压力的增大，两种空压机的噪声均有所增大，但优化型线后的空压机，整体噪声较 型线下降约 。图 不同排气压力下噪声对比参数不同转速下噪声对比参数如图 所示（排气压力恒定为绝压 ），随着阳转子转速的增大，两种空压机噪声随之增大，但优化型线后的空压机噪声参数低于 型线空压机。同时，可以看出，相比较与排气压力，压缩机转子的转速对空压机噪声的影响更大。结论（）干式双螺杆空压机气动噪声受转子型线影液压气动与密封年第期响，良好的型线设计能有效降低压缩机运行过程中的气动噪声。图 不同转速下噪声对比参数（）干式双螺杆空压机噪声随排气压力的升高而增大，同时也随着压缩机转速的增大而增大。其中，压缩机噪声受压缩机转速的影响更加明显。（）通过实验验证了优化螺杆压缩机转子型线能够降低压缩机的噪声，相比较与 型线转子，压缩机噪声整体下降约 。参考文献 孙来玉，陶国良 燃料电池用高速无油双螺杆压缩机的仿真研究 液压气动与密封，（）：，周景芝，朱夷诗，章华，等 无油螺杆压缩机的噪声实验研究 压缩机技术，（）：，高阳 螺杆压缩机噪声控制措施的研究 机电信息，（）：邢子文 螺杆压缩机 理论、设计及应用 北京：机械工业出版社，耿茂飞，王乐，崔冬，等 低压比干式双螺杆空压机转子型线优化设计 液压气动与密封，（）：，o o o oo o ，：o ，o o oo ，（）：引用本文：李金禄，耿茂飞，姜慧君，等 干式双螺杆空压机气动噪声优化设计 液压气动与密封，（）：，o，o o o o oo ，（）：（上接第 页）陈炎冬，陈宁，杨敏，等 对分数阶非线性悬架的遗传优化控制 现代制造工程，（）：常宇健，田沃沃，金格，等 基于微分几何法的非线性分数阶悬架主动控制 振动与冲击，（）：陈宁，台永鹏，陈南 分数微积分理论在非线性车辆悬架滑模控制中的应用 动力学与控制学报，（）：，o o oo o oo o o o o oo o oo oo，（）：张一飞，高远，王雨涛 汽车非线性悬架系统的分数阶滑模控制研究 自动化与仪器仪表，（）：张一飞 汽车可控悬架系统的分数阶控制策略研究柳州：广西科技大学，高远，范建文，潘盛辉，等 汽车非线性主动悬架系统的分数阶模糊控制 中国机械工程，（）：，oo oo o o o o o o o oo，（）：，o o oo o oo o o，（）：郭胜 非线性空气悬架系统的控制策略研究 沈阳：沈阳理工大学，杨芳 车路环境自适应下油气悬架系统的动力学与控制研究 沈阳：沈阳理工大学，o ，o o oo o oo o o ，：常宇健，田沃沃，金格，等 基于分数阶的非线性分数阶主动控制悬架研究 燕山大学学报，（）：引用本文：王靖岳，吕坤，王浩天，等 非线性油气悬架的动力学与控制研究进展 液压气动与密封，（）：，o，o o oo o o o o ，（）：，