直線臂板彈簧支撐的動圈式線性壓縮機理論與實驗研究.pdf

1、低溫制冷機在航空航天、軍事、低溫電子學、低溫醫(yī)學、氣象、氣體液化等諸多領域有著重要的應用，這些應用場合對低溫制冷機的可靠性、低振動和長壽命提出嚴苛的要求。驅(qū)動小型低溫制冷機的線性壓縮機采用了板彈簧支撐和間隙密封等關鍵技術來保證活塞和汽缸之間的非接觸往復運動，徹底根除了活塞和氣缸之間的磨損，具有工作穩(wěn)定、振動小、噪聲低、電功轉(zhuǎn)化效率高、壽命長等優(yōu)勢，是適合以上應用場合的理想驅(qū)動源。此外，在全球節(jié)能減排的大趨勢下，該技術也可為冰箱用線性壓縮

2、機的研制提供借鑒。
　　 針對線性壓縮機在低溫和普冷中的重要應用，本文研制出一臺采用直線臂板彈簧支撐的動圈式線性壓縮機，先后從理論設計、數(shù)值模擬和實驗驗證等三個方面進行了詳細的討論。
　　 1.動圈式線性壓縮機動力學及電氣理論分析。
　　 理論分析了動圈式線性壓縮機的整機設計方法?？偨Y(jié)了動圈式線性壓縮機的基本設計流程，采用復向量法確定壓縮機的基本結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)，用動力學分析方程得到活塞質(zhì)量和壓縮機輸出PV功等參數(shù)

3、；建立動圈式直線壓縮機的電氣理論模型，確定短線圈徑向充磁直線電機設計的基本方法，并用等效磁路法分析了所設計的直線電機。
　　 2.線性壓縮機數(shù)值模擬研究。
　　 采用數(shù)值模擬的方法對壓縮機的核心部件：直線電機、板彈簧和間隙密封進行了初步的分析和優(yōu)化。先是采用有限元分析方法對直線電機進行了分析計算，對不同形式的直線電機進行了優(yōu)化，獲得了較好的直線電機結(jié)構(gòu)，分析表明，當輸入電流為7A時，電機作用力大小為231.7N，可保證線

4、圈產(chǎn)生±6mm的位移。接著對三種不同形式的板彈簧，即直線臂板彈簧、同心渦旋臂板彈簧和偏心渦旋臂板彈簧進行了有限元分析，結(jié)果顯示，在基本結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的條件下，直線臂板彈簧的徑軸剛度比高，一階自然頻率大，適用于較高頻率的線性壓縮機。最后，采用有限容積法對迷宮式和直線型間隙的內(nèi)部流場特性進行模擬，獲得了間隙內(nèi)部的壓力和速度特性，得到線性壓縮機的間隙厚度表達式，并指出直線型間隙最大可達34μm，降低了線性壓縮機裝配難度。
　　 3.動圈

5、式線性壓縮機實驗研究。
　　 根據(jù)理論設計和數(shù)值模擬獲得的壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)，研制出國內(nèi)首臺直線臂板彈簧支撐的動圈式線性壓縮機原理樣機。
　　 首先采用萬能材料實驗儀對板彈簧的軸向剛度進行了測量。實驗結(jié)果表明，對于直線臂板彈簧，有限元分析的軸向剛度值為1.47N/mm，實驗測得的板彈簧的軸向剛度為1.43N/mm，其之間的誤差在2％，說明有限元分析方法的可靠性。并對厚度為1.2mm的渦旋板彈簧自然頻率進行測試，得到單片板彈簧

6、的基頻是25Hz，5片彈簧組的基頻是135Hz，壓縮機工作時應避開這些頻率。
　　 接著，根據(jù)流體網(wǎng)絡理論，采用閥門和氣庫的RC負載方法類比脈管制冷機冷頭的阻抗特性，測試了壓縮機在不同工況條件下的聲功輸出和效率特性。結(jié)果表明，所研制出的線性壓縮機運行在25～30Hz時效率可達60％。
　　 最后，開展了自制壓縮機分別驅(qū)動60Hz和40Hz單級脈管制冷機的實驗研究工作，實驗結(jié)果表明，壓縮機運行在60Hz時，由于遠偏離其諧振