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(xué)、低溫醫(yī)學(xué)、氣象、氣體液化等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，這些應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)來保證活塞和汽缸之間的非接觸往復(fù)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(shè)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(xué)及電氣理論分析。
　　 理論分析了動圈式線性壓縮機的整機設(shè)計方法?？偨Y(jié)了動圈式線性壓縮機的基本設(shè)計流程，采用復(fù)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(xué)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(shè)計的基本方法，并用等效磁路法分析了所設(shè)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(dāng)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(shè)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(yīng)避開這些頻率。
　　 接著，根據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)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