螺杆压缩机容量调节机构的弹簧参数与性能的研究

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螺杆压缩机的容积流量调节方式有：滑阀调节、变频调节、吸气调节、柱塞调节、停转调节等，但滑阀调节机构由于调节方便、调节性能好等原因在螺杆压缩机中而得到广泛应用。

影响螺杆压缩机滑阀容量调节机构可靠性的主要因素有：滑阀与滑阀腔之间的摩擦力，油活塞密封环结构与材料性能、滑阀与油活塞直径的收稿日期：2013-07-18匹配、弹簧力大小等等。

滑阀在吸气端所受的气压力- - 滑阀在转子排气端所受的气压力油活塞在弹簧腔中所受的气压力 油活塞所受的油压力加载时，滑阀容量调节结构所受的加载力为 -聃 - (1)[4 L.普朗特 K，奥斯瓦提奇 K，维格哈特. 郭永怀，陆士嘉.流体力学概论M.北京：科学出版社，1981，5：179-194。

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1o1 许崇.气缸散热片对压缩机温度场影响的试验研究[J]。

作者简介：许大钊(1953-)，男，高级工程师，主要从事空气压缩机和柴油发动机的设计和研究。

2013年04期(总第240期)-Se使rvic厦e - &M血i n蛳习-r图 1 滑阀容量调 节机构受 力图卸载时，滑阀容量调节结构所受的卸载力为F2-Fl- (2)式中 弹簧力在滑阀加载时， 0则加载成功：在滑阀卸载时， >O则卸载成功，这样螺杆压缩机滑阀容量调节机构才能可靠运行。在螺杆压缩机中，弹簧的作用主要是在压缩机停机后，在设定的-定时间内能确保滑阀容量调节机构在弹簧力作用下能自动复位到压缩机的最小负荷位置，这样压缩机在启动时才不会带载启动。如果弹簧在使用-段时间后，弹力出现衰减，弹簧力过小而不足以克服容量调节机构的摩擦力，而不能复位到压缩机最小负荷时，压缩机将在下次启动时带载启动，影响压缩机的电机和机组的电器元件的可靠性。因此螺杆压缩机的弹簧必须在压缩机的寿命时间内具备满足要求的弹性力和弹簧寿命，弹簧力允许衰减的程度具体依据容量调节机构的摩擦阻力大型设计的弹簧力而确定。

2 弹簧设计及理论分析螺杆压缩机的弹簧主要是承受压力，属于压缩弹簧。设计压缩弹簧时，当给出弹簧的工作条件、安装高度、工作高度、工作载荷 和对应的变形量.厂等参数，合理匹配设计弹簧中径、弹簧线径、簧的安装载荷等参数。

2.1 压缩弹簧设计计算圆柱螺旋压缩弹簧设计计算的基本公式有： 8KDF： 8KCF≤'Ty (3) -- --- - Lj，霄∥ 竹d.户-8n D3-F： -8nC-3F (4)， - - I辞 ，Gd4 Gd -2013年o4期(总第240期)： F： ： (5) -- - J，f8"trD0 8nc4： (6)2 2式中 --切应力，MPa丁 --许用切应力，MPa 弹簧的工作载荷，N.产- 工作载荷变形量，mm- - 弹簧刚度，N/mm(，--弹性变形能，N·mm 材料直径，toniD--弹簧中径，mm C--旋绕比，CD/d- - 弹簧有效圈数G--材料的切变模量，MPa 曲度系数K可由下式 (7)计算K：-4C-- 1 堕 (7) - -- L，J4C-4 C由上述公式可导出计算材料直径的表达式为d1.6/-g-Fc (8)V同理，弹簧有效圈数可表示为n：黑 ： (9) ～--。------ t，J8 F 8C -2.2 弹簧材料的选择选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件以及加工、热处理和经济性等因素。为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。

弹簧的应用中所受到的载荷切应力应该小于许用切应力丁]，材料许用切应力 越大对弹簧的性能越能得到保证，所以在允许的经济与采购条件下，应尽量选用许用应力 [ ]较高的材料制造弹簧。在螺杆压缩机上常用的弹簧材料有 65Mn、60Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA等等。60Si2Mn和60Si2MnA弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧，易脱碳，常用于做高负荷的弹簧。

50CrVA有较强的疲劳强度，高温时强度性能稳定，用于较高工作温度的高应力内燃机阀门弹簧 用& M维aini修tmu或其他类似弹簧。65Mn时常用的普通弹簧材料，在机械行业使角广泛。

3 弹簧参数对弹簧性能影响的分析对已知-款弹簧的不同参数进行改变，分析弹簧的载荷切应力及载荷力与实验载荷力的比值的变化情况。通过弹簧参数对弹簧性能的影响关系的分析，对弹簧优化设计具有很好的指导意义。

表 1 已知弹簧参数弹簧参数 符号 数值 单位安装高度 日。 17O nlⅡI安装载荷 ll0 N工作高度 、 43 mm工作载荷 430 N线径 d 4.5 mm中径 D 65 mm自由长度 Ho 2l4 n№有效圈数 儿 5.83.1 线径大小对弹簧载荷切应力的影响在安装高度、安装载荷、工作高度、工作载荷与中径不变的情况下，随着弹簧线径的增加，弹簧所受的工作载荷切应力明显减小 ，如图 2所示；弹簧线径每增加5%，弹簧工作载荷切应力减弹簧线径与工作载荷切应力的关系图2 弹簧线径对工作载荷切应力的影响。

线径增加率图3 弹簧线径变化率与切应力变化率的影响关系小 10%-13%左右 ，如图 3所示；所以通过适当增加弹簧线径，可以优化弹簧的性能，有效较小工作载荷切应力。

3.2 弹簧有效圈数n对目Fe变化影响 ，在弹簧设计中，-般要求F./F.>20% ( 为弹簧的实验载荷)。弹簧在不改变中径、线径、安装高度、工作高度、工作载荷的情况下，有效圈数t/，增加， 也增加。有效圈数增加25%左右，乃变化率为200%左右，弹簧有效圈数rl，对 F值的影响如图4所示。在设计中，如果 值过小的情况下，适当调节增加有效圈数tl，是有效增加值的方式。

莩弹簧有效圈数hte./F.的影响有效圈数n圈4 弹簧有效圈数对 FJF.的影响3.3 设计工作载荷 t口对 E， 影响弹簧在不改变中径、线径、安装高度、工作高度、有效圈数的情况下，随着设计工作载荷的增加， F-， 值也是增加的 (在弹簧设计中，-般要求F./F，<80%)，但工作载荷对 的影响更大，工作载荷每增加 5%～6%， 值增加在 20%-23%左右，具体见图5所示。工作载荷 的变化对的影响较小， 增加5%～6%， 值增加仅仅为 0.3%-0.5%左右，具体见图6所示。所以在弹簧设计中，调节 大小是有效改善 值大小的-个因素。

设计工作载荷F.m圈5 设计工作载荷 对r./r.的影响2013年o4期(总第240期)I3.4 弹簧设计工作高度 。对 ，Ho， R的影响弹簧在不改变中径、线径、安装高度、有效圈数的情况下，随着设计的工作高度 的增加，弹簧安装载荷 增加，弹簧自由长度也增加。 增加率与安装载荷的增加率趋势基本-致，但 自由长度凰受设计的工作载荷 的影响较小， 每增加 5%左右，自由长度风增加 1%左右。弹簧工作高度 对设计的安装载荷 和弹簧自由长度日0的影响见图7所示。

墨犀设计工作载荷 N图6 设计工作载荷 对 FJF，的影响工作高度图7 TiC-高度凰对 和风 的影响在不改变弹簧其他参数的情况下，设计工作高度 的改变，还对 和 值有较小的影响，随着设计高度 的增加， 值也成比例增加，设计工作 每增加 5%左右， 值增加 4%左右；但随着设计高度 的增加， 值有稍许减小，设计工作高度 每增加 5%左右， 值减小 1.5%左右，弹簧设计工作高度对 和 值的影响具体见图8所示。

弹簧设计工作高度 对设计安装载荷和值的影响较大，但对自由长度凰 和 Fs值的影响较校在弹簧设计中，优化弹簧工作高度 大小是改善安装载荷 与 值的，同时通过工作高度 参数的修正可以较小地去优化FJF.和风 参-数。

2013年o4期(总第240期)莩图8 工作高度风对 和 的影响4 结论螺杆压缩机容量调节的弹簧在应用中，工作温度范围-般在40～120C，弹簧在油缸中来回运动，弹簧寿命需要在 10万次以上。容量调节的弹簧的性能主要考虑的是弹性力与寿命情况，弹簧经过来回往复的压缩后不能出现断裂与弹性力剧烈衰减，否则影响螺杆压缩机的可靠性。

弹簧参数安装高度、工作高度、工作载荷有效圈数、弹簧线径与中径对安装载荷和 和值具有影响。各因素间又互相制约和相互影响。

要优化弹簧参数与性能，需要全面考虑各匹配参数和优化调整各弹簧参数，确保在-定载荷力的条件下，弹簧的工作载荷切应力减校同时，尽量保证FJF.>-20%和 ≤80%的条件，这样弹簧的可靠性才可以有效保证，否则，容易出现弹簧疲劳断裂、弹性力衰减等问题。

通过弹簧各参数对弹簧性能的影响分析，明确了弹簧各参数对弹簧性能的影响关系，对优化弹簧各设计参数，设计性能优越的弹簧具有指导意义。