压缩机的驱动轴 |
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| 申请号 | CN200780010956.8 | 申请日 | 2007-03-28 | 公开(公告)号 | CN101410621B | 公开(公告)日 | 2011-12-28 |
| 申请人 | 艾默生环境优化技术有限公司; | 发明人 | 苏晓耕; 过炜华; 曹涌; | ||||
| 摘要 | 一种 压缩机 驱动轴 ，所述压缩机驱动轴包括第一 轴承 部、第二轴承部、以及设置在其间的中间部。所述中间部在非负载状态下包括连续的、非直线型的第一中 心轴 线。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压缩机驱动轴，包括： |
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| 说明书全文 | 压缩机的驱动轴技术领域[0001] 本公开内容涉及压缩机，更具体而言涉及一种压缩机的驱动轴。 背景技术[0002] 在此节的叙述仅仅给出了涉及本公开内容的背景信息而并不构成现有技术。 [0003] 在涡旋压缩机的操作过程中，驱动轴受到来自包括所驱动的压缩机构、配重、和转子转矩，以及来自轴承的反作用负载等多种动力源的负载。这些负载使驱动轴在压缩机操作的过程中发生弯曲。涡旋压缩机中的工作负载随驱动轴旋转。因而，在驱动轴的各回转的过程中，驱动轴通常具有处于拉伸的第一部和处于压缩的第二部。特定部位的应力会有变化，但是张紧和压缩不会反转。驱动轴在负载作用下的弯曲会导致容置在轴承中的轴端因轴承中的角度取向而发生轴承磨损，从而导致压缩机失效。为了防止这种弯曲，一般会以增大的直径来构造驱动轴从而应对高负载的状况。发明内容 [0004] 因此，一种压缩机驱动轴包括第一轴承部、第二轴承部、以及设置在其间的中间部。所述中间部在非加载状态下包括连续的、非直线型的中心轴线。 [0005] 一种压缩机包括：壳、第一轴承壳体和第二轴承壳体、驱动轴、马达、以及压缩机构。第一轴承壳体容纳在所述壳中并且其中容纳有第一轴承。第二轴承壳体容纳在所述壳中并且其中容纳有第二轴承。驱动轴具有第一轴承部、第二轴承部、和设置在其间的中间部。所述第一轴承部位于所述第一轴承中而第二轴承部位于所述第二轴承中，所述驱动轴具有大致平行于所述第一轴承和第二轴承的轴承面的旋转轴线。所述中间部在非负载状态下包括连续的、非直线型的中心轴线。所述马达容纳在所述壳中并传动式联接到所述驱动轴。所述压缩机构从动式地与所述驱动轴接合。 [0008] 在此描述的附图仅仅用于示例的目的，而并非是以任何方式用于限制本教导的范围。 [0009] 图1是压缩机的截面图； [0010] 图2是可替代的压缩机的截面图； [0011] 图3是有工作负载的压缩机驱动轴的放大视图； [0012] 图4是无负载的预弯曲压缩机驱动轴的放大视图； [0013] 图5是驱动轴弯曲装置的立体图； [0014] 图6是图5的驱动轴弯曲装置将负载施加到驱动轴的的示意图；以及[0015] 图7是可替代的驱动轴弯曲装置的示意图。 具体实施方式[0016] 以下说明本质上仅仅是示例性的，而并非用于限制本教导、应用、或用途。 [0017] 本教导适用于多种不同类型的涡旋压缩机，包括密封式机器，开放式驱动机器和非密封式机器。为了示例，所示压缩机10为一种下侧型的密封式涡旋制冷剂压缩机，即其中马达和压缩机通过密封壳中的吸入气体冷却，如图1中示出的竖直截面所示。 [0018] 压缩机10包括圆筒状的密封壳16、压缩机构18、主轴承壳体20、马达组件22、制冷剂排放接头24、和吸入气体入口接头26。密封壳16容置有压缩机构18、主轴承壳体20、和马达组件22。壳16在其上端处包括端帽28。制冷剂排放接头24在端帽28中的开口30处附连至壳16。吸入气体入口接头26在开口32处附连至壳16。压缩机构18由马达组件22驱动并由主轴承壳体20支撑。主轴承壳体20以任何理想的方式在多个位置固定至壳 16。 [0019] 马达组件22一般包括马达34、框架36和驱动轴38。马达34包括马达定子40和转子42。马达定子40压配合至框架36中，框架36依次压配合至壳16中。驱动轴38由转子42可旋转地驱动。线圈44穿过定子40。转子42压配合在驱动轴38上。马达保护器46在极接近于线圈44处设置，从而如果线圈44超出其正常的温度范围，马达保护器46将对马达34断电。 [0020] 驱动轴38包括偏心曲柄销48，所述曲柄销48上具有平台49而在上端52处具有一个或多个配重50。驱动轴38包括：第一轴承部53，其可旋转地轴接在主轴承壳体20中的第一轴承54中；以及第二轴承部55，其可旋转地轴接在框架36中的第二轴承56中。驱动轴38在下端60包括抽油同心孔58。同心孔58与延伸至驱动轴38上端52的径向向外倾斜且直径相对较小的孔62连通。壳16的下端内部填充有润滑油。同心孔58与孔62一起提供泵吸作用以将润滑液体分布至压缩机10的多个部分。驱动轴38具有预弯曲的构造，如下文所讨论的。 [0021] 压缩机构18一般包括动涡盘64和静涡盘66。动涡盘64包括：端板68，在其上表面上具有螺旋叶片或涡旋齿70，其下表面是环形平坦推力面72。推力面72与主轴承壳体20上表面上的环形平坦推力轴承面74对接。圆筒形毂76从推力面72向下凸出，并包括有轴颈轴承78，其中可旋转地设置有驱动轴套80。驱动轴套80包括其内驱动地设置有曲柄销48的内孔。曲柄销平坦部49与驱动轴套80的内孔一部分中的平坦表面驱动接合，以提供径向柔性补偿(compliant)的驱动设置，诸如受让人的美国专利No.4,877,382中所示，所述专利的公开内容通过引用结合到本文中。 [0022] 静涡盘66包括端板82，所述端板82在其下表面86上具有静涡旋齿84。静涡旋齿84与动涡盘64的涡旋齿70形成啮合，由此形成入口凹穴88、中间凹穴90、92、94、96和出口凹穴98。静涡盘66具有：居中设置、与出口凹穴98连通的排放通路100，以及向上开口、与排放接头24流体连通的凹处102。倒装密封件(flip seal)104位于凹处102周围并邻接壳16，由此在排放通路100和排放接头24之间提供密封的连通，同时允许静涡盘66相对壳16轴向位移。 [0023] 以向静涡盘66提供受限的轴向运动的任意方式将静涡盘66安装至主轴承壳体20。为了对静涡盘悬浮系统进行更详细地描述，参见受让人的美国专利No.5,055,010，由此所述专利的公开内容通过引用结合到本文中。还可以包括多个密封件，用于在端帽28和静涡盘66之间密封。图1示出第一示例性密封构件为倒装密封件104，如受让人的美国专利No.6,821,092所述，所述专利的公开内容通过引用结合到本文中。其它诸如浮动密封件之类的密封件也可以使用。 [0024] 轴向压力偏压装置包括在压缩机10中，如受让人上述美国专利No.4,877,382所公开的。容量调节系统也可以包括在系统中，如受让人上述美国专利No.6,821,092所述。 [0025] 通过欧氏联轴节防止涡盘64、66的相对旋转，所述欧式联轴节一般包括环108，所述环108具有：第一对键110(示出其中一个)，其滑动地设置在静涡盘66中沿直径对置的槽112(示出其中一个)中；以及第二对键(未示出)，其滑动地设置在动涡盘64中沿直径对置的狭槽中。 [0026] 可替代地，本教导可以用于可替代的压缩机310，参见图2。压缩机310包括圆筒状的密封壳316、压缩机构318、主轴承壳体320、马达组件322、制冷剂排放接头324、和吸入气体入口接头326。密封壳316容置有压缩机构318、主轴承壳体320、和马达组件322。壳316在其上端处包括端帽328。制冷剂排放接头324在端帽328中的开口330处附连至壳 316。吸入气体入口接头326在开口332处附连至壳316。压缩机构318由马达组件322驱动并由主轴承壳体320支撑。主轴承壳体320以任何理想的方式在多个位置固定至壳316。 [0027] 马达组件322一般包括马达334、框架336和驱动轴338。马达334包括马达定子340和转子342。马达定子340压配合至框架336中，框架336依次压配合至壳316中。驱动轴338由定子340可旋转地驱动。线圈344穿过定子340。转子342压配合在驱动轴338上。马达保护器346在极接近于线圈344处设置，从而如果线圈344超出其正常的温度范围，马达保护器346将对马达334断电。 [0028] 驱动轴338包括偏心曲柄销348，所述曲柄销348上具有平台349而在上端352处具有一个或多个配重350。驱动轴338包括：第一轴承部353，其可旋转地轴接在主轴承壳体320中的第一轴承354中；以及第二轴承部355，其可旋转地轴接在框架336中的第二轴承356中。驱动轴338在下端360包括抽油同心孔358。同心孔358与延伸至驱动轴338上端352的径向向外倾斜和直径相对较小的孔362连通。壳316的下端内部填充有润滑油。同心孔358与孔362一起提供泵吸作用以将润滑液体分布至压缩机310的多个部分。驱动轴338具有预弯曲的构造，如下文所讨论的。 [0029] 压缩机构318一般包括动涡盘364和静涡盘366。动涡盘364包括：端板368，在其上表面上具有螺旋叶片或涡旋齿370，下表面是环形平坦推力面372。推力面372与主轴承壳体320上表面上的环形平坦推力面374对接。圆筒形毂376从推力面372向下凸出，并包括轴颈轴承378，其中可旋转地设置有驱动轴套380。驱动轴套380包括其内驱动地设置有曲柄销348的内孔。曲柄销平坦部349与驱动轴套380的内孔一部分中的平坦表面驱动接合，以提供径向柔性补偿(compliant)的驱动设置，诸如受让人上述的美国专利No.4,877,382所示出的。 [0030] 静涡盘366包括端板382，所述端板382在其下表面386上具有静涡旋齿384。静涡旋齿384与动涡盘364的涡旋齿370形成啮合，由此形成入口凹穴388、中间凹穴390、392、394、396、和出口凹穴398。静涡盘366具有：居中设置、与出口凹穴398连通的排放通路400，以及向上开口的凹处402，该凹处402经由在隔板329中的开口403与由端帽328及隔板329限定的排放消声器室404流体连通。 [0031] 静涡盘366在其上表面中具有环形凹处405，所述环形凹处405具有平行的同轴侧壁，其中密封地设置有用于相对轴向运动的环形浮动密封件407，所述环形浮动密封件407用于将凹处405的底部与存在的吸入和排放压力下的气体隔绝，从而所述环形浮动密封件407可以通过通路409与中间流体压力源流体连通。弹簧411迫使浮动密封件407向上以保持密封接合。静涡盘366因而由作用于静涡盘366中部的排放压力所产生的作用力和作用于凹处405底部上的中间流体压力所产生的作用力向动涡盘构件350轴向偏置。这种轴向压力偏置，以及多种用于支撑静涡盘366以限制轴向运动的技术在受让人的上述美国专利No.4,877,382中更详细地公开。 [0032] 压缩机310使用双压力平衡方案，以通过用于将排放气体压力与吸入气体压力分离的浮动密封件407轴向地平衡静涡盘366。 [0033] 电磁阀413用于打开及关闭位于静涡盘366中的通路415。通路415从压缩机310工作过程中处于中间压力的凹处405的底部延伸至包含处于吸入气体压力的吸入气体的压缩机310的区域。 [0034] 通过欧氏联轴节防止涡盘364、366的相对旋转，所述欧氏联轴节一般包括环408，所述环108具有：第一对键410(示出其中一个)，其滑动地设置在静涡盘366中沿直径对置的狭槽412(示出其中一个)中；以及第二对键(未示出)，其滑动地设置在动涡盘364中沿直径对置的狭槽中。 [0035] 另外参考图3，示出的是典型的大致直线型驱动轴138容置在第一轴承54和第二轴承56中。为了说明，在图3中对驱动轴138的曲率进行了放大以描述在压缩机工作过程中驱动轴138的挠曲。具体而言，图3描述了在最大负载下驱动轴138的挠曲并示出了最大倾斜角α，所述倾斜角定义为切线118和旋转轴线116之间的角。驱动轴138包括中心线114，所述中心线114在第一轴承54和第二轴承56处与旋转轴线116相交。切线118相对中心线114限定，并形成在第一轴承54中的中心线114和旋转轴线116之间的交叉处。第一轴承部153通常以一般近似于相对第一轴承壁120的最大倾斜角α设置在第一轴承 54中。 [0036] 在工作过程中，驱动轴138在一个完整旋转的同一位置处发生挠曲。这种挠曲是由于作用在驱动轴138上的施加负载，以及因而产生的轴承反作用负载所造成的，该轴承随驱动轴138旋转。这些负载包括来自压缩机构、配重、和转子转矩的负载，以及来自轴承的反作用负载。因而，在压缩机10的工作过程中，驱动轴138的第一径向侧面122始终处于拉伸状态，而驱动轴138的第二径向侧面124始终在压缩状态。第一径向侧面122一般与第二径向侧面124相对。更具体而言，当驱动轴138用于类似图1和图2中所示的涡旋压缩机中时，第一径向侧面122是其上设置有曲柄销平台149的侧面。 [0037] 虽然以下描述涉及驱动轴38和压缩机10，然而应当理解的是所述描述同样可用于图2示出的驱动轴338和压缩机310。如上文所述并如图4所示，驱动轴38具有预弯曲的构造，以补偿在压缩机工作过程中发生的挠曲。为了说明，图4以放大的形式示出了驱动轴38。如上所述并如图3所示，驱动轴38具有预弯曲的非直线型结构，以应对部分如上所述及图3所示中可能发生的挠曲。驱动轴38在沿其整个长度或仅仅部分长度上具有连续弯曲部。另外，驱动轴38有些部分是直线型的，诸如第一轴承部53，而其他部分是非直线型的(或弯曲的)。非直线型部可以沿驱动轴38的长度方向设置在中部(形成中部定位的弯曲部分)或向偏向其端部(形成非中部定位的弯曲部分)。 [0038] 如上文关于图3中驱动轴138的描述，驱动轴38包括中心线214和旋转轴线216。旋转轴线216一般类似于驱动轴138中的旋转轴线116。中心线214和旋转轴线216在第一轴承54和第二轴承56处相交。相对中心线214的切线218形成在第一轴承54中的中心线214和旋转轴线216之间的交叉处。角β定义为切线218和旋转轴线216之间的角。 驱动轴38包括大致连续的弯曲体。更具体而言，中心线214形成具有第一直线型部226和第二直线型部228的大致连续的曲线，所述第一直线型部226和第二直线型部228延伸穿过第一轴承部53和第二轴承部55并通过在其间延伸的大致平滑的弯曲部彼此连接。因而，当驱动轴38装配在压缩机10中时，大致平滑的弯曲部位于转子42和第一轴承54之间。 [0039] 为了补偿上述挠曲，沿与工作过程中挠曲方向大致相对的方向弯曲驱动轴38。具体而言，驱动轴38以以下方式弯曲，即当压缩机10在非工作状态时将第一轴承部53以相对第一轴承壁120的大致近似角β的角度设置。角β一般介于-α/4和-α度之间。更具体而言，角β一般等于大致-α/2度。虽然是根据-α来描述，然而如果角β在角α大致相对处延伸，角β还可以根据+α度来描述。 [0040] 角α，以及随之的角β，可以根据其中容置有驱动轴38的第一轴承54而限定。更具体而言，α可以由下式限定： [0041] α＝arctan(c/H) [0042] 其中c是驱动轴38和第一轴承54之间的直径间隙，H是第一轴承54的高度或轴向长度。如上所述，因为角β是角α的函数，因此角β可以在上文讨论的角α和角β之间关系的基础上根据直径间隙(c)和高度(H)来限定。 [0043] 驱动轴38的预弯曲结构可以使驱动轴38的直径相对典型的直线型驱动轴减小。这种减小的直径导致诸如第一轴承54等压缩机轴承的直径减小。这种轴承直径减小的特征在于轴承之间的距离(L)和轴承内径(d)的比例增大。更具体而言，比例(L/d)一般大于或等于10。增大的比例L/d为给定的马达直径准备额外的积层材料，从而使马达效率更高。 [0044] 在图1示出的涡旋压缩机10的实例中，第一径向侧面222是其上设置有曲柄销平台49的侧面。而且，在驱动轴38上的第一径向侧面222一般对应于在驱动轴138上的第一径向侧面122，而在驱动轴38上的第二径向侧面224一般对应于在驱动轴138上的第二径向侧面124。结果，在工作过程中驱动轴38在负载下的净弯曲减小。例如，如果驱动轴38具有-α/2的预弯曲，负载下的最大倾斜角将从α减小至α/2，改进50％。 [0045] 最大倾斜角α以多种方式确定，包括诸如有限元分析(FEA)之类的高级方法。当最大倾斜角α已经确定或至少近似时，角β可以被确定。角α一般介于0.06度和0.28度之间，取决于压缩机的工作状态。因而，当β大致等于-α/2时，角β一般介于-0.03度和-0.14度之间。当负载根据压缩机的应用场合而发生变化时，角β或多或少取决于应用场合。例如，角β一般小于或等于-0.05度(或如上文讨论的，如果以正角表示，角β大于或等于0.05度)，或更具体而言，角β小于或等于-0.10度(或如上文讨论的，如果以正角表示，角β大于或等于0.10度)。 [0046] 虽然驱动轴38已在涡旋压缩机的环境中进行了描述，然而预弯曲驱动轴的应用可以延伸至其他领域。例如，在叶片式压缩机、多种涡轮机、或任何其他具有与驱动轴一起旋转的负载的装置中使用预弯曲驱动轴是有利的。 [0048] 预弯曲驱动轴38由多种方式形成。例如，预弯曲驱动轴38是施加有弯曲力矩的碳钢轴。如图5和图6所示，轴弯曲装置510示出为接合驱动轴38。图5示出了将弯曲力矩施加到驱动轴38之前的轴弯曲装置510和驱动轴38。图6是将弯曲力矩施加到驱动轴38的轴弯曲装置510的示意图。 [0049] 轴弯曲装置510包括支撑构件512和负载施加机构514。支撑构件512包括第一支撑件516和第二支撑件518，而负载施加机构514包括负载控制机构520和一端装有接合器524的液压机头522。驱动轴38通过第一支撑件516和第二支撑件518在第一端和第二端处支撑。液压机头522用于通过接合器524施加弯曲力矩或负载。接合器524接合第一支撑件516和第二支撑件518之间的驱动轴38的中部，并使施加负载一直保持在该处。负载控制机构520计量并控制负载的量值，并由此计量并控制驱动轴38变形的量值。 [0050] 位移传感器526(参见图6)额外地用于监控驱动轴38的变形。位移传感器526是直线型可变位移传感器(LVDT)，并放置在驱动轴38下方以测量其位移。LVDT526反复地测量驱动轴38的位移，直到获得理想的永久变形。因此，在永久位移确定之前施加及释放永久变形所需要的最小负载。由此，如果驱动轴38确定为处于变形状态，就通过增加施加于驱动轴38的负载量值来重复弯曲过程，直到所测量的永久变形达到理想的永久变形。 [0051] 驱动轴38最初为直线型构件的形式，如图5所示。弯曲力矩的施加在图6中示出。当弯曲力矩由负载施加机构514施加时，如上文所讨论的，弯曲力矩从弯曲力矩一般为零的第一支撑件516和第二支撑件518处至弯曲力矩最大的接合器524与驱动轴38的接合位置处线性增大。对施加到驱动轴38的最大弯曲力矩的量值进行选择，从而超出驱动轴38的屈服点，并且使驱动轴38在与接合器524接合的位置周围永久地变形。因为驱动轴 38施加在支撑件516、518周围的弯曲力矩非常低，因此在第一轴承部53和第二轴承部55周围不存在永久变形，从而导致第一轴承部53和第二轴承部55并因而导致中心线214的第一直线型部226和第二直线型部228保持其直线型，而驱动轴38的中部永久变形。 [0052] 在图7中示出可替代的轴弯曲装置610。轴弯曲装置610大体类似于图5和图6示出的轴弯曲装置510，除了支撑件和负载施加的位置不同，这将在下文讨论。 [0053] 轴弯曲装置610包括：支撑驱动轴38的第一支撑件616和第二支撑件618以及与驱动轴38接合的负载施加机构614。第一支撑件616为驱动轴38提供弯曲位置，并设置在第二支撑件618和负载施加机构614之间。负载施加机构614将负载施加于驱动轴38在第一轴承部53附近的端部。图7的轴弯曲装置用于产生与轴弯曲装置510所形成的类似的预弯曲驱动轴38。然而，由于支撑件616、618和负载施加机构614的设置方式，所以使驱动轴38产生相同量的永久变形所需要的负载量值相对轴弯曲装置510来说有所减小。 |
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