防自轉機構

防自轉機構是渦旋壓縮機重要的零件之一，它限制著動渦旋盤的自由度，使動渦旋盤做旋轉平動運動，其結構參數直接影響著渦旋壓縮機的各項性能。對防自轉機構的深入研究，可以使得動渦旋盤的運動更加穩定、可靠；有利於壓縮機噪聲的減少和能量的節約；可以增加渦旋壓縮機的使用壽命、提高渦旋壓縮機的工作效率。

基本介紹

• 中文名：防自轉機構
• 外文名：Anti rotation mechanism
• 領域：機械工程
• 性質：防止自轉

簡介

渦旋壓縮機在運行過程中,作用在動渦盤上的切向力產生了使動渦旋繞主軸偏心線(主軸曲柄銷中心線)自轉趨勢的自轉力矩,這種自轉力矩破壞了渦旋壓縮機的正常工作。因此,在結構上採用防自轉機構可嚴格限制其自轉,從而保證動、靜渦旋的正確嚙合,使渦旋壓縮機工作穩定可靠。

防自轉機構有很多種,如十字聯軸節、球形聯軸節、柱銷與孔聯軸節、鋼球與環槽組合聯軸節、曲柄銷等防自轉機構。以上防自轉機構在運行時需要潤滑油進行潤滑,這對於無油渦旋壓縮機是不可取的。小曲拐防自轉機構在引入自潤滑軸承後,不需要外來潤滑油進行潤滑,比較適用於無油渦旋壓縮機。同時其還具有結構簡單、體積小、易裝配、轉動靈活,不易磨損等優點。

防自轉機構種類

十字滑環防自轉機構

十字滑環防自轉機構是目前人們使用最多、套用最廣的防自轉機構，其結構是在一個有一定厚度的圓環上加四個鍵，每個方向兩個鍵，並且兩個方向的鍵相互垂直，相同方向的鍵可以不共線，但必須要平行，如圖 1 所示。對應的兩個鍵分別與動渦旋盤和支架配合，十字滑環在支架的約束下只能沿鍵的方向往復運動，動渦旋在十字滑環的約束下相對於十字滑環也只能往復運動。往復運動屬於平動，且兩個往復運動在同一平面內，兩個平動合併之後還是屬於平動，而動渦旋盤軸套繞曲柄銷旋轉，所以動渦旋盤做旋轉平動運動。

十字滑環不承受渦旋盤的壓力，只平衡動渦旋盤的自轉力矩，因此在壓縮機運行的過程中受力不大，摩擦力也比較小，為了減輕壓縮機的質量、減小十字滑環的慣性、增加十字滑環的壽命，通常採用密度較低、耐磨性好或能自潤滑的材料。QT600 和鑄造矽鋁合金具有良好的性能，滿足十字滑環防自轉機構的要求，被廣泛使用。對於某些結構特殊或者形狀複雜的十字滑環也可以採用粉末冶金製造。

小曲拐防自轉機構

小曲拐防自轉機構也稱曲柄銷防自轉機構，它由多個小曲拐組成，小曲拐的偏心距與曲柄銷偏心距一樣，小曲拐的上軸與動渦旋盤鉸接，下軸與機架鉸接，上下軸都能自由旋轉，由於小曲拐的是豎直安放，所以潤滑比較困難，一般在小曲拐上下軸分別安裝一個小軸承，以增加機構的靈活性。動渦旋盤在多個小曲拐和主軸的約束下，做旋轉平動運動，把其原理進行簡化為平行四兩桿機構，如圖 2 所示。

滾珠軸承防自轉機構

滾珠軸承防自轉機構，是在動渦旋盤的底盤和機架上加工數個圓型槽，圓型槽的圓心呈圓形均勻分布，機架圓形槽繞主軸均勻分布；渦旋底盤圓槽繞軸套均勻分布。各個圓形槽直徑相等為滾珠直徑與2 倍偏心距之和，當渦旋盤裝配到曲柄銷時，動渦旋盤繞曲柄銷可以任意的轉動，轉動到某個位置時，每個動渦旋盤槽孔與機架槽之間會形成一個交集區域，每個交集區域大小相等，能容納最大的球為滾珠，在任意區域放入一顆滾珠後時，動渦旋盤還可以繞曲柄銷在一定範圍轉動，當兩顆位置不相差 180°位置的滾珠時，動渦旋盤有確定運動運動軌跡，此時便形成了防自轉的功能，如圖 3.7 所示，為滾珠軸承防自轉機構簡圖。

圖 3 中 O 為主軸中心，A 為曲柄銷中心，ABC 為動渦旋盤，動渦旋盤的圓槽與機架圓槽之間卡著兩個滾珠，在電機的帶動下，動渦旋盤做旋轉平動運動。為了使渦旋盤受力均勻，一般需要 3 個以上的滾珠周向排列。由於滾珠在圓槽內滾動，滾珠與圓槽的接觸屬於點接觸，所以單個滾珠的受力較大，容易損壞，為了減小滾珠的受力，需要儘量安裝多個滾珠。然而由於空間的限制，隨著滾珠的數量增加，滾珠的直徑需要變小，滾珠能承受的最大應力降低，所以設計滾珠防自轉機構時，需要考慮滾珠數量、大小、滾珠的承受力之間的關係，通過對比後選取合適數量的滾珠。

在滾珠大小相同的情況下，滾珠的數量增加能夠降低滾珠的應力，但隨著滾珠的數量的增加，機構累積誤差也逐漸變大，可能使得動渦旋盤卡死，需要提高滾珠和圓槽的加工精度才能使機構正常運行。由於滾珠在圓心槽內受壓高速旋轉，所以要求滾珠有良好的強度和耐磨性。

鋼球、環槽組合防自轉機構

鋼球、環槽組合防自轉機構是在渦旋盤的底盤安裝多個鋼球，鋼球繞基圓中心呈圓周分布，鋼球在渦旋盤底盤上能自轉轉動，類似原子筆，在支架的相應位置加工多個環槽，環槽截面直徑與鋼球的直徑相等。環槽中心圓半徑為曲軸銷偏心距（等於 OA）。動渦旋盤組裝後，滾珠能在環槽內自由運動，如圖 4 所示，B 為鋼球，鋼球在環槽內運動，此機構與平行四兩桿機構相似，也存在死點，所以也需要 3 個以上周向均勻分布的鋼球環槽。

此機構的活動件數為 2，低副數為 2，高副數為 1，自由度為1所以機構有確定的運動。因為鋼球 B 的運動被環槽所限制，所以鋼球只能沿著環槽運動，由於環槽的中心圓半徑與 AO 相等，所以線段 AB（即動渦旋盤）的運動軌跡與 A 點保持一致，為以曲柄銷偏心距（OA）為半徑的旋轉平動運動。鋼球在防自轉的時候與滾珠軸承一樣能給動渦旋盤提供支持力，減少渦旋盤變形和氣體泄漏量，鋼球在動渦旋盤的轉動屬於滑動摩擦，在環槽上的運動為滾動摩擦，所以鋼球在轉動的時候既有滑動摩擦又有滾動摩擦，滾動摩擦耗能少，可以忽略不計，滑動摩擦消耗能量較大。此機構最大的缺點是，一旦滾珠受損或變形，滾珠將被卡死在動渦旋盤內，不能轉動，此時滾珠與環槽變為滑動摩擦，經過長時間運轉，滾珠和環槽都會嚴重磨損，不利於機構的長期穩定運行。

圓柱銷防自轉機構

圓柱銷防自轉機構是指在動渦旋盤上焊接數根圓柱銷，在機架的對應位置加工數個孔，孔的直徑為R1= 2(R2+e) ，如圖 5 所示。

由於只存在一個圓柱銷的時候，動渦旋盤 AB 可以繞曲柄銷 A 自由旋轉，沒有確定的運動軌跡，所以至少需要兩個安裝位置不相差 180°時的圓柱銷才能實現防自轉的功能，從圖 4 中可以得知，機構的活動件數為 2，低副數為 2，高副數為 1，自由度為1。OA 相當於偏心距，構件 ABC 相當於動渦旋盤，圓柱銷 B 和 C 分別被機架上的兩個圓孔限制，圓柱銷的直徑為 d，機架孔的直徑為 D，他們的關係為 D-d=2*OA，動渦旋盤在機架和曲軸的綜合作用下，做以曲柄銷的偏心距（OA）為半徑的旋轉平動運動。銷釘與銷孔屬於滑動摩擦，由於銷釘相對位置不斷發生變化，且豎直安裝，所以不易潤滑，經長時間運轉，銷釘與孔將會磨損嚴重，機構磨損之後防自轉的效能降低，動渦旋盤出現鬆動，氣體泄漏將會增加。如果在圓柱銷上增加一個軸承，可以變滑動摩擦為滾動摩擦，但是對軸承的尺寸精度和強度要求高，潤滑也較困難。

零齒差防自轉機構

零齒差防自轉機構是由兩個變位齒輪組成，兩齒輪的中心軸只平行不共線，齒輪一與動渦旋盤軸套相連，其中心軸與軸套中心軸重合；齒輪二固定在機架上，中心軸與主軸中心軸重合。齒輪一與動渦旋盤相連，所以做旋轉平動運動，齒輪靜止不動。

如圖 6 所示，齒輪一與齒輪二齒數相等，模數相等，所以分度圓直徑也相等。為了使內外齒輪之間留有足夠的空隙讓外齒輪轉動，需要對內外兩齒進行變位，變位的方式有兩種，徑向變位和切向變位。徑向變為使得齒頂和齒根變高或變低，切向變位使得齒輪變厚或變薄，變位之後齒輪之間的空隙提供給齒輪一平動，空隙的大小與齒輪的兩個變位係數相關，因此齒輪的變位係數與壓縮機中心距關係複雜，對兩個齒輪的參數設計比較困難。