线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀及其设计方法，该簧片阀由簧片基座、双悬臂型簧片、限位器及安装套筒组成，可通过调整双悬臂型簧片型线的设计、限位槽的槽深以及基座气隙的直径来满足不同压差、不同流量条件及不同工质的不同需求，可在有限安装空间内显著提高簧片悬臂梁长度，在所需抬升高度不变的前提下有效的减小簧片抬升角，降低簧片最大应力，提升簧片使用寿命，对于高可靠、长寿命、高效率的小型线性直流活塞式压缩机的发展及其在航空航天等特殊领域的应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀及其设计方法
本专利技术属于制冷与低温工程领域，涉及线性直流活塞式压缩机，特别涉及一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀及其设计方法。
技术介绍
线性活塞式压缩机可分为线性交流活塞式压缩机和线性直流活塞式压缩机两种，二者均是低温制冷机的重要驱动源。其中线性直流活塞式压缩机驱动的制冷工质在系统内部作线性直流运动，是闭式焦耳-汤普逊循环等重要制冷循环的关键驱动源，在低温制冷领域有着重要和广泛应用。线性直流活塞式压缩机主要分为两种，一种是曲柄连杆式活塞压缩机，另一种是直线电机所驱动的往复式活塞压缩机，两者均利用特定驱动装置使活塞在气缸内进行往复运动引发气缸内压力的波动，并通过安装在气缸进、排气口的单向阀控制气流进出从而达到气体单行流动的目的。在这一过程中，余隙容积大小以及单向阀的运行特性是决定线性直流活塞式压缩机性能的重要因素。理论上，设计良好的单向阀结构应满足通流阻力低于15％，在规定压差下的逆向漏气速率接近无穷小，这样才能保证线性直流活塞式压缩机的正常高效运行，因而设计良好的单向阀对于提高系统稳定性，增大压缩机电机效率具有重要意义。除此之外，单向阀还是整个线性直流活塞式压缩机中的高频运动部件，是该类压缩机疲劳失效的高发因素之一，在一定程度上直接决定着线性直流活塞式压缩机的使用寿命。目前，线性直流活塞式压缩机所使用的单向阀大多为簧片式单向阀，少数为柱弹簧球阀。簧片阀的基本原理是使用可弯曲金属薄片作为簧片，将其一端固定，另一端自由，当正向气流从气隙冲击簧片时，簧片受力弯曲，阀门开启；当反向气流通过时，气体压力压住簧片使簧片弹回，达到反向关闭的效果。目前已获得应用的簧片阀，无论是环型、舌型、蝶形等，基本为单悬臂梁结构，主要适用于大型压气机等设备，而对于小型线性直流活塞式压缩机并不适用，过小的设计尺寸导致簧片升程过高，抬升角过大，极易导致簧片阀寿命削减，无法满足长期稳定的工作需求，有关阀片结构在小型长寿命线性直流活塞式压缩机上的使用和研究目前还比较少见。
技术实现思路
鉴于现有研究和技术的不足，本专利技术提出一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀及其设计方法。所专利技术的线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀由安装套筒1、簧片基座2、双悬臂型簧片3、限位器4以及密封端盖5共同组成，其特征在于，簧片基座2为一圆柱形结构，一侧为平面，另一侧有密封圈安装槽，中心包含一个圆柱过气孔，具体孔径大小根据实际应用中所需过气量决定；双悬臂型簧片3为一平整的薄片，包括簧片定位区7、簧片定位销一8、簧片定位销二8′、应力臂9、变形臂10、密封区11以及簧片紧压分界线12，整个双悬臂型簧片3沿簧片竖直中心线13对称；限位器4为圆柱形结构，其外圆直径与簧片基座2的外圆直径相同，主要包括定位卡销一14、定位卡销二14′、第一台阶15及第二台阶16；双悬臂型簧片3上的簧片定位销一8及定位销二8′分别对称嵌入于限位器4上的定位卡销一14及定位卡销二14′中，同时保证双悬臂型簧片3外圆弧线与限位器4上的第一台阶15外圆相贴合；双悬臂型簧片3的另外一面紧贴安装在簧片基座2上，簧片基座2的外圆与限位器4的外圆同心，形成簧片阀的主体，O型密封圈一21置于O圈密封槽一6内，整体安装于安装套筒1内；密封封盖5为一圆柱凸台结构，插入安装套筒1的腔体里，通过O型密封圈二21′置于O圈密封槽二6′并压于限位器4端面上，并通过螺钉固定在安装套筒1上，从而共同形成一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀。2.一种设计如权利要求1所述的一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀，其特征在于：步骤一：根据线性直流活塞式压缩机工况确定以下设计参数：工质种类及其性质参数(密度ρ，绝热系数K、气体状态常数R等)，循环系统预设质量流率压缩机运行进气温度T0，压缩机循行频率f，压缩机进气压力PL及从排气压力PH，所用簧片阀的材料性质参数(材料弯曲刚度系数及泊松比)。步骤二：根据气体工质的参数确定气隙最佳平均马赫数。平均马赫数越小对于簧片的冲击力越小，越有利于簧片阀使用寿命，但受压缩机尺寸及设计参数限制，气隙直径不可能无限大，对于空气而言，最佳平均气流马赫数在0.1～0.25之间，最大不超过0.3，对于其它工质，最佳平均马赫数为：其中，M为实际所用气体最佳马赫数，M0为空气最佳马赫数，K为实际所用气体绝热系数，R为实际所用气体的气体状态常数。步骤三：确定簧片阀的结构参数。首先根据压缩机结构限制、气体体积流率及最佳平均马赫数范围，结合容积效率的限制因素，确定阀孔气隙直径Ds，并同时反算得到平均气流马赫数M：其中，为质量流率，由设定工况决定，ρ为气体密度，f为气缸中活塞往复运动频率，K为气体绝热系数，R为气体状态常数，T0为簧片阀工作温度。继而确定簧片阀的升程h，对于本设计中的双悬臂型簧片而言，簧片最大升程hmax与簧片平均升程相差很小，设计中可直接用最大升程代替平均升程，升程设计应满足周向等效通流面积不小于气隙通流面积的限制因素，即：可知由于升程直接影响簧片冲击限位器的冲击速度，进而影响簧片阀使用寿命，故而h在此范围内应取最小值步骤四：计算等效迎风面积Ap，等效悬臂长度Ls，确定簧片厚度ts。同步骤三所述，簧片抬升倾角θ可视为0，因而等效迎风面积可视为与气隙通流面积相同，等效悬臂长度视簧片型线设计而定，这里初步定为2×(D/2-a)，其中a为簧片与筒壁间隙宽度，D为安装套筒直径。再由以上条件，确定簧片表面气动力Fg大小及所需材料的弯曲刚度K0：其中β为推力系数，为常数值，一般在0.8～0.9之间，Ds为气隙直径，Ki为材料弯曲刚度系数，M为气体马赫数，PH为压力波动峰值，PL为压力波动谷值，μs为材料泊松比，h为升程。确定材料弯曲刚度后，查询所选材料性能指标参数确定最终所需簧片厚度。步骤五：设计并优化簧片型线。以等效悬臂长度Ls为2×(D/2-a)为目标，设计双悬臂型线，调节应力臂9与变形臂10的臂宽及臂长参数，利用有限元分析软件分析抬升h高度后簧片应力分布，并在应力集中处做优化处理，最终得到所需型线。本设计所采用型线为：变形臂10采用多项式方程，型线方程为y＝R0*(0.408x3-1.673x2+2.298x-1.025)；应力臂9采用渐开线方程，型线方程为其中R0为簧片外圆半径。步骤六：根据压缩机气缸安装面及簧片阀结构设计安装套筒1及密封封盖5，并设计簧片与限位器安装的簧片定位销一8及簧片定位销二8′，簧片与限位器之间设计过盈配合保证簧片的稳固，此后设计基座和限位器上的密封槽6。步骤七：安装套筒1、簧片基座2、双悬臂型簧片3、限位器4及密封封盖5组成一个整体，形成一个本专利技术所设计的线性直流活塞式压缩机使用的双悬臂型簧片阀结构。本专利技术的目的在于，在小尺寸安装空间中增大簧片悬臂长度，使得簧片阀升程减小，可以使用于有长寿命、高可靠要求的小型线性直流活塞式压缩机，满足其高性能参数要求并延长使用寿命本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀，包括安装套筒(1)、簧片基座(2)、双悬臂型簧片(3)、限位器(4)以及密封封盖(5)，其特征在于：/n所述簧片基座(2)为一圆柱形结构，一侧为平面，另一侧有密封圈安装槽，中心包含一个圆柱过气孔，具体孔径大小根据实际应用中所需过气量决定；双悬臂型簧片(3)为一平整的薄片，包括簧片定位区(7)、簧片定位销一(8)、簧片定位销二(8′)、应力臂(9)、变形臂(10)、密封区(11)以及簧片紧压分界线(12)，整个双悬臂型簧片(3)沿簧片竖直中心线(13)对称；限位器(4)为圆柱形结构，其外圆直径与簧片基座(2)的外圆直径相同，主要包括定位卡销一(14)、定位卡销二(14′)、第一台阶(15)及第二台阶(16)；双悬臂型簧片(3)上的簧片定位销一(8)及簧片定位销二(8′)分别对称嵌入于限位器(4)上的定位卡销一(14)及定位卡销二(14′)中，同时保证双悬臂型簧片(3)外圆弧线与限位器(4)上的第一台阶(15)外圆相贴合；双悬臂型簧片(3)的另外一面紧贴安装在簧片基座(2)上，簧片基座(2)的外圆与限位器(4)的外圆同心，形成簧片阀的主体，O型密封圈一(21)置于O圈密封槽一(6)内，整体安装于安装套筒(1)内；密封封盖(5)为一圆柱凸台结构，插入安装套筒(1)的腔体里，通过O型密封圈二(21′)置于O圈密封槽二(6′)并压于限位器(4)端面上，并通过螺钉固定在安装套筒(1)上，从而共同形成一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀。/n...

【技术特征摘要】
1.一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀，包括安装套筒(1)、簧片基座(2)、双悬臂型簧片(3)、限位器(4)以及密封封盖(5)，其特征在于：
所述簧片基座(2)为一圆柱形结构，一侧为平面，另一侧有密封圈安装槽，中心包含一个圆柱过气孔，具体孔径大小根据实际应用中所需过气量决定；双悬臂型簧片(3)为一平整的薄片，包括簧片定位区(7)、簧片定位销一(8)、簧片定位销二(8′)、应力臂(9)、变形臂(10)、密封区(11)以及簧片紧压分界线(12)，整个双悬臂型簧片(3)沿簧片竖直中心线(13)对称；限位器(4)为圆柱形结构，其外圆直径与簧片基座(2)的外圆直径相同，主要包括定位卡销一(14)、定位卡销二(14′)、第一台阶(15)及第二台阶(16)；双悬臂型簧片(3)上的簧片定位销一(8)及簧片定位销二(8′)分别对称嵌入于限位器(4)上的定位卡销一(14)及定位卡销二(14′)中，同时保证双悬臂型簧片(3)外圆弧线与限位器(4)上的第一台阶(15)外圆相贴合；双悬臂型簧片(3)的另外一面紧贴安装在簧片基座(2)上，簧片基座(2)的外圆与限位器(4)的外圆同心，形成簧片阀的主体，O型密封圈一(21)置于O圈密封槽一(6)内，整体安装于安装套筒(1)内；密封封盖(5)为一圆柱凸台结构，插入安装套筒(1)的腔体里，通过O型密封圈二(21′)置于O圈密封槽二(6′)并压于限位器(4)端面上，并通过螺钉固定在安装套筒(1)上，从而共同形成一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀。


2.一种设计如权利要求1所述的一种线性直流活塞式压缩机用双悬臂型簧片阀的方法，其特征在于，所述簧片阀的设计方法及步骤如下：
步骤一：根据所应用于的线性直流活塞式压缩机工况确定以下设计参数，工质种类及其性质参数：密度ρ，绝热系数K、气体状态常数R；循环系统预设质量流率压缩机运行进气温度T0，压缩机循行频率f，压缩机进气压力PL及从排气压力PH，所用簧片阀的材料性质参数：材料弯曲刚度系数及泊松比；
步骤二：根据气体工质的参数确定气隙最佳平均马赫数，平均马赫数越小对于簧片的冲击力越小，越有利于簧片阀使用寿命，但受压缩机尺寸及设计参数限制，气隙直径不可能无限大，对于空气而言，最佳平均气流马赫数在0.1～0.25之间，最大不超过0.3。对于其他工质，最佳平均马赫数为：



其中，M为实际所用气体马赫数，M0为最佳空气马赫数，K为实际所用气体绝热系数，R为实际所用气体的气体状态常数；
步骤三：确定簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：党海政，赵永江，谭军，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31