为详细研究涡旋膨胀机的性能特点,基于圆渐开线型线的基本方程,运用微分几何学理论计算求解得到压力随容积的变化规律。从热力学基本定律的角度出发,结合质量、能量守恒方程和气体状态方程,综合考虑气体的传热模型和泄漏模型,建立了涡旋膨胀机的数学模型。运用改进的欧拉法对所建立的数学模型进行求解计算,得到了气体在每个工作腔的质量流量的变化规律。通过建立的泄漏模型,进一步分析得到了,相邻的工作腔之间泄漏的质量差。该数学模型对涡旋膨胀机的研发和性能分析,具有一定的指导和借鉴作用。

工业上涡旋压缩机的涡旋盘常采用压铸铁与压铸铝材料。以双涡旋齿结构的涡旋盘为研究对象,从模态分析和谐响应分析角度,对比两种材料涡旋盘的动态特性。首先通过计算得到了作用于涡旋盘的气体力,然后分别对两种材料的涡旋盘进行气体力载荷下的模态分析和谐响应分析,得到其前六阶固有频率、对应的变形量以及涡旋齿沿X,Y方向的变形随频率变化的规律。结果表明,采用压铸铝材料的涡旋盘的一阶固有频率较高,防振性能更好;在各自的频率范围内,采用压铸铝材料的涡旋盘最大变形量较小,说明采用压铸铝材料的涡旋盘动态性能更优。

为分析基圆变化的涡旋型线对膨胀机结构性能的影响,对变径基圆涡旋膨胀机的几何特性进行了探讨。推导了各膨胀腔的容积计算方法;建立了变径基圆涡旋膨胀机的泄漏模型;讨论了不同的基圆变化规律对膨胀机型线的影响,并对其容积和泄漏进行了分析比较,得出了在基圆不断变小所展成的渐开线有较大的容积和较小的泄漏,更加适用于涡旋膨胀机。为变径基圆涡旋膨胀机参数的选取提供了参考。

由型线方程建立了双涡圈涡旋压缩机涡旋盘几何模型,讨论了双涡圈涡旋齿在加工过程中齿头与刀具的干涉情况,并根据修正后排气角的计算公式给出了任意曲轴转角下任意压缩腔的工作容积以及吸气、排气容积,讨论了双涡圈涡旋压缩机的泄漏模型,并定量分析了径向泄漏线长度。推导出了在基圆半径不变的情况下,能正确啮合的涡旋体型线的起始角范围,定量分析了在圆渐开线起始角或基圆半径不变的情况下,基圆半径或圆渐开线起始角对双涡圈涡旋压缩机性能的影响。

汽车车轮是介于轮胎和车桥之间承受整车负荷的旋转件，是汽车行驶系统中重要的安全部件。钢圈的主要破坏形式是循环载荷产生的疲劳破坏，它是导致钢圈破坏的主要原因。文中研究了轮辐与轮辋的装配过盈量、接触量长度及轮辐外圆的加工状态对钢圈径向疲劳寿命的影响。结果表明，当接触量长度一定时，钢圈的疲劳寿命随着过盈量的增加而增大；当过盈量一定时，随着接触量长度的增加，钢圈的疲劳寿命逐渐增大，钢圈的最大疲劳寿命大于100万次。轮辐外圆未车削时，在较大的过盈量下，钢圈可达到较高的疲劳寿命。

以圆渐开线等截面涡旋型线为基础，对涡旋膨胀机的几何模型进行了探讨。从圆渐开线几何学出发，对涡旋齿齿头修正进行了论述，并以双圆弧加直线修正为例，用解析法得到修正后齿头面积变化。通过积分法对涡旋膨胀机各腔容积进行了模拟计算，得出工作腔容积以及容积变化率随主轴转角的变化规律。将修正与未修正型线构成的涡旋膨胀机吸气腔容积做对比分析，得出齿头的修正对工作腔容积的影响较小，但其刚度明显增大。最后，对涡旋膨胀机的泄漏进行了分析并计算出径向泄漏线长度，为涡旋膨胀机的热力学研究奠定了良好的基础。

基于圆渐开线型线方程,运用微分几何学得到容积变化规律。从热力学基本定律的角度出发,结合质量、能量守恒方程和气体状态方程,对涡旋压缩机的泄漏特性进行了详细的分析和研究。通过运用改进的Euler法对所建立的数学模型进行求解,得到了气体在有泄漏和无泄漏两种不同的工况下的温度、压力和质量的变化趋势。结果表明:泄漏对质量的影响最大,而对压力的影响最小。该数学模型对无油涡旋压缩机的研究和性能优化,具有一定的指导和借鉴作用。

采用Solidworks建立了无油涡旋压缩机动、静涡旋盘的三维模型,运用ANSYS分析软件对涡旋压缩机动涡盘分别在气体力、温度、惯性约束条件下以及在多场耦合载荷下涡旋齿的变形和应力分布规律进行了分析,并研究了不同齿厚和齿高的动涡盘涡旋齿在多场耦合载荷作用下的变形情况,得到涡旋盘的应力分布和涡旋齿变形情况。分析结果表明,对涡旋齿的变形影响最大的载荷是温度载荷场;在腔内气体被压缩时,涡旋齿始端部位温度最高,所受气体力也最大;耦合场下涡旋齿始端顶部变形最大,最大应力出现在齿根部位,且耦合场的最大应力不是各载荷应力的叠加;涡旋齿越高变形越大,涡旋齿越厚变形越小,分析研究结果为定量化确定无油涡旋压缩机的轴向间隙和径向间隙提供了理论依据。

为了研究无油涡旋压缩机传动系统的动力特性问题,对涡旋压缩机的传动系统模型进行了简单的分析,利用Solidworks 建立了涡旋压缩机的三维模型,并根据其运动规律,将其嵌入 Adams 虚拟样机软件中,建立了涡旋压缩机传动系统的动力学模型,针对曲柄销和小曲拐与轴承之间运动副间隙的大小,进行了传动系统的动力学仿真,结果表明:曲柄销和小曲拐与轴承之间运动副间隙的大小对于涡旋压缩机传动系统的动力特性有着显著的影响。合理控制轴承装配间隙有利于提高涡旋压缩机的动力特性以延长其使用寿命。

对圆渐开线涡旋型线的齿头修正展开了研究。首先从圆渐开线几何学出发,叙述了涡旋膨胀机的几何模型,探讨了涡旋齿齿头修正方法。为了提高涡旋机械的综合性能,着重分析了型线修正问题,研究了双圆弧修正与双圆弧加直线修正的修正参数的变化规律和修正面积系数的变化规律,为涡旋膨胀机的几何模型研究奠定了基础。