压缩机金属膜片层间接触力学行为的研究

闫百岁

摘 要：为了解析隔膜压缩机的膜片受力原理，专门建立了一个力学模型。在不同挠度的情况下，理论计算就可以算到膜片的挠度曲线、主剪切应力、径向应力和周向应力。依照膜片不同高度的着力分布，可以得到每层膜片在接触面的滑动区以及粘着的一个状况，可以知道如何把膜片的摩擦损失降到最低，而且还可以延长膜片的使用寿命。本文主要从压缩机的金属膜片理论受力这方面进行解析。

关键词：压缩机; 金属膜片; 接触; 力学行为

1前言

压缩机是根据隔膜在气缸中进行重复进行运作来达到气体的传输和压缩，其是一款有特殊结构的容积式压缩机，并且有许多的优点，因其密封性好，压缩性强，大范围的运用于输送各式各样的有毒有害或者易燃易爆以及纯度较高的气体。从隔膜压缩机膜片来说，这两种材料就是非金属和金属隔膜式。从以往研究中可知，压缩机的气腔曲面形状和膜层接触摩擦的损失都会影响到膜片的使用寿命，对此状态很多人都会探究前者多一些，而膜片之间摩擦损坏研究的比较少。

2膜片的受力分析

想要计算出隔膜压缩机的三层膜片的挠度曲线以及应力应变值，可以采用单层膜片的求解方法和过程。首先把三层膜片看成一个整体，这样就可以算出三层膜片的挠度曲线。使单层膜片整体受到压力并对其进行求解和解析，再把整個单层膜片分为三层，就可以算出每一层膜片的弯曲应力以及拉伸应力，可以依照每个膜片在受力变化的情况进行，求出分布的黏着曲和滑移区。另一边，压缩机的膜片在正常运行中是重复向上运动，所以只要探究膜片往上运动的轨迹，进而推算出膜片的整个运行周期所接受压力状况。

从图1可以看出，各膜片之间在接近的时候属于非线性的，每个膜片层之间的接触面，黏着区与滑动区会随着膜片上的应力和形状的变化而变化。对膜片层之间的接触问题进行研究，需要达到以下两种要求：第一，上下两个面不能互相渗入;第二，膜片之间的摩擦力要遵守库仑定律。在图1中，T表示主剪切应力;Q表示摩擦系数;P表示压应力，如果膜片表面上的主剪切应力大于压应力会造成膜片之间相互移动，就是T≥QP。膜片表面的主剪切应力小于压印力与摩擦系数沉积会造成膜片层之间的黏着。就是T

3针对金属膜片的受力进行解析

本文针对压缩机膜片进行受力的分析。所选用试验的隔膜压缩机和膜片的每一种参考数值为：曲面半径204mm，曲面挠度5.9mm，挠度指数 4，膜片直径 428mm，膜片泊松比0.31，单个膜片厚度0.5mm，膜片的材料都是不锈钢。

3.1 薄膜运行时的挠度曲线

计算方程为：

任意选取膜片运动过程中经过的几个点进行解析，把挠度分别选为 1，3，5mm 时膜片的挠度方程，依照挠度方程探究膜片往上运行中的受力状况，即：

依据压缩机设计手册中挠度方程设计求解气腔曲线，即：

膜片在上面（3），（4），（5）情况下所受到的压力进行计算，把任何一个挠度下三层膜片所接触的黏着区和滑移的划分状态计算出来。

3.2不同挠度膜片所受压力变化分布情况

这三层膜片的挠度曲线是相同，其所受的压力大致也是相同，能算出任何一层膜片上的应力应变，就可以把其他两层膜片的应力应变值也能算出来。上述已经得到单层膜片，微分单元体上径向及周向应力的计算公式。为了方便计算引入变量α1 ，α2，如下图：

膜片径向和周向应变值大小大致与应力值一样，依照求得挠度5.9mm的应力应变值，可以得出挠度（3），（4），（5）公式，膜片上两向应力应变分布的特点。

4结论

试验得出的结论有以下两点：①每层膜片之间在向上运动的时候，接触而产生的滑动摩擦，最大拉应力和最大压应力都属于滑移区，而最大拉应力一般都会在滑移区的边缘，所以如果膜片出现裂缝情况出现都会在滑移区的边缘。②膜片黏着、滑移区域的面积会受摩擦系数、厚度以及膜片两侧的压强大小等而受到影响，像摩擦系数以及厚度等，都跟膜片的材料有关。膜片层之间在接触的时候就可以改变这些因素，从而把膜片的摩擦损失降到最低。

参考文献

[1]王建松. 隔膜压缩机膜片层间作用机理及耐磨强化研究[D]. 2015.

[2]袁风华，金颖，吴广辉，等.某高炉用轴流压缩机组异常振动的原因分析及处理[J].流体机械，2015， 43（ 2） ： 48-51.

[3]史进，陈秋平，何承厚，等.煤气化装置在用工业管道开裂失效分析[J].压力容器，2010，27 （ 11 ） ： 53-58.

[4]方列兵.活塞式压缩机气缸壁 Ni-P 刷镀层的耐磨损性能[J].材料保护，2008，41（ 11） ： 44-45.

[5]韩烨.天然气离心压缩机腐蚀分析与控制方案研究[D].天津： 天津大学，2012： 28-30.