活塞式制冷压缩机气阀弹簧模糊可靠性设计

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1、·应用研究·王凌杰芮延年罗伦活塞式制冷压缩机气阀弹簧模糊可靠性设计59活塞式制冷压缩机气阀弹簧模糊可靠性设计王凌杰～，芮延，罗伦(1．苏州经贸职业技术学院机电系，江苏苏州215000)(2．苏州大学机电工程学院，江苏苏州215000)(3．上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093)摘要：由于活塞式制冷压缩机气阀弹簧工作时受到交变应力作用，其疲劳变形或断裂问题时有发生。考虑到气阀弹簧设计过程中存在着一些模糊因素，采用传统设计方法很难保证其工作的可靠性。基于现代设计理论，首先构建了零件模糊可靠性设计的模型，然后针对气阀弹簧工作过程中的应力与强度问题进行

2、了分析研究，并以计算实例阐述了气阀弹簧模糊可靠性设计的方法和步骤，最后通过实验研究验证了该设计模型的可靠性。关键词：气阀弹簧；强度与应力；模糊可靠性中图分类号：1n曰l652文献标识码：A文章编号：1672—1616(2010)23—0059—04目前在活塞式制冷压缩机中普遍采用环片阀，在应力一强度干涉模型和传统机械设计准则，可得到零环片阀中大量使用了圆柱形弹簧作为其主要储能部件常规可靠度的计算公式为：r。。r∞件，以帮助阀片完成吸排气的关键动作。气阀弹簧在R=l厶(z)[}^()]妇=工作时承受交变载荷，如果其发生疲劳损坏，则会导～∞Zro。致压缩机或制

3、冷系统的故障，因此气阀弹簧工作的可I[1一Fy(1z)]A(x)dx(1)靠性设计是必须重点考虑的问题。或在气阀弹簧结构设计中，传统的设计方法是以确r∞r定弹簧的最大应力r与极限应力、计算安全系数R=I^()fx(z)]=为主要工作。允许安全系数[]是根据零件的尺寸rooI()]^(x)dx(2)外形、材料性能、数据的准确性和计算的准确性来确定的，当>[]，则判定弹簧工作安全。传统设计式中：()为应力分布的概率密度函数；fY()为忽略了设计参数的随机性，计算安全系数仅仅是以零强度分布的概率密度函数。件材料的强度和零件所承受的应力取单值为前提的，式(1)、(

4、2)是常规可靠性设计的计算公式，其中然而零件在工作过程中，随着运转时间的延长以及弹1一Fy(z)可以看成戒上型的隶属函数，()看成簧所处环境，如温度、腐蚀等因素的变化，导致材料老戒下型的隶属函数。按式(1)、(2)计算零件的可靠度化、强度下降等，还可能会出现应力分布与强度分布需要确定强度分布的概率密度函数或应力分布的概发生干涉现象，导致弹簧疲劳失效。因此，本文拟采率密度函数，然而为获得它们的准确分布，需要花费用模糊数学的方法对气阀弹簧进行可靠性设计。大量的人力、物力和财力。为简化问题的分析，可以利用模糊数学的方法来进行模糊可靠性谢十。1模糊可靠性设计的数学

5、模型设论域为应力，则最大工作应力为论域上的一在机械零件可靠性设计中，零件工作的安全条件个模糊子集，隶属函数为，最小强度也是论为“应力小于强度”。应力与强度都是随机变量，均具域上的一个模糊子集Iim，一，隶属函数为bn1，则有相应的概率分布。应用概率与数理统计理论，结合，零件的模糊可靠度定义为：收稿日期：2010—1008作者简介：王凌杰(1971一)，男，安徽蚌埠人，苏州经贸职业技术学院讲师，硕士，主要从事制冷设备现代设计方法、先进制造技术的教学与研究工作。2010年l2月中国制造业信息化第39卷第23期R=P(O'max

6、ira'的隶属函数组合如图1所示，若f=e-kl(x-aIk1>0最大应力上限小于最小极限应力的下限，则零件的【．(7)=ek2(Y-a2)Zk2>0可靠度为1，但在一般情况下，两者的组合应如图2⋯所示。对于最大应力与最小极限应力这2个模糊概归一化因子为：念，其隶属函数应取中间型隶属函数[，常用的中间I()dx=~／n／k1型隶属函数有矩形、梯形和正态隶属函数3种。J一。。(y)dy~／7c2(8)将式(7)、(8)代人式(5)，得模糊可靠度为：R=j’e-kl(X-a1)2[j’e-k2(Y-a2)2](9)式中：a1，a2分别为最大应力与最小强度的均值

7、；k1，k2分别为选定的分布参数。图1d和口IrI1i的隶属函数的组合(不干涉)．2气阀弹簧的最大应力与强度分析2．1气阀弹簧的工作应力分析如果在弹簧中心轴上施加拉力P，则弹簧钢丝截面上受到力和力矩M的作用，力产生的剪应力为r1，力矩M产生的剪应力为2，1和2合图2～和d1_呦的隶属函数的组合(干涉)成后，最危险处位于应力r和r2璩x的重合点上，．其剪应力为：由于隶属函数不符合概率密度的条件，可以对4隶属函数进行修正，将隶属函数归一化处理[，r=r+r=+=-~d2(1+2D2)(10)得：由于2D2／d》1，上式可简化为：()=／I(a)da(4)r=8

8、pD2／(xd。)(11)式中的()满足概率密度的3个条件，考虑到