本发明涉及隔膜压缩机，具体涉及一种隔膜压缩机上膜头结构及其设计方法。
背景技术：
1、隔膜压缩机是一种由曲柄连杆机构驱动的容积式压缩机，通过活塞推动液压油，液压油推动膜片运动实现膜腔容积的变化，膜腔型线的设计直接关系到膜片的使用寿命和膜腔余隙容积。一般的膜腔是由单指数型线构成的膜腔曲面，通过长期的市场实践具有较丰富的新机型应用设计经验，但是单指数型线只有膜腔半径、最大挠度和膜腔指数三个设计参数，其直接影响膜片在运动过程中的受力分布和膜头的结构设计。为了适应变工况和多应用场景下的隔膜压缩机新机型开发，多设计参数的膜腔型线开发是当前隔膜压缩机研发的重要课题。
2、隔膜压缩机膜头结构的余隙容积直接影响着气体排量和功耗，特别是当压缩介质为氢气时，由于氢气分子小、传热快，隔膜压缩机排气行程结束后，余隙容积中的高温高压氢气和吸气阶段吸入的氢气混合，造成吸气温度升高，直接影响隔膜压缩机容积效率和功耗。另外，在高压、高转速、大排量隔膜压缩机开发过程中，容积效率对于隔膜压缩机功耗的影响是显著的，如何减小隔膜压缩机余隙容积也是当前隔膜压缩机研发难以攻克的难题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术中的问题，提供一种隔膜压缩机上膜头结构及其设计方法，有利于优化型线设计，改善膜腔设计灵活性，减小隔膜压缩机余隙容积以提高整机性能。
2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
3、第一方面，提供一种隔膜压缩机上膜头结构，由渐开线段b1b2、直线段b2b3、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、直线段b5b6以及渐开线段b6b7拼接组合形成隔膜压缩机膜腔型线l2；隔膜压缩机膜腔型线l2绕以b4点所在纵轴的上膜头中心轴线zs2旋转得到膜腔型面s2，即上膜头下侧的气侧膜腔型面，包括由渐开线段b1b2和渐开线段b6b7旋转形成的型面s21、由直线段b2b3和直线段b5b6旋转形成的型面s22，由渐开线段b3b4和渐开线段b4b5形成的型面s23；上膜头上侧的进气阀腔平面s3与排气阀腔平面s4之间设有倾角θk；渐开线段b1b2、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、渐开线段b6b7通过渐开线基本生成方程代入各自特征参数基圆半径rfs和基圆特征角θ获得，渐开线基本生成方程如下：
4、
5、式中，xjk为基圆渐开线横坐标；yjk为基圆渐开线纵坐标；rfs为渐开线生成基圆半径；θ为渐开线生成基圆特征角；基圆渐开线的坐标矩阵pjk表示为：
6、
7、作为一种优选的方案，渐开线段b1b2的坐标矩阵pb1b2通过以下坐标变化得到：
8、
9、式中：rfs,b1b2为渐开线段b1b2的发生圆半径；xb1b2为渐开线段b1b2的x轴坐标；yb1b2为渐开线段b1b2的y轴坐标；
10、渐开线段b1b2和直线段b2b3满足以下关系式：
11、
12、通过定义在x轴方向上的长度δxline，确定直线段b2b3的方程为：
13、
14、作为一种优选的方案，渐开线段b3b4的坐标矩阵pb3b4通过以下坐标变化得到：
15、
16、渐开线段b3b4和直线段b2b3满足以下型线设计条件：
17、
18、作为一种优选的方案，渐开线段b4b5、直线段b5b6与渐开线段b6b7分别通过渐开线段b3b4、直线段b2b3以及渐开线段b1b2对称设计得到，坐标变化表达式如下：
19、
20、隔膜压缩机膜腔型线l2的坐标矩阵pl2通过下式进行描述：
21、pl2＝[pb1b2,pb2b3,pb3b4,pb4b5,pb5b6,pb6b7]。
22、作为一种优选的方案，令rmax＝|xb1-xb4|，具有所述隔膜压缩机膜腔型线l2的隔膜压缩机膜片，在变形贴近上膜头膜腔型面s2时的最大及最小表面应力按下式计算：
23、
24、δmin＝min{δpr±δmr,δpt±δmt}
25、δmax＝max{δpr±δmr,δpt±δmt}
26、式中，yl2为关于xl2的膜腔型线l2纵坐标；e为膜片材料杨氏模量；μ为膜片材料泊松比；t为膜片厚度；∫表示积分运算；d表示微分运算；δpr为膜片径向正应力；δpt为膜片周向正应力；δmr为膜片径向剪应力；δmr为膜片周向剪应力；δmin为膜片表面最小应力；δmax为膜片表面最大应力。
27、作为一种优选的方案，在膜头本体上开设有第一进气阀腔、第二进气阀腔及排气阀腔；在第一进气阀腔上开有第一进气阀腔孔、第二进气阀腔上开有第二进气阀腔孔、排气阀腔上开有排气阀腔孔用于吸气和排气；在膜头本体上设置有连接螺栓孔用于固定连接。
28、作为一种优选的方案，定义型线渐开线段b1b2的生成压力角αk＝1.3°，得到不同渐开线生成基圆半径rfs的渐开线型线段簇，渐开线型线段簇在xoy坐标系具有相同的终点倾角θk；渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、渐开线段b6b7的生成压力角相同，即αk＝1.3°，实现型线段连接组合；
29、定义直线段b2b3在x轴方向上的长度δxline，阀腔直径为rvalve，满足δxline>rvalve，为了使直线段b2b3能够和渐开线段b1b2和渐开线段b3b4光滑连接，直线段b2b3在xoy坐标系下的斜率倾角等于渐开线段b1b2的终点倾角θk，亦即渐开线段b3b4的起点倾角。
30、作为一种优选的方案，通过调整渐开线段b1b2、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、渐开线段b6b7的渐开线生成基圆半径rfs、生成压力角αk，调整隔膜压缩机膜腔型线l2的应力分布和最大及最小应力值，调整直线段b2b3、直线段b5b6的δxline长度实现膜腔容积的变化，由此满足实际膜腔型线设计要求。
31、第二方面，提供一种所述隔膜压缩机上膜头结构的设计方法，包括以下步骤：
32、通过热动力计算确定隔膜压缩机膜腔容积，确定膜片材料和强度要求；
33、按照开发设计要求确定渐开线段b1b2、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、渐开线段b6b7的设计基本参数，生成渐开线生成基圆半径rfs以及生成压力角αk；
34、根据隔膜压缩机膜腔容积要求，确定直线段b2b3和直线段b5b6在x轴方向上的长度δxline，并完成隔膜压缩机膜腔型线l2设计；将隔膜压缩机膜腔型线l2绕以b4点所在纵轴的上膜头中心轴线zs2旋转得到膜腔型面s2。
35、作为一种优选的方案，设计上膜头的进排气阀腔，使得进气阀腔位于隔膜压缩机膜腔型线l2的直线段，且使得进气阀腔特征平面s1和隔膜压缩机膜腔型线l2的直线段平行，以减小进气阀腔的余隙容积。
36、相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
37、采用由渐开线段和直线段组合而成的上膜头膜腔型线具有多设计参数灵活调节的特点，相较于传统单指数膜腔型线三个设计参数，本发明由渐开线段b1b2、直线段b2b3、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、直线段b5b6以及渐开线段b6b7拼接组合形成的隔膜压缩机膜腔型线l2具有渐开线段b1b2和渐开线段b3b4可调的生成基圆半径rfs、生成压力角αk、直线段b2b3在x轴方向上的长度δxline共五个型线设计参数，型线设计具有更大的灵活性。本发明的隔膜压缩机膜腔型线l2可以通过改变渐开线段设计尺寸调整膜片最大最小应力和应力分布情况，通过改变直线段特征长度调整膜腔型线容积，由此能够实现不同要求的型线优化策略，方便隔膜压缩机膜腔型线的系列化参数设计。本发明的隔膜压缩机上膜头结构，通过将进气阀腔布置于隔膜压缩机膜腔型线l2的直线段处，能够使得进气阀腔结构强度满足的情况下，减小进气阀孔的余隙容积，从而改善隔膜压缩机的整机性能。
1.一种隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，由渐开线段b1b2、直线段b2b3、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、直线段b5b6以及渐开线段b6b7拼接组合形成隔膜压缩机膜腔型线l2；隔膜压缩机膜腔型线l2绕以b4点所在纵轴的上膜头中心轴线zs2旋转得到膜腔型面s2，即上膜头下侧的气侧膜腔型面，包括由渐开线段b1b2和渐开线段b6b7旋转形成的型面s21、由直线段b2b3和直线段b5b6旋转形成的型面s22，由渐开线段b3b4和渐开线段b4b5形成的型面s23；上膜头上侧的进气阀腔平面s3与排气阀腔平面s4之间设有倾角θk；渐开线段b1b2、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、渐开线段b6b7通过渐开线基本生成方程代入各自特征参数基圆半径rfs和基圆特征角θ获得，渐开线基本生成方程如下：
2.根据权利要求1所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，渐开线段b1b2的坐标矩阵pb1b2通过以下坐标变化得到：
3.根据权利要求2所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，渐开线段b3b4的坐标矩阵pb3b4通过以下坐标变化得到：
4.根据权利要求3所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，渐开线段b4b5、直线段b5b6与渐开线段b6b7分别通过渐开线段b3b4、直线段b2b3以及渐开线段b1b2对称设计得到，坐标变化表达式如下：
5.根据权利要求4所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，令rmax＝|xb1-xb4|，具有所述隔膜压缩机膜腔型线l2的隔膜压缩机膜片，在变形贴近上膜头膜腔型面s2时的最大及最小表面应力按下式计算：
6.根据权利要求1所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，在膜头本体(j)上开设有第一进气阀腔(j11)、第二进气阀腔(j12)及排气阀腔(j2)；在第一进气阀腔(j11)上开有第一进气阀腔孔(j111)、第二进气阀腔(j12)上开有第二进气阀腔孔(j121)、排气阀腔(j2)上开有排气阀腔孔(j211)用于吸气和排气；在膜头本体(j)上设置有连接螺栓孔(j3)用于固定连接。
7.根据权利要求1所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于：
8.根据权利要求7所述隔膜压缩机上膜头结构，其特征在于，通过调整渐开线段b1b2、渐开线段b3b4、渐开线段b4b5、渐开线段b6b7的渐开线生成基圆半径rfs、生成压力角αk，调整隔膜压缩机膜腔型线l2的应力分布和最大及最小应力值，调整直线段b2b3、直线段b5b6的δxline长度实现膜腔容积的变化，由此满足实际膜腔型线设计要求。
9.一种如权利要求1至8中任意一项所述隔膜压缩机上膜头结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：设计上膜头的进排气阀腔，使得进气阀腔位于隔膜压缩机膜腔型线l2的直线段，且使得进气阀腔特征平面s1和隔膜压缩机膜腔型线l2的直线段平行，以减小进气阀腔的余隙容积。
