本文是一篇机械论文，本文研究重点是转子型线设计中的反向设计，即啮合线法。基于转子型线性能难以定量分析的问题，提出了多因素综合性能指标。
第一章 绪论
1.1 双螺杆压缩机的研究背景
改革开放以来，我国在工业发展的初始没有对能源利用率、环境、速度进行综合考虑而盲目追求速度，导致能源利用率较低，环境遭受一定程度的破坏。新世纪以来，我国越来越重视绿色可持续发展，其中传统机械性能的提高，新能源的开发，是降低碳排放，从而实现绿色可持续发展的重要途径。压缩机作为传统机械，是工业制冷的“心脏”，在工业领域内被广泛使用，但由于技术落后已经造成了巨大的能源损耗，所以对压缩机的深入研究至关重要。在2020年9月举行的联合国大会上，我国政府明确提出：“从现在至2030年，我国的碳排放量仍将处于一个爬坡期，在这一阶段中国的碳排放趋于稳定”。而压缩机的性能水平的提高也是实现“碳达峰”的关键一环[1-3]。
压缩机在目前的石油化工、制冷等工业领域内被大规模的使用，主要用于气体压缩与输送，为工业提供所需要的气动力。多年来，经过国内外学者不断探索与研究，压缩机的性能、寿命不断提高，直接推动了工业的进步。我国的压缩机产业从其问世就开始对其进行探索，上世纪五十年代末依托苏联科技对压缩机进行仿制，之后便颁布了第一个中小型活塞压缩机的设计标准，慢慢摆脱了对国外的依赖，实现自主研发，并且能够进行批量生产制造[4]。但国内综合发展各方面相对水平不够充分，且条件不足，信息不能及时共享，相关技术也较为分散，技术落后不可避免。
20世纪90年代，国外先进产品因其技术优势对我国压缩机市场实行全面，且长期的垄断。为打破国外垄断，当时国内一些国有企业开始提升核心技术，有一定的突破国外垄断枷锁的趋势。但一些民营企业由于成本等问题只能使用国外先进技术，生产市场中所需要的压缩机，使得国内自主研发的压缩机销售市场占有量进一步被压缩。
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1.2 双螺杆压缩机的发展与研究现状
1.2.1 双螺杆压缩机的发展
对于常见的单、双螺杆压缩机，是通过螺杆头数来将两类压缩机进行区分，由图1-2(a)中的双螺杆压缩机结构不难发现，平行放置在机壳内的，且相互啮合的阴阳转子，在整个主机零部件中处于核心地位，两转子直接决定压缩机的性能。通过阴阳转子周期性运转，实现低压气体与高压气体的交换，为工业提供气动力。由图中零部件配置得知，整机设计相对简单，通过两转子定比啮合传动，从而具有较强的稳定性，随着工业发展需求，市场占有率极高。而图1-2(b)中的单螺杆压缩机的主要结构由转子、配对的行星轮，以及其余相应零部件组成。结构较为复杂，且易损件较多，故容易出现故障，对零件的保养维护较为频繁，使得其适用范围较为局限，多数场合不宜使用。
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以双螺杆压缩机为研究对象，现在可按照是否喷油进行初步分类，即被划分为喷油、无油双螺杆压缩机。如下图1-3所示，图中所有双螺杆压缩机工作原理相同，根据运用场合的差异，选取的压缩机在局部结构上稍有不同，对于无油式双螺杆压缩机主要用于气体成分较为复杂的场合，而喷油式则用于气体较为干净的场合。
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第二章 双螺杆压缩机转子型线性能参数和几何特性
2.1 双螺杆压缩机结构及其工作原理
被广泛应用于制冷及石化等工业领域的双螺杆压缩机主要由一对螺杆转子(阴阳转子)、机壳等零件组成。阴阳转子平行放置在机壳内，并通过转子的啮合将低压气体转变为高压气体。两转子齿面与机壳之间形成了“ ”形空间，此空间为基元容积(齿间容积)，且基元容积呈规律性变化，这也是双螺杆压缩机具有极强稳定性的重要原因。、
对市场中常用喷油式双螺杆压缩机进行研究，整体结构如下图2-1所示，可以看出内部结构较为简单，紧凑。双螺杆压缩机工作的一般过程为吸气—压缩—排气的循环过程，下面对其工作过程进行详细剖析。
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(1)吸气过程
如下图2-2(a)所示，在电机的驱动下，阳转子与阴转子通过啮合转动，两个转子齿从开始啮合到脱离啮合周而复始运转，齿面与机体之间形成较为封闭的基元容积。在吸气的初始时段，阴阳转子刚开始啮合时基元容积为零，之后在脱离时逐渐增大。如下图2-2(b)棕色部分，此时基元容积形成一定的真空，使得外部大气压力高于基元容积的气压，气体被吸入基元容积中。如下图2-2(c)所示，此时容积对正开始逐步脱离吸气区域，基元容积达到容量峰值，气体不能再继续流入该基元容积中，这标志着一个周期的吸气过程就此结束。
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2.2 双螺杆压缩机转子型线性能参数
阴阳转子型线如下图2-5中的2、1所示，其线型是啮合的转子外轮廓的轴向投影。压缩机工作时主要进行低压与高压气体交换，容易产生气体泄漏，所以设计转子型线设计必须要有优异密封性能。影响啮合的转子工作产生泄漏有众多要素，主要有以下要素：①接触线；②泄漏三角形；③阴阳转子齿间面积等，这些要素也是后续提升压缩机性能的重要研究对象。
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第三章 基于FCE-AHP与熵值法的双螺杆压缩机综合性能分析 ............................... 28
3.1 基于FCE-AHP的双螺杆压缩机综合性能分析 ......................... 28
3.1.1 模糊综合评判法(FCE) ..................................... 28
3.1.2 层次分析法(AHP) ............................ 30
第四章 基于NURBS的转子啮合线分段寻优的研究................................... 42
4.1 基于啮合线法的双螺杆转子型线设计研究 .............................. 42
4.1.1 啮合线坐标系建立和坐标转换 ............................ 42
4.1.2 包络条件式 ............................ 44
第五章 基于综合性能的转子啮合线自动寻优系统开发与验证 ....................... 65
5.1 基于啮合线法的转子型线设计系统开发 ......................... 65
5.1.1 系统功能分析及设计 ................................... 65
5.1.2 系统开发环境 ................................. 66
第五章 基于综合性能的转子啮合线自动寻优系统开发与验证
5.1 基于啮合线法的转子型线设计系统开发
5.1.1 系统功能分析及设计
双螺杆压缩机转子型线啮合线法求解过程中有大量复杂计算公式，采用人工计算效率与准确性较低，所以使用计算机编程将双螺杆压缩机转子型线啮合线法与数字化设计技术相结合，设计人员可快速预测型线的性能优劣性。系统主要包含以下功能：
1、在已知基本参数阴、阳转子齿数比、中心距、扭转角以及导程的情况下，用户可以根据设计需要输入啮合线一段的数据后，利用计算机计算出对应的阴阳转子型线段数据，在计算机图形学支持下实现啮合线与转子型线的图像显示，设计完成之后能够保存设计数据。
2、能够将已知的典型型线与啮合线的图形在界面中显示，并能够计算典型型线与啮合线的性能参数，最后将其相关数据进行保存。
3、能够将所有分段转子型线与啮合线按照不同颜色进行区别显示，并能够在设计完成后显示转子型线的外切圆与极点，判断啮合线设计区域的合理性。
4、在设计某一段啮合线后，基于坐标转换关系生成对应转子型线，设计完成后能够进行性能参数计算，主要包括接触线长度、泄漏三角形面积、齿间面积和面积利用系数、多因素综合性能指标K等。
5、利用第四章中的NURBS曲线相关理论，对任意啮合线段进行控制点反求，通过所求的控制点拟合原有啮合线。根据控制点的区域控制特点，以及多因素综合性能指标K作为指标函数对分段的啮合线实现自动寻优。
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第六章 主要结论与展望
6.1 主要结论
研究重点是转子型线设计中的反向设计，即啮合线法。基于转子型线性能难以定量分析的问题，提出了多因素综合性能指标。基于控制点区域控制机制，与多因素综合性能指标为指标函数相结合的算法自动寻优啮合线，开发了啮合线自动寻优反向设计转子型线系统(TSPD)，主要完成了以下几方面的工作：
(1) 根据双螺杆压缩机结构特点详细探究其工作原理，剖析了吸气-压缩-排气的工作过程。推导出了接触线长度、泄漏三角形面积、齿间面积与封闭容积的计算公式；归纳了双螺杆压缩机转子型线的一般设计准则；探究了螺杆转子的几何特性相关参数；对面积利用系数阴阳齿间面积同时进行表征的意义，齿间容积的规律性变化过程，以及扭角系数、内容积比、内压力比、压力分布的变化规律进行深入研究。建立吸气腔模型，详细推导了容积效率计算公式，分析了性能参数对容积效率的影响，为后续多因素综合性能指标因素选取提供理论依据。
(2) 采用模糊-层次分析法(FCE-AHP)，建立双螺杆压缩机综合性能评判指标，定量定性判断所设计啮合线的优劣。利用层次分析法确定各性能指标的权重系数，建立多因素模糊层次的综合性能评价法，推导出了双螺杆压缩机多因素综合性能评价指标K表达式。利用无量纲化方法处理了转子型线性能参数，建立了熵值法的综合性能评价法，以一条6次拟合的复盛啮合线为例，比较了两种综合性能评价法对每组性能数据综合得分，发现模糊层次评价法得到的多因素综合性能指标K符合客观规律；同时对照课题组已有综合性能参数K1，发现K与K1指向和变化基本一致，但前者精确性更高，为此，选取多因素综合性能指标K作为双螺杆压缩机综合性能的评判指标。
参考文献（略）