单螺杆压缩机的新进展

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单螺杆压缩机的新进展
〈压缩机技术〉2002年第2期  顺德市正力精密机械有限公司 查谦 邓谦  
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     单螺杆压缩机的性能与辅机系统的优劣及是否匹配有关，也与主机排气口、啮合副的间隙、喷油量的大小等有关。这些问题相对来说容易解决。单螺杆压缩机中最困难、最关键的是由螺杆和星轮构成的啮合副。本文探求啮合副对压缩机性能的影响。与双轴螺杆压缩机相比，单螺杆压缩机在振动、噪声、寿命、可靠性、维护简单等方面所具有的明显优势已是不争的事实。单螺杆压缩机发明后，人们曾预期它比双螺杆压缩机节能5-7%。二十年后，双螺杆压缩机在齿形上作了两次重大的改变，每次都节能10%左右，加工和检测水平也有了大幅度的提高。与此相反，在此期间无论在设计或是加工方面都没有令单螺杆压缩机在节能方面有突破性的进展。国外曾经用GHH的双螺杆压缩机与单螺杆压缩机作了一次对比，结果是单螺杆压缩机在提高工作压力后，容积效率下降较快，再加上国产单螺杆压缩机的比功率始终高于国外的单螺杆压缩机。据此，国内专家也得出了单螺杆压缩机在能耗指标上不能与双螺杆压缩机较量的结论。本文介绍的另一个内容是顺德市正力精工的单螺杆压缩机改变了这种局面。
     国内概况
' C2 ~% K8 s6 M+ L! s     目前生产单螺杆压缩机的厂商主要有长沙的惠湘、温洲的乐清和上海的施耐德、浪潮和飞和等。其中施耐德和浪潮采用乐清的主机。这些厂商的技术均来源于北一通，因此技术水平没有太大的差别。近年来由于星轮材质的改进等，产品质量有了很大的提高。以某厂生产的OG—3/7型单螺杆压缩机为例，比功率由初期的＞7.0（kw/m3.min-1）降至6.6左右，容积效率由75%左右提高到83%左右，星轮寿命则延长至近8000小时（以排量下降5%即0.15m3/min计）。与国际水平的单螺杆压缩机或双螺杆压缩机比，容积效率和比功率都是比较落后的，但尚在可接受的范围内。然而8000小时的星轮寿命与活塞环的寿命相当，仅为国际水平的几分之一。因此提高星轮寿命是当务之急。由于有的厂家对用户声称是引进国外技术或主机生产的，因此产品有一定的市场。实际上发达国家从来就没有卖给我国一项关键核心技术，单螺杆压缩机技术更是如此。
     提高产品性能的途径
/ ~- S9 G2 u& J3 q     1、加强基础理论研究
1 F8 _/ U5 |, Q; g5 e5 k* v5 W. i! E     1.1、星轮齿形 单螺杆压缩机星轮齿侧曲面及与之共轭的螺杆齿侧曲面构成一对啮合副。啮合副的型线对单螺杆压缩机的性能有重大影响，选择正确的型线是至关重要的。单螺杆压缩机对齿形的要求是良好的气密性、工艺性和长寿命。即啮合副应有连续稳定的密封区和最小的泄漏三角形；便于大批量生产时的精加工；有尽可能多的“接触区”。为了寻求符合以上条件的齿形，国内外专家奋斗了数拾年。
     80年代，查谦在导师的指导下，发现了完全符合上述条件的、具有三条接触线的新型线。该型线由包络面和特形面构成。《压缩机技术》1994年在世界上首次公开报导了这种线型，该型线的公开报导在学术界引起了巨大的反响，齿轮权威专家、锥齿轮非零传动的发明人、国际齿轮标准化组织ISO/TC60中国首席代表梁桂明教授，平面二次包络球面蜗杆付的发明人张光辉教授等纷纷前来交流。不少学者认为这是我国传动基础理论研究方面的重大成就。有关专业单位组织了强大的研究队伍进行了数年的消化工作后，虽然对这种齿形的命名有不同看法，但对这种齿形的优越性却是充分肯定的。
     1.2、星轮齿廓加工原理及其刀具 由于这种齿形涵有包络面，因此解决这种齿形的加工技术必须解决加工包络面的刀具，而这种刀具是公认的老大难技术，查谦用严谨的逻辑分析和巧妙的方法创造性地解决了这种齿形的精加工技术及其刀具，填补了国内空白。《压缩机技术》1996介绍了这种刀具的有关技术后，我国的著名刀具专家、机械工业部成都工具研究所所长高翔对此给予了高度评价。特别要指出的是：①、查谦所加工的星轮齿面，其啮合面积、容积效率与星轮寿命均优于国外同期产品；②、星轮齿形的发现与加工技术的解决是在没有电脑（80年代电脑尚未普及）的条件下仅仅三个月的业余时间用数学模型完成的。不仅研究方法比国外的试切法先进而且速度快、资金省、研究更深入。为我国生产具有世界先进水平的单螺杆压缩机打下了良好的基础。
     以上成果公开发表后，有的单位用二坐标联动的仿形法加工这种新型星轮，由于未能掌握齿廓方程式和这种加工方法的误差，虽然使星轮寿命从2000小时延长到8000小时左右，但远未达到延长6倍以上的预期目标。在面临加入WTO和国外向我国大量倾销双螺杆主机的情况下，为了帮助国内企业提高技术水平与产品质量，正力精工愿意向有关厂家提供星轮齿形、加工技术和全套工艺装备。
     1.3、啮合副的工作机理：单螺杆压缩机的啮合副实质上是特殊的球面蜗杆副，因此国内外学者籍动力用球面副的理论来解释星轮齿面“永不磨损”现象，认为啮合付间存在一层油膜，由于油膜的存在，工作时啮合付间并不接触，因此“永不磨损”。实际上无油（喷水或喷制冷剂）单螺杆压缩机的啮合副间根本就无油；液态制冷剂的粘度很小，而且在压缩过程中气化，不可能形成有强大承载能力的液膜。因此油膜或液体膜的理论受到质疑。单螺杆压缩机的发明人也强调：喷液只是为了冷却，虽然喷液也有润滑与密封作用。深入地研究发现星轮“永不磨损”的原因在于星轮齿形的设计。正确的设计可以令啮合副的接触应力为“零”。“零应力”才是啮合副永不磨损的真正原因。掌握“零应力”齿廓设计是“永不磨损的关键”。早在80年代，查谦就掌握了“零应力”齿廓的设计技术，迄今为止国内尚无任何其它厂家掌握该技术。限于篇幅，本文不介绍该技术。
$ Z, ?9 R+ m6 j! T: s     2、提高加工精度
     有人认为高精度专机的制造是不可能的，也没有必要，只要解决了星轮齿廓就行了。其实通常情况下，材料的磨损与应力、路程成正比。但是当应力足够小时，材料就“永不磨损”了。当螺杆精度不高时，星轮的运转是不平稳的，由此所产生的惯性力作用于星轮齿面，产生较大的接触应力，从而造成星轮过快磨损。“浮动星轮”就是为了削减这种惯性力而发明，并且大大延长了星轮的寿命。但是“浮动星轮”只能削减星轮托架的惯性力而不能削减星轮本身的惯性力，因此螺杆的加工精度越高，星轮寿命越长。国内外的实践也证明了这一点：用滚齿机加工螺杆时，星轮寿命最短，用专机加工的螺杆星轮寿命稍长，用高精度专机加工螺杆时，星轮寿命最长。
7 d% P" P, ]& s     目前使用得较多的专机由八个齿轮组成，采用公用齿轮时则由七个齿轮构成。一对齿轮只有1-2个齿同时啮合。由于制造误差和变形，轮齿进入或退出啮合时均产生冲击，所以齿轮传动不平稳。此外，专机所用齿轮的精度也低，所以专机的长短周期误差都比高精度专机低数倍。如前所述，短周期误差令星轮齿面产生较大惯性力和接触应力。专机的长周期误差导致螺杆齿槽不等分，所以星轮不能实现多齿同时啮合，只能由少数星轮齿来克服星轮运转的阻力，进一步加大了接触应力，使星轮在远离“零应力”的条件下工作而加速磨损。
     提高专机的精度是延长星轮寿命的重要一环，但还需正确工艺的配合。正确的工艺能减少专机制造误差的影响，使工件精度接近或高于专机精度。要达到这一目的，科学的检测技术是至关重要的，这不是三座标仪所能解决的。然而目前的单螺杆压缩机生产厂家却无一例外地忽视了这一点。
4 E; F- t# n3 Z     3、技术创新
# U6 {4 D8 r- u1 D$ t0 h     3．1、长寿节能单螺杆压缩机 肇庆端州压缩机研究所掌握了前述的齿形、加工技术，并且拥有目前国内精度最高的单螺杆专用机床，所研制的单螺杆压缩机经国家压缩机质量监测中心检测与广东省科委的鉴定，技术指标在国内遥遥领先。经过近万小时的运转后排量也不下降，星轮的寿命是目前市售产品的6倍以上。由于资金匮乏，未能批量生产，但是积极从事提高单螺杆压缩机性能的研究，发明了既能延长压缩机的寿命又能降低能耗的“非等宽齿”技术。2000年与顺德合资成立了顺德市正力精密机械有限公司，专门从事单螺杆压缩机的生产。采用“非等宽齿”技术批量生产的3.2m3/min，7kg/cm2风冷压缩机的比功率比国外最先进的样机低0.3kw/m3.min-1，容积效率高2%,排气温度低8℃左右，预期寿命比肇庆研制的产品更长，被誉为“长寿节能单螺杆压缩机”。并因此荣获2000年国家科技创新基金75万元的无偿支持。产品的另一个特点是：由于精度高、星轮托架刚性好，当排气压力在较大范围内变化时都有高的容积效率，其容积效率的变化不仅小于国外名牌产品的样机，也小于双螺杆压缩机。所以在高压下工作时比功率也较小。正力精工的成就吸引了许多专家和多名工程院院士来正力精工考察与交流，并对正力精工作出了高度评价。西安交大郁永章教授说：正力精工为中国压缩机行业办了件好事！正力精工的系列产品在2001年广州和上海国际空压机展览会上都受到了国内外同行的高度赞扬。认为正力精工在单螺杆压缩机的技术方面已进入国际先进行列。
     在某些用户中，正力的产品和欧美的名牌双螺杆压缩机并联运行，而且当初作为备用设备的正力压缩机现在反而成了生产中的主力，只有用气量偏大时欧美的压缩机才投入运行。出现这种情况的原因有：①、单螺杆压缩机的噪音低、振动小，大大改善了工作环境。②、单螺杆压缩机用电省，排量大。③、正力精工单螺杆压缩机使用价格低廉的国产压缩机油，大大降低了运行费用。④、单螺杆压缩机的排气温度低，后处理设备的负荷小、寿命长、能耗低。⑤、进口设备不仅售价高，养护与维护费用也高，售后服务不及时。单螺杆则正好相反，而且故障率低。因此有的单位正在用正力的单螺杆压缩机全面取代进口双螺杆压缩机。这意味着高档压缩机依赖进口的情况已开始改观了。
1 r" y" W7 v, {  l4 ~     “非等宽齿”已经获得了国家专利（专利号ZL99248828.1），并正在申请美、日、英、法和PCT专利。
2 Y8 ~3 T2 S' Z' _2 z5 m( z5 s, b4 M* t     3.2、新型节能单螺杆压缩机 为了进一步降低单螺杆压缩机的能耗，把原来在距螺杆旋转中心较远（静面矩较大）的部位完成的高压区段的压缩与排气过程，转移到距螺杆旋转中心较近（静面矩较小）的部位完成，将螺杆高压段的直径减小。这种将螺杆高压段的外径减小的单螺杆压缩机已经获得了国家专利（专利号：ZL00233516.6），正在申请国外专利。
     为了使单螺杆压缩机不仅在振动、噪声、寿命等方面，而且在能耗等方面都全面领先，顺德正力精工尚有新的技术正在申请专利，形成了年产3000台的生产能力。

wdb00

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下面引用由wdb00在 2002/09/14 08:45:17 发表的内容： , }! e' G. b- Y% C5 \ j5 a* h" X大开眼界

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