單螺桿壓縮機的現(xiàn)狀

1、單 螺 桿 壓 縮 機 的 現(xiàn) 狀查世樑 查謙 方宜榮主題詞 單螺桿壓縮機 第三個嚙合區(qū)我國研制單螺桿壓縮機已20年了，至今未能取得實質(zhì)性的突破。主要原因在兩方面：一是基礎(chǔ)理論研究工作薄弱，對嚙合副的幾何形狀、動態(tài)嚙合特性等缺乏全面的認識。在此情況下當然也不可能有正確的加工工藝。二是專用機床精度低。本文主要介紹第一個問題及研究成果。有關(guān)高精專用機床參閱本刊1994年第3期。一、 國外情況目前能生產(chǎn)單螺桿壓縮機的國家僅日、法、美、英、荷等五國。共10余家公司。單螺桿壓縮機的基本生產(chǎn)技術(shù)源于法國奧費爾（Om-phale）公司。許多公司在引進基本技術(shù)的基礎(chǔ)上，從各方面對該進行了改進。例如：英國霍爾（

2、Hall）公司將剖分式機殼改成整體機殼，提高了整機剛性與形狀尺寸精度的穩(wěn)定性并可用于高壓；將機殼內(nèi)一切“無用”的部分去除而形成了“進氣線”，提高了進氣效率。日本三菱等公司則創(chuàng)造了自己的高精度加工技術(shù)與裝配技術(shù)。由于各公司不斷地改進設(shè)計與工藝，單螺桿壓縮機目前已達到了相當成熟的階段，廣泛用于制冷、熱泵、工藝流程及各種氣體壓縮機等領(lǐng)域。尤其是八十代PC型研制成功后在短時間內(nèi)就使單螺桿壓縮機在日本小型螺桿壓縮機市場上占有50%以上的份額，至今上升勢頭仍然強勁。二、 國內(nèi)情況我國曾有多家工廠研制CP型單螺桿壓縮機。因質(zhì)量長期不能過關(guān)而紛紛停止了研制工作，目前僅有少數(shù)廠家仍在研制，且有產(chǎn)品投入使用。八十

3、年代國外曾同意向中國一家工廠提供產(chǎn)品圖紙、樣機及專用機床等，但僅僅提供了樣機及產(chǎn)品圖紙后即中止了合作，至今尚無繼續(xù)合作的意向。所提供的產(chǎn)品圖紙是陳舊落后的剖分式而且缺少最關(guān)鍵的齒合副（螺桿與星輪）圖紙。三、 關(guān)鍵技術(shù)單螺桿壓縮機的嚙合副實質(zhì)上是一對特殊的球面蝸桿副。它有各種各樣的型線。目前國內(nèi)采用有三種：圓臺二次包絡(luò)型、直線包絡(luò)型與原始型。國外早期曾使用過原始型，因其加工復(fù)雜且使用壽命短而早已淘汰?，F(xiàn)廣泛采用壽命長而且易于加工的直線包絡(luò)型。迄今為止，世界上任何國家均未能解決高精圓臺二次包絡(luò)球面蝸桿副的加工技術(shù)，所以這種球在蝸桿副僅用于對精度要求不高的傳遞動力的場合。我國曾加工出9頭動力用圓臺二

4、次包絡(luò)球面蝸桿副。將該型線用于對精度要求極高的單螺桿壓縮機，首先要解決精度問題，若能成功，將是中國對世界的一個重大的貢獻。包絡(luò)面只能用包絡(luò)的方法獲得，其他一切方法都是近似的。有鑒如此，星輪加工應(yīng)采用展成法加工。展成法實際采用的滾刀有長滾刀、短滾刀（6頭）及單頭短滾刀三種。他們的共同問題是滾刀齒面為不可展曲面，理論上不可能用磨削的方法加工，故滾刀熱處理后精度低，用這種滾刀加工的星輪質(zhì)量也不高。而實際上滾刀是可磨的，例如我國的一些礦山、冶金機械廠利用兩平面（前刃面與后刃面）的交線為一直線（刀刃）的原理避開了直接磨削不可展曲面，并加工出具出世界先進水平的武鋼1700軋機用六頭球面蝸桿副。由于采用展成

5、法加工星輪的效果不佳，有的廠家借用普通直線包絡(luò)球面蝸桿的包絡(luò)面方程式算得星輪齒面如圖a，并用仿形法加工星輪齒面。然而該星輪由于“裝配干涉”而無法進入正確嚙合位置?！把b配干涉”問題一直無法解決。微分幾何的研究成果及大量的實踐均表明：包絡(luò)面是有界的，母線即為界線。界線的形成、分類及計算方法等本文不詳述。直線包絡(luò)球面蝸輪靠近母線部分的齒形如圖b所示。圖中1為母線；2為包絡(luò)面；3為軌跡面，它是由滾刀最邊緣的直廓到刀刃切出的，它的形狀簡單，不參加齒合。正確的星輪齒形如圖C所示。圖中1為母線，2為包絡(luò)面，3的形狀比較復(fù)雜，本文稱之為特形面。特形面的方程式及計算方法另行發(fā)表，更為重要的是：它參與齒合。眾所周

6、知，母線在整個嚙合區(qū)內(nèi)都是參與嚙合的，包絡(luò)面僅僅只是短時間內(nèi)參與嚙合。各種文獻中一直認為星輪齒面上只有兩個嚙合區(qū)，本文首次披露單螺桿壓縮機的直線包絡(luò)嚙合副有第三個嚙合區(qū)特形面3，它與螺桿之間是線接觸，在半個嚙合區(qū)內(nèi)參與嚙合（三個接觸區(qū)有時同時參與嚙合）。也正是它參與嚙合，使單位接觸線上的負荷減少，使星輪嚙合面積大大增加，從而導(dǎo)致星輪壽命成倍延長。目前研制單螺桿壓縮機的廠家主要使采用仿形法加工原始形星輪。以某廠1993年的產(chǎn)品為例，該廠集中了北京、四川等地長期事單螺桿壓縮機研制工作的專家，其產(chǎn)品基本上代表了目前最高水平。它的星輪齒面留有一定余量，過盈裝配后跑合至嚙合副出現(xiàn)間隙。此時星輪左側(cè)（參閱

7、圖C）僅特形面上有接觸斑點，本來可以參與嚙合而且面積更大的包絡(luò)面2，由于認識上的不足而被切除了。右側(cè)齒面僅包絡(luò)面上有不足20%的接觸區(qū)（母線在最低處），這樣的星輪，當然不會有理想的工作壽命。比較圖a與圖c的齒形，圖a的左上角與右下角均多出了一部分，這就是產(chǎn)生“裝配干涉”的原因。綜上所述，由于基礎(chǔ)理論研究方面的不足，各研制單位未能掌握嚙合副的正確形狀與嚙合特性。不了解嚙合副的正確形狀，當然不會有正確的加工技術(shù)和相應(yīng)的工藝裝備。不了解嚙合副的嚙合特性，使實際嚙合區(qū)限制在狹小的區(qū)域內(nèi)，星輪壽命當然縮短。這就是我國長期未能突破單螺桿壓縮機技術(shù)的重要原因之一。要實現(xiàn)理論上的三線接觸，必須要有高超的加工技

8、術(shù)、高精度的工藝裝備和相應(yīng)的裝配技術(shù)。有關(guān)高精度的工藝裝備（含高精球面蝸桿的裝配技術(shù)）見壓縮機技術(shù)1994年第三期。至于解決加工技術(shù)，僅僅只是知道星輪齒形是遠遠不夠的，必須深入研究嚙合副幾何理論特征與動態(tài)嚙合特性，才有可能解決它的加工技術(shù)（含刀具），這一技術(shù)已在理論上取得突破，并在通用機床上作過切削實驗，取得了比較滿意的效果。齒形的理論誤差能控制在微米級水平。待高精度工藝裝備投入使用后，將會取得更加滿意的結(jié)果。四、 結(jié)束語單螺桿壓縮機有CP、CC、PP、PC四種類型，這四種型式的單螺桿壓縮機，其生產(chǎn)技術(shù)有許多共同之處，只要真正掌握了其中一種，其它類型就可觸類旁通。例如節(jié)能效果最好的PC型單螺桿壓縮機的螺桿專用機床和CP型螺桿專用機床極為相似（參閱壓縮機技術(shù)1994年第3期），其嚙合副也是軌跡型包絡(luò)面，加工螺桿時都是采用刀具沿母線進給的回轉(zhuǎn)車削方