螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)理論、關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開發(fā)

螺桿壓縮機(jī)是往復(fù)式活塞壓縮機(jī)換代產(chǎn)品，用螺桿取代活塞式壓縮機(jī)是動(dòng)力用壓縮機(jī)發(fā)展趨勢。螺桿壓縮機(jī)有雙螺桿和單螺桿兩種。雙螺桿壓縮機(jī)全套技術(shù)我國已重復(fù)引進(jìn)多套，但一流技術(shù)，例如齒形為第二代單邊修正不對稱擺線。也正是這個(gè)原因，外商與臺(tái)商利用他們第三代星型齒等技術(shù)優(yōu)勢搶占中國市場，目前國內(nèi)廠家很難與他們競爭。單螺桿壓縮機(jī)60年代由法國人辛麥恩發(fā)明，七十年代主要用作噴油壓縮機(jī)，八十年代技術(shù)真正成熟后，其應(yīng)用范圍才日淅擴(kuò)大。單螺桿壓縮機(jī)雖比雙螺桿壓縮機(jī)問世晚數(shù)十年，但因性能優(yōu)異而上升勢頭強(qiáng)勁。

1、工作原理與特點(diǎn)單螺桿壓縮機(jī)(見圖1)，主要由一個(gè)六頭螺桿和二個(gè)十一齒星輪及機(jī)體組成。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量不到活塞式1/6。螺桿轉(zhuǎn)一圈有十二次吸、排氣。螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣流脈動(dòng)小、排氣量大。因星輪對稱安裝，螺桿受力完全平衡(見圖2)，振動(dòng)小，噪聲比雙螺桿式低10dB以上。由于單螺桿的受力平衡，一級壓縮的最高壓力可比雙螺桿大;單螺桿比雙螺桿節(jié)能，軸承尺寸不象雙螺桿式那樣受限制而壽命更長。壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被壓縮氣體會(huì)產(chǎn)生大量熱能，須噴油或噴其它液體(水、液態(tài)制冷劑等)冷卻，單螺桿壓縮機(jī)一般都采用液體潤滑，但可分為油潤滑、水潤滑以及制冷劑等液體潤滑。與螺桿壓縮機(jī)有彎曲變形條件下運(yùn)轉(zhuǎn)工況不同，單螺桿壓縮機(jī)因螺桿受力完全平衡，能在很小工作間隙下工作，泄漏小、容積效率高。噴油機(jī)小間隙下工作時(shí)，油液所帶來粘性剪切損失會(huì)導(dǎo)致比功率上升。我們研制產(chǎn)品達(dá)到小間隙下工作而具有高容積效率同時(shí)，具備了降低比功率能力。

2、國外概況目前日、美、英、法和荷蘭等國家引進(jìn)法國奧費(fèi)爾公司技術(shù)基礎(chǔ)上生產(chǎn)單螺桿壓縮機(jī)。 1)單螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)英國霍爾(Hall)公司將剖分式機(jī)體改成整體式，提高了整機(jī)剛性與精度，設(shè)置進(jìn)氣線減少了油液粘性剪切損失并提高了進(jìn)氣效率。生產(chǎn)噴油單螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)其性能全面優(yōu)于雙螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)，但水平低于日本。日本大金公司生產(chǎn)單螺桿冷凍機(jī)比該公司原生產(chǎn)雙螺桿冷凍機(jī)，滿載時(shí)效率提高了25%，部分負(fù)載時(shí)效率提高了40%。八十年代，日本三菱公司創(chuàng)造了自己高精度加工和裝配技術(shù)，所生產(chǎn)無油單螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)減少了油液粘性剪切損失，比噴油單螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)節(jié)能5%，現(xiàn)水平又有了進(jìn)一步提高。大型無油單螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)性能全面達(dá)到或超過了最節(jié)能但價(jià)格昂貴透平式冷凍(空調(diào))機(jī)，成為當(dāng)代最好冷凍(空調(diào))機(jī)，也是冷凍(空調(diào))機(jī)發(fā)展方向，市場前景良好，目前僅日本能生產(chǎn)。其成本遠(yuǎn)低于透平式而售價(jià)卻較高，單螺桿冷凍(空調(diào))機(jī)附加值很高，經(jīng)濟(jì)經(jīng)益和社會(huì)效益很好。 2)工藝用單螺桿壓縮機(jī)單螺桿壓縮機(jī)綜合性能，尤其是可靠性好、易于電腦控制等原特別適用于工藝流程，用于天然氣集氣、煤層除氣、陸注氣、酸氣壓縮、燃?xì)廨啓C(jī)增壓、蒸氣回收等和各種化工生產(chǎn)工藝流程中壓縮各種氣體。美國德萊塞--蘭德公司曾購買日本三井精機(jī)公司螺桿、星輪組裝整機(jī)，但目前已經(jīng)停產(chǎn)。 3)噴油單螺桿空氣壓縮機(jī)該產(chǎn)品是螺桿壓縮機(jī)中產(chǎn)量最大，用途最廣產(chǎn)品，以日本三井精機(jī)公司水平最高。該公司從三十年代開始制造壓縮機(jī)，七十年代引進(jìn)了單螺桿壓縮機(jī)后，研制了螺桿、星輪專用高精度機(jī)床，掌握了加工和裝配技術(shù)，采用整機(jī)機(jī)體，產(chǎn)品用電腦控制。除生產(chǎn)單螺桿壓縮機(jī)外，還向歐、美、日等廠家提供螺桿、星輪或主機(jī)供生產(chǎn)單螺桿壓縮機(jī)。盡管噴油單螺桿壓縮機(jī)國際市場上售價(jià)比雙螺桿壓縮機(jī)高，但仍占50%市場。 4)噴水單螺桿空氣壓縮機(jī)醫(yī)藥、食品、電子、新材料及高科技產(chǎn)品等對壓縮空氣要求提高以及環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，對無油空氣壓縮機(jī)需求越來越大。噴水單螺桿壓縮機(jī)因避免了油污染，能提供清潔壓縮空氣(空氣中本來就含有水)，同時(shí)大大減少了噴油所帶來粘性剪切損失，節(jié)能效果特別好;美國九十年代成立格里邁而施密特公司所生產(chǎn)噴水單螺桿壓縮機(jī)一級壓縮時(shí)比兩級壓縮雙螺桿壓縮機(jī)節(jié)能20%。噴水單螺桿壓縮機(jī)需求量越來越大。美國海軍對十幾種壓縮機(jī)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)論證后認(rèn)為:單螺桿壓縮機(jī)是潛水艇等艦船用最佳壓縮機(jī)，高壓、無油壓縮機(jī)來說是唯一選擇。噴水單螺桿壓縮機(jī)售價(jià)遠(yuǎn)高于噴油式，但經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和市場前景都十分看好。各種用途單螺桿壓縮機(jī)都有卓越性能，廣闊市場與良好效益，收費(fèi)高昂單螺桿壓縮機(jī)發(fā)明專利又已過期，一些國家正加緊研制。

3、國內(nèi)概況北一通是國內(nèi)最早研制單螺桿壓縮機(jī)廠家，76年研制出樣機(jī)，當(dāng)時(shí)嚙合副壽命僅數(shù)十小時(shí)。該廠長期未能突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，曾經(jīng)與美國CP公司達(dá)成引進(jìn)單螺桿壓縮機(jī)全套技術(shù)協(xié)議，但后來美國單方面中止了合同。北一通僅到產(chǎn)品樣機(jī)與不齊全圖紙(缺最關(guān)鍵螺桿與星輪圖紙)。之后該廠又多方努力尋求引進(jìn)，迄今毫無結(jié)果。溫嶺化工機(jī)械廠和蘇北冷凍機(jī)廠先后與西安交大合作研制單螺桿壓縮機(jī)均長期未能解決嚙合副加工技術(shù)而放棄了研制工作。武漢空氣壓縮機(jī)廠和西安交大合作研制壓噴油單螺桿空氣壓縮機(jī)，為86年國家科委重點(diǎn)項(xiàng)目，此外七○四所艦船用噴水單螺桿空氣壓縮機(jī)系國防科工委重點(diǎn)項(xiàng)目，研制情況不明。國內(nèi)其他單位到北一通退休職工轉(zhuǎn)讓技術(shù)所生產(chǎn)樣機(jī)，其水平北一通之下。關(guān)鍵技術(shù)單螺桿壓縮機(jī)生產(chǎn)中最大困難，即關(guān)鍵技術(shù)螺桿、星輪參數(shù)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化，兩嚙合齒面齒廓精度(加工精度和裝配精度)。解決了這兩個(gè)問題，就能大批量生產(chǎn)各種用途單螺桿壓縮機(jī)。 1、螺桿和星輪參數(shù)優(yōu)化星輪和螺桿嚙合時(shí)，星輪工作齒面每一瞬時(shí)共軛接觸線，星輪一條直母線q外，還有因二次包絡(luò)而形成另一條軛接觸線。這些瞬時(shí)接觸線對應(yīng)星輪齒一定區(qū)間的有效轉(zhuǎn)角φ范圍內(nèi)，形成一個(gè)連續(xù)曲面S。曲面S一半母線q之上，另一半母線q之下。曲面S一大部分，只某一瞬時(shí)，即某一轉(zhuǎn)角φ時(shí)，實(shí)現(xiàn)螺桿和星輪共軛接觸。之后(或之前)，它卻侵入了螺桿實(shí)體而發(fā)生實(shí)體干涉。S曲面這一部分是不可用。曲面S形狀及特性和嚙合副參數(shù)設(shè)置有密切關(guān)系。我們面臨了一個(gè)"最優(yōu)化"課題，它"目標(biāo)函數(shù)"是如何有效轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)最大限度令S曲面處可用區(qū)間，以增加星輪齒側(cè)曲面嚙合面積。有效延長嚙合副壽命。2、高精度專用機(jī)床高精度專用機(jī)床是加工優(yōu)質(zhì)螺桿、星輪必不可少設(shè)備，是整個(gè)項(xiàng)目關(guān)鍵，也是國外對我國封鎖重點(diǎn)。一些專家過去認(rèn)為專機(jī)傳動(dòng)鏈精度要求太高，國內(nèi)不可能達(dá)到。當(dāng)前數(shù)控伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用情況下，制造由最短傳動(dòng)鏈和超高精度傳動(dòng)元件組成專機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)。 3、刀具國外直線包絡(luò)是單螺桿壓縮機(jī)唯一型線。這種型線螺桿齒面不可展，不能用磨削方法加工。采用指形銑刀作為粗加工，車削用于精加工，是唯一可行加工方法。星輪加工是我國二十多年來一直未能解決問題?，F(xiàn)我們從理論和實(shí)踐上解決了這一難題。星輪設(shè)計(jì)中盡一切可能增加嚙合副整個(gè)嚙合轉(zhuǎn)角區(qū)間內(nèi)接觸面積。我們計(jì)算到星輪齒面三維坐標(biāo)和它一階，二階微分鄰域特性，設(shè)計(jì)了高效率剃刀，可以沒有理論誤差條件下，加工出精密星輪齒曲面。

4、加工技術(shù)與裝配技術(shù)加工技術(shù)是單螺桿壓縮機(jī)技術(shù)核心，掌握了它就能自行研制高精度專機(jī)而不必依賴進(jìn)口。否則，有了高精度專機(jī)能生產(chǎn)高品質(zhì)壓縮機(jī)。加工精度多高，不能正確裝配，以前一切努力將前功盡棄。加工與裝配精度高低集中體現(xiàn)齒面嚙合情況上。嚙合副應(yīng)沒有跑合情況下，實(shí)現(xiàn)嚙合區(qū)內(nèi)全部齒面同時(shí)嚙合，每個(gè)齒面嚙合總面積不低于90%。產(chǎn)品用途與市場單螺桿空氣壓縮機(jī)主要用于石油、化工、能源、交通、機(jī)械、冶金、礦山、建筑、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。如氣動(dòng)工具、氣動(dòng)夾具、自動(dòng)控制、精密測量、噴砂、噴漆、散狀物料(水泥、煤粉、藥粉等)氣力輸送等。其中無油單螺桿壓縮機(jī)因能提供潔凈能源節(jié)能，市場需求越來越大。工藝用單螺桿壓縮機(jī)用來壓縮除空氣以外各種氣體，主要用于化工生產(chǎn)工藝流程中。也用作煤氣、天然氣輸送等。單螺桿壓縮機(jī)是冷凍(空調(diào))機(jī)最佳機(jī)種，軍事上如潛水艇和導(dǎo)彈發(fā)射等也有重要用途。西方發(fā)達(dá)國家，螺桿式壓縮機(jī)基本上取代了活塞式，市場占有率近80%，瑞典阿特拉司公司每年約生產(chǎn)雙螺桿壓縮機(jī)1.8萬臺(tái)，美國I-R公司每年約產(chǎn)0.9萬臺(tái)。國內(nèi)1986年螺桿式僅為2%，近年來約占30%，市場潛力大。如前所述:外商、臺(tái)商利用技術(shù)等方面優(yōu)勢搶占中國市場，銷售情況良好。而國內(nèi)廠家則銷售欠佳。銷售情況是商業(yè)秘密，難于收集，但從生產(chǎn)能力可見一斑;新成立柳州富達(dá)機(jī)械有限公司，(中意合資)年生產(chǎn)能力為:雙螺桿壓縮機(jī)0.5萬臺(tái)，產(chǎn)值逾2億元。全國雙螺桿空氣壓縮機(jī)年生產(chǎn)能力估計(jì)2萬臺(tái)以上。2002年上海復(fù)盛公司生產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)值達(dá)1.5億元，英格索蘭空壓機(jī)廠產(chǎn)值達(dá)5億元，國家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，單螺桿壓縮機(jī)需求量將會(huì)日趨增大。幾點(diǎn)說明單螺桿壓縮機(jī)是技術(shù)密集型兼勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品，國外引進(jìn)技術(shù)且外購螺桿、星輪條件下生產(chǎn)整機(jī)也能盈利，我國用自己全套技術(shù)生產(chǎn)，質(zhì)量不低于國外水平、價(jià)格上有明顯優(yōu)勢，一旦開拓了國際市場，產(chǎn)量與效益將更為可觀，能帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，如:電子、儀表、電器發(fā)展，此外，本項(xiàng)目投產(chǎn)無污染公害。單螺桿壓縮機(jī)有CC、CP、PP、PC四種類型，其中以最后問世PC型最節(jié)能，被單螺桿壓縮機(jī)發(fā)明人譽(yù)為理想冷凍(空調(diào))機(jī)，PC型生產(chǎn)技術(shù)最困難，目前兩家公司能生產(chǎn)該型空氣壓縮機(jī)。PC型問世淘汰了CC型。此外，將CP型螺桿外形由圓柱變?yōu)閳A錐，將形成一種新機(jī)型。正象PC型優(yōu)于CC型一樣，新機(jī)型比CP型更節(jié)能。