單螺桿壓縮機(jī)的現(xiàn)狀

1、單 螺 桿 壓 縮 機(jī) 的 現(xiàn) 狀查世樑 查謙 方宜榮主題詞 單螺桿壓縮機(jī) 第三個(gè)嚙合區(qū)我國(guó)研制單螺桿壓縮機(jī)已20年了，至今未能取得實(shí)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(duì)嚙合副的幾何形狀、動(dòng)態(tài)嚙合特性等缺乏全面的認(rèn)識(shí)。在此情況下當(dāng)然也不可能有正確的加工工藝。二是專(zhuān)用機(jī)床精度低。本文主要介紹第一個(gè)問(wèn)題及研究成果。有關(guān)高精專(zhuān)用機(jī)床參閱本刊1994年第3期。一、 國(guó)外情況目前能生產(chǎn)單螺桿壓縮機(jī)的國(guó)家僅日、法、美、英、荷等五國(guó)。共10余家公司。單螺桿壓縮機(jī)的基本生產(chǎn)技術(shù)源于法國(guó)奧費(fèi)爾（Om-phale）公司。許多公司在引進(jìn)基本技術(shù)的基礎(chǔ)上，從各方面對(duì)該進(jìn)行了改進(jìn)。例如：英國(guó)霍爾（

2、Hall）公司將剖分式機(jī)殼改成整體機(jī)殼，提高了整機(jī)剛性與形狀尺寸精度的穩(wěn)定性并可用于高壓；將機(jī)殼內(nèi)一切“無(wú)用”的部分去除而形成了“進(jìn)氣線(xiàn)”，提高了進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)與工藝，單螺桿壓縮機(jī)目前已達(dá)到了相當(dāng)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(jī)等領(lǐng)域。尤其是八十代PC型研制成功后在短時(shí)間內(nèi)就使單螺桿壓縮機(jī)在日本小型螺桿壓縮機(jī)市場(chǎng)上占有50%以上的份額，至今上升勢(shì)頭仍然強(qiáng)勁。二、 國(guó)內(nèi)情況我國(guó)曾有多家工廠(chǎng)研制CP型單螺桿壓縮機(jī)。因質(zhì)量長(zhǎng)期不能過(guò)關(guān)而紛紛停止了研制工作，目前僅有少數(shù)廠(chǎng)家仍在研制，且有產(chǎn)品投入使用。八十

3、年代國(guó)外曾同意向中國(guó)一家工廠(chǎng)提供產(chǎn)品圖紙、樣機(jī)及專(zhuān)用機(jī)床等，但僅僅提供了樣機(jī)及產(chǎn)品圖紙后即中止了合作，至今尚無(wú)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(jī)的嚙合副實(shí)質(zhì)上是一對(duì)特殊的球面蝸桿副。它有各種各樣的型線(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)采用有三種：圓臺(tái)二次包絡(luò)型、直線(xiàn)包絡(luò)型與原始型。國(guó)外早期曾使用過(guò)原始型，因其加工復(fù)雜且使用壽命短而早已淘汰。現(xiàn)廣泛采用壽命長(zhǎng)而且易于加工的直線(xiàn)包絡(luò)型。迄今為止，世界上任何國(guó)家均未能解決高精圓臺(tái)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(duì)精度要求不高的傳遞動(dòng)力的場(chǎng)合。我國(guó)曾加工出9頭動(dòng)力用圓臺(tái)二

4、次包絡(luò)球面蝸桿副。將該型線(xiàn)用于對(duì)精度要求極高的單螺桿壓縮機(jī)，首先要解決精度問(wèn)題，若能成功，將是中國(guó)對(duì)世界的一個(gè)重大的貢獻(xiàn)。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(shí)際采用的滾刀有長(zhǎng)滾刀、短滾刀（6頭）及單頭短滾刀三種。他們的共同問(wèn)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(shí)際上滾刀是可磨的，例如我國(guó)的一些礦山、冶金機(jī)械廠(chǎng)利用兩平面（前刃面與后刃面）的交線(xiàn)為一直線(xiàn)（刀刃）的原理避開(kāi)了直接磨削不可展曲面，并加工出具出世界先進(jìn)水平的武鋼1700軋機(jī)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(chǎng)家借用普通直線(xiàn)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(wú)法進(jìn)入正確嚙合位置?！把b配干涉”問(wèn)題一直無(wú)法解決。微分幾何的研究成果及大量的實(shí)踐均表明：包絡(luò)面是有界的，母線(xiàn)即為界線(xiàn)。界線(xiàn)的形成、分類(lèi)及計(jì)算方法等本文不詳述。直線(xiàn)包絡(luò)球面蝸輪靠近母線(xiàn)部分的齒形如圖b所示。圖中1為母線(xiàn)；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(jiǎn)單，不參加齒合。正確的星輪齒形如圖C所示。圖中1為母線(xiàn)，2為包絡(luò)面，3的形狀比較復(fù)雜，本文稱(chēng)之為特形面。特形面的方程式及計(jì)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(xiàn)在整個(gè)嚙合區(qū)內(nèi)都是參與嚙合的，包絡(luò)面僅僅只是短時(shí)間內(nèi)參與嚙合。各種文獻(xiàn)中一直認(rèn)為星輪齒面上只有兩個(gè)嚙合區(qū)，本文首次披露單螺桿壓縮機(jī)的直線(xiàn)包絡(luò)嚙合副有第三個(gè)嚙合區(qū)特形面3，它與螺桿之間是線(xiàn)接觸，在半個(gè)嚙合區(qū)內(nèi)參與嚙合（三個(gè)接觸區(qū)有時(shí)同時(shí)參與嚙合）。也正是它參與嚙合，使單位接觸線(xiàn)上的負(fù)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(zhǎng)。目前研制單螺桿壓縮機(jī)的廠(chǎng)家主要使采用仿形法加工原始形星輪。以某廠(chǎng)1993年的產(chǎn)品為例，該廠(chǎng)集中了北京、四川等地長(zhǎng)期事單螺桿壓縮機(jī)研制工作的專(zhuān)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(guò)盈裝配后跑合至嚙合副出現(xiàn)間隙。此時(shí)星輪左側(cè)（參閱

7、圖C）僅特形面上有接觸斑點(diǎn)，本來(lái)可以參與嚙合而且面積更大的包絡(luò)面2，由于認(rèn)識(shí)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(xiàn)在最低處），這樣的星輪，當(dāng)然不會(huì)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(dāng)然不會(huì)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(shí)際嚙合區(qū)限制在狹小的區(qū)域內(nèi)，星輪壽命當(dāng)然縮短。這就是我國(guó)長(zhǎng)期未能突破單螺桿壓縮機(jī)技術(shù)的重要原因之一。要實(shí)現(xiàn)理論上的三線(xiàn)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(jiàn)壓縮機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須深入研究嚙合副幾何理論特征與動(dòng)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(jī)床上作過(guò)切削實(shí)驗(yàn)，取得了比較滿(mǎn)意的效果。齒形的理論誤差能控制在微米級(jí)水平。待高精度工藝裝備投入使用后，將會(huì)取得更加滿(mǎn)意的結(jié)果。四、 結(jié)束語(yǔ)單螺桿壓縮機(jī)有CP、CC、PP、PC四種類(lèi)型，這四種型式的單螺桿壓縮機(jī)，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(lèi)型就可觸類(lèi)旁通。例如節(jié)能效果最好的PC型單螺桿壓縮機(jī)的螺桿專(zhuān)用機(jī)床和CP型螺桿專(zhuān)用機(jī)床極為相似（參閱壓縮機(jī)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(shí)都是采用刀具沿母線(xiàn)進(jìn)給的回轉(zhuǎn)車(chē)削方