（机械设计及理论专业论文）单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 捅姜 单螺杆压缩机是七十年代发展起来的新型压缩机，主要依靠星轮与螺杆的准确啮合 来实现其工作过程，目前在国内只有少数厂家生产，但还有不少理论与实际上的问题急 需解决。特别是其型线的研究与完善及啮合副加工，一直是人们关注的课题。型线的选 择不合理，会使星轮齿面很快磨损，使得间隙很快变大，导致排气量急剧下降，严重影 响机器的效率与可靠性。选用合理的型线，可以从根本上解决单螺杆压缩机的可靠性与 寿命问题。毫无疑问，随着单螺杆压缩机的发展，对啮合副的型线也就有了更高的要求， 从而对螺杆的加工精度也就有了更高的要求。本课题研究的目的正是为了研究和探讨这 个问题。 本文对单螺杆压缩机星轮与螺杆的啮合副运动进行了理论分析，提出在五轴机床上 利用棒铣刀加工螺杆的方法，首先在现有三轴加工中心的基础上，设计相应的二轴联动 数控加工设备，构成五轴设备，并实现了对五轴的控制，制造出单螺杆压缩机的一次包 络关键螺旋零件一转子螺杆。以此螺杆生成的一次包络曲面为基础，并根据星轮材料 的独有特性，创新提出动态啮合模具( 动啮模) 的特有加工工艺方法。把螺杆型面和星 轮的上下模压板构成的“封闭”型腔作为模具，在啮合运动中依靠星轮材料的半流态塑 性变形，二次包络成型出单螺杆压缩机的另一个关键部1 争一星轮。本文从单螺杆压缩 机的星轮与螺杆的啮合着手，分析了单螺杆压缩机的星轮与螺杆的空间啮合过程，运用 其啮合原理，建立了相应的数学模型，在所建立的数学模型的基础上，以c + + b l l l i d e r 5 0 为软件开发平台，运用c + + 语言设计出了相应的程序，并结合三维图形系统p m 但，设 计了相应的程序，对所生成的螺杆槽底面上的离散点进行了数值仿真，得到了螺杆槽底 面的近似的三维图形，并运用反求方法求出星轮顶面型线。 本文采用数值计算方法并进行三维仿真，通过螺杆和星轮的制造实例，验证了啮合 副采用包络理论所得型线的正确性及加工工艺方法的科学性。 关键词：单螺杆压缩机，螺杆，星轮，啮合副 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 r e s e a r c ho f p e c u l i a r i 够o f e n 孚毽e m e n to f s p i r a lm e s h i n gp a i ro fs i n g l es c r e wc o m p r e s s o r a b s t r a c t t h cs i n g b s c r e wc o 砷r e s s o ri san e wt y p eo fs c r e wc o n 甲r 髂r w 1 1 i c hd e v c l o p si n d b r o a d m7 0 t k 蛳h l yd 印e n d i i 培o nn 圮c l 啪舱圮s ho f t h es t a r t o ra n d r e wt oc a r r y o l 吐i t s w o r k p r o c e 鹞i n t b cd o m e s t i c ，o n l y a 危w f 配t o f i 瞄啪p f o d u c e ，a i l d 也e r cs t mh a v ea l o to fp r o b l e m st or e s o l v ci nt h e o 可a i l dp r a c t i c e e s p e c i a l l ym er e 础a n dc 0 璐咖匝l 砒eo f p r 0 日e sa n dt h ep r o c e 鹞i l 培o ft h em e s h j n gp a 廿i st h em a mi s s u et b a tp e o p i e1 1 a v eb e e n s t l l d y i n ga l lt h et 硫1 f t l l ec h o i c eo f al i mi sn o tr e a n a b l e ，t b ct o o t h 蠡l c eo f g a 挣r o t o rw m w e 缸a 、a yv e f yq i l i c k l y ，舡l dt b ec k r w mb e c o m eb i g 唧q u i c k l y ；t l l ev 0 1 u m d ce 街c i e n c y o fc d f i l p f e s s o r 硼lb ef e d u c e d ；t 1 1 e 砸c i e n c ) ra n dt h e e d i b i l i t ) ro ft h em a c h m 砌1b e f e d u c e d i f t h ed l o i c eo f al i i sr e a s o m b l e ，虻c r e d i b i l i c ya n dt b cl 恐o f t l l cs i n g l cs c 删 c o i n p r e s s o r 诚nb cr e s o l v e d b e y o n da ud o u b t ，w 袖t h ed e v e l o p r m mo ft h es i l l g l es c r c w c o m p r e s s o r ，t h er e q u e s tt ot i l cp r o f i l e so ft h em e s hv i c ew i l lb eh i g l l e f ；a c c o r d i l l g j 以也e r e q u e s tt ot h cm c h i r i e dp r e c i s i o no f t h e r e w 、i l lb el l i g h e rt o o t b ep u r p o s eo f t l l i st o p i ci s e x a c t 矽如rr e s e a r c h 打培a n ds t u d y j n gt h i sp r o b l e r 札 f j r s t l y ，t l 】en l e s h e dm e c 枷c sb e t w e e nt h eg a t er o t o r sa 1 1 ds c r e wo ft h es i i l g l e r e w c o i 印r e s s o ra r e 蛐l y z c d ，a 1 1 dt 1 1 ei m s h e dn 聆c l l a n i c so f 伽ol i i l e so fe i l g a g e m e mo nn a i 】l 【 t h u 曲t h cn 烈h o do f 硼删：r i c a ic a l c u l a 土i o na r ea 皿l y 刁c d s oc o 玎c = s p o 柚d i i l g 删l n 秭cc o 砷 o l f i 、，e a x i se q u 币m e ma n dp r o d l l c c dt h e 虹培l es c r e wt 1 1 a ti so n eo ft h ek e yp a r t st b a ti sf i f s t e n v e l o p cc u r v ei ns i n g l es c r c wc o i i 耳m s s o ra r em a n u f h c t l l i 司s o c o n d l y b a s e do nt h e6 r s t v e l o p ec 埘w 恤e o t h eo t h e rk e yp a no fs i n g l es c r e wc o 哪嬲r t b a li ss c c o n d 伽v e | o p e c u r v eg a t er o t o 俗w 弱p r o d u c e d 伽柑i i 培t od ) m 锄i ce i l g a g em o u l dw h i c hi sa 印c c i a l m a m l f 砬栅t c c h 曲u e t h i st e 砒a n a l y 捌t h ed ”l a m i cm e s h i n gp r o c e 豁o f t h es t a r - t o r 缸订 r e wo ft b es c 北wc o m p l 粼f ，诚ht h eb e g j n n i l l go ft h em e s ho ft h eg a t c - f o t o ra n d m a i l l r o t o fo ft h es c r e wc o m p i e s s o f ；m a d eu o fi t sm e s hp 血c i p kt os m d ya n d 龇i a | y z e d 托s e a r c ht b ec u t t i n g 鲫) c e 稻o f 删础啦c a i l yc o 咖n c d 似i n g 、】i ，i t h 丘y c o 蹦t c s ，t h i mb i i i n u pt t 蛇h o i l o g o 蕊租a 士h e m a t i c s l 撤 d e l ；o nn 圮b 船i so fn 砖m a t h e m a t i c sm o d 吐d e s 塘i 玲d i i 沈阳工业大学硕士学位论文 h o i n o l o g o u sp f o c e d u r ew i t ht h eu s a g eo ft h ec + + l a 唱l l a g e ，l l s i n gt 圮c + + b u i l d e r 5 0 ；锄d c o m b i n et l l et h r e e d i l l n s i o m l d r a w m gs y s t e m p r o et 0 d e s i g r l e d f 1 1 e h o i n o l o g o u s p r o c e d l l r e ，t h e ns i m u l a t et b ep r o c e s so fp r o d u c i i 培s o i l l ep o i m so fas c r e ws l o t ，t h a tt h c t l | r e e d j i l 】e n s j o 删d r a w i l 玛o f t 】e 妇a n ko f as c r e w s l o tc a nb ea c l l i e v e d a p p l y i l l gn 砖t h o do fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na i l dp r o c e e d i l l gt h r e e d i r n e l l s i o n a le m u l a l i 0 1 l ， w i t he x a m p l eo ft 1 1 em a n u 盘c t u r co ft i 地s i t 培l es c r e wa n dt h es t a r w h e e l s ，i tv a l i d a t et h e c o r r e m n e s so ft h i sg e n e m t e dn l o l d e dl i i l eo nb a o fe 1 1 v c l o p et h e o u 锄dt h es c i e m i & m a c l l i n i n gc r a _ f t k e yw o r d s ：s i n g i es c r 哪c o m p r e s s o r ，s i n g i es c r e w ，g a t er 0 t 0 礴， p r o 励eg e n e 瑚t i n g i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：盥鱼煎日期：兰! ! z ：! ：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 概论 1 1 单螺杆压缩机国内外发展情况介绍 1 1 ，1 国外研究现状 2 0 世纪3 0 年代，瑞典工程师a l fl y s h o l m 在对燃气轮机进行研究时，希望找到一 种作回转运动的压缩机，要求其转速比活塞压缩机高得多，以便可由燃气轮机直接驱动， 并且不会发生喘振。为了达到上述目标，他发明了螺杆压缩机。在理论上，螺杆压缩机 具有他所需要的特点，但由于必须具有非常大的排气量，才能满足燃气轮机工作的要求， 螺杆压缩机并没有在此领域获得应用。尽管如此，削f l y s h o l m 及其所在的瑞典s i t m 公 司，对螺杆压缩机在其它领域的应用，继续进行了深入的研究。 1 9 3 7 年，a l fi y s h o l m 在s r m 公司研制成功了两类螺杆压缩机试验样机，并取得 了令人满意的洲试结果。1 9 4 6 年，位于苏格兰的英国j 锄e sh o w d e n 公司，第一个从 瑞典s r m 公司获得了生产螺杆压缩机的许可证。随后，欧洲、美国和日本的多家公司也 陆续从瑞典s r m 公司获得了这种许可证，从事螺杆压缩机的生产和销售。 1 9 6 0 年法国学者b z i m m e m 将蜗杆传动应用于压缩机领域，提出单螺杆压缩机的 设想【”，两年后制出第一台空压机样机。7 0 年代中期荷兰和英国的两公司将此机种扩 展到制冷领域。8 0 年代出现喷水空压机和喷液制冷机。该机具有结构简单，工作可靠， 体积小等一系列的优点，兼有涡旋式压缩机、透平式压缩机和双螺杆式压缩机的优点， 而无它们的缺点【2 棚。 七十年代单螺杆压缩机采用浮动星轮和直线包络型线后【5 讲，啮合副的寿命大副提 高。八1 。年代无油( 喷水) 单螺杆压缩机成功的转了4 0 0 0 0 h 后，人们开始认识到“单 螺杆压缩机中对喷液所要求的一切只是冷却，若有可能则是密封”。无油( 喷水) 单螺 辛1 瓜缩帆比喷油机更节能，制冷系数提高了5 。因而开始研制不喷油( 喷制冷液) 的 冷冻机，并取得成功，同时纷纷采用整体机壳。美国格里迈尔施密特公司生产的单级喷 水单螺杆压缩机比两级压缩的双螺杆压缩机还节能2 0 i 扪。从此单螺杆压缩机进入了成 熟阶段，应用范围不断扩大。由于压缩机中最难加工的啮合副可以外购，给压缩机的生 产提供了很大的方便，出现了一些新的生产厂家。 单螺杆乐缩机螺旋件齿合副啮合特性研究 目前，能生产单螺杆压缩机的国家仅日本、法国、美国、英国、荷兰五个国家，共 十余家公司。单螺杆压缩机的基本生产技术源于法国奥费尔公司。许多公司在引进基本 技术的基础上，从各个方面对该技术进行了改进。例如，英国的霍尔公司将部分式机壳 改成整体式机科9 。1 4 】，提高了整机刚性与形状尺寸精度的稳定性并可以用于高压：将机 壳内一切“无用”部分去除而形成了“进气线”，提高了进气效率。日本三菱等公司则 创造了自己的高精度加工技术与装配技术1 1 5 1 。由于各公司不断的改进设计与工艺，单螺 f l 仆晰帆if l i j 九仆l 达剑了相当成熟的阶段，广泛用于制冷，热泵、工艺流程及各种 气体压缩机等领域。尤其是八十年代p c 型研制成功后在短时间内就使单螺杆压缩机在 日本小型螺杆压缩机市场占有5 0 以上的份额，至今上升势头仍然很强劲。 单螺杆压缩机的生产厂商包括英国的j & eh a l l 、美国的格里迈尔施密特公司、麦克 维尔和v i l t e r 、日本的大金和三菱电器( m e l c o ) 。大金装有4 0 1 5 0 h p 单螺杆压缩机的冷 水机组在欧洲的评价很高。该公司生产的喷油单螺杆冷冻( 空调) 机，与该公司原生产 的喷油双螺杆冷冻( 空调) 机相比，在满负荷时节能1 0 1 5 ，在部分负荷时节能2 5 - 4 0 ，免维修间隔时间达4 0 0 0 0 h 。m e l c o 将半封闭压缩机的制冷量提高到了3 5 0 k w ，它还 有一种独特的二级单螺杆压缩机系列产品。v i l t e r 生产的单螺杆压缩机应用于美国和全 1 l j = 界的各种各样的制冷厂家。另外麦克维尔也生产水冷和风冷单螺杆压缩机【1 6 ，。 1 1 2 国内研究现状 单螺杆压缩机是新一代双密型机电一体化产品，曾被西方国家列入对我国技术封锁 的清单，由，一单螺卡r 压缩机在国民经济和国防中的用处极大，而且它属于劳动密集型产 品，所以一旦为我国掌握，我国在单螺杆压缩机领域就会有很强的优势【1 8 删。 我国自七十年代以来对单螺杆压缩机进行了大量的研究与试制生产，并取得了一定 的成就。北京第一通用机械厂从8 0 年代初开始研制单螺杆压缩机，但与国外产品相比， 容积效率和比功率都相当落后。8 0 年代中期，当时的国家科委将其定为重点攻关项目， 国防科工委和机电工业部也都先后予以支持进行研发，国内多个企业、科研机构都参与 攻关，但都因在啮合副制造技术方面的关键技术未能得到突破而相继失败。我国的中、 高档爪缩机仍然依靠进口，国内的市场几乎被外国占领，就连全国铁路机车上每车两台 沈阳工业大学硕士学位论文 的使用体积小、噪声振动低的单螺杆压缩机替代活塞式的改造计划也因不能够国产化而 被迫滞后，国家呼唤着优质国产压缩机的问世。 找叫从1 9 7 4 年jr 始，先后有十多家单位研制单螺杆压缩机，但研制出样机的仅有8 家，国产单螺杆压缩机存在的主要问题是啮合副啮合精度不高，导致使用寿命短，极限 寿命徘徊在1 5 0 0 h 左右，其中最差的仅3 6 h 。八十年代国外曾同意向北京第一通用机械 厂提供全套技术与设备，但仅提供了样机及不全的产品图纸( 缺关键的螺杆与星轮) ， 后来就中断了合作。产品质量差的主要原因是未能解决高精度专用机床和螺杆、星轮的 啮合副制造技术。国外专家们认为中国不可能解决专用机床的设计与制造，及螺杆和星 轮的制造技术问题，只能进口。然而，引进专用机床的谈判通过各种渠道进行了十多年， 至今毫无结果。在一段时期内，国内研制单螺杆压缩机的单位甚多，但有样机或产品问 世的单位不多，其中浙江温岭化工机械厂研制的冷冻机1 9 8 4 年通过省级鉴定，声称产 品达到国际水平，被列为省重点项目。由于长期无法解决星轮的制造技术，已放弃了研 制工作。武汉空气压缩机厂研制课题是1 9 8 6 年国家科委重点项目( 现己撤消) ，苏北 冷冻机厂研制课题是机电部军工司重点项目( 现己放弃研制) ，七零四所研制课题是国 防科工委重点项目( 现己暂停) 。 1 9 9 5 年我们突破了国外的封锁和假信息的干扰，有了自己的专用机床。实际使用结 果证明中国的专用机床加工螺杆精度较好，而对与星轮制造技术一直没有突破，啮合精 度不高，导致使用寿命很低。目前，生产单螺杆压缩机的厂商主要有长沙的惠湘、温州 的乐清、上海的施耐德、浪潮及飞和以及顺德的正力精工等厂家，其中施耐德和浪潮采 用乐清的主机。近年来，由于螺杆及星轮的加工方法的改进，及其材质的改进，产品质 量有了很大的提高。然而与国际水平相比其容积效率和比功率都是比较落后的，但尚在 川核收的范r 嗣之内。冈此，进一步提高螺杆和星轮的制造技术和加工工艺方法是当前最 为紧迫的问题。 由于不少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。以某厂生产 的o g 一3 ，7 型单螺杆压缩机为例，比功率由初期的 7 o o 佃3 m i n - 1 ) 降至6 6 左右，容 积效率由约7 5 提高到8 3 左右，星轮寿命则延长至近8 0 0 0h ( 以排量下降5 ，即 o 1 5 m 3 r 1 1 i n 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 单螺卡f 压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 是比较落后的，但尚在可接受的范围内。然而8 0 0 0h 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。 这里特别要提到的是广东顺德的正力精工。虽然星轮的制造技术没有突破，但是正 力精工依托西安交通大学压缩机研究所的理论研究为基础， 生产了世界上最大排量 ( 4 2 8 m 3 m i n ，压力8 k g c m 2 ) 的单螺杆压缩机，并已在顺德正力精密机械有限公司投入 ，i 广1 此籽l 唑n ：愍“。乃精【申报的“大排量单螺杆空气压缩视”课题，在2 0 0 3 年度科技 汁划顾的吏特f 墩得的成功，在此之前，大排量单螺杆压缩机只有荚、开等少数几个 尔能个j 。，l nj i f t 人州髓仪为3 2 m 3 m i n 。l i 二力精工的努j 填补了这项空白。同时，正力 秘，i ：i i 三丌发( ) ( 删) ( 风冷) 、o g d ( 水冷) 、m o g f ( 防爆) 系列产品【2 n 。 1 2 单螺杆压缩机的特点 单螺杆压缩机是目前世界上最先进的压缩机之一。由一个圆柱螺杆和两个对称布置 的平面星轮( c p 型结构) 组成啮合副，装在机壳内构成。运转时，由螺杆带动星轮齿 在螺槽内相对移动，螺槽内的气体相应地被压缩和吸入。螺杆有六个螺槽，由两个星轮 将螺槽分成1 2 份，也就是说螺杆转一圈，可以实现1 2 次压缩口2 捌1 。如图1 1 所示。而 且，单螺杆压缩机除具有回转压缩机的结构简单、体积小和无气阀组件等特点外，另外， 出于两个星轮在螺丰下侧对称配置，还具有如下独特的优点： ( 1 ) 结构合理，其有理想的力平衡性。螺杆上的气体轴向力和径向力相互抵消。星 轮上所承受的气体力也很小。 图1 1 单螺杆压缩机结构图 f 1t h ec o n s t r u c t i o no f s i n g l es c r e wc o m p r e s s o r 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 单机容量大，无余隙容积。螺杆每转一周，每一螺槽均被使用两次，螺槽空间 得到充分利用，与其它型式压缩机结构尺寸相同时，容积流量大。此外，螺杆的螺槽深 度随压缩腔压力的增高而减浅，在排气结束，星轮齿脱离螺槽时，深度为零，故理论上 不存在余隙容积。 ( 3 ) 高速轻载，易于建立流体动力润滑。螺杆、星轮齿啮合副实质上是一对球面蜗 杆副，但它不是动力传动副。由于结构上的特点，力平衡性好，螺杆带动星轮旋转仅需 克服数值很小的星轮轴承摩擦力，螺杆的转速又很高，故属于高速轻载，只要啮合副型 线设计合理，就能在运行时形成油楔，很容易建立流体动力润滑，实现无磨损运行。 单螺杆压缩机的主要缺点是中、高频率的噪声较大，啮合副与机壳的几何形状和相 互位置精度要求高。另外，在压缩机起动和停机过程中，由于转速过低，建立流体动力 润滑的条件受到破坏，会使螺杆和星轮齿受到一定程度的磨损，从而导致压缩机的性能 随运行时间延长而降低，需要定期维修或更换星轮。 单螺杆压缩机的转速通常为2 0 0 0 3 0 0 蛐，容积流量为o 7 3 6 m 3 血n 口喷油单 螺杆压缩机可用作固定式或移动式空气压缩机。一些生产厂商还能提供喷水的单螺杆空 气压缩机。作为制冷、空调用压缩机的一种，单螺杆压缩机已投入大批量生产。另外， 一些公司还开发了用于压缩天然气的单螺杆压缩机，由于其力平衡性好，故能达到高达 6 2 m p a 的排气压力。 1 3 国内单螺杆压缩机螺旋啮合副制造中的关键技术 星轮、螺杆啮合副是单螺杆压缩机的关键部件，由于它们的工作面是空间曲面，精 度要求又特别高，所以一般的机床无法对它们进行加工，业内人士认为，只有在数控加 工中心或者专用机床上才能实现其加工过程，其中最难加工的还是星轮二次包络面。 目前，国内外单螺杆压缩机的星轮工作面形状分为两类： ( 1 ) 与加工螺杆工作面的刀具形状相同，或者是加工螺秆工作面的刀具沿着其加工 轨迹所形成的组合曲面或组合曲线。统称为一次包络面。 星轮一次包络面的缺点是：螺杆和星轮的接触线只有一条，因而容易磨损，且除了 接触线之外，其他地方的间隙较大，造成啮合副的密封性能较差。 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 ( 2 ) 先加工出单螺杆压缩机中的螺杆，在理论上将加工好的螺杆作为一把刀具，螺 杆的工作面就是刀刃，按单螺杆压缩机规定的配合运动反过来包络星轮所形成的加工 面，称为二次包络面。 星轮二次包络面的主要优点是：螺杆工作面和星轮工作面之间的间隙很小，以近乎 接触面的形式进行啮合，啮合副密封性能良好。星轮二次包络面的加工方法又分为两种： 一是将刀具做成螺杆形状来加工星轮。二是将螺杆和星轮放在一起进行磨合，形成二次 包络面。第一种加工方法在实践中无法实现，因为很难制造出一把与螺杆形状完全相同 的刀具，并且在加工过程中无法实现进刀的动作；第二种加工方法的缺点是磨合时间很 长，并且在对星轮进行磨合时，螺杆也磨损了，造成啮合副间隙增大。 1 4 本课题研究主要内容及其意义 结合当前国内单螺杆压缩机制造技术的现状，分析啮合运动的原理，设计制造出一 次包络的转子螺杆，以此螺杆为基础，采用二次包络的方法，依据星轮材料的特定，制 造出二次包络的星轮。针对以上工作，本课题研究的主要内容是： ( 1 ) 学习单螺杆压缩机的螺杆数控加工的部分理论，分析螺杆加工坐标系的建立， 分析五坐标数控加工的坐标转换，进行坐标变换方程的推导。 ( 2 ) 因为螺杆和星轮的侧面已经有人在研究，而且理论比较成熟，这次课题主要是 运用啮合原理及相关软件求出用此方法加工出螺杆槽底面型线。 ( 3 ) 在制造出螺杆的基础上，运用运动啮合的动态啮合模具( 动啮模) 的加工工艺 方法，制造出圆柱一圆柱二次包络星轮啮合型面。 ( 4 ) 运用反求法求出运用动啮模加工工艺方法制造出的星轮齿顶型线。 ( 5 ) 验证螺杆和星轮啮合副精度是否满足要求，并论证运用此加工工艺方法加工螺 杆和星轮可行性。 单螺杆压缩机是一种新型的压缩机，它的传动结构是以两个形似蜗轮截面的星轮与 螺杆相啮合，并与壳体形成密闭容器以压缩气体。它主要依靠螺杆与星轮的准确啮合运 动来实现其工作过程，啮合副是该种压缩机的心脏。由于啮合副几何形状复杂，因而对 制造、装配精度及压缩机在工作中受到热和力的作用而产生的弹性变形的控制至关重 要。而目前国内生产螺杆的方式与星轮的加工方法技术相对落后，大批量生产成本高， 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 效率低，精确度差。采用一次包络方法制造螺杆和二次包络方法制造星轮的全新加工方 法具有独创性，利于实现大批量生产，提高效率，提高啮合精度。螺杆加工技术的改进， 解决了长期困扰研究工作的主要问题，解决了过去一直存在的加工困难的问题。通过本 课题的研究计算出螺杆底面型线，并进一步验证此技术在理论上的可行性。 本课题采用全新的独创性工艺方法使得星轮的性能得以极大提高。其实用价值非常 高，将使国内的星轮加工技术向前迈进一大步。也对单螺杆压缩机设计制造技术的发展 与完善，在理论上与实践上均有着极重要的意义。通过本课题对采用此工艺方法加工出 来的星轮是否符合精度要求进行了验证，并对此工艺方法的正确性和产品的批量生产提 供了理论依据。 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 2 单螺杆压缩机的啮合副型线、工作原理及啮合特性分析 2 1 单螺杆压缩机的类型和啮合副型线 2 1 1 单螺杆压缩机的类型 单螺杆压缩机有四种基本类型。按螺杆和星轮的结构形状是平面( p l a n e ) 或圆柱 ( c y l i n d r i c a l ) 组合而成而定。前面的字母表示螺杆的形状，后面的字母表示星轮的形状。 四种基本组合型式是p c ( 平面螺杆对圆柱星轮) c p ( 圆柱螺杆对平面星轮) p p ( 平面 螺杆对平面星轮) c c ( 圆柱螺杆对圆柱星轮) 。c p 型于六十年代研制成功，是四种单 螺杆压缩机中闯世最早的一种，p c 型于八十年代研制成功，是四种机型中问世最晚的 一种，也是节能效果最好的一种。现最常用的是c p 型。见图2 1 所示。 图2 1 单螺杆压缩机的四种类型 f i g 2 1f o t a p 岛0 f s i n 9 1 es c r e w 咄畔s s o r 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 2 单螺杆压缩机的螺旋啮合副型线 螺杆、星轮啮合副是单螺杆压缩机中最重要的部件，采用好的啮合副型线是保证整 机安全，可靠运行的关键。 目前单螺杆压缩机的啮合副型线主要分为以下几类： ( 1 ) 直线一直线包络面啮合副 其星轮型线实际上是一条直线或曲线，螺杆型线是以此直线作为母线形成的轨迹 面。由于这种啮合副参与啮合的母线始终是一条直线，磨损部位固定，导致寿命短，泄 漏大，属于淘汰的啮合副。 ( 2 ) 圆柱一圆柱包络面啮合副 其星轮工作面是圆柱面的一部分，而螺杆齿曲面是此圆柱砸的包络面圆。特点是加工 螺杆简单、效率高( 可以用回转刀具加工) ：接触线不断变化，磨损小；泄漏孔较大，容 积效率下降。这种方法存在一定的分度误差，加工精度差，对于啮合精度影响很大，同时 也影响动压油膜的生成，影响了容积效率。 ( 3 ) 直线包络面啮合副 此啮合副的螺杆齿曲面仍是星轮齿侧直线所行成的轨迹面。但这种啮合副中星轮型线 是螺杆齿曲面的包络面。此型线的螺杆加工方法与“原始型”直线型线的加工相同，即车 削加工，但星轮齿侧工作面用相应的螺杆滚刀加工。滚刀加工能消除原始型线加工时所产 生的分度误差，保证啮合副的啮合精度，有利于动压油膜生产。铣刀便于刃磨和检测，从 而保证了刀具的高精度和强度。刀具的距离不变，可以多次修磨，反复使用刀具。但仍存 在批量生产困难的难题。 ( 4 ) 圆柱二次包络面啮合副 其螺杆螺旋面和圆柱一圆柱包络面啮合副相同，如图2 2 所示，只是星轮齿侧工作 面是螺杆齿面的包络面而己，图2 3 所示。二次包络型线啮合时，在一定转角范围内存 在两条瞬时接触线口町。特点是润滑好。 b q 魈 皿 鞋 鹭 0 图2 2 星轮截面示意图 f 嘻2 2a b r i 电e d 薛f 料置i 撕e wo f 瓣w 垃e is e c t i o n 图2 3 螺杆与星轮啮合关系图 f 塘2 3t h er e j a n 锄s l l i po f s t a rw 搬1a i l ds c r e w 1 0 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 单螺杆压缩机工作原理与工作过程分析 2 2 1 单螺杆压缩机工作原理 单螺杆压缩机由一个6 头圆柱螺杆和两个1 1 齿的对称布置的平面星轮组成啮合副 装在机壳内构成( 这里介绍的单螺杆压缩机为c p 型) ，如图2 4 所示。螺杆、平面星 轮、机壳三者构成了工作气腔。单螺杆压缩机的壳体上开有喷油孔。将油喷入压缩腔， 以起密封各部间隙，冷却气体、吸振，消声及润滑螺杆一星轮摩擦副的作用。螺杆固定 在螺杆轴上，用键联结，螺杆轴两端各有一个端盖，端盖分进气和摔气两种。星轮一般 为滚动式，星轮片用固定销和橡胶圈固定在拖架上，上用套筒压住，左右两侧星轮一上 一下反向工作。工作时，螺杆同时带动两侧与自身啮合的两个星转动，形成周而复始的 吸气、压缩、排气过程，如图2 2 所示。螺杆有六条槽，星轮有1 1 只齿片互为质数，以 保证槽片扫过所有的槽。星轮片插入螺杆槽内与壳体组成容积变化的气腔，进行气体的 吸入、压缩和排气。螺杆旋转时，星轮片被带动，速比为6 ，1 1 ，该比例为标准组合，世 界各国通用。螺杆每转一周由一个星轮形成六个压气循环，配两对星轮形成十二个压气 循环，好像一个带十二个压力腔的单作用压缩泵。其每分钟排气达3 5 2 8 0 次，压气脉动 非常小。由于螺杆两侧相对布置星轮，基本消除了螺杆所受到的轴向力，使机体内各元 件受力大大改善。 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 图2 4 单螺杆压缩机结构效果图 f i g 2 4e f f e c td r a w j n go f s i n g l es c r e wc o m p r e s s o r c o n s 咖c t i o n 单螺杆压缩机的工作原理同其他的回转式压缩机的工作过程一样，分为吸气、压缩 和排气三个过程，其工作原理如图2 5 所示： ( 1 ) 吸气过程：螺杆吸气端的螺槽在星轮齿尚未啮入前与吸气腔相通，处于吸气状 态。当螺杆转到一定位置时，螺槽空间被与之相啮合的星轮凸齿遮住，与吸气腔断开， 吸气过程结束。在该过程中，气体通过螺杆端部的进气口，逐步进入不断扩大的齿槽中， 由于吸气口的面积相对齿槽而言较大，气体流速较低，产生的气体压力损失可以忽略不 址，故j 将吸7 气过枉作为等压过程处理。同时，在星轮的另一侧正在进行的是压缩过程。 ( 2 ) 压缩过程：当螺杆旋转角度约为1 8 0 度，吸气过程结束后，螺杆继续转动，随 着星轮凸齿沿螺杆螺槽的推进，封闭的基元容积开始减小，实现气体的压缩过程，直到 基元容积与排气口相连通的瞬时为止。随着螺槽容积的逐渐减小，压力和温度不断上升。 ( 3 ) 排气过程：当基元容积与排气口相连通后，由于螺杆继续旋转，被压缩气体通 过排气孔口输送到排气管，直至星轮齿脱离螺槽为止。在该过程中，排气口的面积也较 大。在压缩过程和排气过程中，螺杆的旋转角度共为1 8 0 度。 沈刚1 业火学硕士学位论文 随着螺杆的旋转，螺槽依次实现吸气、压缩和排气过程，螺杆每转一周，每个螺槽 工作两个工作循环，共产生1 2 个压缩循环，由于不存在余隙容积，因而排气十分平稳， 机器振动很小，容积效率高，是作为气体输送装置的理想设备。 图2 5 单螺杆压缩机工作流程图 f 嘻2 5w o r 如o w 聊ho f s i n g l es c r e wc o m p r e s s o r 2 ，2 2 单螺杆压缩机工作过程分析 ( 1 ) 基本假设 盯编气体为碑想气体： 2 ) 各部件及气体间没有热交换； 3 ) 气体在吸排气过程中无压力的波动，吸排气压力等于理论吸排气压力 ( 2 ) 吸气过程计算 由上面( 1 ) 所述的基本假设可知： 吸气压力 p ( 仍) = 见 吸气温度 丁( 仍) = 正 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 其中，乃为温度修正系数，考虑压缩侧向吸气侧气体泄漏对吸气过程的影响，该系 数取0 9 0 9 6 之间，仍为转角。 吸气结束时齿槽内的气体质量： 1 3 0 = p ，p ，雌“r t ) ( 2 3 ) 其中，p ，臁为吸气过程结束时齿槽内气体的体积( m 3 ) ，见名义吸气压力( p 曩) ， 瓦为名义吸气温度( k ) ，r 为气体常数( 无量纲) 。 ( 3 ) 压缩过程计算 设p ，r ，g ，矿和【，分别代表转角为仍时齿槽容积中气体的压力、温度、质量、 体积和内能。由基本假设和过程分析可得以下热力学方程： 气体状态方程p 矿= r g r 两边微分可得： 以，p = d g g + ( d r 丁3 ) ( d 矿矿) ( 2 4 ) 能量守恒方程为： d u = 一p + c 乒| d g i c 乒。d g o ( 2 5 ) 质量守恒方程为： 粥= 崛一姆 ( 2 6 ) 以上各式中，勿、刀、棚和d g 分别表示在转角妃间隔内，所研究齿槽 的物理量增量，下标i 和。分别表示齿槽内气体的进入和排除量。 将式( 2 5 ) 简化并略去高阶微分量可得： d u = k c ；z d g 一太g 打 ( 2 7 ) 其中，c ；为定容质量热容，单位是( 蝇k ) 一，c ，为定压质量热容，单位是 ( k g k ) ，k 为c 。g ( 无量纲) 。 将式( 2 4 ) 和式( 2 7 ) 联立，即可得到计算温度变化的关系式： 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 砑= ( c 。正一r 乃c 好“2 r g ) ( 2 8 ) 由式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 和式( 2 8 ) 可得计算压力变化的关系式： d p p = ( c ，正+ r 乃d g 2 r 粥一d y 矿 ( 2 9 ) ( 4 ) 排气过程计算 由( 1 ) 中基本假设和工作过程分析可得 r = 乃 ( 2 1 0 ) p = 胁 ( 2 1 1 ) 其中，乃为名义排气温度( k ) ，岛为名义排气压力( k ) 。 ( 5 ) 气体压缩时泄漏量的计算 压缩时气体的泄漏通道宽度b 是由螺杆的几何尺寸所决定，其数值可以根据螺杆的 实际规定和单螺杆转角仍测算得到p 粥。 由于泄漏间隙e 与通道长度或宽度相比很小，故可以按照可压缩气体在渐缩喷管中 流动的计算方法计算气体的泄漏量：q = 等 ( 2 1 2 ) 鼽丑= 晋f c 2 膳卅“9 1 ，2 为泄漏宽度( 一) ，c 啵无聊。 式( 2 1 2 ) 可以计算压缩过程中螺杆转角为仍时，气体的泄漏量。 ( 6 ) 容积效率计算 ， 由上分析可见，单螺杆压缩机由于不存在余隙容积娴2 1 ，故泄漏损失成为影响压缩 机容积效率的主要因素，根据上面的计算，在压缩过程结束时，齿槽所排除的气体质量 为：。 q = g 一一j 妈 ( 2 1 3 ) 容积效率为： 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 靠= q ，g 一l o o ( 2 1 4 ) 2 3 单螺杆压缩机啮合原理及相关数学算法研究 2 3 1 单螺杆压缩机啮合原理基础 螺杆的加工方法就是根据螺杆和星轮的啮合运动关系，把星轮的运动转化为刀具的 运动，通过螺杆和刀具的一次包络啮合运动关系，加工出转子螺杆。 螺杆、星轮啮合副如图2 6 所示是单螺秆压缩机的关键部件。由于它们的工作面是 空间曲面，精度要求又特别高，所以一般的机床无法对它们进行加工。只有在数控加工 中心或者专用机床上才能加工，其中最难加工的还是星轮圆柱二次包络面p ”爿( 圆柱二 次包络面的定义下文有具体阐述) 。 目前国内外的单螺杆压缩机的星轮工作面的形状分为两类： ( 1 ) 与加工螺杆工作面的刀具形状相同，或 者是加工螺杆工作面的刀具沿着其加工轨迹所形 成的组合曲面，统称为一次包络面。 ( 2 ) 在理论上将加工好的螺杆作为一把刀 具，螺杆的工作面就是刀刃，按单螺杆压缩机所 要求的配合运动关系反过来包络星轮而形成星轮 加工面称为二次包络面。又因为星轮的工作截面 是圆柱的一部分，所以把星轮加工面称为圆柱二 次包络面p 印7 i 。 星轮一次包络面的缺点是：螺杆和星轮的接 触线只有一条，如图2 7 所示，因而，容易磨损， 图2 6 螺杆，星轮啮合副效果图 f 追2 61 km a 把e 曲c t 血w i 鸩o f s c m v m l ds t a r w 捌l 当这条啮合接触线磨损之后，其他地方的间隙就很大，啮合副的密封性能就差。 星轮圆柱一圆柱二次包络面的主要优点是：螺杆工作面和星轮工作面之间的间隙很 小，以近乎接触面的形式进行啮合，啮合副密封性能良好。而且是面啮合，在啮合副的 运动过程中，接触线是一直变化的，磨损很少。 沈阳工业大学硕士学位论文 如图2 8 所示，星轮圆柱一圆柱二次包络面的加工方法又分为两种：一是将刀具做 成螺杆的形状来加工星轮。二是将螺杆和星轮放在一起进行磨合，形成二次包络面。第 一种加工方法在实践中无法实现，因为很难制造出一把与螺杆形状完全相同的刀具。在 加工过程中无法实现进刀的动作。第二种加工方法的缺点是：磨合时间很长，并在对星 轮进行磨合时，螺杆也磨损了，造成啮合间隙增大1 3 q 由于这种圆柱二次包络面加工理论的提出，为实现本文啮合副的加工工艺方法打开 了思路。后文将着重阐述这种加工工艺方法。 图2 7 星轮一次包络面 晦2 7 触e n 、，e l o p es u r f 籼o f s 眦w 嘲 图2 8 星轮圆柱二次包络面 飚2 8 ms e c o n d 雠岫鲫妇e o f s t a r w 埘 空间啮合是指轴线平行的斜齿轮副传动以及轴线不平行的各种齿轮副传动，它的种 类很多，如螺旋齿轮传动、蜗杆蜗轮副、锥齿轮副、准双曲面齿轮副等都是。在上述的 这些齿轮传动中，两个齿轮绕各自的轴线转动而不沿轴线移动。沿轴线移动的齿轮副是 作复合运动，丽不沿轴线移动的齿轮传动是复合运动空间啮合的一种特殊情况，且应用 最为普遍。 分析空间啮合时需要建立坐标系及坐标变换，在空间啮合的过程中，互相啮合的两 个齿轮的齿面在任意瞬时都是相切接触的，它们可能相切在一条线( 线接触) ，也可能 相切在一点( 点接触) 。不论哪种情况，它们在切点处总有公共的切平面及公共的法线。 面两齿面在切点处的相对运动速度则必然和法线垂直，这样才能保证两个齿面能够连续 单螺杆压缩机螺旋啮合副啮合特性研究 地滑动接触，既不会脱开，也不会相互发生干涉3 。根据空间啮合原理利用接触线可 以求出刀具回转面及工件螺旋面： ( 1 ) 使接触线绕工件轴线作螺旋运动，得到的是工件的螺旋面； ( 2 ) 使接触线绕刀具轴线回转，得到的是刀具的回转面； 本课题研究的的单螺杆与星轮的啮合副接触线方程就是采用方法( 1 ) 。 2 3 2o + + b u i i d e r 5 o 的开发与运行环境 本程序是在w 试d o w s 2 0 0 0 的操作系统下，由c + + b u i l d e r 5 o 提供的平台编制的。 c + + b i u l d c r 是由著名的b o r l a l l d 公司开发的可视化软件开发系统，它基于w i i l d o w s 操作 系统，具有高效、优化、可视化应用程序开发环境和可扩展的数据库技术的特点。 c 十+ b i u l d e r 作为面向对象的可视化软件开发系统，具有以下特点： ( 1 ) c + + b i