多直线包络的单螺杆压缩机啮合副型面设计方法.docx

文章编号 : 100622971 ( 2005) 0320001206多直线包络的单螺杆压缩机啮合副型面设计方法冯全科 , 郭蓓 , 赵忖 , 徐健 , 李玉娟 , 程亮 , 束鹏程( 西安交通大学能源与动力工程学院 , 陕西 西安 710049)摘 要 : 介绍了多直线包络的单螺杆压缩机螺杆齿面母线和星轮齿型面的设计方法 。采用不同方位的多直线进刀或直线刀刃对螺杆转子的同一个齿槽母线面进行重复切削 , 并合理选择直线进刀或直线刀 刃的方位 , 使不同方位的直线进刀或直线刀刃切削同一螺杆母线面上的不同区域 , 这些多条直线进刀或直线刀刃处在不同的方位 , 形成了一个分布在星轮齿面上的特征直线族 ; 合理地确定出表征星轮齿面形状的特征线族的方位 , 并按这些特征线制作出的星轮齿面上的点能够与单螺杆转子齿槽母线面保 持均等机会的接触摩擦 , 使加工出来的螺杆转子和星轮齿面符合共轭啮合的原理 ; 从而实现磨损小 , 密封好 , 加工工艺简单 , 加工精度高 , 机床成本低的优良特性 。并且预期节能显著 , 容积效率高 , 星 轮寿命长 。关键词 : 单螺杆压缩机 ; 啮合副 ; 型面 ; 设计中图分类号 : T H455文献标识码 : AA Design Method of Engaging Couple Prof ile of SingleScre w Compressors Enveloped by Multi Stra ight L inesF EN Q uan2ke , GU O Bei , ZHAO Cun , XU J ian , L I Yu2juan , CH EN G Liang , SHU Peng2cheng( X i an J i aoton g U ni versi t y , X i an 710049 , Chi n a)Abstract : This paper int roduced a new design met hod of rotor teet h p rofile and star2wheel teet h p rofile en2 veloped wit h multi st raight lines in a single screw co mp ressor . A teet h grove surface of a single2screw is re2 peatedly machined by a specially designed lat he wit h st raight2lined cut feeding in different directio ns and posi2 tio ns , and t hese directio ns and positio ns of cut feeding are reaso nably determined , so t hat , different regio ns of a generator o n a teet h surface can be machined by different cut feedings. Recording to all t hose st raight lines in different directio ns and positio ns , we can co nst ruct an ideal star2wheel teet h p rofile wit h t hese lines. The screw rotors and star wheel teet h p rofile machined in t his way will p rovide excellent engagement in t he co mp ressor operatio n. It is p redicted t hat t his engaged couple will have less wear , bet ter sealing in operatio n and have more easily manufact uring p ropert y and lower cost .Key words : single screw co mp ressor ; engaging couple ; p rofile ; design有良好的性能 , 但他们的星轮和螺杆啮合型线作为单螺杆机械的核心技术一直没有公开 。在国内 , 也 有多家制造厂在近 20 多年中开发制造这种压缩机 产品1 , 但机器的星轮工作寿命差 、机器的 容 积 效率低 , 一直是难以逾越的障碍 。虽有厂家称已解决了上述问题 , 但没有明确公开其解决的技术方1引言单螺杆压缩机和单螺杆泵是一种总体结构性能优秀的回转机械 。自从上个世纪 60 年代在国外开始发展以来 , 已经有多种产品进入工业市场 。特别 是美国 、日本等国的某些公司制造的螺杆压缩机具案2。现在国内外公开的单螺杆加工方法主要有单直收稿日期 : 2005 - 03 - 05注 : 本论文中的技术内容作为专利受中华人民共和国专利法保护 ,专利申请号 : 200510041806 . 6线加工法和圆柱或圆台二次包络加工法 。原有的单设计研究压缩机技术2 第 3 期螺杆转子设计方法中 , 已有采用一条直线进刀或直线刀刃对螺杆转子的加工 , 所以对应的星轮齿面上 只有一条直线镰续与螺杆齿槽母线面啮合滑动 。单直线加工就是按图 1 所示的螺杆与星轮的相对位置和运动关系 , 使车刀刀刃作为星轮的齿 , 与螺杆转 子共轭运动 , 可在螺杆上切削出螺旋齿槽 。按照单螺杆与星轮或切削刀具的运动关系 , 将螺旋齿槽的任意一条母线按螺杆圆周方向展开 , 其形状如图 2所示 , 其特点为母线两端倾斜度较小 , 中间部分倾 斜度较大 。那么 , 安装成完整的单螺杆机械产品投入运行后 , 以该刀刃直线为基准加工出来的星轮齿 面只是在这一条直线处与螺杆齿上的母线面连续滑 动啮合 。直线以外的星轮齿面与螺杆转子齿面不接 触或只有瞬态接触 , 故星轮齿面上该直线部分十分容易磨损 , 机器的容积效率很低 , 难以形成有效的产品 。轮齿面被认为与转子齿母面的接触线会在星轮齿面上变化 , 不至于对局部齿面产生严重磨损 。但实际上 ,制 ,面 ,由于滚刀的直径受到螺杆齿槽尺寸的严格限用该圆柱或圆台滚刀体去包络切削螺杆的齿 然后再反切削出星轮齿面 , 这样的星轮齿面与螺杆母线面 , 不论沿星轮轴向还是径向都不能保证均匀啮合接触 。最主要的问题是 , 这种加工方法中 的星轮加工复杂 , 啮合副的加工精度差 , 加工效率 低下 , 故也难形成有竞争力的产品3 ,4 。图 3 二次圆柱包络型线的滚削加工因此 , 国内现在有很多压缩机制造商及其工业 界都急切盼望加工简单 、加工成本低 、工作可靠 、容积效率高 、耗能小的单螺杆压缩机和泵的转子齿面型线和加工技术面世 。2多直线包络的原理211 螺杆上母线的展开特征根据上述介绍的单直线包络 (即象星轮一样旋 转的刀架上设置车刀一次性直线进刀车削) 的螺杆母线面上任意一条母线 (即星轮齿面上的一个点在转子齿面 上 啮 合 的 曲 线) 的 倾 斜 规 律 ( 见 图 2 ) , 它们在星轮齿啮入阶段和啮合脱离阶段 , 其母线倾 斜度 (相对于星轮轴线) 较小 ; 在啮合中间阶段其 母线的倾斜度较大 。并且 , 基本上以母线中点对 称 。在单直线包络加工中 , 刀刃一般总是设置在星 轮厚度的中性面上 。在本设计方法中 , 为了便于加 工测量 , 第一条切割螺杆母线面的直线刀刃或直线 进刀位置也取在星轮厚度的中性面上 。212 坐标系的选定为了明确地表达星轮型面的位置 , 先建立动静 坐标系 , 如图 4 所示 。首先取一个静坐标系 O ( X , Y , Z) , 其 Z 轴取 为星轮的轴心上 , Z 轴的 O 点取在星轮轮盘的的中图 1 单螺杆压缩机结构与运动关系图 2 单螺杆齿面上母线展开的形状为了改善上述单直线切削螺杆齿面的缺陷 , 许 多制造商采用圆柱或圆台二次包络加工成型法 。这 种加工方法中将上述的单直线车削的车刀 , 用一把 圆柱或圆锥滚刀来代替 , 对螺杆齿槽进行滚动铣 削 , 如图 3 所示 。当铣削出一个标准的螺杆齿槽母 线面后 , 再在该母线面上沿长度方向设置多只铣刀 片 , 用此铣刀来反加工星轮的齿面 , 这样加工的星第 3 期冯全科 , 等 : 多直线包络的单螺杆压缩机啮合副型面设计方法3 性面上 , X 和 Y 轴均取在星轮的中性面上 , 相互垂直 ; 另取一个动坐标系 o ( x 、y 、z ) , 其 z 轴与静坐标 系的 Z 轴同向 , z 轴的位置取在某一个星轮齿的齿根处 , y 轴取在星轮中性面的齿面上 , 沿径向朝外 , x轴则在轴 y 的垂直方向 ; 在设计单螺杆压缩机时 , 首 先要确定螺杆和转子的基本尺寸 , 主要有螺杆的直 径 、星轮的直径 、螺杆的齿数 、星轮的齿数 、齿厚以及 螺杆与星轮的中心距 , 这些参数是根据机器输送流 体的流量和压力等要求确定的 , 不影响其后的星轮 特征线族的确定 。上述参数确定之后 , 星轮的齿根位 置就有了确定的位置 , 即动坐标系中的 o 点就被固 定下来 。图 5 星轮上侧齿面啮合点的选择原理另一方面假想为 : 如果把用于包络的第 2 条直 线位置取到水平距离足够大的 B点上 , 这时用该直 线 B再去包络加工 A 直线包络过的母线面时 , 就什 么也包络或切削不到 。当然 , 这样选择第 2 条包络用 直线的位置或设置刀刃的位置也没有意义 。那么 , 在 B和 B之间 , 适当地选择一点 B , 将直线或者说直 线刀刃放到此点 。用它来二次包络或切割原有螺杆 齿母线面 ( 即 A 直线切割出的母线面) , 它将会在原 母线面中间区段的倾斜度较大的部位切割掉一部 分 , 而在倾斜度较小的原母线面的两端部分不会切 割相交 。如果把 B 点往右移 , 对原来 A 直线包络的 螺杆母线面就切得厚度大一些 , 切割的区段长度长 一些 ; 如果把 B 直线向左移 , 则对原来直线包络的 螺杆母线面切削得少些 , 切割的区段长度短一些 。也 就是说 , 直线切割螺杆母线面过程的长短可以人为 地控制 。由此直线构成的星轮齿面上不同位置对螺 杆母线面啮合线接触摩擦的路程的相互比例可以控 制 。同样 , 再用第 3 条直线 C 来包络或切割 A 直线 包络的螺杆母线面 , C 直线的位置取在 A 直线的下方偏右 。如果偏右太多 , 则会对 A 直线的螺杆母线 面全部切割 ; 如果偏右太少 , 则切不到 A 直线包络 的螺杆母线面的任何部位 , 这都不是我们所期望的 。 故 C 直线的位置在水平方向应恰当地选择为 :它仅 能切割 A 直线包络切割到螺杆母线面上两端倾斜度较小的部位 , 而切割不到母线中部倾斜度较大的 部位 。如图 6 ( a) 和图 6 ( b) 所示 。于是 , 得到了 A 、B 和 C 直线共同包络切割的螺 杆母线面 ( 如图 7 所示) , A 直线切割到 b - c 段和 d- e 段 , B 直线切割到 c - d 段 , C 直线切割到 a - b段和 e - f 段 。如果用这 3 条直线作为星轮齿面的特 征线 , 它们与螺杆母线面有着不同区段的啮合过程 。也就是使星轮齿面上的啮合点均匀地变换位置 。当然 , 还可以将直线刀刃取为 5 条 , 分布在星轮齿厚范 围内 , 这样得到的螺杆母线面会与对应的5 条特征图 4 星轮上坐标系的设置o ( x , y , z ) 在O( X ,Y ,Z )中 的 坐 标如下Y o = R 2 - 1 B 2i4Xo = 1 B2Zo = 0上述坐标表达式中 ,轮齿的宽度 。R i 是星轮内径 ; B 为星213 星轮齿面上不同位置的点对螺杆母线的包络作用为了说明多直线包络的原理 , 我们把单直线啮 合或单直线刀刃加工的星轮的齿沿某一半径处取一个横截面 , 其结构如图 2 中所表示的星轮齿断面形 状 。图中 A 点就表示星轮齿面上垂直于图面的单直线或单刀刃直线的截点 。因此 , A 点表示了一条纵 向直线或纵向的刀刃 。下面提到的 B 点 、C 点与上述 定义相同 。我们先假想 , 如果把包络的第 2 条直线取在 A 点的正上方某一距离的 B点处 , 用这条直线去再次包络切割 A 直线包络过的母线面 , 这样就会把 原有的母线面从头至尾全部切掉一定厚度层 , 如图5 所示 。当然 , 这样设置的第 2 条包络直线或直线刀刃的位置来进行包络切割螺杆没有意义 。压缩机技术4 第 3 期图 6 星轮下侧齿面啮合点的选择与啮合特性图 7 星轮齿面上 3 个特征点对螺杆母线的啮合区域图 9 星轮上 5 条特征线的相对位置对于图 7 左侧的螺杆母线面 , 通过与右侧同样 的分析 , 可以得出完全相同的结果 。3车刀进刀直线或星轮齿面特征直线相对位置的确定方法鉴于上述的构思原理 , 用直线进刀或直线刀刃 作为星轮齿面上的一条径向特征直线 , 按螺杆与星 轮的啮合关系进行螺杆母面的加工 。然后再移动刀 具的位置和调整刀具的方向 , 对上述加工过的螺杆 母面进行再一次的加工 , 直到按多直线包络加工完 成 。每条直线的最优方位可以根据单螺杆运动几何 学和机械运动学的关系确定 , 或者可以通过螺杆的 切削试验得到 。按此多直线作为星轮齿面的特征 线 , 制作出的星轮型面就能与螺杆型面共轭啮合 。 下面给出车刀进刀直线族的相对位置或这族特征直线在星轮齿面上的确定方法 。311三特征线方位的确定由两点构成一条直线的原理 , 只要确定出这族 特征直线在齿根处的位置和齿顶处的位置 , 就可以完全给定各条直线 。进一步需要指出的是 , 各条特征直线都在平行于星轮轮盘的不同平行的平面内 。 这些特征直线在星轮轴向的位置分布一般按等分 法 , 例如 , 6 mm 的星轮厚度 , 若取 3 条特征直线包络 , 中性面上设置一条直线 , 中性面两侧 2 mm处各设置一条特征直线 。后两条特征直线的外侧还图 8 星轮齿面上 5 条特征线对螺杆齿面的啮合线星轮齿面有更均匀的啮合 。如图 8 所示 。 由于螺杆与星轮之间特定的几何运动关系 ,星轮齿的齿根部分和齿顶部分的点对螺杆齿面包络的母线形状是不一样的 , 如图 8 所示 。星轮齿顶的点 包络的螺杆母线长 , 其倾斜度普遍较大 ; 星轮在靠 近齿根部分的点包络的母线短 , 其倾斜度普遍较小 。但各条母线的倾斜度的变化规律是相同的 : 即 中间部分倾斜度较大 , 而两端倾斜度较小 。为了让 星轮齿面上的径向特征直线在星轮的齿根和齿顶部分都能均匀地与螺杆母线面啮合 , 在加工时 , 同一 根直线在星轮齿面顶端和齿根端沿水平方向移动的位置是不一样的 , 如图 9 平行平面左侧的直线所 示 。相对于 直线 , 直线和 直线在星轮齿顶部 水平移动大 , 在星轮齿根部分水平移动的距离小 。这样一来 , 就要求仿照星轮齿面上的那些特征直线 来切割螺杆齿槽母线面的直线刀刃 , 相对于星轮轮 盘既能转动方向又能移动位置 , 以便设置合适的方位 , 对螺杆齿槽母线面进行均匀的切割 。第 3 期冯全科 , 等 : 多直线包络的单螺杆压缩机啮合副型面设计方法5 各留 1 mm 的边缘 , 以便圆滑过渡形成利于液膜产生的楔形形状 。这族特征直线以星轮齿根处为起 点 , 按几何运动学原理 , 这族特征直线起点分布在 同一条连接直线上 , 如图 9 中所示 。该连接直线段 的倾斜度等于星轮齿根处的线速度与螺杆外径的 线速度之比 。其计算式=R in/ R式中 螺杆齿数与星轮齿数之比R in 星轮齿根半径 , mR 螺杆外径 , m图 9 中的坐标系 o ( x , y , z ) 就是图 4 中动坐标 系 , 多条特征直线在星轮齿顶端处的分布也可以通 过计算得到 。首先以中间的特征直线为基准 , 假设在齿顶端处作第 2 条特征直线与中间特征直线的连接直线段 , 如图 9 中的 - 端点连接直线段或 - 的端点连接直线段 。只要给定出这两条特征直线 各自所在平面之间的距离及其连接它们端点的直线 段倾斜度 , 那么 , 第 2 条特征直线就可以确定出来 。 按照螺杆与星轮的运动特征 , 在倾斜度大小变化的螺杆母线上 , 如果星轮齿面端部连接直线段 - 的倾斜度与当地的螺杆母线倾斜度相等 , 就意 味着该点处的特征直线 和特征直线 两者同时与螺杆母线啮合 。该点即可定义为临界点 。在该临界 点的一侧某一范围内 , 是特征直线 的单一啮合区 ; 在临界点的另一侧 , 则是特征直线 的单一啮 合区 。所以 , 只要根据星轮齿面上所要确定的特征直 线 与螺杆母线面摩擦路线长短设计要求 , 在螺杆 母线上指定出适当的界限点位置 , 并求出该界限点处螺杆母线的倾斜度 。那么 , 该倾斜度就是特征直线与特征直线 端部的连接直线段的倾斜度 。 为了确定各特征直线所承担摩擦的路程和对应星轮转角位置 , 需要建立分析螺杆齿面母线的长度 随星轮转角之间的关系 。同时说明了螺杆齿面母线上回转半径大的地方 , 其线速度就大 , 同时该位置母线的倾斜度就小 。实际上 , 图 7 中螺杆母线上的 a 、 b 、c 等点可以表示在螺杆与星轮的结构简图中 。需 要说明的是 , 这里标出的 a 、b 、c 等点并不是同时处 在螺杆齿的同一侧 , 而是处在某一个螺杆齿面的上 的不同螺杆转角位置 , 但都在星轮齿顶的回转圆周 相拟合的轨迹上 。星轮齿顶端点与螺杆齿面啮合的任意一段母线 长度 S 与星轮转角之间的关系式可表示为S i ,i + 1 = 1 H (i + 1 - i )- R x ( sini + 1 -sini 螺杆齿数与星轮齿数之比 H 螺杆与星轮轴线距离 , m 星轮齿顶啮合点的转角 , rad R x 星轮的齿顶半径 , m星轮齿顶处连接直线段的倾斜度为星轮齿顶周式中向速度与螺杆上母线对应点的周向速度之比 , 经推导为=R t / R i式中 螺杆齿数与星轮齿数之比R t 星轮齿顶半径 , mR i 螺杆母线 上 对 应 于 齿 顶 啮 合 点 处 的 半径 , m对于图 9 中的的特征直线 的位置的确定 , 同样先计算出特征直线 在螺杆母线上设想的啮合区 域界限点 , 按该界限点的速度求母线在该点的倾斜度 , 通过特征直线 按该界限点的倾斜度作射线 ,使特征直线 的端点与此射线相交 。特征直线 在 所在平面与特征直线 所在平面之间的距离是按星轮齿厚等分设置的 。这样直线 的位置就完全确定下来了 。312五特征直线方位的确定(1) 先按三特征直线的做法求出特征直线 和 特征直线 。需要指出的是 , 这时特征直线 摩擦路程只取 1/ 5 左右 , 而特征直线 和特征直线 在 螺杆母线上的摩擦路程应各取母线总长度的 2/ 5 左右 。这是因为特征直线 和特征直线 摩擦的路程 还分别包含在特征直线 和特征直线 的路程之中 。(2) 将上述的特征直线 啮合的母线分为两 份 , 在中间的分界点处 , 按此点的螺杆半径和星轮 半径 , 以及齿数比 , 可以确定出该点星轮与螺杆的 速度比及其螺杆母线的倾斜角 。(3) 特征直线 与特征直线 的端部连接直线 的倾斜角就等于上述螺杆齿槽根部母线的倾斜角 。(4) 特征直线 与特征直线 端部的连接直线 倾斜角及其特征直线 的方位也可仿照上述步骤进行 。4星轮和螺杆的加工方法采用现有的精度较高的滚齿机机构 , 将原来安压缩机技术6 第 3 期装齿轮工件的卡具改装成安装车刀的刀架 , 将原来安装滚刀的刀架改装成安装转子工件的位置 。对滚 齿机的传动系统的传动比需要改装调整 , 使其符合 单螺杆与星轮传动比的要求 。同时 , 对刀具或工件 增加必要的自由度 , 就可以实现多直线包络加工螺杆转子 。由此使车刀获得绕固定圆心旋转加工螺杆 齿面母线的功能 , 车刀向远离自身旋转中心的直线 进刀运动实现了螺杆母面的加工 。另外工件相对于 车刀能够在车刀旋转运动轴线方向移动和工件旋转 轴线方向移动 。同时 , 车刀还可在自身回转平面内调整进刀方向或直线刀刃的方向 。这样就实现了多 直线包络加工单螺杆转子齿面的功能 。记录好加工转子时的各条直线的位置 , 用数控 铣床的盘型铣刀可以方便地铣削星轮齿型面 。铣削 时 , 应保证每一条特征线在铣削加工的不同平面内 。这样 , 铣削出来的星轮齿面就成为一个多棱 体 。然后 , 以各条特征线为基准 , 对星轮齿面按多的斜率 , 就会造成一定误差 。因为两个构件在啮合点处速度不一定相互垂直 。经过估算尽管误差不 大 , 但需要进一步开展研究工作 。(2) 从纯几何理论上讲 , 星轮齿面上每条特征 线都应该是棱线 , 两特征线之间应是平面 , 但这样一来 , 会容易磨损 。考虑到啮合副之间还要留出工 作间隙 , 本文提出采用拟合和光滑修整的方法 , 这 样 , 就有可能产生啮合面干涉问题 , 这需要在试制 开发过程中总结经验来解决 , 或者通过对转子和星 轮型面经过几何学的数字计算来解决 。(3) 从单螺杆压缩机星轮一个齿的两侧面所承 受的气体力和传递驱动力来看 , 螺杆与星轮的啮合 滑动机构润滑条件好 , 属于高速轻载类型 。实践证 明 , 星轮还是容易磨损 , 初步判断是由于齿两侧油 膜的承载能力差异过大引起的 。如何使一个齿两侧的油膜作用力平衡 , 或者使同时进入啮合区的几个 齿