小型双螺杆空气压缩机结构研究与设计（参考这个）.pdf

申请工学硕士学位论文 2012014 4 年年 5 5 月月 小型双螺杆空气压缩机结构 研究与设计 小 型 双 螺 杆 空 气 压 缩 机 结 构 研 究 与 设 计 小 型 双 螺 杆 空 气 压 缩 机 结 构 研 究 与 设 计 田 政 方 田 政 方 武 汉 理 工 大 学 武 汉 理 工 大 学 培 养 单 位 机 电 工 程 学院 学 科 专 业 机械工程 研 究 生 田政方 指 导 老 师 田会方 教授 万方数据 分类号分类号 密密 级级 公开公开 UDC 学校代码学校代码 10497 学学 位位 论论 文文 题 目 小型双螺杆空气压缩机结构研究与设计 英 文 Research and design of the sturcture 题 目 of small scale twin screw air compressor 研究生姓名 田政方 姓名 田会方 职称 教授 学位 硕士 单位名称 机电工程学院 邮编 430070 申请学位级别 硕士 学科专业名称 机械工程 论文提交日期 2014 年 05 月 论文答辩日期 2014 年 05 月 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 郭顺生 评阅人 王志辉 徐东亮 2014 年 5 月 指导教师 万方数据 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明 所呈交的论文是本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过的研究成果 也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 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作了明确的说 明并表示了谢意 签 名 日 期 学位论文使用授权书学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会公众提供信息 服务 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生 签名 导师 签名 日期 万方数据 I 摘要 随着我国工业水平的逐步提高 人们对空气压缩机提出了一系列新的要求 压缩效率高 噪声小 能耗低且性能稳定的供气设备应运而生 这就是双螺杆 空气压缩机 因它突出的性能 目前已经广泛应用于机械制造 人防设施通风 工程等场合中 双螺杆压缩机是回转式压缩机的一种 它是根据单螺杆压缩机 衍生开发出来的新技术 回转式空压机中的转子运动会带来腔体内容积变化 而容积的变化又会带 来气体压缩率和气体压力的变化 双螺杆压缩机是利用转子之间的相对运动来 改变气体在相应区间内的压力值 从而实现气体的压缩过程 而一对转子则是 平行装配在压缩机主机腔体内 本研究的目的是研制出一种应用于压力容器脉冲疲劳试验的无油双螺杆空 气压缩机 该机能实现平稳高速运转 从试验所需气源的要求出发 设计出满 足其使用需求的小型双螺杆空气压缩机 首先研究了它的工作原理 进而设计 其机械结构部分 分析转子型线的设计要素得出了型线的设计原则 依照此原 则设计出一种新的型线满足使用要求 结合实际应用条件 对螺杆转子尺寸进 行了设计计算与受力分析 根据转子型线与啮合线方程的推导得出转子齿形的 坐标转换程序 然后在 Matlab 中对转子坐标点进行计算 将算得的数值导入到 Pro E5 0 中完成转子的三维造型 最后对整机进行了试装配 以验证设计的合理 性 除此之外 对转子进行了模态分析以验证其在正常工况下不会发生共振 最后 在 LMS Virtual Lab Acoustics 中采用耦合间接边界元方法对压缩 机机体内部声场进行声学仿真计算 模拟了机体内三个场点的频率响应曲线 得出激振频率与噪声值之间的关系 以此为基础 分析了干式双螺杆压缩机的 主要噪声源 并提出了相应的噪声控制方法 关键词关键词 双螺杆空气压缩机 转子型线 模态分析 声学仿真 万方数据 II Abstract With the gradual improvement of the industrial level in our country people put forward a series of new requirements of air compressor High compression efficiency low noise low energy consumption and stable gas supply equipment arises at the historic moment this is twin screw air compressor It has been widely used in machinery manufacturing civil air defense facilities ventilation engineering with its outstanding performance Twin screw compressor is a kind of rotary compressor it is a new technology based on single screw compressor Rotary air compressor in motion will bring about changes in the cavity volume and volume changes will bring about changes in the gas compression rate and gas pressure It changes the corresponding interval pressure value by use the relative motion between the rotor in order to realize the process of gas compression And a pair of rotor is parallel assembled on compressor host cavity in the body The purpose of this paper is to develop a application in pressure vessel pulse fatigue test of oil free twin screw air compressor which can achieve stable and high speed operation According to the requirement of gas source for test designed a small scale twin screw air compressor to satisfy At first studied its working principle and then design the mechanical structure part Analysis the design element of the rotor profile to obtain its design principles Design a new kind of rotor profile based on this principle to meet the demands Combining with practical application conditions calculate the size and do stress analysis of the screw rotor According to the derivation of rotor profile and meshing line equation to attain its coordinate conversation program then use Matlab to calculate coordinate value of the rotor Import above value in Pro E5 0 to accomplish its 3D modeling finally complete pre assembly to verify the rationality of this design In addition the rotor modal analysis were carried out to verify the resonance will not occur under normal working conditions Finally make acoustic simulation about the interior sound field of compressor body in the LMS Virtual Lab Acoustics by indirect boundary element method Simulation the frequency response curve of the three point in the body understand 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 III the relationship between frequency and noise vibration value On this basis analyzed the major noise source of oil free twin screw air compressor and puts forward the corresponding control methods Keywords Twin screw air compressor rotor profile modal analysis acoustic simulation 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 IV 目 录 第一章 绪论 1 1 1 空气压缩机发展概况 1 1 2 课题研究的目的及意义 3 1 3 双螺杆式空气压缩机的特点 4 1 4 国内外研究现状 5 1 4 1 国外研究现状 5 1 4 2 国内研究现状 6 1 5 本文的研究内容 7 第二章 双螺杆式压缩机方案设计 8 2 1 双螺杆压缩机的基本结构与工作原理 8 2 1 1 双螺杆压缩机的基本结构 8 2 1 2 双螺杆压缩机的工作原理 9 2 1 3 双螺杆压缩机的工作流程 10 2 2 螺杆压缩机的分类和主要应用场合 11 2 2 1 螺杆压缩机的分类 11 2 2 2 螺杆压缩机的主要应用场合 12 2 3 研究目标 12 2 4 双螺杆压缩机机构的总体设计方案 12 2 5 双螺杆压缩机的研究方向 13 2 6 本章小结 14 第三章 双螺杆压缩机基本参数和尺寸的设计计算 15 3 1 转子型线理论与设计 15 3 1 1 转子型线要素 15 3 1 2 转子型线设计原则 17 3 2 双螺杆压缩机螺杆尺寸的设计计算 17 3 2 1 型线及啮合线方程推导 17 3 2 2 螺杆转子型线设计 19 3 2 3 转子尺寸设计计算 21 3 3 双螺杆转子的受力分析 23 3 3 1 坐标系的建立 24 3 3 2 平面图形的静力矩和重心 24 3 3 3 作用在转子上的径向力 25 3 3 4 作用在转子上的轴向力 25 3 4 阴 阳螺杆转子型线方程及啮合线方程 26 3 5 主要零部件的设计与选型 34 3 5 1 吸排气孔口的设计 34 3 5 2 斜齿轮的设计计算 36 3 5 3 壳体部分的设计 37 3 5 4 轴承和密封的选型与设计 37 3 6 本章小结 38 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 V 第四章 三维实体建模与仿真分析 39 4 1 曲线曲面的数学模型方法 39 4 2 阴 阳螺杆转子齿形坐标计算 40 4 3 各主要部件的建模 43 4 3 1 螺杆转子的建模 43 4 3 2 机体的建模造型 48 4 4 双螺杆空气压缩机整机的装配 48 4 4 1 Pro ENGINEER 概述 48 4 4 2 整机的装配 49 4 5 阴 阳转子的模态分析 50 4 6 本章小结 52 第五章 结构部件的声学仿真分析与计算 53 5 1 声学基础知识 53 5 1 1 声学基本概念 53 5 1 2 基本声学方程 54 5 1 3 声学边界条件 55 5 2 声学数值计算方法 56 5 2 1 声学有限元方法 56 5 2 2 声学边界元方法 57 5 2 3 声振耦合计算 58 5 3 压缩机机体声学仿真计算 58 5 3 1 LMS Virtual Lab 平台简介 58 5 3 2 机体内声场声振耦合计算与结果分析 59 5 4 双螺杆压缩机的主要噪声源 62 5 4 1 空气动力性噪声 63 5 4 2 机械性噪声 63 5 5 双螺杆压缩机的噪声控制 64 5 5 1 吸声材料的选择 64 5 5 2 驱动电机的噪声控制 64 5 5 3 双螺杆压缩机的排气噪声控制 64 5 6 本章小结 65 第六章 总结与展望 66 6 1 论文总结 66 6 2 研究展望 67 参考文献 68 致谢 71 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1 1 空气压缩机发展概况 空气压缩机作为机械制造业不可或缺的工具 已经成为制造业的重要支持 它是具有刚性需求的行业 随着我国现代工业的蓬勃发展 生产和制造各种各 样的空气压缩机来应用于不同环境已经变得愈发重要 因而压缩机行业的发展 潜力巨大 当前中国空气压缩机行业可谓是 百花齐放 百家争鸣 根据权 威统计数据推测 我国压缩机市场需要量在未来十年内将会以 10 以上的速度增 长 1 目前 在我国空气压缩机市场 国内品牌与国外知名品牌相比 在生产制 造质量及核心技术方面仍存在着较大的差距 国外知名品牌鉴于多年来的品牌 信誉积淀深得国内消费者的信耐 大多数的消费者因为对它的信任而不惜昂贵 的价格去购买 因此它们在国内市场具有较大的竞争优势 甚至在某些行业已 经占据垄断地位 要想去和这些国外品牌竞争 就需要我们的企业更加专注产 品技术的创新 设计理念的转变 生产制造质量的提高和品牌的推广 绿色节 能观念已经在全球范围内得到推广 我国空气压缩机行业也在绿色节能领域投 入了较大的成本 始终坚持自主研发 在保证设备稳定性的同时能兼顾到它的 性能 研发制造出大量通风散热性能好 尾气排放少 维修简便等类型产品 能积极满足市场个性化需求 目前 我国空气压缩机市场需求量大 利润增长 率一直居高不下 极大地推动着我国企业跻身高端市场 将空压机的发展推动 到一个全新的高度 双螺杆式空气压缩机作为时下被广泛使用的一种压缩机 它是回转式压缩 机的一种 回转式压缩机实质上是通过压缩腔内部转子运动带来容积变化的 空压机中的转子运动会带来腔体内容积变化 而容积的变化又会带来气体压缩 率和气体压力的变化 它的工作容积和往复式压缩机有显著差异 它在周期性 变化时时 伴随着的是空间位置的变化 2 回转式空气压缩机通过主要部件的运 动带来在相应区间内容积的变化来压缩气体 通过其主要部件在气缸内部的旋 转运动来改变压缩机主机腔体内容积 因此 它既具备有往复式空气压缩机的 特性也具备速度式压缩机的特性 3 另外 回转式空气压缩机因为没有往复运动 机构 所以一般没有气阀等 零部件较少 结构较其它类型的压缩机更加简单 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 2 紧凑 因此 它的制造方便 成本低 操作使用方便 维修周期时间长 较易 实现自动化 回转式压缩机因整机结构紧凑 各部件之间的配合紧密 因此运动部件的 动力平衡性较好 压缩机转速更高 回转式压缩机还具有强制输气的特点 这 一点与往复式压缩机类似 螺杆压缩机的结构如图1 1所示 图 1 1 双螺杆主机效果图 回转式压缩机因为转子转速高 它可以直接与高速原动机连接 不需要变 速机构部分 因而回转式压缩机一般具有机组尺寸小 重量轻的优势 由于转 子作一次周转时 它会有多次排气过程 所以输气时冲击较小 气压均匀 因 而不需要设置大容量的储气罐来稳定气压 除此之外 它还具有适应性强 工 况范围广 效率高等优点 螺杆式压缩机的运动部件相互之间无直接接触 如相互啮合的阴 阳转子 运动件与固定件之间也没有直接接触 在工作腔内周壁上不需润滑 可以做到 无油压缩气体 当然 螺杆式空气压缩机也有缺点 由于转子转速高 工作内 腔容积与吸排气口时通时断 会产生比较强烈的空气动力噪声 若不采取消音 措施 很难被用户采用 螺杆式压缩机运动转子表面呈曲面形状 通过它的啮 合运动来改变容积 这些复杂型面的生产制造与检测都需要专用设备来完成 由于转子之间的间隙不可能彻底消除 气体通过间隙会产生泄漏 造成螺杆式 压缩机的输出压力很难达到较高值 4 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 3 双螺杆式空气压缩机是近二十年来逐渐兴起的一种新机型 目前已经系列 化 大约在一百多年前 人们就已经知道了它的工作原理 但是类似于我们今 天使用的双螺杆压缩机的出现则是首先在 SRM 工厂的总工程师 A Lysholm 的专 利中 后来 又发明了圆弧形齿 非对称齿行和现如今的第四代节能齿形 5 双螺杆式空气压缩机大多应用于中小排量的场合中 或者用作低压压缩机 鼓风机 目前 它在化工 冶金 交通运输 制造业以及建筑工程行业等得到 了广泛的应用 带来了非常好的经济效益 1 2 课题研究的目的及意义 本文研究设计的无油双螺杆空气压缩机 它是当今最主流的双螺杆压缩机 系列中的一种 由于它的应用已非常广泛 为了便于维修与保养 部分部件已 经系列化和标准化 本文在深刻理解他人研究的理论成果的基础上 结合预期 的设计参数与指标 着重研究了双螺杆转子线型设计 几何特性理论分析 转 子的力学分析 对整机进行了虚拟装配以验证设计的合理性 检验各项设计参 数是否达到要求 对关键部件还进行了有限元分析 以判断各零部件的尺寸及 结构是否符合要求 目的是为了提高双螺杆式空气压缩机的机械性能 设计出 一种新型的转子线型 目的是为了使齿面面积 封闭余隙容积 泄漏三角形 接触线长度四者达到最优 研究转子的装配精度和转子的制造精度等 由于在 工作过程中 尤其是在排气过程中 空气压力高会产生较大的冲击力 会引起 双螺杆转子在一定幅度内的振动 在振动频率接近或达到机械系统的固有频率 时可能会产生共振 共振会对机械系统产生致命伤害 研究转子表面粗糙度及 表面工艺等 是考虑到转子的刚度 疲劳强度和抗腐蚀性 因为转子是整个螺 杆式空气压缩机最为核心的零部件 它的寿命等至关重要 通过设计双螺杆式 空气压缩机 可以进一步了解它的发展历程 认识它的发展现状 理解到它的 发展方向 同时深入学习双螺杆式空气压缩机的工作原理与结构组成 对主机 机体进行结构设计 对主要零部件进行设计与选型并进行了相关的仿真分析 重点研究的是转子线型 几何特性分析 运用有限元软件进行的力学分析和应 力分析 主机的运动学分析 转子加工工艺问题和主要参数设计 通过此次设 计 认识到结构设计的一般要求和规则 并能将所学理论知识和生产实际相互 结合起来 6 双螺杆式空气压缩机因可靠性高 操作维护方便 适应性强 动力平衡性 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 4 好 能多相混输等优势 在机械制造 冶金与采矿 石油勘探 动力与制冷 土木建筑等方面得到极大的推广与应用 统计表明 螺杆式空气压缩机占市场 应用的一半以上 同时它占容积式压缩机总销量的八成以上 统计数据表明它 的市场份额还会进一步增加 有鉴于此 对螺杆式空气压缩机的研究对具有重 要的意义 1 3 双螺杆式空气压缩机的特点 双螺杆空气压缩机和活塞压缩机都属于容积式压缩机 因为它们都能显著 提高压缩气体的压力 双螺杆式空气压缩机中主要部件 即转子的运动方式和 透平压缩机运动形式类似 因此它兼具两者的特点 双螺杆式空气压缩机的优点 1 适应性强 螺杆式空气压缩机的容积流量与排气压力没有关系 而且具有强 制输气的特性 所以它能在较大的范围内保持很好的工作效率 2 可靠性高 内部零部件少 易损件也少 因此寿命可靠 其维修保养间隔期 能达到 4 8 万 h 3 动力平衡性好 主要部件中的转子设计与制造合理 运动件不平衡惯性力几 乎可以忽略 所以动力平衡性能良好 能够实现无基础连续运转 因此 它适 用于移动式空气压缩机 同时 它具有体积小 重量轻 机组占地面积少等优 点 4 操作维护方便 机器本身的自动化程度比较高 可实现无人运转 同时对维 护人员的专业培训简单 需时少 5 多相混输 因相互啮合的转子齿顶与齿槽间存在间隙 因此能承受气压冲击 可输送气体或含液气体等 允许气体这含有粉尘等杂质 双螺杆式空气压缩机的缺点 1 造价昂贵 双螺杆空气压缩机的转子齿面是沿着控制线绕着轴向旋转的空间 曲面 需利用特价刀具 在专用设备上进行加工 另外 它的加工精度要求也 比较高 所以经济性较低 2 在高压场合的应用受到限制 转子受结构与材料的影响 其刚度决定不能应 用于高压场合 另外轴承寿命也决定螺杆式空气压缩机只能用于气压较低的场 合 其排气口压力一般低于 4 2MPa 3 尺寸不能太小 螺杆式空气压缩机是依靠齿侧与腔体内部形成的极小间隙来 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 5 密封气体 因此只有流量大于或等于 0 2 3 m min 时 它的压缩性能才得以体现 1 4 国内外研究现状 第一台双螺杆式空气压缩机自 20 世纪 30 年代问世后 大量的工程技术研 究人员对它进行了研究 改进与优化 而绝大部分的研究都集中在螺杆转子齿 形上面 它的发展主要经历了以下四个阶段 第一个阶段是以 Lysholm 为代表 的齿形 它的大部分线段是由摆线组成的 主要应用于无油螺杆式压缩机 第 二阶段是以对称圆弧齿形为代表的 它的主要线段由圆弧和与之相互啮合的圆 弧包络线共同组成 有较强的动力性能 第三阶段是非对称齿形 即阴 阳转 子为 4 6 齿 主要线段包括摆线还有相应的圆弧包络线 它的使用效率比上一 代提高了 10 广泛应用于喷油以及无油螺杆式压缩机 第四阶段是以更新换 代的 SRM D 为代表的齿形 齿数比为 4 5 齿 5 6 齿 5 7 齿这三种 主要线 段是线生成的曲线 无奇异点 它是节能型齿形 7 近年来 研究人员对腔体内部喷油的双螺杆式压缩机最为关注 由于制造 业的发展 使得数控铣床和磨床在加工转子方面的能力有了非常大的提升 因 而大量的研究都集中在转子型线方面 此外 阴阳螺杆齿数比值也由 6 4 变成 6 5 连续运转的稳定性得到提升 1 4 1 国外研究现状 上世纪 60 年代以来 瑞典 SRM 公司和 ATLAS 公司先后推出 SRM A ATLAS 型线 它们都属于对称齿形 随着研究的进一步深入 螺杆齿形发展出 一种不对称齿形 在这一时期 喷油式螺杆空气压缩机在欧美国家投入了市场 应用 在喷油压缩机的基础上又成功研制出专用类型的压缩机 包括制冷压缩 机和工艺压缩机 20 世纪 80 年代 德国 Gutehoffnungshutte GHH 公司推出了 GHH 型线 SRM 公司也推出新一代的 SRM D 型线 此后对螺杆式压缩机的研究不 再单独针对型线 也开始对系统进行深入研究 8 后来 随着世界能源危机的进 一步加剧 人们开始更加注重对节能产品的开发和使用 第四代节能齿形也随 着这股潮流得到进一步的推广 世界各国研究人员掀起了研究它的热潮 其中 又以日本的神钢和日立公司为代表 在最近的二三十年间 它们不断成功地开 发出了节能显著的各种系列螺杆式压缩机 某种程度上来说 日本的螺杆式空 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 6 气压缩机机节能技术的发展代表了世界先进水平和发展方向 1 4 2 国内研究现状 在我国 双螺杆压缩机研究与应用时间虽短 但是它的发展速度极快 在 双螺杆压缩机的研究上 国内研究人员也在跟随国际先进水平的步伐 上世纪 90 年代开始 国内技术人员开始大量研究转子型线等关键技术领域 西安交通 大学的邢子文等针对转子接触线提出了全新的计算方法 研究转子接触线的长 度具有重要意义 它直接决定压缩机的效率和稳定性等 任何截面或端面型线 转子间相互啮合时接触线总长度都可以通过此方法计算出来 转子转角变化时 齿面容积对的接触线长度的变化规律也可以通过此方法计算出来 相关研究人员通过长期的研究设计出了新的压缩机转子型线 在随后的螺 杆转子优化处理中采用 Hpms 软件来进行处理 江洪钧 王弘研究出基于 NURBS 的双螺杆压缩机转子 CAD 系统 NURBS 曲线曲面造型方法是是通过权因子和顶点来控制的几何式描绘方法 为不同产 品形状设计提供了较强的灵活性 利于产品数据交换 该系统以 VC 作为顶层 开发工具 基于 NURBS 方法 符合人体工程学的设计界面 熊伟 冯全科进行了基于三维的螺杆转子干涉问题的探讨与研究 以 GHH 齿形为例 选用它的转子间四种不同的相互位置来做算例分析 如 转子中心 距减少 转子处于理想位置 任意两种转子间形成空间交错时 结论表明 机 体上轴承孔加工误差 机体受热变形以及滚动轴承游隙在内的因素都会引起齿 间间隙的变化 徐长顺 王中双研究分析得出双螺杆转子在运动啮合过程中压缩侧齿槽面 积的数值计算方法 开发出基于 Internet Intrant 平台的 Asp 技术的 CAPP 工艺资 源数据管理系统 并能实现在不同数据库中的交互查询 实现了双螺杆压缩机 转子制造过程中的工艺信息与资源共享 信息化 因而提高了相应企业敏捷制 造的竞争力 何雪明 邓杨提出了基于任意密封线的转子轮廓的设计方法 采用三次样 条密封线来建立转子轮廓的数学模型 通过调整三次样条密封线上的控制点来 拟合 得到相应的无欠切转子轮廓 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 7 1 5 本文的研究内容 本文的目的是研制出一种应用于压力容器脉冲疲劳试验的无油双螺杆空气 压缩机 该机能实现平稳高速运转 具有动力平衡性好 噪声小 效率高等优 点 具体的研究内容包括 1 研究了双螺杆空气压缩机的工作原理 设计出它的机械结构部分 2 研究分析转子型线的设计要素得出了型线的设计原则 设计出一种新的型 线满足使用要求 3 结合实际应用条件 对螺杆转子尺寸进行了设计计算与受力分析 4 三维实体建模与仿真分析 根据转子型线与啮合线方程的推导得出转子齿 形的坐标转换程序 得出齿形坐标程序 导入到 Pro E5 0 中对转子进行造型 最后对整机进行了试装配 以验证设计的合理性 对转子进行模态分析 目的 是验证在正常工况下不会发生共振 5 在 LMS Virtual Lab Acoustics 中采用耦合间接边界元方法计算压缩机机体 内部声场 模拟了机体内三个场点的频率响应曲线 得出频率与噪声值之间的 关系 以此为基础 分析了干式双螺杆压缩机的主要噪声源 并提出了相应的 噪声控制方法 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 8 第二章 双螺杆式压缩机方案设计 2 1 双螺杆压缩机的基本结构与工作原理 螺杆式压缩机最早是由瑞典人 Lysholm 发明并提出来的 受设计理念和当 时的工业制造水平的制约 它在上世纪六十年代之前一直未能取到突破性的进 展 随后 喷油技术在螺杆压缩机中得到了广泛的应用 这一技术的推广降低 对转子型线加工的精度要求 对压缩机的结构和转速大有裨益 也降低了机组 工作时的噪声值 目前喷油螺杆压缩机已成为市场的中坚力量 在空气动力与 制冷空调行业中的应用尤为广泛 而干式双螺杆压缩机受结构与冷却方面的限 制 只应用排气量较小且对空气质量要求高的场合 如相关实验仪器和实验平 台等 2 1 1 双螺杆压缩机的基本结构 螺杆压缩机通常意指双螺杆式压缩机 它是容积式回转机械的一种 它的 主要部件如下 1 转子 螺杆式空气压缩机最核心的部件就是转子 它实际上是一种螺旋齿轮轴 通过特种加工机械 在轴上形成向外凸或向内凹的螺旋齿而形成转子 它们是 一对相互啮合的阴阳转子 类似于齿轮的啮合特性 此时阳转子是主动部件而 阴转子是被动部分 两者相互啮合形成齿间容积对 转子的两端与滚动轴承或 角接触轴承配合 用以完成转子的定位 同时也起到支撑作用 转子的复杂型 面及工作过程中的要求决定它的粗加工只能是通过锻造来完成 材料多为中碳 钢 有时也采用 40Cr 等合金钢 2 主机壳体 壳体实际上是属于包覆件 螺杆转子工作部分都在其中 它是一个呈 形的气缸体 在其中装配着一对转子 它们就是相互啮合的阴 阳转子 平行 布置在气缸体内 共同形成密封腔室 3 其他部件 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 9 包括轴承 端盖 密封件等 与转子相互装配的其中一对轴承实现轴向定 位 并主要限制转子的轴向窜动 而它的径向定位则是由装配在两端的圆柱滚 子轴承来实现 并承受它在运转过程气体对转子轴形成的径向作用力 在腔体 的上 下两面临近左右两端处 分别开设一个一定形状的孔口 分别是吸气孔 和排气孔 2 1 2 双螺杆压缩机的工作原理 双螺杆压缩机的工作循环根据先后顺序依次可分为吸气 封闭 压缩和排 气过程 本文仅取其中的一对齿来作研究 因为在工作循环中所有相互啮合的 齿间容积对都是遵循这些流程 图 2 1 吸气过程 图 2 2 封闭过程 如图 2 1 所示 转子在运动过程中 啮合程度逐渐降低的一对齿会形成了 齿间容积 这个齿间容积随着转子的运动会增大而形成局部真空 此时它与吸 气口连通 在压力差作用下气体会进入 接着 阳转子慢慢会从阴转子齿槽中 旋转出来 齿间容积继续增大 并与吸气口仍然连通 在齿间容积增大到形成 一个完整的空间 V 字形时 齿间容积空间会终止与吸气口的连通 吸气过程结 束 如图 2 2 所示 当齿顶与机壳腔体内壁完全密封时吸气过程结束 此时齿槽 内的气体存在于一个封闭的空间中 这就是封闭过程 它其实是一个临界状态 如图 2 3 所示 随着转子的旋转 靠近右端的啮合线逐渐变短甚至会消失 容积空间也在减少 因此这个封闭区间内的气体压力会逐渐增加 这就是气体 的压缩过程 在它与排气口接通的瞬间 压缩过程才结束 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 10 图 2 3 压缩过程 图 2 4 排气过程 如图 2 4 所示 压缩过程结束后即开始排气过程 在这一过程中 齿间容积 逐渐变小 齿间容积内的气体压力大于排气口外部压力 压力差驱使内部气体 通过排气口被排出 这一过程持续到型线完全消失为止 在这个临界状态时 齿间容积内的气体被完全排出 而其中的气体体积将变为零 综上所述 转子的连续回转改变工作容积 会使齿间容积内气体体积变小 从而提高气体的压力 2 1 3 双螺杆压缩机的工作流程 如图 2 5 所示 常见空气经过滤器滤除杂质后进入压缩机主机 过滤后的气 体与冷却润滑油在双螺杆做压缩过程时混合 压缩后的混合气体排入油气分离 罐 这些含油气体经过拦截 碰撞和重力沉降等作用 大部分含油介质都被分 离出来 随后在油气精分离器中进行二次分离 经此次分离后 压缩空气中的 含油量显著降低 在压力值达到规定值后 压缩气体才能冷却器 经冷却器冷 却后送人到使用系统中 9 常见空气 过滤器滤 除杂质等 压缩机主 机 与冷却润 滑油混合 油气分离 罐 油介质 分离后 油气精 分离罐 二 次 分 离 冷却 器 使用 系统 图 2 5 喷油式压缩机空气的处理流程图 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 11 2 2 螺杆压缩机的分类和主要应用场合 2 2 1 螺杆压缩机的分类 双螺杆式压缩机的分类方法不尽相同 因此种类也较多 按照运行润滑方 式可分为无油式和喷油式两大类 根据种类和用途来分 包括空气式压力机 工艺压缩机 制冷压缩机 按结构形式可分成固定式 移动式 半封闭式 封 闭式 开启式等 每个种类可能某一部分结构有所不同 但是主要工作原理大 致一样 每一个种螺杆压缩机都具有独特的特征 具有较强的功能性和一定的 适用范围 螺杆压缩机的分类如图 2 6 所示 螺杆压缩 机 喷油式压 缩机 无油式压 缩机 制冷压 缩机 工艺压 缩机 空气压 缩机 开启式 封闭式 半封闭式 移动式 固定式 干式 喷水式 空气压缩机 工艺压缩机 图 2 6 螺杆式压缩机分类 无油螺杆式压缩机 是指气体在整个流程中完全没有油介质或者油类物质 的参与 压缩机腔体内壁与转子之间也不使用润滑油 它在工作运转时阴 阳 转子之间不会直接接触 只是类似与齿轮啮合的形式在作相对运动 它们将气 体作为介质 螺旋齿之间存在着一定的间隙 转子的高速运转压缩气体会提高 气体压力 阳转子的运动是通过同步带齿轮传递给阴转子 同步齿轮还起到保 证两者之间间隙的作用 主机中的轴承 同步齿轮对和平衡部件等 仍然采用 传统的润滑方式 10 与喷油式不同的是 它在润滑部位与压缩腔之间会采用隔 离油封 喷油式压缩机工作时 润滑油大量地喷人压缩腔体内 它与无油式的不同 之处在于 阴阳转子是直接啮合而不是通过同步齿轮来起到啮合进而传递动力 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 12 和运动的 因此 它的结构较上者更简单 2 2 2 螺杆压缩机的主要应用场合 螺杆空气压缩机主要用于空气动力方面 用于驱动各种气动原器件 螺杆 制冷压缩机 主要应用于工业制冷 食品速冻冷藏 中央空调等领域 螺杆工 艺压缩机在许多石化和化工工业被优先选用 原因在于它的广泛适应性 它更 易压缩易聚合或腐蚀性气体而且稳定性良好 不会出现操作不当现象 此外 气体排出流量与气体压力 温度和组成等无关 而且也没有离心压缩机典型的 喘振极限 这种特殊的性能使得它在全世界大小各异的化工厂中广受欢迎 2 3 研究目标 本课题的目的是研制出一种应用于压力容器脉冲疲劳试验的无油双螺杆空 气压缩机 该机能实现平稳高速运转 具有动力平衡性好 重量轻 体积小 效率高等优点 本课题预期达到的技术指标 1 工作环境 20 75 0 09 0 101Mpa 2 密封形式 防水 3 排气温度 不超过 70 4 润滑形式 无油 5 进气温度 常温 25 6 排气量 1 6 3 m min 7 使用压力 不超过 0 7Mpa 8 电动机功率 不超过 11kw 2 4 双螺杆压缩机机构的总体设计方案 本文根据设计需求了一种新型结构的小型无油双螺杆空气压缩机机构 满 足工作状态时的使用需要 在压缩机运转过程中 全程无油 这与市面上常见 的喷油式压缩机结构有所不同 两个转子的啮合运动来改变气体压力值 因而 转子的设计在至关重要的一点 本文转子型线设计在下一章中具体介绍 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 13 根据设计的特征 本机构应该包含主机体 轴承座 端盖 转子部件 同 步齿轮这五大模块 配合情况如下图所示 其中轴承座与轴承的配合是过盈配 合 轴承的内圈与转子轴的轴肩 轴承外圈通过套筒与齿轮实现轴向定位 轴 承座在此既起定位作用 也起到密封作用 端盖则将同步齿轮 轴承座等完全 包围起来 以免零部件暴露在空气中 左端盖上留出一个小孔 方便阳转子轴 升出来与电机相连 图 2 7 整机设计简图 1 阳转子 2 啮合区 3 阴转子 4 右端盖 5 右轴承座 6 机体 7 左轴承座 8 同步齿轮对 9 左端盖 10 轴承 2 5 双螺杆压缩机的研究方向 螺杆压缩机广泛应用于建筑 医疗 机械制造 冶金等行业 因其较其它 类型的压缩机而具有优异的性能 使得它在一些行业逐渐替代其他类型的压缩 机 为了进一步提高它的使用性能 国际国内研究人员对它进行了深入的研究 以期能改善它的使用性能 满足现代工业发展的需要 研究方向主要集中在以 下几个方面 1 对新型线进行了深入的探究 因转子高速运转时压缩机腔体内温度会升高 转子受热会膨胀变形 变形后会对性能产生很大影响 在此基础上 对它进行 研究的目的在于设计出一种新型线 提高其工作效率 无油式双螺杆压缩机还 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 14 具有低噪等优异性能 它的核心部件就是包含在主机腔体内的一对转子 转子 型面的设计决定着压缩机的最终性能 一代又一代型线的研发与生产应用带来 了压缩机的更新换代 2 研究转子运转过程中的热力学过程 包括泄漏 传热 排气孔口气流等方 面 压缩机腔体内部的发热量很大 尤其是干式压缩机 内部热量必须及时导 出 否则会影响它的使用性能和可靠性 因此 往往向腔体内喷入水或者其他 工作介质 通过壁面与各种介质热交换的方法及时将热量导出 研究集中在热 交换模型的建立 喷嘴中雾化模型的建立等方面 目的是为了模拟腔内温度场 和流体速度场的分布情况 而容积效率又是决定类似于双螺杆压缩机这类的回转压缩机效率的主要指 标 气体泄漏则是降低容积效率 研究表明 对压缩机气体泄漏的研究至关重 要 3 研究分析喷油 喷水对转子的换热 气体的泄漏以及转子与压缩机腔体的 摩擦等均有影响 在设计时转子齿形和与之相啮合的转子齿槽之间会预留间隙 这个间隙会影响机器的热力学性能 因为这样的间隙在工作的过程中会形成泄 漏通道 在设计时 工作间隙需要进行预留 它也是由机器的几何性能决定的 螺杆压缩机一般采用间隙来进行密封 以提高容积效率 同时 足够的间隙也 是为了防止干涉 4 对转子加工工艺进行了深入研究 开发出高精度的螺杆转子专用加工设备 以及新型的少切削或者无切削加工工艺技术 5 学者及研究人员倾向于研究开发出小排量 高排气压力的螺杆式压缩机 配套开发出适用于螺杆压缩机的智能控制设备 设计出双螺杆压缩机智能调节 系统 以提高其经济性能 2 6 本章小结 本章首先图文并茂地说明了双螺杆工作过程的四个阶段 依次是吸气阶段 封闭阶段 压缩阶段 排气阶段中转子之间气体容积的变化过程 它是空气压 缩机的工作实质 然后讲述了螺杆压缩机的分类及主要应用场合 对螺杆压缩 机的优势及其应用的广泛性做了较深刻的说明 说明了该机构的总体设计方案 并附上简图作了说明 通过阅读国内外文献和会议报告 总结了螺杆压缩机的 主要研究方向 对其研究现状也做了说明 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 15 第三章 双螺杆压缩机基本参数和尺寸的设计计算 3 1 转子型线理论与设计 3 1 1 转子型线要素 双螺杆压缩机主机最重要的零部件就是转子 在工作原理中已知它们的啮 合情况与齿轮类似 只不过这里转子的齿面是螺旋型的 齿面和其轴线垂直面 的截交线就是它的型线 转子型线几乎决定着转子的工作效率 因此 转子型 线设计成为本文需要重点阐述的部分 应保证它在齿间容积间具有优异的密封性 从而在工作中能实现对气体的 压缩 设计中应考虑使其接触线连续稳定 转子的型线设计还要考虑到其他影 响其性能的要素比如封闭容积 齿间面积 泄漏三角形等 11 1 接触线 相互啮合的一对转子齿面会形成一条曲线 它是三维区间中的 这就是接 触线 在接触线的两侧压力会有区别 压力低的一侧完成吸气过程 相反地 压力高的一侧则是完成压缩过程和排气过程 接触线在工作过程中出现断裂时 就会发生气体在内腔区域中逃逸的现象 啮合线是啮合点的轨迹 它是接触线 在转子端面上的投影线 2 封闭容积 吸气过程若在齿间容积扩大时不能立刻开始 就会形成封闭容积 这种现 象应在设计时尽量消除 它会影响齿间容积的充气量 另外 从转子型线可以 定性看出容积的大小 3 齿间面积 齿间容积在转子端面的形成的投影就是齿面容积 齿间容积与齿间面积成 正比 前者越大代表后者也越大 12 转子相互啮合时齿间面积如下图 3 1 所示 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 16 图 3 1 转子齿间面积 4 泄漏三角形 因相互啮合的转子接触线有多条 它们不可能同时到达排气孔或者吸气孔 的交线处 这样在它们之间就会形成一个空间三角形 这就是泄漏三角形 它 就是气体进行逃逸的通道 因为相邻的齿间容积中压力肯定会有所不同 若啮 合线顶点距两个转子齿顶圆的交点越远 说明这对相互啮合的转子的泄漏三角 形的面积越大 13 泄漏三角形如下图 3 2 所示 图 3 2 泄漏三角形 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 17 3 1 2 转子型线设计原则 为了提高转子运转时 压缩机的工作效率 对转子型线的设计应遵循以下原则 1 律的共轭型线 的型线必须满足啮合定满足啮合定律要求 它 2 形成合适的接触线 接触线的长度要尽量短而连续 接触线越短越不容易 出现中断 就会减少气体的泄漏 3 应使封闭容积较小 它的增大会让吸气效率降低 气体压力的突变会造成 冲击也会引起噪声问题 4 增大齿间面积 齿间面积增大伴随的是泄漏量比例减少 效率就会相对提 高 14 5 泄漏三角形面积应尽量小 泄漏三角形越小 气体压缩的效率越高 压缩 机的效率也会相应提高 15 3 2 双螺杆压缩机螺杆尺寸的设计计算 3 2 1 型线及啮合线方程推导 1 坐标系的建立 的数学方程表达式所示 推导各段齿曲线建立的坐标系如图3 3 16 1 阳转子静坐标系 O1X1Y1 2 阴转子静坐标系 O 2X2Y2 3 阳转子上的动坐标系 o1x1y1 4 阴转子上的动坐标系 o 2x2 y 2 图 3 3 坐标系 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 18 阴 阳转子啮合时 其传动比为恒定常数 1 2 1 2 n n 1 2 2 1 z z i 3 1 1 坐标系的变换 1 阳转子静坐标系 O1X1Y1与其动坐标系 o1x1y1之间的变换 它类似于二维坐标绕 Z 轴的旋转变换 j z iji R 是旋转后的坐标是旋转前的坐标 ji 变换矩阵 cossin sincos z ij R 得出 11111 11111 cossin sincos yxY yxX 3 2 或 11111 11111 cossin sincos YXy YXx 2 阴转子动坐标系 o 2x2y2与其静坐标系 O2X2Y2之间的变换 22222 22222 cossin sincos yxY yxX 3 3 即 12122 12122 cossin sincos iyixY iyixX 或 12122 12122 cossin sincos iYiXy iYiXx 3 阳转子静坐标系 O1X1Y1与阴转子静坐标系 O 2X2Y2之间的变换 21 21 YY XAX 3 4 4 阳转子动坐标系 o1x1y1与阴转子上的动坐标系 o 2x2y2之间的互换 万方数据 武汉