单 螺 杆 压 缩 机 的 现 状

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单 螺 杆 压 缩 机 的 现 状

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查世樑 查谦 方宜荣

主题词 单螺杆压缩机 第三个啮合区

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我国研制单螺杆压缩机已20年了，至今未能取得实质性的突破。主要原因在两方面：一是基础理论研究工作薄弱，对啮合副的几何形状、动态啮合特性等缺乏全面的认识。在此情况下当然也不可能有正确的加工工艺。二是专用机床精度低。本文主要介绍第一个问题及研究成果。有关高精专用机床参阅本刊1994年第3期。

一、 国外情况

目前能生产单螺杆压缩机的国家仅日、法、美、英、荷等五国。共10余家公司。单螺杆压缩机的基本生产技术源于法国奥费尔（Om-phale）公司。许多公司在引进基本技术的基础上，从各方面对该进行了改进。例如：英国霍尔（Hall）公司将剖分式机壳改成整体机壳，提高了整机刚性与形状尺寸精度的稳定性并可用于高压；将机壳内一切“无用”的部分去除而形成了“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。由于各公司不断地改进设计与工艺，单螺杆压缩机目前已达到了相当成熟的阶段，广泛用于制冷、热泵、工艺流程及各种气体压缩机等领域。尤其是八十代PC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上占有50%以上的份额，至今上升势头仍然强劲。

二、 国内情况

我国曾有多家工厂研制CP型单螺杆压缩机。因质量长期不能过关而纷纷停止了研制工作，目前仅有少数厂家仍在研制，且有产品投入使用。八十年代国外曾同意向中国一家工厂提供产品图纸、样机及专用机床等，但仅仅提供了样机及产品图纸后即中止了合作，至今尚无继续合作的意向。所提供的产品图纸是陈旧落后的剖分式而且缺少最关键的齿合副（螺杆与星轮）图纸。

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三、 关键技术

单螺杆压缩机的啮合副实质上是一对特殊的球面蜗杆副。它有各种各样的型线。目前国内采用有三种：圆台二次包络型、直线包络型与原始型。国外早期曾使用过原始型，因其加工复杂且使用寿命短而早已淘汰。现广泛采用寿命长而且易于加工的直线包络型。

迄今为止，世界上任何国家均未能解决高精圆台二次包络球面蜗杆副的加工技术，所以这种球在蜗杆副仅用于对精度要求不高的传递动力的场合。我国曾加工出9头动力用圆台二次包络球面蜗杆副。将该型线用于对精度要求极高的单螺杆压缩机，首先要解决精度问题，若能成功，将是中国对世界的一个重大的贡献。

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包络面只能用包络的方法获得，其他一切方法都是近似的。有鉴如此，星轮加工应采用展成法加工。展成法实际采用的滚刀有长滚刀、短滚刀（6头）及单头短滚刀三种。他们的共同问题是滚刀齿面为不可展曲面，理论上不可能用磨削的方法加工，故滚刀热处理后精度低，用这种滚刀加工的星轮质量也不高。而实际上滚刀是可磨的，例如我国的一些矿山、冶金机械厂利用两平面（前刃面与后刃面）的交线为一直线（刀刃）的原理避开了直接磨削不可展曲面，并加工出具出世界先进水平的武钢1700轧机用六头球面蜗杆副。

由于采用展成法加工星轮的效果不佳，有的厂家借用普通直线包络球面蜗杆的包络面方程式算得星轮齿面如图a，并用仿形法加工星轮齿面。然而该星轮由于“装配干涉”而无法进入正确啮合位置。“装配干涉”问题一直无法解决。

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微分几何的研究成果及大量的实践均表明：包络面是有界的，母线即为界线。界线的形成、分类及计算方法等本文不详述。

直线包络球面蜗轮靠近母线部分的齿形如图b所示。图中1为母线；2为包络面；3为轨迹面，它是由滚刀最边缘的直廓到刀刃切出的，它的形状简单，不参加齿合。

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正确的星轮齿形如图C所示。图中1为母线，2为包络面，3的形状比较复杂，本文称之为特形面。特形面的方程式及计算方法另行发表，更为重要的是：它参与齿合。众所周知，母线在整个啮合区内都是参与啮合的，包络面仅仅只是短时间内参与啮合。各种文献中一直认为星轮齿面上只有两个啮合区，本文首次披露单螺杆压缩机的直线包络啮合副有第三个啮合区——特形面3，它与螺杆之间是线接触，在半个啮合区内参与啮合（三个接触区有时同时参与啮合）。也正是它参与啮合，使单位接触线上的负荷减少，使星轮啮合面积大大增加，从而导致星轮寿命成倍延长。

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目前研制单螺杆压缩机的厂家主要使采用仿形法加工原始形星轮。以某厂1993年的产品为例，该厂集中了北京、四川等地长期事单螺杆压缩机研制工作的专家，其产品基本上代表了目前最高水平。它的星轮齿面留有一定余量，过盈装配后跑合至啮合副出现间隙。此时星轮左侧（参阅图C）仅特形面上有接触斑点，本来可以参与啮合而且面积更大的包络面2，由于认识上的不足而被切除了。右侧齿面仅包络面上有不足20%的接触区（母线在最低处），这样的星轮，当然不会有理想的工作寿命。

比较图a与图c的齿形，图a的左上角与右下角均多出了一部分，这就是产生“装配干涉”的原因。

综上所述，由于基础理论研究方面的不足，各研制单位未能掌握啮合副的正确形状与啮合特性。不了解啮合副的正确形状，当然不会有正确的加工技术和相应的工艺装备。不了解啮合副的啮合特性，使实际啮合区限制在狭小的区域内，星轮寿命当然缩短。这就是我国长期未能突破单螺杆压缩机技术的重要原因之一。

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要实现理论上的三线接触，必须要有高超的加工技术、高精度的工艺装备和相应的装配技术。有关高精度的工艺装备（含高精球面蜗杆的装配技术）见《压缩机技术》1994年第三期。至于解决加工技术，仅仅只是知道星轮齿形是远远不够的，必须深入研究啮合副几何理论特征与动态啮合特性，才有可能解决它的加工技术（含刀具），这一技术已在理论上取得突破，并在通用机床上作过切削实验，取得了比较满意的效果。齿形的理论误差能控制在微米级水平。待高精度工艺装备投入使用后，将会取得更加满意的结果。

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四、 结束语

单螺杆压缩机有CP、CC、PP、PC四种类型，这四种型式的单螺杆压缩机，其生产技术有许多共同之处，只要真正掌握了其中一种，其它类型就可触类旁通。例如节能效果最好的PC型单螺杆压缩机的螺杆专用机床和CP型螺杆专用机床极为相似（参阅《压缩机技术》1994年第3期），其啮合副也是轨迹型包络面，加工螺杆时都是采用刀具沿母线进给的回转车削方法；为适应切削过程中前、后角大幅度变化的情况，都采用端刃切削法。

单螺杆压缩机既是技术密集型又是劳力密集型的机电一体化产品，特别适于我国生产，中国人完全有能力打破国外的技术封锁，生产出能与国外产品竞争的单螺杆压缩机。

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摘自：《压缩机技术》1994年第4期（总126期）

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