单螺杆压缩机的开发应用与关键技术-行业资讯

产品概况螺杆压缩机是往复式活塞压缩机的换代产品，用螺杆取代活塞式压缩机是动力用压缩机的发展趋势。螺杆压缩机有双螺杆和单螺杆两种。双螺杆压缩机的全套技术我国已重复引进多套，但不是一流技术，例如齿形为第二代单边修正不对称摆线。也正是这个原因，外商与台商利用他们的第三代星型齿等技术优势抢占中国市场，目前国内厂家很难与他们竞争。单螺杆压缩机60年代由法国人辛麦恩发明，七十年代主要用作喷油压缩机，八十年代技术真正成熟后，其应用范围才日淅扩大。单螺杆压缩机虽比双螺杆压缩机问世晚数十年，但因性能优异而上升势头强劲，目前在国际市场上单、双螺杆约各占50%，大有单螺杆取代双螺杆之势。但由于国外拒绝向中国出售单螺杆压缩机技术，使单螺杆压缩机成为我国唯一未能引进的高档压缩机。 1、工作原理与特点单螺杆压缩机（见图1），主要由一个六头螺杆和二个十一齿的星轮及机体组成。结构简单，体积小，重量不到活塞式的1/6。螺杆转一圈有十二次吸、排气。螺杆高速运转时气流脉动小、排气量大。因星轮对称安装，螺杆受力完全平衡（见图2），所以运转平衡、振动小，噪声比双螺杆式低10dB以上，单螺杆不象双螺杆那样在有弯曲变形的情况下运行，因此可以在高压下工作，即使在一级压缩时也可达6.16Mpa，而双螺杆压缩机最高只能达到2.8Mpa；单螺杆比双螺杆节能，并且轴承尺寸不象双螺杆式那样受限制而寿命更长。压缩机高速运转时被压缩的气体会产生大量的热能，须喷油或喷其它液体（水、液态制冷剂等）冷却，单螺杆压缩机也因此分为喷油和无油螺杆压缩机在有弯曲变形的条件下运转不一样，单螺杆压缩机因螺杆受力完全平衡，能在很小的工作间隙下工作，因而泄漏小、容积效率高。喷油机在小间隙下工作时，油液所带来的粘性剪切损失会导致比功率的上升。我们研制的产品在达到小间隙下工作而具有高的容积效率的同时，具备了降低比功率的能力。无油和喷水单螺杆压缩机因为既能在小间隙下工作又有较小的粘性剪切损失而具有良好的节-能特性。 2、国外概况目前只有日、美、英、法和荷兰等国家在引进法国奥费尔公司技术的基础上生产单螺杆压缩机。 1）单螺杆冷冻（空调）机英国霍尔（Hall）公司将剖分式机体改成整体式，提高了整机的刚性与精度，设置进气线减少了油液的粘性剪切损失并提高了进气效率。所以生产的喷油单螺杆冷冻（空调）机其性能全面优于双螺杆冷冻（空调）机，但水平低于日本。日本大金公司生产的单螺杆冷冻机比该公司原生产的双螺杆冷冻机，满载时效率提高了25%，部分负载时效率提高了40%。八十年代，日本三菱公司创造了自己的高精度加工和装配技术，所生产的无油单螺杆冷冻（空调）机由于减少了油液的粘性剪切损失，比喷油单螺杆冷冻（空调）机节能5%，现在的水平又有了进一步的提高。大型无油单螺杆冷冻（空调）机的性能全面达到或超过了最节能但价格昂贵的透平式冷冻（空调）机，成为当代最好的冷冻（空调）机，也是冷冻（空调）机的发展方向，因而市场前景良好，目前仅日本能生产。由于其成本远低于透平式而售价却较高，所以单螺杆冷冻（空调）机附加值很高，经济经益和社会效益很好。 2）工艺用单螺杆压缩机由于单螺杆压缩机的综合性能，尤其是可靠性好、易于电脑控制等原因而特别适用于工艺流程，用于天然气集气、煤层除气、陆地注气、酸气压缩、燃气轮机增压、蒸气回收等和各种化工生产的工艺流程中压缩各种气体。目前仅美国德莱塞——兰德公司独家购买日本三井精机公司的螺杆、星轮组装整机，尽管售价高昂但仍供不应求，成为该公司的主导产品。 3）喷油单螺杆空气压缩机该产品是螺杆压缩机中产量最大，用途最广的产品，以日本三井精机公司水平最高。该公司从三十年代开始制造压缩机，七十年代引进了单螺杆压缩机后，研制了螺杆、星轮专用高精度机床，掌握了加工和装配技术，采用整机机体，产品用电脑控制。除生产单螺杆压缩机外，还向欧、美、日等厂家提供螺杆、星轮或主机供生产单螺杆压缩机。尽管喷油单螺杆压缩机在国际市场上的售价比双螺杆压缩机高，但仍占50%的市场。 4）喷水单螺杆空气压缩机随着医药、食品、电子、新材料及高科技产品等对压缩空气要求的提高以及环保意识增强，对无油空气压缩机的需求越来越大。喷水单螺杆压缩机因避免了油的污染，能提供清洁的压缩空气（空气中本来就含有水），同时大大减少了喷油所带来的粘性剪切损失，节能效果特别好；美国九十年代成立的格里迈而施密特公司所生产的喷水单螺杆压缩机一级压缩时比两级压缩的双螺杆压缩机节能20%。所以喷水单螺杆压缩机的需求量越来越大。美国海军对十几种压缩机进行了大量的实验论证后认为：单螺杆压缩机是潜水艇等舰船用最佳压缩机，对于高压、无油压缩机来说是唯一的选择。虽然喷水单螺杆压缩机的售价远高于喷油式，但经济效益、社会效益和市场前景都十分看好。由于各种用途的单螺杆压缩机都有卓越的性能，广阔的市场与良好的效益，收费高昂的单螺杆压缩机发明专利又已过期，所以一些国家正在加紧研制。 5）干式单螺杆压缩机这种单螺杆压缩机工作时不喷入任何液体冷却，所以只能用于低压，但具有喷液单螺杆压缩机的一切优点。主要应用于水泥、冶金、煤炭等行业输送粉状物料。为解决粉状特料的气力输送，我国从美国引进了滑片式压缩机成套技术，但实用结果表明这种压缩机能耗大、寿命短、故障多，运行费用与维护费用都较高。目前水泥行业已放弃了滑片式压缩机而暂用压力低的罗茨鼓风机代替，该风机无内压压缩、能耗大、噪声大，而单螺杆压缩机没有这些缺点。全国仅水泥厂就有8000多家，市场需求大。干式单螺杆压缩机因螺杆、星轮的成本高、而辅机比较简单（没有油气分离、油冷却等系统），产品的附加值不高。所以国外不生产这种压缩机，成为市场上的空白。然而我国生产这种压缩机仍然是有利可图的，而且没有竞争对手。 3、国内概况北一通是国内最早研制单螺杆压缩机的厂家，76年研制出样机，当时啮合副的寿命仅数十小时。该厂由于长期未能突破各项关键技术，曾经与美国CP公司达成引进单螺杆压缩机全套技术的协议，但后来美国单方面中止了合同。北一通仅得到产品样机与不齐全的图纸（缺最关键的螺杆与星轮图纸）。之后该厂又多方努力寻求引进，迄今毫无结果。温岭化工机械厂和苏北冷冻机厂先后与西安交大合作研制的单螺杆压缩机均由于长期未能解决啮合副的加工技术而放弃了研制工作。武汉空气压缩机厂和西安交大合作研制的压喷油单螺杆空气压缩机，为86年国家科委重点项目，此外七○四所舰船用喷水单螺杆空气压缩机系国防科工委重点项目，研制情况不明。国内其他单位得到北一通退休职工转让技术所生产的样机，其水平在北一通之下。关键技术单螺杆压缩机生产中最大的困难，即关键技术在于螺杆、星轮的参数设计及其优化，两啮合齿面的齿廓精度（加工精度和装配精度）。只要解决了这两个问题，就能大批量生产各种用途的单螺杆压缩机。 1、螺杆和星轮的参数优化星轮和螺杆啮合时，星轮的工作齿面在每一瞬时的共轭接触线，除了星轮的一条直母线q外，还有因二次包络而形成的另一条轭接触线。这些瞬时接触线在对应的星轮齿的有效转角φ范围内，形成一个连续的曲面S。曲面S的一半在母线q之上，另一半在母线q之下。但是曲面S的一大部分，只在某一瞬时，即某一转角φ时，实现螺杆和星轮的共轭接触。在之后（或之前），它却侵入了螺杆实体而发生实体干涉。因此，S曲面的这一部分是不可用的。曲面S的形状及特性和啮合副的参数设置有密切关系。因此我们面临了一个“最优化”的课题，它的“目标函数”是如何在有效转角范围内最大限度地令S曲面处在可用区间，以增加星轮齿侧曲面的啮合面积。从而有效地延长啮合副的寿命。关于上述共轭特性，我们建立了精确的数学模型，进行了大量的数值运算，并且将计算结果在UG环境下实现三维仿真。在屏幕的虚拟环境中可十分直观地观察到这一切。 2、高精度专用机床高精度专用机床是加工优质螺杆、星轮必不可少的设备，是整个项目的关键，也是国外对我国封锁的重点。虽然一些专家过去认为专机传动链精度要求太高，国内不可能达到。但是在当前数控伺服系统的广泛应用情况下，制造由最短的传动链和超高精度传动元件组成的专机是可以实现的。 3、刀具在国外直线包络是单螺杆压缩机的唯一型线。这种型线的螺杆齿面不可展，不能用磨削方法加工。因此采用指形铣刀作为粗加工，车削用于精加工，是唯一可行的加工方法。星轮的加工是我国二十多年来一直未能解决的问题。现在我们从理论和实践上解决了这一难题。在星轮设计中尽一切可能增加啮合副在整个啮合转角区间内的接触面积。我们按照计算得到的星轮齿面的三维坐标和它的一阶，二阶微分邻域特性，设计了高效率的剃刀，可以在没有理论误差的条件下，加工出精密的星轮齿曲面。 4、加工技术与装配技术加工技术是单螺杆压缩机技术的核心，掌握了它就能自行研制高精度专机而不必依赖进口。否则，即使有了高精度专机也不能生产高品质的压缩机。无论加工精度多高，如果不能正确装配，以前的一切努力将前功尽弃。加工与装配精度的高低集中体现在齿面啮合情况上。啮合副应在没有跑合的情况下，实现啮合区内的全部齿面同时啮合，每个齿面的啮合总面积不低于90%。产品的用途与市场单螺杆空气压缩机主要用于石油、化工、能源、交通、机械、冶金、矿山、建筑、医药、食品等领域。如气动工具、气动夹具、自动控制、精密测量、喷砂、喷漆、散状物料（水泥、煤粉、药粉等）的气力输送等。其中无油单螺杆压缩机因能提供洁净的能源而且节能，市场需求越来越大。工艺用单螺杆压缩机用来压缩除空气以外的各种气体，主要用于化工生产的工艺流程中。也用作煤气、天然气的输送等。单螺杆压缩机是冷冻（空调）机的最佳机种，在军事上如潜水艇和导弹发射等也有重要用途。在西方发达国家，螺杆式压缩机基本上取代了活塞式，市场占有率近80%，瑞典阿特拉司公司每年约生产双螺杆压缩机1.8万台，美国I-R公司每年约产0.9万台。国内1986年螺杆式仅为2%，近年来约占30%，因此市场潜力大。如前所述：外商、台商利用技术等方面的优势抢占中国市场，销售情况良好。而国内厂家则销售欠佳。由于销售情况是商业秘密，难于收集，但从生产能力可见一斑；新成立的柳州富达机械有限公司，（中意合资）年生产能力为：双螺杆压缩机0.5万台，产值逾2亿元。全国双螺杆空气压缩机的年生产能力估计在2万台以上。2002年上海复盛公司生产螺杆压缩机产值达1.5亿元，英格索兰空压机厂产值达5亿元，随着国家经济的迅速发展，单螺杆压缩机的需求量将会日趋增大。几点说明单螺杆压缩机是技术密集型兼劳动力密集型产品，国外在引进技术且外购螺杆、星轮的条件下生产整机也能盈利，我国用自己的全套技术生产，质量不低于国外水平、价格上有明显优势，一旦开拓了国际市场，产量与效益将更为可观，而且能带动相关产业，如：电子、仪表、电器的发展，此外，本项目的投产无污染公害。单螺杆压缩机有CC、CP、PP、PC四种类型，其中以最后问世的PC型最节能，被单螺杆压缩机的发明人誉为理想冷冻（空调）机，PC型的生产技术最困难，目前只有两家公司能生产该型空气压缩机。PC型的问世淘汰了CC型。此外，如果将CP型螺杆的外形由圆柱变为圆锥，将形成一种新机型。正象PC型优于CC型一样，新机型比CP型更节能。