浅谈螺杆压缩机

浅谈螺杆压缩机用可靠性高的螺杆式压缩机取代易损件多、可靠性差的活塞式压缩机，已经成为必然趋势。日本螺杆压缩机1976年仅占27％，1985年则上升到85％；目前西方发达国家螺杆压缩机市场占有率约为80％，并保持上升势头。螺杆压缩机具有结构简单、体积小、没有易损件、工作可靠、寿命长、维修简单等优点。螺杆压缩机有双螺杆与单螺杆两种。一、双螺杆压缩机双螺杆压缩机的两个螺杆实际上是一对斜齿轮，其齿形对能耗有重大影响。齿形除满足共轭条件和便于加工外，尚须具有良好的轴向和横向气密性和较大的容积(为了获得较大的排量)以及较大的排气口(为了降低气流速度)等。齿形主要由摆线、圆弧等组成。齿形的改进大致经历了三代(图1)。第一代为对称型。第二代是以X型为代表的非对称型。第三代齿形的特点是使对称型和非对称型齿形参数和材料强度的潜力接近极限，其中最突出的是德国凯瑟公司的5∶6星型齿，打破了传统的4∶6齿数比，比第二代齿形节能10％左右。图1我国在齿形的研究方面虽有长足的进步，但仍然依赖引进。无锡压缩机厂1983年引进了阿特拉斯公司的X齿形，生产LGD系列喷油压缩机；1994年又从神钢引进α齿形，生产AL系列干式压缩机。柳州与意大利合资引进了星型齿轮，生产LU系列喷油压缩机。部分国产双螺杆压缩机参数见表1。表1部分国产双螺杆压缩机参数生产厂型号容积流量m3/min工作压力MPa电机功率kW冷却水量l/min噪声dB(A)外形尺寸(长×宽×高)mm重量kg无锡AL132X20.10.713218378±61950×1300×15402600ZL150X22.1816020878±62700AL180X29.3718525877±62350×1550×3700AL220X34.8522030878±618504200LGD-317-X3.40.722≤16.770±31450×835×1075900LGⅡ12B-6/7-D6.3645≤6073±32450×1100×12501100LGⅡF12B-3/7-D3.430风冷73±32300×1100×12501050LGⅡF12-7/7-D7.325573±32450×1100×16001200柳州LU710-22A3.40.722风冷75±31050×950×1498550LU910-37A6.13777±31450×1050×1640720LU910-75A12.27580±31700×1250×19601200LU1000-132A2213282±32280×1200×17702800LU2000-160A3016082±33150×2000×21004000LU2000-250A43.225082±33150×2000×21005000螺杆压缩机的寿命主要受轴承限制，国外双螺杆压缩机采用特定轴承，可运行3万小时大修。美国寿力公司声称他们的产品10万小时大修。二、单螺杆(蜗杆)压缩机单螺杆压缩机(图2)的螺杆同时与2个星轮啮合，既使排量增加一倍又使螺杆受力完全平衡，从而具有一系列优点：1.螺杆2.星轮3.主轴4.排气孔口5.吸气腔6.机体图2①螺杆没有弯曲变形、振动少、噪声低。②可以在高压下工作，例如：美国德莱赛.兰德(简称D.r)公司80年代末期研制的单螺杆工艺压缩机在一级压缩的条件下就能达到6.16MPa。③啮合副可以在很小的间隙下工作以减少泄漏，并且余隙容积为零因而容积效率高、能耗低。目前单、双螺杆压缩机在喷油压缩机方面的能耗指标相当，而在无油压缩机中，因粘性剪切损失大幅度降低等原因，其节能优势明显：90年代的大型无油单螺杆冷冻机的各项性能已全面达到或超过了最节能的透平式冷冻机，成为当代最好的冷冻压缩机；美国格里迈尔*施密特公司声称，他们的喷水单螺杆压缩机，即使在一级压缩的条件下也比两级压缩的双螺杆压缩机节能20％(还节省了一台压缩机及其占地面积，减少了维护费并提高了可靠性)。④由于轴承受力小，且轴承尺寸不像双螺杆那样受限制，即使采用标准球轴承寿命也达5万小时，用圆锥滚子轴承时为10万小时，整机的“免维修”时间亦为5～10万小时。单螺杆压缩机与活塞压缩机、双螺杆压缩机的性能对比见表2、表3。单螺杆压缩机虽比双螺杆压缩机问世晚，但因性能优异而上升势头强劲，目前国际市场上，单、双螺杆压缩机平分秋色。表2低压空压机比较(摘自美国海军资料)项目活塞压缩机单螺杆压缩机特性排气压力MPa0.8750.875排气量m3/min5.665.66比功率kW/(m3.min-1)7.116.32体积m33.962.40重量kg16871497运动零件件数603可靠性指标平均修理时间h3.00.8最大修理时间h7.03.38平均预防性维护时间h/月1.50.02最大预防性维护时间h/月2.50.04平均故障周期h60007239表3单、双螺杆压缩机比较(摘自美国CP公司资料)比较项目单螺杆压缩机双螺杆压缩机力的平衡性作用力完全平衡，轴承各部件寿命长，机器寿命长作用力不平衡，轴承及机器寿命受到影响噪声水平运行较安静比单螺杆高10～15dB(A)维修性可现场维修需熟练工人或制造厂维修运行温度运行温度低，油温度较低，零件寿命长比单螺杆排气温度高16℃传动方式直接传动、无齿轮有齿轮传动功率损失与故障摩擦情况摩擦力小、效率高、运行费用低效率较高、运行费用较高日本三井公司是世界上生产单螺杆压缩机的著名厂家，其早期产品情况见表4。近年来的新产品在相同的电机功率下增大了排量，改剖分式机体为整体式，实现了电脑单控或群控。D.r公司独家生产的工艺压缩机见表5。国内1975年开始研制单螺杆压缩机。星轮齿形对啮合副寿命有重大影响，国内专家认为星轮的齿面是螺杆的包络面(图3)，只能用滚刀加工；包络面与螺杆间共有两条啮合线。20多年来始终未能解决滚刀的制作技术，只能用仿形法近似地加工包络面，加工精度低。我们用数字模型来研究啮合副的滚切过程，发现星轮的齿面可以由包络面与特形面组成，齿面间除包络面上的两条啮合线外，尚有特形面上的另一条啮合线，特形面也因此称为第三啮合区，即齿面间同时存在三条啮合线。由于第三啮区的存在，星轮的实际工作齿面比包络面增大5倍，降低了单位啮合线上的负荷，使啮合副在相同的精度条件下提高寿命6倍以上。这不仅是啮合理论上的重大突破，研究方法也比国外的试验法先进、精确，并且成功地解决了这种三啮合区齿廓在大批量生产条件下的高精度加工技术(含星轮刀具)，因而具有实用价值。图3表4三井单螺杆压缩机主要参数型号容积流量m3/min工作压力MPa电机功率kW转速r/min冷却方式外形尺寸(长×宽×高)mm总重量kgZ-085AZ-086A1.00.77.53100空冷1050×750×1075315Z-115AZ-116A1.51144001050×750×1075330Z-155AZ-156A2.015ZM192.60.718.52950水冷1320×940×1440590ZM223.22235501320×940×1440590ZM304.63029501410×1100×1610765ZM375.63735501410×1100×7651610PZM45-W57.04529502000×1040×18201600PZM55-W68.55535502000×1040×18201600PZM60-W510.06029502100×1160×19502350PZM75-W512.07529502100×1160×19502350表5美国D.r公司TVC工艺用单螺杆压缩机参数排量m3/min(3600r/min)单级双级许用最大工作压力2.49MPa3.85MPa6.16MPa2.49MPa6.16MP4.047————TVC15HP————6.34——TVC17TVC17HP————8.46TVC19TVC19DTVC19HP————12.14TVC22TVC22D——TVC2215TVC2215HP16.22TVC24TVC24D——TVC2417TVC2417HP23.6TVC27TVC27D——TVC2719TVC2719HP31.05TVC30TVC30D——————理论上星轮有三个齿同时参与啮合，每个齿上又有三条啮合线，要实现三齿、三线啮合，必须用高精度专用机床加工螺杆和星轮，在星轮齿数∶螺杆头数为11∶6的条件下保证传动链误差≤15″(角秒)，这是相当困难的。我们已研制成功了能满足上述加工要求的专用机床。用该机床加工的具有三啮合区的啮合副用于3m3/min单螺杆空压机，经国家压缩机质量监督检验中心等单位检测后证明：容积效率比国外同类产品高5％，运转时间比国外验收标准长5倍也未发现排量下降。单、双螺杆压缩机辅机系统相同，其区别仅在于主机不同。如前所述，螺杆压缩机的主机寿命取决于轴承，主机的大修主要是更换轴承，国产双螺杆主机大修周期约为2.5万小时。螺杆压缩机有完善的控制系统和保护系统，能在无人值守的情况下自动运行，有的已实现了电脑控制，电路部分的故障较少。由于螺杆压缩机不允许反转，因此有的压缩机在电路中设有防逆转装置。当接上电源后压缩机不能运转时，可能是电源的相位不对，只需调换三相电源中的任意两相接头即可。因单螺杆压缩机振动小，无需良好的地基和固定，可随意移动工作地点，因此单螺杆压缩机多数带有防逆转装置，而双螺杆压缩机安装时往往需试测电源的相位!油、气系统中，通常每三个月或运行500小时应检查或清洗冷却器、油过滤器和空气滤清器。每年或运行1000小时换油及油过滤器，当油气分离器滤芯压降超过0.1MPa时亦应更换，此外尚需及时更换失效的密封件(密封环、O形圈等)。