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　　綜述了螺桿空壓機(jī)轉(zhuǎn)子端面型線的研究與發(fā)展?fàn)顩r, 分析了對端面型線的基本要求, 給出了設(shè)計新型線的一般步驟和方法, 并利用螺桿空壓機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)SCCAD, 設(shè)計了兩種性能優(yōu)越的螺桿空壓機(jī)新型線。

　　螺桿空壓機(jī)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 在國內(nèi)、國際市場上都具有很大的發(fā)展?jié)摿Αｋm然我國已擁有生產(chǎn)高質(zhì)量轉(zhuǎn)子的加工設(shè)備, 但要提高國產(chǎn)螺桿空壓機(jī)的性能水平和制造質(zhì)量, 關(guān)鍵是要提高設(shè)計技術(shù)。主要是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計技術(shù), 及與之相應(yīng)的吸排氣孔口設(shè)計、刀具刃形計算及轉(zhuǎn)子受力分析等技術(shù)。本文介紹了新型線設(shè)計和分析的一般步驟、方法以及用于新型線研究中的一些數(shù)學(xué)模型和程序, 還介紹了應(yīng)用這些方法設(shè)計的兩種性能優(yōu)越的新型線。
1. 對型線的基本要求及齒曲線的組合螺桿空壓機(jī)的功用是經(jīng)濟(jì)有效地壓縮各類氣體工質(zhì), 為此, 螺桿轉(zhuǎn)子型線應(yīng)滿足一般嚙合運(yùn)動的要求, 即相應(yīng)齒間曲線必須滿足齒廓嚙合的基本定律, 并按共軛條件求取已知曲線的共軛曲線。除此之外, 由于轉(zhuǎn)子端面型線還對螺桿空壓機(jī)的效率、體積及加工成本等方面有著決定性的影響, 因此無論是在新型線的設(shè)計過程中, 還是在分析比較不同的型線時, 都還要考慮如下幾方面的基本要求。
首先是對密封的要求, 即要求型線能使壓縮機(jī)有軸向和橫向的氣密性。具體說來, 除要求轉(zhuǎn)子接觸線連續(xù)外, 還要求泄漏三角形面積盡量小, 接觸線盡量短。而實(shí)際上, 這是一對相互制約的因素, 不可能同時達(dá)到最滿意的指標(biāo)。在設(shè)計型線時, 關(guān)鍵是要匹配好這兩者的關(guān)系。其次, 是要求型線有較大的面積利用系數(shù),這樣不僅機(jī)器的尺寸可以小一些, 而且單位容量的泄漏損失也要少一些, 可使效率相對提高。另外, 還要求型線流線化以減少氣體流動損失, 也要便于加工。盡管這些因素目前還不能定量計算, 也要在新型線設(shè)計中加以注意, 在不同型線分析比較中加以考慮。鑒于要滿足如上種種要求, 螺桿空壓機(jī)轉(zhuǎn)子的型線通常為多段曲線首尾相接組成。其中主要有擺線、圓弧、橢圓及拋物線等。一般來說, 采用擺線可有效減少泄漏三角形的面積, 但接觸線長度將增加。而采用圓弧則可使接觸線縮短, 但同時也增大了泄漏三角形面積。
在設(shè)計新型線時, 首先要根據(jù)對型線的一般要求和實(shí)際使用場合的特殊要求, 先初步選定一種或幾種曲線組成齒曲線, 然后通過計算其幾何特性值和預(yù)測其性能, 調(diào)整和優(yōu)化諸如齒數(shù)組合及型線結(jié)構(gòu)參數(shù)等, 最終即可獲得性能優(yōu)越的新型線。作為示例, 圖1 和圖2 示出兩種性能優(yōu)越的齒曲線, 分別稱為 X31 型線和X32 型線。
X31 型線是雙邊非對稱擺線- 橢圓包絡(luò)線。由于型線的前段無軸向氣密性要求, 從接觸線短、便于加工制造出發(fā), 取用橢圓- 橢圓包絡(luò)線。而型線的背段則著眼于減少泄漏三角形面積, 故采用點(diǎn)嚙合擺線, 這樣可望有效地降低軸向泄漏, 提高內(nèi)效率。另外, 型線的前后段間則用圓弧光滑過渡。X32 型線是單邊不對稱圓弧- 圓弧包絡(luò)線。由于所有組成齒曲線段均由圓弧及圓弧包絡(luò)線組成, 因而具有接觸線短的優(yōu)點(diǎn)。此外, 包絡(luò)型線上依次地連續(xù)接觸, 不存在泵吸現(xiàn)象, 又有利于保存油膜, 故對降低噪聲、改善接觸面上的潤滑特性均有益處。另外, 這種型線在組成齒曲線段連接點(diǎn)處均為光滑過渡, 亦有利于降低螺桿轉(zhuǎn)子的擾動損失。
2. 計算幾何特性值和初選型線結(jié)構(gòu)參數(shù)所謂螺桿空壓機(jī)轉(zhuǎn)子的幾何特性值, 是在端面型線計算結(jié)果的基礎(chǔ)上, 考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)(如長徑比、扭轉(zhuǎn)角)和孔口參數(shù), 進(jìn)一步計算諸如接觸線長度、泄漏三角形面積、面積利用系數(shù)、吸排氣孔口面積及基元容積的變化規(guī)律等幾何特性〔 1, 2〕 。在設(shè)計或分析新型線時, 可通過比較型線的幾何特性值, 來初步判定型線的好壞或初定型線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。另外, 幾何特性值的計算也是螺桿空壓機(jī)工作過程模擬和性能預(yù)測的基礎(chǔ)和前提。
表 1 給出了具有相同理論容積、相同組成齒曲線(X31) , 但齒數(shù)組合不同的型線的幾何特性值。從中可以看出, 隨著齒數(shù)的增多, 接觸線長度和排氣孔口面積均增大, 而面積利用系數(shù)和泄漏三角形面積則有大有小。比較這幾種齒數(shù)組合的幾何特性值可以判定, 陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 6、陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 7 的方案除具有排氣孔口面積稍大及齒形剛度較好的優(yōu)點(diǎn)外, 于其過長的接觸線、過大的泄漏三角形面積和過小的面積利用系數(shù), 效率肯定不高, 故可以盡早排除這一方案。剩余的幾個方案由于它們在不同方面各有優(yōu)勢, 故還很難判定哪種更好一些, 還有待通過預(yù)測其性能后取舍。除了齒數(shù)組合外, X31 型線另外兩個對壓縮機(jī)性能有重大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)是齒頂高H和齒高半徑R。H 的取值直接關(guān)系到泄漏三角形面積的大小, 而R 則直接影響到面積利用系數(shù)。研究表明, 增大H 和R 都會使面積利用系數(shù)增大, 但同時亦增大了泄漏三角形面積, 在通過計算不同R 和H 下的幾何特性值, 確定了它們的大致范圍后, 還有待通過性能預(yù)測程序優(yōu)化這些參數(shù)的最后取值。
對于 X32 型線, 亦是通過幾何特性值計算, 初步確定了各圓弧半徑的取值范圍。研究結(jié)果表明, gh 圓弧半徑R 6 和alb 圓弧半徑R 7 變小時, 能有效減少泄漏三角形面積; 但同時又使接觸線增長, 必須合理匹配泄漏三角形面積和接觸線長度之間的關(guān)系, 才能最終確定R6、 R7的最優(yōu)取值。
齒數(shù)
陽轉(zhuǎn)子 陰轉(zhuǎn)子
接觸線長度
(mm)
泄漏三角形
面積(mm2)
面積利用
系　數(shù)
排氣孔口
面積(mm2)
4 5 349 0 . 538 0 . 434 2213
4 6 369 0 . 528 0 . 441 2237
5 5 402 0 . 548 0 . 429 2570
5 6 423 0 . 534 0 . 436 2574
6 7 530 0 . 604 0 . 388 2971
　　3. 空壓機(jī)性能預(yù)測和型線參數(shù)優(yōu)化螺桿空壓機(jī)的性能預(yù)測, 就是在前述幾何特性值計算的基礎(chǔ)上, 利用工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)的知識, 全面考慮壓縮機(jī)中的各種泄漏、流動阻力等損失, 建立壓縮機(jī)從開始吸氣到排氣過程結(jié)束的整個工作過程的數(shù)學(xué)模型,然后采用合適的算法, 利用計算機(jī)來求解此模型, 得到基元容積內(nèi)壓力、溫度、質(zhì)量等隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的微觀特性及排氣量、軸功率、絕熱效率、容積效率等宏觀性能〔 3〕 , 從而能定量比較不同型線的容積效率、絕熱效率等性能指標(biāo), 實(shí)現(xiàn)
型線結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化, 并針對具體情況設(shè)計出性能最佳的型線。
有了上述正確的性能預(yù)測程序和前述的幾何特性值計算程序, 就可計算具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的型線性能, 并在此基礎(chǔ)上最終選定能獲得最好性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)然, 最后確定結(jié)構(gòu)參數(shù)時, 還要考慮到有關(guān)程序中沒有計及的因素, 如轉(zhuǎn)子剛性、加工成本等。按上述方法, 對X31 和X32 型線的齒數(shù)組合和有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化, 最終得到了性能較好的X31A 和X32A 新型線。其主要結(jié)構(gòu)
參數(shù)和幾何特性值如表2 所示。作為對比, 還計算了國家標(biāo)準(zhǔn)JB2780- 79 規(guī)定的單邊不對稱擺- 銷齒圓弧型線(簡稱國標(biāo))的幾何特性值。圖 3 示出不同型線的螺桿空壓機(jī), 以不同陽轉(zhuǎn)子齒頂速度運(yùn)行時的模擬計算結(jié)果, 從中可以看出, 兩種新型線效率均比國家標(biāo)準(zhǔn)型線高, 且在低的齒頂速度時更為明顯, 表明這兩種新型線特別適合于小型螺桿空壓機(jī)中。圖 3 中數(shù)據(jù)表明, 和常用的國家標(biāo)準(zhǔn)型線相比, X31A型線的容積效率 Gv 提高 3～ 9% , 絕熱效率 Gad提高 5～ 12% , X32 型線的 Gv 提高 2～ 7% , Gad提高 4～ 10% , 若再考慮到在兩種新型線中都去除了尖銳邊緣, 能減少流動阻力和減少擾動損失, 其效率可能還要更高一些。
　　4. 螺桿空壓機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng) SC2CAD如前所述, 在螺桿空壓機(jī)新型線開發(fā)過程中, 需要定量計算特定型線的幾何特性值、并在此基礎(chǔ)上模擬新型線螺桿空壓機(jī)的工作過程。顯然, 這些工作用傳統(tǒng)的螺桿空壓機(jī)設(shè)計方法是不能完成的。經(jīng)過多年努力, 西安交通大學(xué)成功地開發(fā)出了一套完整的螺桿空壓機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)SCCAD〔 4〕 , 解決了這類壓縮機(jī)設(shè)計中存在的一系列難題。首先, SCCAD 系統(tǒng)提供
表 2　不同型線的幾何特性值和結(jié)構(gòu)參數(shù)型線
幾 何 特 性 值 主 要 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù)
接觸線
長度mm
泄漏三角
形面積mm2
面積利
用系數(shù)
排氣孔口
面積mm2
齒　　數(shù) 直　徑　mm
陽轉(zhuǎn)子 陰轉(zhuǎn)子 陽轉(zhuǎn)子 陰轉(zhuǎn)子
長度
mm
X31A 340 . 3 0 . 540 0 . 435 2231 4 5 105 89 129 . 4
X32A 421 . 5 0 . 489 0 . 390 2722 5 6 105 86 144 . 3
國標(biāo) 444 . 8 0 . 146 0 . 469 2475 4 6 105 96 120 . 0
不同型線的容積效率及絕熱效率比較了多類各具特色的轉(zhuǎn)子型線供用戶選擇。用戶可按具體要求, 選擇型線的種類和型線參數(shù)(如齒數(shù)組合、齒高半徑、齒頂高等)。當(dāng)然, 利用SCCAD 系統(tǒng)還能設(shè)計和開發(fā)其它的專用型線,如無油螺桿空壓機(jī)專用型線、制冷螺桿空壓機(jī)專用型線、微小型螺桿空氣壓縮機(jī)專用型線等等。特別值得指出的是, SCCAD 系統(tǒng)不僅能快速地生成各類型線, 還能通過系統(tǒng)中的“幾何特性值計算”、“工作過程模擬”和“轉(zhuǎn)子受力分析”程序, 定量地分析和評價所設(shè)計型線的熱力性能和動力特性。通過調(diào)整型線參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù), 可使所設(shè)計的壓縮機(jī)具有優(yōu)越的性能。另外, SCCAD 系統(tǒng)中的刀具和刃形計算, 能合理地分配陰陽轉(zhuǎn)子間的間隙, 并獨(dú)到地處理刀具刃形計算中常常出現(xiàn)的干涉和斷點(diǎn)問題,得到光滑過渡的刀具刃形。
5. 結(jié)論
1. 研究結(jié)果表明, 通過建立轉(zhuǎn)子幾何特性值和空壓機(jī)性能預(yù)測模型和程序, 能夠?qū)Σ煌�型線、不同齒數(shù)組合和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的新型線進(jìn)行分析和設(shè)計。提供了針對壓縮機(jī)使用場設(shè)計最佳型線的可能性。
2. 計算結(jié)果表明, 設(shè)計的兩種新型線比傳統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)型線效率提高5～ 10% , 特別適用于小型螺桿空壓機(jī)中。