某厂单螺杆压缩机的研究与应用

　　通常齿形的加工有粗、精两道工序。我们设计的粗加工工艺是用盘形（或圆柱形）铣刀沿母线走刀的方式进行，走刀时刀具轴心线与工件平面间的倾角也连续不断地变化，铣刀的移动和偏转运动由数控系统或凸轮控制。每加工完一个齿后分度，再加工下一个齿，这种方法称为仿形法。目前多数企业将仿形法作为星轮的精加工工艺，这样虽然成本低，但齿形误差大、星轮寿命短，比功率也较大。实际上我们采用注塑成形的星轮毛坯，省去了粗加工而直接精加工。我们是世界上**个使用注塑成形生产星轮的企业。

　　理论上星轮的精加工应由滚刀滚切完成。研究螺杆与星轮的啮合过程时发现：星轮的包络面只在螺杆的喉部（螺杆齿槽的*深部位）参与啮合。如果把啮合过程中的螺杆视作滚刀，星轮视作工件，则啮合过程可视作星轮的滚切过程；在啮合过程中包络面参与啮合的部位就是滚切过程中的滚切部位。由此可以得出结论：滚刀只在喉部参与切削，即滚刀可以做得很短，只有喉部这一段。这不仅大大降低了制作滚刀的难度，也令原来需要同时滚切星轮的3个齿变为只滚切一个齿，滚切力降低为原来的三分之一。但是，短滚刀的刀刃藏在齿槽的深处，而且仍然是不能磨削的不可展曲面；为此将短滚刀沿齿槽中线分成左右两半，令短滚刀变成两片铣刀；每个刀刃都在铣刀的端面，便于磨削和检测。在左右铣刀之间增加调整垫片，令铣刀可以多次修磨重复使用。

　　六头螺杆成了6齿铣刀后，令每个齿仅切削六分之一的齿长，切削力又可降低6倍。铣刀是根据啮合副的啮合特征设计的，结合包络面的几何特征，我们又设计了性能比铣刀，更好的G刀。为了帮助国内其它企业提高水平，1996年我们在《流体机械》上首次公开发表了铣刀的设计原理，受到了编辑、读者和专家们的高度评价。目前国内有的企业声称已开始采用铣刀。

　　2有3条接触线的新齿廓与非等宽齿研究星轮的啮合过程时产生了一个猜想：星轮齿面上有三条接触线，整个齿侧面都能参与工作，如果该猜想成立，星轮的有效工作齿面将扩大6倍，其寿命至少也提高6倍，啮合副的密封性也将大幅提高。后来，经过严谨、反复地论证，终于将猜想跃升为理论。很快又在YG3780机床的基础上顺利地完成了高精度专用机床传动方案的设计。至此，我们用了不到一年的业余时间，不仅完成了单螺杆压缩机全部关键技术的突破，而且在齿廓研究方面有所超越。但是，当时受单螺杆压缩机专家必须引进技术的权威论断等因素的影响，人们对我们的技术不信任。如：1988年某单位委托我们完成两副单螺杆啮合副的加工任务，尽管我个人愿意承担失败的一切责任，但企业领导以完不成军工任务领导也要坐牢为由而拒绝。

　　有了投资后，1994年我们利用一台国产单螺杆压缩机成功地验证了这种新齿廓。同年我们《压缩机技术》上报导，也是世界上首次公开报导了这种齿形的存在。1998年在广东省科委主持的新产品鉴定会上，专家们亲自用接触斑点法反复地检验、沉思后才确认了这种新齿形的存在。样机测试所表现出的容积效率、比功率等压缩机主要技术性能指标都比老机型提高10%以上，与会专家对这种新齿形给予了高度评价。新齿廓从建立理论到实践证明，由于资金的限制耗费了宝贵的10年不仅可惜，还为外资双螺杆压缩机大量涌入国内市场提供了契机。

　　按传统设计，螺杆直径和星轮直径相等。然而我们的研究表明：增大星轮直径能增加压缩机的排量20%以上，而能耗和泄漏量都没有相应地增加。这将导致压缩机比功率的下降和星轮寿命的进一步提高，具有节能和长寿的效果。据此，我们申请并获得了能增大星轮直径并提高星轮托架刚性的非等宽齿技术的国内外专利。

　　在我们2000年承担的国家创新基金长寿节能单螺杆压缩机，项目中，应用三接触线！和非等宽齿技术生产的产品经国家验收组检测，压缩机的各项经济技术指标都优于合同规定值，能效指标比功率比当代国际*高水平的单螺杆压缩机小0 4 Kw /（m 3 /m in），容积效率高2% .国家创新基金项目的顺利验收，得到了院士们的高度评价，认为我们用全套自主的技术，生产出世界上*节能的单螺杆空气压缩机，为中国人争了光。这台压缩机在用户处使用了1万多小时后的检测表明：星轮磨损量仅为2 3 m，整机的容积效率未测出变化。我们将新技术应用于单螺杆压缩机的批量生产之中，在压缩机性能及星轮寿命等方面都取得了较满意的效果：

　　（1）顺德某著名日资企业于2001年采购了2台我们的压缩机，使用了两年后，由于要优先使用节能设备，他们对其所使用的每台压缩机的耗电情况进行了跟踪统计，结果是正力的2台压缩机*省电，其次是同期购买的日本制造的单螺杆压缩机。这种日方自己承认中国的产品优于日本原产地产品的态度，既少也不容易。

　　（2）广州某企业采购了一台美国品牌的双螺杆压缩机后，因排气量不足而无法满足生产使用要求，后来采购了一台同规格的正力压缩机，结果不但气量完全满足用户生产要求而且能耗还低。该美国品牌的广州办事处经理知道此事后认为用户反映情况不真实，于是亲自带人用自己的装置实地测试了2台机，结果他不得不承认了正力压缩机更节能（比功率低）的事实。

　　（3）小排量压缩机的星轮寿命是比较容易保证的，对星轮寿命的真正考验要看在大排量压缩机上的表现。2003年某汽车厂采购了我们一台40 m 3 / m in的压缩机作为主力机，每天运转2班，至今已经使用了7年，运转一直正常。正力在用户处连续使用超过5年或3万h无需维修机头的空压机，占同期出货量的98%左右。

　　3创造性的新齿形加工工艺1989年查谦开始学习相关的基础理论知识和齿轮刀具、量仪等专业知识，参与新齿形的实验和在金良治先生的指导下完成了螺杆专机的总装等工作后，完成了新齿形计算机编程和新齿形的滚切工艺及其刀具等工作。

　　G刀是长滚刀缩短后的结果，而要加工的新齿形需要长滚刀。武汉空压机厂用部份滚刀为10小段的方法研制的长滚刀，在实际使用时因切削刀过大而导致工艺系统剧烈振动和机床闷车而未能成功。我们采用的是介于长滚刀与G刀之间的刀具切削新齿形，比我们原来准备使用和国外正在使用的粗、精两道工序技术要先进。正力是目前世界上**掌握这种先进切削技术的企业，也是目前国内**采用三线接触齿形的企业。目前查谦正在研制能自动调刀且能提高齿形加工精度的数控星轮刀具，为研制全自动五轴联动的数控星轮专机作准备。

　　4单螺杆专机的传动方式与传动链单螺杆压缩机啮合副的精度要求对专机的设计有重大影响，不同的精度要求会有不同的专机设计方案。

　　有的专家认为单螺杆压缩机工作时螺杆啮合副之间有一层较强承载能力的油膜，因此星轮会永不磨损且啮合副不必有高的精度要求。动力用球面蜗杆副之间确有承载能力较强的油膜存在，但在单螺杆压缩机中星轮的包络面约为1 mm，如此小的工作高度所产生的油膜，其承载能力极弱。如果螺杆的精度低，星轮在高速工作时会因运转不平稳而在螺杆齿槽内来回冲撞，这种剧烈的冲撞不是该油膜所能承受的。浮动星轮因降低了这种冲撞的烈度而提高了星轮寿命的事实，说明了油膜承载能力的有限。

　　为减小星轮工作时的冲击，螺杆专机应该采用*平稳的传动方式。传动不够平稳的齿轮应该尽量不用。单螺杆压缩机发明人辛麦恩花费数十万美元研制的全齿轮传动专机，他自己也认为毫无成效，就是较好的证明；国内则有更多类似的例子。

　　YG3780型高精度蜗轮母机是我国科技工作者数10年奋力攻关、不断优化的成果，其传动链非常合理。金良治先生利用该机床研制的高精度球面螺杆副居世界**水平而荣获国家科技进步一等奖是一个很好的证明，也促成了单螺杆专机传动方案的设计：在YG3780传动链基础上用高精度球面蜗杆副取代圆柱蜗杆副；用加大刀架蜗杆副传动比的方法减小整机传动链的传动比；增设消除传动链间隙的阻尼机构和必要的进给系统等。该设计方案受到了机床专家的高度评价，有人称这种有中国特色的专机为中国专机。后来重庆机床厂将这种传动链申请了专利。

　　用数控技术来生产专机也是我们当初考虑的主要方案，在数控技术水平有了长足进步的今天，用数控来解决传动链精度主要有二种方法：用伺服电机直接驱动主轴，称为零传动或电子主轴。这种传动在小模数的仪表滚齿机上比较成功。国内曾有企业将零传动用于研制单螺杆专机，但因传动链刚性不足而失败。刚性不足的原因是伺服电机的扭矩偏小。为了放大扭矩可以采用高精度蜗杆副减速，但不宜采用齿轮减速。实践证明高精度蜗杆副减速比齿轮减速的精度高、传动更平稳。综上所述，高精度蜗杆传动副是研制单螺杆压缩机专用机床的*佳选择，该*佳仅指代表螺杆或星轮回转运动的主传动链；至于对加工精度影响不大的进给运动则可以选择其它的传动方式，如数控就较好。所以单螺杆专用机床仍然可以是多轴联动的数控专机。

　　由于蜗杆副直接驱动螺杆和星轮主轴，蜗杆副的精度、传动效率和寿命就决定了整台专机的精度（含精度的保持性、热稳定性等）、传动效率和寿命等；蜗轮的转速决定主轴的转速和专机的生产效率。可以说：专机的研制就是高精度高性能蜗杆副的研制。

　　5环面蜗杆副的新进展环面蜗杆副有多种，能制成高精度的目前仅有直廓环面蜗杆副和平面环面蜗杆副两种。前者俗称球面蜗杆副。球面蜗杆副在承载能力、传动效率、蜗杆转速和精度保持性等方面均优于平面环面蜗杆副，而且后者受齿顶变尖的限制不宜制成多头的。

　　因此，荣获国家科技进步一等奖的高精度球面蜗杆就成为中国专机的必然选择。中国专机尽管受到了机床专家们的高度评价，但它的缺点也十分明显：主轴的*高转速约为世界先进水平的1 /4.

　　这对本来成本就比双螺杆压缩机高的单螺杆压缩机来说是很不利的，而且精度也不理想。然而提高转速所需要的多头、更高精度的球面蜗杆副目前尚无任何企业能承担。我们因此只能自行研制蜗杆转速提高一倍以上的五头球面蜗杆副，主轴的*高转速是原来的10多倍，是国际先进水平的3倍。多头数往往意味着降低精度，然而我们却要在增加头数的情况下提高精度。能提高精度的原因是多方面的：无论蜗杆还是蜗轮的加工均采用了多种特殊的先进技术。仅以蜗轮的齿形精度为例，原专机中的蜗轮是用直刃飞刀加工的，所得到的蜗轮齿面是直线的轨迹面，与包络面相比，齿面上尚有较多应切除的余量，这些余量不仅是齿形误差，而且蜗杆必须挤开这余量才能到达正确的工位。球面蜗杆副的精确装配本来就很困难，过盈装配就更困难。这些因素的影响是专机精度不理想和转速低的重要原因之一。我们用齿形精度高的G刀！加工蜗轮，不仅能保证蜗杆能无障碍地进入正确工位，而且令每个工作齿的啮合区（接触斑点）扩大一倍以上；令蜗杆的工作齿数由5个增加到8 9个。这样，既提高了蜗杆副的传动精度，为啮合副在高转速下保持精度的热稳定性、长寿命地工作、也为研制性能卓越的高效中国专机创造良好的条件。

　　6新型圆柱螺杆副与高精度蜗（螺）杆磨床

　　6 1现有的圆柱螺杆副圆柱蜗杆副有阿基米德型（ZA）、法向直廓型（ZN）、渐开线型（ZI）、锥面包络型（ZK）和圆弧（ZC）五种。其中前4种因加工蜗杆的刀刃为直线而称为直纹蜗杆副；磨削ZC型蜗杆的砂轮其轴截面形状为圆弧，称圆弧圆柱蜗杆副，为德国尼曼教授发明，亦称尼曼蜗杆副。我国从上世纪60年代初开始引进、研究和实验圆弧蜗杆副，60年代末完成了ZC型减速器的系列化设计并广泛应用。迄今，国内经过数十年的研究与实际应用，证明它比直纹圆柱蜗杆传动承载能力高1倍左右，传动效率高5% 15%，性能稳定、寿命长，是著名的重载高效圆柱蜗杆副。其传动效率略高于球面蜗杆副和平面二次包络环面蜗杆副，是现有圆柱蜗杆副中综合性能*好的，在高速轻载下工作时齿面间能形成润滑油膜。

　　但是ZC型圆柱蜗杆也有它的缺点：（a）必须采用较大的径向正变位才有较好的传动质量，然而这又带来啮合区变小、重合度下降、蜗轮齿顶变尖等缺点。（b）决定齿形的圆弧半径R宜取较小值可以提高承载能力，然而受齿顶变尖等各种因素的制约只能取较大值。（c）当蜗杆与蜗轮齿面间有一层油膜将两者完全分开，借助润滑油膜的压力来平衡外载时，油膜分子间的摩擦代替了两齿面间的直接接触摩擦。因而摩擦阻力低、传动效率高、性能稳定寿命长。根据弹性流体动力润滑理论，影响蜗杆副油膜形成的主要因素是沿齿面接触线法线方向速度和的大小，该速度和亦称带油速度。带油速度越大润滑状态越好，带油速度等于零的点称为润滑弱点。由一系列润滑弱点形成的轨迹称为润滑弱点轨迹。

　　包括ZC型在内的现有各型圆柱蜗杆副的齿面上都不同程度的存在该轨迹，从而导致传动效率低、齿面易磨损、甚至发生胶合破坏。各种类型的圆柱蜗杆副都可以制成双导程的。

　　双导程蜗杆齿的两个侧面，其导程有适量的差，使蜗杆的齿厚从一端向另一端逐步均匀地变大，因此亦称变齿厚蜗杆。新蜗杆用齿厚较薄的部位，使用过程中齿厚因磨损变小而产生啮合间隙时，移动蜗杆至较厚的部位工作，达到减小啮合间隙的目的。与中国专机相比可省去阻尼装置及其能耗、简化机床结构。

　　6 2新型圆柱蜗杆传动及其工艺装备上世纪70年代国内外学者开始研究双圆弧圆柱蜗杆传动。国内有人试制、实验和测试这种传动副，理论和实践都证明，双圆弧圆柱蜗杆传动可以较好地克服ZC型的前述缺点：在不进行径向修正的情况下也能提高承载能力和传动效率，进行正或负移距修正还都能进一步提高传动质量（但以正移距修正为好）；能排除润滑弱点轨迹；综合性能相当优越，然而30多年后的今天，任何国家都没有这种产品问世，原因是节圆附近需设置沟槽或凹陷区，从而降低了传动质量。

　　单螺杆项目因资金而搁置后，我们开始研究双圆弧圆柱蜗杆传动。经过10多年断断续续但从未放弃的研究，1999年我们终于找到了克服这个缺点的齿形。

　　由于YG3780高精度蜗轮母机可以解决批量生产这种新型蜗杆副的蜗轮，我们只须解决蜗杆的高精度磨床就能批量生产这种新型蜗杆副。蜗杆质量指标的关键项目只有两个：齿形和齿距精度。由于蜗杆磨床的数控系统通常都能补偿滚珠丝杆的螺距误差，所以工件的齿距误差可以确保。齿形精度（含粗糙度）主要由砂轮的修整精度和工件磨削转动时的平稳性来保证。

　　尽管各种蜗杆的齿形与双螺杆压缩机的齿形有很大的差别，但是任何形状的螺旋槽都用同样的方法无瞬心包络法磨削，其特点是：磨削时砂轮工作表面与槽的接触线是一条空间曲线，砂轮的形状与槽形不一样，而是槽形的包络面，包络面的形状常用计算法求解。磨削时由于不断地修整，砂轮的直径以及砂轮轴心线与工件轴心线的距离（中心距）都会变小。在中心距变化的情况下，为保证工件的齿形不变，砂轮的形状也要相应变化。所以砂轮的修整与双螺杆磨床一样，由两轴联动的数控系统完成。关于砂轮形状的计算，在多种版本的齿轮刀具设计和齿轮啮合原理，教材中均有无瞬心包络法的计算原理与方法的介绍，本文不赘述。

　　（双）螺杆磨床与蜗杆磨床都是磨削旋槽的机床，除了工件的槽形、螺旋角（或导程）不一样以外，没有本质上的区别，可以视为同一种机床。蜗杆磨床磨削工件时，工件的转动如果不平稳，工件齿面会产生波纹，导致粗糙度不合格。所以国外各种知名品牌的数控螺杆或蜗杆磨床，工件的转动都采用伺服电机通过特殊的直纹圆柱蜗杆副带动工件主轴的传动方式。该蜗杆副的特殊在于：齿高特别大，因此重叠系数很大、传动比较平稳。我们的磨床采用重叠系数更大、传动更平稳、精度更高的球面蜗杆副，不仅工件的质量更高，机床的可靠性与稳定性更好、寿命更长。

　　我们掌握了高精度球面蜗杆副的生产技术后，投入了大量的时间和精力来研究双圆弧圆柱蜗杆传动及其高精度加工的工艺装备。其原因在于高精度球面蜗杆副的生产难、安装难，而且不易消除传动间隙，因此不便大量推广使用。然而，除了单螺杆专机以外尚有多种量大面广的机床或机床附件需要高性能的蜗杆传动副来提高它们的性能和生产效率，特别是它们的可靠性和寿命。例如：滚齿机、磨齿机、插齿机、高档五轴联动加工中心的双摆铣头或转台等。以能加工形状复杂的如透平压缩机叶片或叶轮的高档五轴联动加工中心为例，外商以该机也能加工军用飞机发动机或舰船用螺旋浆、或叶片为名对我禁运。为了摆脱这种受制于人的局面，我们急需高性能的蜗杆传动副。

　　此外，（a）与高精度球面蜗杆副相比，双圆弧圆柱蜗杆有很大的价格优势，因为磨（铣）削蜗杆时，刀具的切削速度和生产效率与加工球面蜗杆相比，高十倍以上，成本低而且容易形成规模优势。这也是单螺杆压缩机的价格在国际市场上比双螺杆压缩机贵20%左右的原因之一。（b）双螺杆压缩机的啮合副实质上是一对齿轮，两个齿轮的轴心线是相互平行的。在任何一个与其轴心线垂直的截面上，它们的齿形都一样，因此它们的齿形可以在其中一个截面（端面）上来研究，只需用平面共轭原理；而蜗杆传动副的两个轴心线是空间相错的，为空间啮合副，需用空间共轭曲面原理来研究。显然，研究平面共轭原理的进入门槛比空间曲面共轭原理低，再加上成本低，这就是双螺杆压缩机的生产商多、其产品在市场上占绝大多数的重要原因。

　　7结语三井、大金等这样一批企业用单螺杆压缩机取代了他们原来生产的双螺杆压缩机，拉开了用单螺杆压缩机取代双螺杆压缩机历史进程的序幕。我国首创的三接触线齿廓公开发表后，国外企业纷纷采用，改变了单螺杆空压机单机*大排量长期停滞在27 m 3 /m in的局面，向大排量和无油方向发展；星轮寿命也成倍提高。这是中国为促进世界单螺杆压缩机技术进步作出贡献的具体表现。

　　正力目前在加工三接触线齿廓技术方面保持世界先进水平，结合非等宽齿技术，在保证星轮寿命的前提下将单螺杆空气压缩机的单机排气量提高到66 m 3 /m in.综合我们应用近年来在喷液和大通径低压降阀门专利技术方面成果，使我们生产的空气压缩机成为当代*节能、长寿的螺杆压缩机：我们研制的单级无油单螺杆压缩机比采用两级压缩的双螺杆压缩机能耗还低；我们的OG系列空气压缩机产品于2008年12月通过了国家压缩机制冷设备质量监督检验中心的检验审核，取得了40 m 3 /m in及以下共11个规格产品的节能认证，在市场上众多国内外品牌的技术竟争中，我们产品的节能指标**，尤其是20 m 3 /m in以上的大机型产品也达到了国家节能产品的水平，令其他国内外品牌企业望尘莫及；2009年5月27日该11个产品被国家工信部列入节能机电设备（产品）推荐目录（**批）#.随着精度和生产效率均高于世界先进水平的高效中国专机的问世，正力将为世界提供更多的节能产品。随着加工精度的提高，取消浮动星轮的无星轮单螺杆压缩机或许会出现。