【壓縮機(jī)網(wǎng)】迄今為止，市場上大量銷售和運行的國內(nèi)外單螺桿空壓機(jī)都屬于單直線（圓柱） 嚙合的傳統(tǒng)產(chǎn)品，絕大多數(shù)機(jī)器在投入運行一兩年后，流量就明顯下降達(dá)10%以上。

　　1、引言

　　單螺桿壓縮機(jī)在理論上是一種十分完美的氣體壓縮機(jī)械。主要在于它體積小、重量輕、振動噪聲小。新制機(jī)器在剛投入運行的一段時間內(nèi)容積效率高、泄漏少，同等級制造精度下的比能耗明顯小于其他螺桿或滑片壓縮機(jī)。文獻(xiàn)[1]介紹了2009年國家工信部列出的機(jī)械產(chǎn)品節(jié)能目錄中，空壓機(jī)行業(yè)共有11個型號產(chǎn)品列入其中，其中11個型號產(chǎn)品全部是單螺桿空壓機(jī)，而當(dāng)時的單螺桿空壓機(jī)產(chǎn)品僅占全國回轉(zhuǎn)式空壓機(jī)年產(chǎn)量的5%以下。

　　迄今為止，市場上大量銷售和運行的國內(nèi)外單螺桿空壓機(jī)都屬于單直線（圓柱） 嚙合的傳統(tǒng)產(chǎn)品，絕大多數(shù)機(jī)器在投入運行一兩年后，流量就明顯下降達(dá)10%以上。同時，也常有不少機(jī)器出現(xiàn)軸承異常損毀竄動和星輪擦傷斷裂等現(xiàn)象，甚至發(fā)生機(jī)殼側(cè)窗被星輪撞裂的事故（圖1）。致使單螺桿空壓機(jī)近年來聲譽大跌，有不少單螺桿制造商減產(chǎn)或停業(yè)，或轉(zhuǎn)向經(jīng)營雙螺桿及其他產(chǎn)品。有不少制造商的產(chǎn)品銷售廣告把單螺桿壓縮機(jī)的“單”字去掉，以回避眾人之嫌。為此，我們不得不對十幾年來單螺桿壓縮機(jī)在我國的發(fā)展過程進(jìn)行反思。

　　2、單螺桿產(chǎn)品市場沉浮的原因分析

　　單螺桿壓縮機(jī)市場低占有率的主要原因簡要如下：

　?。?）單螺桿壓縮機(jī)自50年前發(fā)明以來，國外的單螺桿嚙合技術(shù)就沒有多少進(jìn)步和發(fā)展，至今國外公司幾乎全部采用的是單直線嚙合的螺桿-星輪摩擦副[2]，偶爾也有一些制造商采用單圓柱包絡(luò)的嚙合副，實際上其星輪齒面上的圓柱包絡(luò)區(qū)域很小，與單直線（棱）線嚙合效果相差無幾（圖2）。因此，星輪齒面及螺桿齒槽容易磨損，造成整機(jī)流量明顯下降是不爭的事實。

　?。?）我國近20年來的單螺桿壓縮機(jī)制造商主要集中在浙江、上海和廣東一代。他們在30年前“北一通單螺桿技術(shù)”的基礎(chǔ)上，對螺桿和星輪加工機(jī)床的精度和加工效率進(jìn)行改進(jìn)，采用了高耐磨性的PEEK材料做星輪片，使單螺桿壓縮機(jī)的流量穩(wěn)定性和可靠性有了明顯提高，2001年以來在國內(nèi)市場上有了一席之地[3-4]。當(dāng)時單螺桿制造商們利用單螺桿優(yōu)秀的作用原理過度夸大宣傳，使廣大壓縮機(jī)用戶信以為真，單螺桿市場迎來了黃金的十年。十年中，廣大用戶經(jīng)過大量運行實踐發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)機(jī)器的流量在數(shù)百或數(shù)千小時后明顯下降。奈何幾乎所有用戶現(xiàn)場都沒有安裝流量測量儀表，無從申訴制造商的質(zhì)保承諾。更為嚴(yán)重的是，不少單螺桿壓縮機(jī)星輪異常損毀竄動，致使星輪片被機(jī)殼窗口異常碰斷，星輪齒架被螺槽咬死剪斷，電機(jī)線圈燒毀等。從2012年以來，單螺桿的市場就急轉(zhuǎn)直下，聲譽大跌。

　?。?）盡管如此，多數(shù)單螺桿制造商們?nèi)匀桓哒{(diào)聲稱其產(chǎn)品是無比的可靠，從來不承認(rèn)自身存在的致命缺陷。本文作者作為單螺桿壓縮機(jī)的研究人員，也曾試圖接觸幾家制造商來了解或協(xié)助解決面臨的問題，但是都被“我們的產(chǎn)品質(zhì)量很好”所回絕。這種既無關(guān)鍵新技術(shù)，又不承認(rèn)自身產(chǎn)品性能缺點的企業(yè)，怎么能生產(chǎn)出高技術(shù)、高質(zhì)量的產(chǎn)品呢？又如何能支撐單螺桿產(chǎn)品市場不下滑呢？

　?。?）反觀競爭優(yōu)勢明顯的雙螺桿空壓機(jī)行業(yè)，經(jīng)過國內(nèi)外80余年的大力發(fā)展，特別是在近30年來國內(nèi)大量引進(jìn)國外型線技術(shù)和加工裝備，國外公司直接地進(jìn)入中國市場，國內(nèi)數(shù)十家企業(yè)大量投資進(jìn)行螺桿壓縮機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)和提升，使得螺桿壓縮機(jī)性能穩(wěn)定提升，產(chǎn)品成本顯著下降。自然而然對單螺桿產(chǎn)品構(gòu)成“弱肉強食”之勢。同時也應(yīng)該看到，成熟的螺桿壓縮機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)使自身的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間變小，轉(zhuǎn)向低價主導(dǎo)的惡性競爭。如果單螺桿能夠藉助于自身先天優(yōu)勢，采用z*新技術(shù)全力改變自身的星輪磨損、星輪齒及軸承的損毀、制造成本高的系列缺陷，反過來又會對螺桿壓縮機(jī)構(gòu)成強勢挑戰(zhàn)。所需要的技術(shù)方案已經(jīng)在國內(nèi)外多次發(fā)表[5-6]。

　　3、轉(zhuǎn)折單螺桿命運的噴液懸浮嚙合技術(shù)

　　噴液懸浮嚙合技術(shù)是基于多圓柱展成包絡(luò)螺桿齒面來實現(xiàn)的。該理論的提出關(guān)鍵在于摒棄單螺桿研究中固化思維方式即認(rèn)為螺桿齒槽只可能靠單直線的車刀車削或一根棒銑刀銑削加工。圖2示出了國內(nèi)外慣用的單直線型線星輪與螺桿齒槽嚙合的過程。

　　所謂多圓柱包絡(luò)型線，就是以實現(xiàn)z*優(yōu)潤滑摩擦和z*小氣體泄漏為原則進(jìn)行構(gòu)造的型線，并且采用不同方位的圓柱銑刀對同一個齒槽反復(fù)加工，近似地實現(xiàn)星輪齒與螺桿齒槽為穩(wěn)定的曲面嚙合。圖3給出了多圓柱包絡(luò)型線的星輪與螺桿齒面構(gòu)造。

　　圖4給出了多圓柱包絡(luò)的螺桿和星輪的嚙合過程。按照楔形面高速滑動形成動力液膜的直觀概念，星輪片在螺槽下部位置時，齒槽斜度較陡，星輪齒的右側(cè)接觸點上部形成較長的收斂型楔形區(qū)域，推斷可以形成承載力大的較厚液膜，此時的星輪片左側(cè)齒上部接觸點上部難以形成楔形區(qū)域，液膜的厚度和承載力很差；當(dāng)星輪移動至齒槽的中部位置時，兩側(cè)的接觸點以上都能形成適當(dāng)?shù)男ㄐ螀^(qū)域和適度的液膜厚度與承載能力；當(dāng)星輪片移動到齒槽上端，此時的星輪齒右側(cè)可以形成良好的液膜和承載能力，而星輪齒的左側(cè)難以形成液膜和承載能力。也就是說，星輪齒與螺槽相互滑動中形成潤滑液膜的能力隨位置不同而變化。在實際壓縮機(jī)中，一個齒槽中星輪齒的3個不同位置，可以等同于3個星輪齒同一時刻在3個齒槽中的嚙合過程，如圖5所示。且3個星輪齒在圓周方向是一個整體。綜合分析3個星輪齒左側(cè)或者右側(cè)的液膜形成趨向，顯然是有好有壞，及各個齒的同側(cè)液膜可以相互依賴，相互約束，兩側(cè)總體效果相當(dāng)，這就保證了星輪總體液膜的穩(wěn)定性和星輪的耐磨性[7]。而3個單直線包絡(luò)的星輪片同時在3個齒槽中滑動時，每一個都沒有動力液膜形成的機(jī)制，磨損幾乎成為必然。當(dāng)然也有極個別單直線星輪齒左右受力恰巧平衡，長期不發(fā)生磨損。但不能以此作為單直線“型線優(yōu)秀”的理由。

　　論文作者研究團(tuán)隊與西安交大思源科技股份公司、柳工壓縮機(jī)公司、好米動力設(shè)備公司（上海）等多家企業(yè)合作，研制出數(shù)10臺噴油和噴水的單螺桿壓縮機(jī)，進(jìn)行實驗測試和工業(yè)應(yīng)用、實驗結(jié)果超出了我們的預(yù)期。

　　對于噴油單螺桿機(jī)，全部采用鑄鐵作為星輪片材料（圖6），多臺數(shù)千小時的滿負(fù)荷試驗運行和工業(yè)試驗結(jié)果證明，無一例發(fā)生星輪磨損和流量下降。而國內(nèi)多家研發(fā)者采用鑄鐵星輪片則在數(shù)小時內(nèi)就出現(xiàn)流量下降和明顯磨損。

　　對于噴水潤滑單螺桿機(jī)，本研究團(tuán)隊采用PEEK星輪片，數(shù)10臺樣機(jī)2000～8000h的型式試驗和工業(yè)運行證明，無一例發(fā)生磨損和流量下降。同時需要指出，伴隨著噴液懸浮嚙合的多圓柱包絡(luò)型線的研發(fā)，一種高速高精度加工單螺桿齒槽和星輪的數(shù)控專機(jī)銑床也已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用。它們可以使得單螺桿嚙合副的加工成本降低六成以上[8-9]。

　　4、專治星輪片損毀及其軸承竄動的“防液擊技術(shù)”

　　單螺桿壓縮機(jī)在運行中常發(fā)生星輪軸承損壞，星輪片被掃斷齒或齒面擦傷齒面的情況，圖1為某國外公司制冷機(jī)星輪齒被全部掃斷的圖片。幾乎所有的制造商都把原因歸結(jié)為：由于星輪在開車啟動時，星輪缺油而發(fā)生磨損，星輪磨損又引起嚙合錯位，破壞了星輪齒架和星輪軸承等。

　　與供應(yīng)商們上述推斷截然不同，本文作者經(jīng)過多臺機(jī)器實驗和深入分析發(fā)現(xiàn)：單螺桿壓縮機(jī)運行停車后，多有不易啟動的現(xiàn)象。壓縮機(jī)的嚙合副密封性越好，停機(jī)后存儲在機(jī)殼內(nèi)的液體越多，就越難以盤車和啟動。50多年來，沒有人研究其原因和解決方案，致使單螺桿的星輪軸承和星輪片頻繁損毀，也常發(fā)生燒毀電機(jī)線圈的現(xiàn)象。

　　按照單螺桿壓縮機(jī)的受力分析，其轉(zhuǎn)子軸承受到的軸向力和徑向力（不計重力） 為零，星輪上的軸向力和徑向力僅是雙螺桿軸承受力的1/5以下，軸承連續(xù)運行5～10年是絕對沒有問題的。而今，發(fā)生星輪及軸承嚴(yán)重?fù)p壞，必有蹊蹺！分析單螺桿壓縮腔作用原理可知，單螺桿壓縮機(jī)的排氣口設(shè)置在機(jī)殼的兩側(cè)，當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)后，機(jī)殼內(nèi)的殘留液體沉到螺桿殼體的下側(cè)，如圖7所示。這些液體也必然鉆進(jìn)螺桿齒槽，下次開機(jī)后被星輪片封閉推向排氣孔口，如果齒槽中液體較多時，在未與排氣口連通時就發(fā)生液擊。

　　許多大容量的單螺桿容易發(fā)生這樣的液擊和星輪損毀，有時也燒毀電機(jī)線圈。多數(shù)情況下，存儲在齒槽容積內(nèi)的液體會比齒槽壓縮終了的容積要小，不至于發(fā)生啟動悶車現(xiàn)象，但是齒槽內(nèi)的壓力大大超出排氣壓力，使星輪和軸承遭受到巨大的軸向推力，反復(fù)的啟動使得軸承反復(fù)受傷，而又反復(fù)運行，逐漸地使得軸承軸向間隙增大至大幅竄動。造成嚙合副錯位，引起星輪齒異常磨損和被小塊割切，或者輪齒咬斷，甚至機(jī)殼撞裂。

　　單螺桿壓縮機(jī)特有的液擊現(xiàn)象是造成星輪結(jié)構(gòu)惡性故障的罪魁禍s*，徹底消除液擊的解決方案也十分簡單[10]：

　?。?）停機(jī)時機(jī)殼內(nèi)少存液；（2）開機(jī)后先設(shè)置倒轉(zhuǎn)幾圈，再立即正轉(zhuǎn)投入運行；（3）在吸氣腔內(nèi)設(shè)置低位活動容積，停機(jī)后容腔變小接納機(jī)殼內(nèi)的液體，開機(jī)以后容腔變大排出液體。大量的工程實踐已經(jīng)證明本方法可輕松消除軸承損壞及其星輪故障，保證軸承連續(xù)運行5年以上也完好無損。

　　5、結(jié)論

　?。?）近十余年來，國內(nèi)多數(shù)單螺桿制造商漠視產(chǎn)品的主要重要性能缺陷，刻意夸大宣傳的經(jīng)營方式，幾乎把單螺桿壓縮機(jī)引入了絕境，大有“壓城欲摧”之勢，盡管單螺桿壓縮機(jī)在理論上性能完美。

　?。?）z*新推廣的單螺桿噴液懸浮嚙合技術(shù)和消除星輪液擊技術(shù)，能夠徹底消除傳統(tǒng)單螺桿的星輪磨損、輪齒損毀和軸承失效竄動問題，保證壓縮機(jī)主機(jī)至少3萬小時以上的安全、可靠、恒定流量和無故障運行。由此來開發(fā)低成本的高壓單螺桿，水潤滑單螺桿機(jī)型，將獨占鰲頭。上述系列技術(shù)已經(jīng)在西安交大思源科技股份公司、柳工壓縮機(jī)公司和好米動力設(shè)備公司投入產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用，運行考驗結(jié)果令人振奮。

　?。?）單螺桿的z*新加工裝備和技術(shù)將保證高精度、高效率，使單螺桿壓縮機(jī)的螺桿和星輪的加工成本降低60%以上。這些技術(shù)保證單螺桿壓縮機(jī)命運的大轉(zhuǎn)折。

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　　作者簡介

　　馮全科（1953-），現(xiàn)任西安交通大學(xué)能動學(xué)院教授，博士學(xué)位，研究方向為制冷及低溫設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計與可靠性研究；冷中子源和超冷中子源的熱物理工作過程與設(shè)計理論研究；新一代單螺桿壓縮機(jī)嚙合型線設(shè)計，制造裝備與工藝技術(shù)研究；壓縮機(jī)的管路振動與氣流脈動，曲軸扭振理論研究；艦艇用高壓縮機(jī)設(shè)計技術(shù)研究；大型高壓迷宮壓縮機(jī)密封磁懸浮技術(shù)研究。