单螺杆压缩机星轮齿磨损问题的研究.pdf
《单螺杆压缩机星轮齿磨损问题的研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单螺杆压缩机星轮齿磨损问题的研究.pdf(5页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、2009?6? ?218? ? ?: 2009 - 06 - 02 ?: 100622971(2009) 0620016205 单螺杆压缩机星轮齿磨损问题的研究 李 挺,吴伟烽,冯全科 (西安交通大学能源与动力工程学院,陕西 西安710049) ?:单螺杆压缩机由于其星轮齿的快速磨损,而未能在市场上显示出其应有的优点。星轮齿的磨损 问题已成为制约单螺杆压缩机进一步发展的技术瓶颈。结合星轮齿磨损问题的研究历史,本文在对大 量失效星轮齿调研分析的基础上,对星轮齿的磨损行为进行了分析,发现加工精度的提高和星轮齿材料 的改进无法解决星轮齿磨损的根本问题。星轮齿磨损的必然原因是星轮齿前后侧不平衡的油膜力
2、附加 于星轮的正向圆周力。提出需要从两方面着手以提高星轮齿寿命 : (1) 型线的改进,并结合改种型线啮 合副的加工,如多圆柱包络啮合副 ; (2) 是基于油膜作用力的型线参数优化设计,以减小或消除油膜附加 力对星轮齿的作用。目前,多圆柱包络啮合副单螺杆压缩机已进入样机试制阶段,有望全面提高星轮齿 寿命。 ?:星轮齿的磨损;加工精度;多圆柱包络型线;油膜作用力 ?: TH455?:A Research ofW ear2out2fa ilure of Star2wheel Teeth in Single Screw Compressors L I Ting,WU Wei2feng, FENGQu
3、an2ke (School of Energy and Power Engineering, Xian Jiaotong University, Xian710049, China) Abstract: The low wear resistance of the star2wheel tooth has now become a key technical problem to develop the single screw compressor further . Based on the research historyof thewearof the star2wheel tooth
4、 and investi2 gations on out ofwork star2wheels,wear behaviors of the star2wheel teeth are analyzed, and we concluded that both application of high wear2resistance plastics, such as PEEK, to star2wheels, and the improvement of the ma2 chining precision cannot offer efficient solutions to this issue.
5、 Final reason for the fast wear2out2failure of the star2wheel tooth is a plus circumferential force resulted from the unbalanced oil forces on the teeth. Thus, we suggested that two aspects ofworksmust be carried out to improve the operating life of the tooth: improvementof the tooth profiles such a
6、s the multi2column envelope meshing pair and optimization design of the profile parame2 ters based on the oil forces on teeth. However, new type of single screw compressorswith themulti2column enve2 lope meshing pairs has been developed and it has come into a prototypemachining step with great hopef
7、ul to im2 prove the operating life of the star2wheel teeth. Key words:wear resistance of the star2wheel tooth;machining precision;multi2column envelope; oil forces 1 引言 单螺杆压缩机实现气体压缩的基本原理为:带 有齿槽的螺杆与带齿的星轮配合,由齿槽面、 星轮齿 以及机壳组成封闭容积;工作时,压缩机由电机通过 螺杆驱动,螺杆与星轮按照固定转速比旋转,封闭容 积逐渐缩小从而使其内气体受到压缩。 单螺杆压缩机主机的典型结构如图1所示,
8、其 基本动部件仅有一个螺杆和两个星轮,结构简单。 由于星轮片对螺杆呈中心对称布置,使螺杆受到的 61 径向气体力得到平衡;采用合理结构还可使螺杆的 轴向力得到平衡。与双螺杆压缩机相比,其主轴承 的受力更小,寿命更长。基于以上特点,单螺杆压缩 机的理论寿命较于其它类型压缩机(活塞式、 双螺 杆等)更长。另外,由于单螺杆压缩机中泄漏三角 形很小(在星轮齿侧与齿槽侧面之间存在径向三角 形泄漏通道,但该泄漏通道很小,甚至可以忽略 ) , 其效率也应比双螺杆压缩机高,早期的新制单螺杆 压缩机产品的测试结果已经显示出它的效率比双螺 杆压缩机高5%7%左右 4 。 图1 CP型单螺杆压缩机主机典型结构 但目
9、前市场上的单螺杆压缩机星轮齿易磨损, 排气量下降迅速,整机的寿命往往取决于星轮的寿 命。根据我们对某知名品牌单螺杆压缩机的实测, 在运行约6000 h以后,其额定压力下的排气量下降 了1912% ,这主要由星轮齿的磨损导致。因此,单 螺杆压缩机星轮齿的磨损问题一直是国内外研究的 一个热点课题。 2 星轮齿磨损的原因 211? 直线包络 2 是目前市场上的单螺杆压缩机普 遍采用的啮合副型线,也是单螺杆压缩机自发明时 就采用的型线(国内学者也称之为Zimmern一类型 线)。这是由传统的对螺杆齿槽的加工方法决定 的,即齿槽侧面由车刀沿直线进刀加工成型,与其啮 合的只能是星轮齿侧的一条棱边。如图2所
10、示,这 种啮合副,螺槽面是星轮齿侧面一条棱边的包络面, 啮合过程中星轮齿每侧仅一条棱边与齿槽面啮合。 早期,由于我国自主研发的单螺杆压缩机星轮 寿命与国外产品差距较大,许多设计制造者把原因 主要归咎于“ 加工精度低 ” 5 。近 10多年来,有些 企业花大力气研制了高精度单螺杆和星轮加工机 床,用来加工螺杆和星轮部件,使星轮的工作寿命有 了一定的提高。 近年来,随着高耐磨材料如聚醚醚 图2 直线包络啮合副磨损示意图 酮(PEEK)、 聚酰亚胺等的应用,星轮的耐磨性能有 了较大的提高,使单螺杆压缩机在国内的发展加快。 即便如此,星轮齿的耐磨性还是远低于双螺杆压缩 机的螺杆转子齿的耐磨性。图3所示
11、为遭轻微磨损 和已失效的某进口品牌单螺杆压缩机的星轮齿 (PEEK材料)。 图3 磨损的星轮齿(PEEK材料) 如上图所示,失效星轮齿前侧的磨损要比齿后 侧的磨损严重得多。根据我们对大量失效单螺杆压 缩机星轮齿的调研,星轮齿的磨损过程大致可分为 如下3个阶段: (1)第一阶段。一台新制单螺杆压缩机,由于 制造误差、 装配误差以及电机振动、 啮合副之间的轻 微振动是不可避免的,这些振动致使星轮齿两侧棱 边(包络直线)很快遭到(轻微的)磨损。如图2所 示,遭到轻微磨损后,星轮齿侧棱边的过渡变得光 滑。 (2)发展阶段。啮合过程中,星轮齿沿齿槽的 切线方向运动如图2中的箭头A所示。在齿槽面 与星轮齿
12、接触处,齿槽面切线与啮合副中性面的夹 角分别如图2中 l 、 r所示。根据啮合原理,齿前 侧夹角 l远大于齿后侧夹角 r,而较小的夹角 r 更有利于流体润滑膜的形成。因此,在星轮齿遭到 第一阶段的磨损后,齿后侧的磨损将由于得到了较 71 好的流体润滑而慢于齿前侧。 (3)失效阶段。随后,星轮齿前侧与齿槽间的 间隙将由于磨损而变小,且接触点位置向星轮齿的 上表面移动;齿后侧与齿槽侧面间的间隙增大。随 后,星轮齿前侧的磨损将变得更加严重,最后星轮由 于磨损之后导致的大量泄漏而失效。 综上所述,制造精度是不可能无限提高的,且由 压缩机特性决定的随机振动也是不可避免的;在材 料方面,高耐磨材料(PEE
13、K等)能使星轮齿的寿命 有一定程度的提高却没有解决单螺杆压缩机啮合副 磨损的根本问题,星轮齿的磨损特性也并未因此改 变;改进型线仍然是解决啮合副因磨损而导致的寿 命问题的根本途径。 212? 如前所述,目前几乎所有单螺杆压缩机产品的 啮合副都采用原始型线,即直线包络型线 2 ,该型 线啮合副的截面如图2所示。啮合过程中,星轮齿 前、 后侧各有一条固定的棱边与齿槽接触啮合。其 螺杆齿槽可采用成型车刀加工,星轮的加工早期采 用仿形法,后期采用展成法加工。鉴于直线包络型 线星轮齿侧面与齿槽“ 固定接触磨损 ”,耐磨损能力 较差, Zimmern提出一种圆柱(台)包络型线 6 ,以提 高啮合副的耐磨损
14、性能(国内学者称之为Zimmern 二类型线)。如图4所示,圆柱包络啮合副的星轮 齿侧面为一圆柱面。随星轮齿与齿槽啮合位置的变 化,齿侧与齿槽之间的接触线在齿侧圆柱面的接触 区域内移动。这样避免了直线包络啮合副中的“ 固 定接触磨损 ”,将星轮齿侧与齿槽面的磨损分散于 圆柱面接触区域内,提高星轮齿的寿命。根据圆柱 包络原理,前述接触区域仅为圆柱面的一小部分,如 图4中箭头所指虚线所示。当包络圆柱直径为16 mm,星轮外径为200 mm时(相当于排气量为6 m 3 / min的单螺杆压缩机 ) , 星轮齿顶处齿侧接触区域宽 度仅为3 mm,不到星轮齿厚的一半;在齿根处接触 区域宽度则接近于零。因
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 螺杆 压缩机 轮齿 磨损 问题 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3702944.html