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　　综述了螺杆空压机转子端面型线的研究与发展状况, 分析了对端面型线的基本要求, 给出了设计新型线的一般步骤和方法, 并利用螺杆空压机计算机辅助设计系统SCCAD, 设计了两种性能优越的螺杆空压机新型线。

　　螺杆空压机具有一系列独特的优点, 在国内、国际市场上都具有很大的发展潜力。虽然我国已拥有生产高质量转子的加工设备, 但要提高国产螺杆空压机的性能水平和制造质量, 关键是要提高设计技术。主要是转子型线设计技术, 及与之相应的吸排气孔口设计、刀具刃形计算及转子受力分析等技术。本文介绍了新型线设计和分析的一般步骤、方法以及用于新型线研究中的一些数学模型和程序, 还介绍了应用这些方法设计的两种性能优越的新型线。
1. 对型线的基本要求及齿曲线的组合螺杆空压机的功用是经济有效地压缩各类气体工质, 为此, 螺杆转子型线应满足一般啮合运动的要求, 即相应齿间曲线必须满足齿廓啮合的基本定律, 并按共轭条件求取已知曲线的共轭曲线。除此之外, 由于转子端面型线还对螺杆空压机的效率、体积及加工成本等方面有着决定性的影响, 因此无论是在新型线的设计过程中, 还是在分析比较不同的型线时, 都还要考虑如下几方面的基本要求。
首先是对密封的要求, 即要求型线能使压缩机有轴向和横向的气密性。具体说来, 除要求转子接触线连续外, 还要求泄漏三角形面积尽量小, 接触线尽量短。而实际上, 这是一对相互制约的因素, 不可能同时达到最满意的指标。在设计型线时, 关键是要匹配好这两者的关系。其次, 是要求型线有较大的面积利用系数,这样不仅机器的尺寸可以小一些, 而且单位容量的泄漏损失也要少一些, 可使效率相对提高。另外, 还要求型线流线化以减少气体流动损失, 也要便于加工。尽管这些因素目前还不能定量计算, 也要在新型线设计中加以注意, 在不同型线分析比较中加以考虑。鉴于要满足如上种种要求, 螺杆空压机转子的型线通常为多段曲线首尾相接组成。其中主要有摆线、圆弧、椭圆及抛物线等。一般来说, 采用摆线可有效减少泄漏三角形的面积, 但接触线长度将增加。而采用圆弧则可使接触线缩短, 但同时也增大了泄漏三角形面积。
在设计新型线时, 首先要根据对型线的一般要求和实际使用场合的特殊要求, 先初步选定一种或几种曲线组成齿曲线, 然后通过计算其几何特性值和预测其性能, 调整和优化诸如齿数组合及型线结构参数等, 最终即可获得性能优越的新型线。作为示例, 图1 和图2 示出两种性能优越的齿曲线, 分别称为 X31 型线和X32 型线。
X31 型线是双边非对称摆线- 椭圆包络线。由于型线的前段无轴向气密性要求, 从接触线短、便于加工制造出发, 取用椭圆- 椭圆包络线。而型线的背段则着眼于减少泄漏三角形面积, 故采用点啮合摆线, 这样可望有效地降低轴向泄漏, 提高内效率。另外, 型线的前后段间则用圆弧光滑过渡。X32 型线是单边不对称圆弧- 圆弧包络线。由于所有组成齿曲线段均由圆弧及圆弧包络线组成, 因而具有接触线短的优点。此外, 包络型线上依次地连续接触, 不存在泵吸现象, 又有利于保存油膜, 故对降低噪声、改善接触面上的润滑特性均有益处。另外, 这种型线在组成齿曲线段连接点处均为光滑过渡, 亦有利于降低螺杆转子的扰动损失。
2. 计算几何特性值和初选型线结构参数所谓螺杆空压机转子的几何特性值, 是在端面型线计算结果的基础上, 考虑转子结构参数(如长径比、扭转角)和孔口参数, 进一步计算诸如接触线长度、泄漏三角形面积、面积利用系数、吸排气孔口面积及基元容积的变化规律等几何特性〔 1, 2〕 。在设计或分析新型线时, 可通过比较型线的几何特性值, 来初步判定型线的好坏或初定型线的结构参数。另外, 几何特性值的计算也是螺杆空压机工作过程模拟和性能预测的基础和前提。
表 1 给出了具有相同理论容积、相同组成齿曲线(X31) , 但齿数组合不同的型线的几何特性值。从中可以看出, 随着齿数的增多, 接触线长度和排气孔口面积均增大, 而面积利用系数和泄漏三角形面积则有大有小。比较这几种齿数组合的几何特性值可以判定, 阳转子齿数为 6、阴转子齿数为 7 的方案除具有排气孔口面积稍大及齿形刚度较好的优点外, 于其过长的接触线、过大的泄漏三角形面积和过小的面积利用系数, 效率肯定不高, 故可以尽早排除这一方案。剩余的几个方案由于它们在不同方面各有优势, 故还很难判定哪种更好一些, 还有待通过预测其性能后取舍。除了齿数组合外, X31 型线另外两个对压缩机性能有重大影响的结构参数是齿顶高H和齿高半径R。H 的取值直接关系到泄漏三角形面积的大小, 而R 则直接影响到面积利用系数。研究表明, 增大H 和R 都会使面积利用系数增大, 但同时亦增大了泄漏三角形面积, 在通过计算不同R 和H 下的几何特性值, 确定了它们的大致范围后, 还有待通过性能预测程序优化这些参数的最后取值。
对于 X32 型线, 亦是通过几何特性值计算, 初步确定了各圆弧半径的取值范围。研究结果表明, gh 圆弧半径R 6 和alb 圆弧半径R 7 变小时, 能有效减少泄漏三角形面积; 但同时又使接触线增长, 必须合理匹配泄漏三角形面积和接触线长度之间的关系, 才能最终确定R6、 R7的最优取值。
齿数
阳转子 阴转子
接触线长度
(mm)
泄漏三角形
面积(mm2)
面积利用
系　数
排气孔口
面积(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. 空压机性能预测和型线参数优化螺杆空压机的性能预测, 就是在前述几何特性值计算的基础上, 利用工程热力学、传热学和流体力学的知识, 全面考虑压缩机中的各种泄漏、流动阻力等损失, 建立压缩机从开始吸气到排气过程结束的整个工作过程的数学模型,然后采用合适的算法, 利用计算机来求解此模型, 得到基元容积内压力、温度、质量等随转子转角变化的微观特性及排气量、轴功率、绝热效率、容积效率等宏观性能〔 3〕 , 从而能定量比较不同型线的容积效率、绝热效率等性能指标, 实现
型线结构参数的优化, 并针对具体情况设计出性能最佳的型线。
有了上述正确的性能预测程序和前述的几何特性值计算程序, 就可计算具有不同结构参数的型线性能, 并在此基础上最终选定能获得最好性能的结构参数。当然, 最后确定结构参数时, 还要考虑到有关程序中没有计及的因素, 如转子刚性、加工成本等。按上述方法, 对X31 和X32 型线的齿数组合和有关结构参数进行了优化, 最终得到了性能较好的X31A 和X32A 新型线。其主要结构
参数和几何特性值如表2 所示。作为对比, 还计算了国家标准JB2780- 79 规定的单边不对称摆- 销齿圆弧型线(简称国标)的几何特性值。图 3 示出不同型线的螺杆空压机, 以不同阳转子齿顶速度运行时的模拟计算结果, 从中可以看出, 两种新型线效率均比国家标准型线高, 且在低的齿顶速度时更为明显, 表明这两种新型线特别适合于小型螺杆空压机中。图 3 中数据表明, 和常用的国家标准型线相比, X31A型线的容积效率 Gv 提高 3～ 9% , 绝热效率 Gad提高 5～ 12% , X32 型线的 Gv 提高 2～ 7% , Gad提高 4～ 10% , 若再考虑到在两种新型线中都去除了尖锐边缘, 能减少流动阻力和减少扰动损失, 其效率可能还要更高一些。
　　4. 螺杆空压机计算机辅助设计系统 SC2CAD如前所述, 在螺杆空压机新型线开发过程中, 需要定量计算特定型线的几何特性值、并在此基础上模拟新型线螺杆空压机的工作过程。显然, 这些工作用传统的螺杆空压机设计方法是不能完成的。经过多年努力, 西安交通大学成功地开发出了一套完整的螺杆空压机计算机辅助设计系统SCCAD〔 4〕 , 解决了这类压缩机设计中存在的一系列难题。首先, SCCAD 系统提供
表 2　不同型线的几何特性值和结构参数型线
几 何 特 性 值 主 要 结 构 参 数
接触线
长度mm
泄漏三角
形面积mm2
面积利
用系数
排气孔口
面积mm2
齿　　数 直　径　mm
阳转子 阴转子 阳转子 阴转子
长度
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
国标 444 . 8 0 . 146 0 . 469 2475 4 6 105 96 120 . 0
不同型线的容积效率及绝热效率比较了多类各具特色的转子型线供用户选择。用户可按具体要求, 选择型线的种类和型线参数(如齿数组合、齿高半径、齿顶高等)。当然, 利用SCCAD 系统还能设计和开发其它的专用型线,如无油螺杆空压机专用型线、制冷螺杆空压机专用型线、微小型螺杆空气压缩机专用型线等等。特别值得指出的是, SCCAD 系统不仅能快速地生成各类型线, 还能通过系统中的“几何特性值计算”、“工作过程模拟”和“转子受力分析”程序, 定量地分析和评价所设计型线的热力性能和动力特性。通过调整型线参数、结构参数和运行参数, 可使所设计的压缩机具有优越的性能。另外, SCCAD 系统中的刀具和刃形计算, 能合理地分配阴阳转子间的间隙, 并独到地处理刀具刃形计算中常常出现的干涉和断点问题,得到光滑过渡的刀具刃形。
5. 结论
1. 研究结果表明, 通过建立转子几何特性值和空压机性能预测模型和程序, 能够对不同型线、不同齿数组合和不同结构参数的新型线进行分析和设计。提供了针对压缩机使用场设计最佳型线的可能性。
2. 计算结果表明, 设计的两种新型线比传统的国家标准型线效率提高5～ 10% , 特别适用于小型螺杆空压机中。