單螺桿壓縮機

螺桿壓縮機是往複式活塞壓縮機換代產品，用螺桿取代活塞式壓縮機是動力用壓縮機發展趨勢。螺桿壓縮機有雙螺桿和單螺桿兩種。雙螺桿壓縮機全套技術我國已重複引進多套，但核心技術，例如齒形為第二代單邊修正不對稱擺線。也正是這個原因，外商與台商利用他們第三代星型齒等技術優勢搶佔中國市場，目前國內廠家很難與他們競爭。單螺桿壓縮機60年代由法國人辛麥恩發明，七十年代主要用作噴油壓縮機，八十年代技術真正成熟后，其應用範圍才日淅擴大。單螺桿壓縮機雖比雙螺桿壓縮機問世晚數十年，但因性能優異而上升勢頭強勁。

單螺桿壓縮機的螺桿具有6個螺槽，星輪有11個齒，相當於6個氣缸，兩個星輪同時與螺槽嚙合，因此，螺桿侮旋轉一周相當於12個氣缸在做功。

眾所周知，螺桿壓縮機(包括雙螺桿和單螺桿兩種)在迴轉壓縮掃L中所佔比重最大。從國際市場來看，1963年到1983年這20年間，全世界螺桿壓縮機銷售量每年增長率為30%。目前，日木、歐美等國在中等氣量的壓縮機中，雙螺桿壓縮機佔80%。作為同樣範圍內的單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機，相比較而言，雙螺桿以其加工工藝性好、可行性高等特點，在整個螺桿機市場上佔到80%以上的份額，單螺桿壓縮機僅占不到20%。以下對兩種壓縮機作一簡要比較。

單螺桿壓縮機的螺桿與星輪屬於一對球面蝸桿副，螺桿軸和星輪軸必須保持空間垂直；雙螺桿壓縮機的陰、陽轉子相當於一對齒輪副，陰、陽轉子軸保持平行位置。從結構上而言，一單螺桿壓縮機螺桿與星輪之間的配合精度難以保證，故整機運行可行性較雙螺桿為低。

兩種壓縮機均可與電機直聯或通過皮帶輪傳動，但當雙螺桿壓縮機轉速較高時，需要加增速齒輪。

工作原理與特點單螺桿壓縮機，主要由一個六頭螺桿和二個十一齒星輪及機體組成。結構簡單，體積小，重量不到活塞式1/6。螺桿轉一圈有十二次吸、排氣。螺桿高速運轉時氣流脈動小、排氣量大。因星輪對稱安裝，螺桿受力完全平衡，振動小，雜訊比雙螺桿式低10dB以上。由於單螺桿的受力平衡，一級壓縮的最高壓力可比雙螺桿大；單螺桿比雙螺桿節能，軸承尺寸不象雙螺桿式那樣受限制而壽命更長。壓縮機高速運轉時被壓縮氣體會產生大量熱能，須噴油或噴其它液體（水、液態製冷劑等）冷卻，單螺桿壓縮機一般都採用液體潤滑，但可分為油潤滑、水潤滑以及製冷劑等液體潤滑。與螺桿壓縮機有彎曲變形條件下運轉工況不同，單螺桿壓縮機因螺桿受力完全平衡，能在很小工作間隙下工作，泄漏小、容積效率高。噴油機小間隙下工作時，油液所帶來粘性剪切損失會導致比功率上升。我們研製產品達到小間隙下工作而具有高容積效率同時，具備了降低比功率能力。

單螺桿壓縮機目前最關鍵的瓶頸應該是星輪片的磨損問題。涉及面廣，與材料、潤滑、加工、運行等均相關。國內多年來一直在前述幾方面努力，所取得的成績很好，但仍然不夠。

根據最新研究成果，星輪片的磨損機理和磨損原因尚需要進一步研究：一、目前市場上大部分單螺桿壓縮機型線仍然是直線包絡；二、傳統理論認為，運行過程中，是由螺桿推動星輪運行的。這可能有所偏差。根據最新研究成果，壓縮腔內的壓縮空氣和潤滑油在星輪齒側的作用力，既是在沒有加工誤差的情況下，作用在星輪圓周方向的扭矩也可以達到0.7Nm之多，因此星輪實際上是緊貼著螺桿，“推動”螺桿在運動。這一點可以與實際產品前齒側磨損遠遠比后齒側磨損厲害獲得印證。三、星輪與螺桿加工中，刀具受熱變形對加工精度的影響的研究，目前好像還是空白。必須展開這方面的研究，以確定加工精度的可控程度。

當然，這裡說到的是關鍵、核心問題。後續產品、配套，維護等方面技術含量相對要小一點。

加工技術與裝配技術是單螺桿壓縮機技術核心，掌握了它就能自行研製高精度專機而不必依賴進口。否則，即使有了高精度專機能生產高品質壓縮機。加工精度多高，不能正確裝配，以前一切努力將前功盡棄。加工與裝配精度高低集中體現齒面嚙合情況上。嚙合副應沒有跑合情況下，實現嚙合區內全部齒面同時嚙合，每個齒面嚙合總面積不低於90%。

國外概況目前日、美、英、法和荷蘭等國家引進法國奧費爾公司技術基礎上生產單螺桿壓縮機。

1）英國霍爾（Hall）公司將剖分式機體改成整體式，提高了整機剛性與精度，設置進氣線減少了油液粘性剪切損失並提高了進氣效率。生產噴油單螺桿冷凍機其性能全面優於雙螺桿冷凍機，但水平低於日本。日本大金公司生產單螺桿冷凍機比該公司原生產雙螺桿冷凍機，滿載時效率提高了25%，部分負載時效率提高了40%。八十年代，日本三菱公司創造了自己高精度加工和裝配技術，所生產無油單螺桿冷凍機減少了油液粘性剪切損失，比噴油單螺桿冷凍機節能5%，現水平又有了進一步提高。大型無油單螺桿冷凍機性能全面達到或超過了最節能但價格昂貴透平式冷凍機，成為當代最好冷凍機，也是冷凍機發展方向，市場前景良好，目前僅日本能生產。其成本遠低於透平式而售價卻較高，單螺桿冷凍機附加值很高，經濟經益和社會效益很好。

2）工藝用單螺桿壓縮機單螺桿壓縮機綜合性能，尤其是可靠性好、易於電腦控制等原特別適用於工藝流程，用於天然氣集氣、煤層除氣、陸注氣、酸氣壓縮、燃氣輪機增壓、蒸氣回收等和各種化工生產工藝流程中壓縮各種氣體。美國德萊塞——蘭德公司曾購買日本三井精機公司螺桿、星輪組裝整機，但目前已經停產。

3）噴油單螺桿空氣壓縮機該產品是螺桿壓縮機中產量最大，用途最廣產品，以日本三井精機公司水平最高。該公司從三十年代開始製造壓縮機，七十年代引進了單螺桿壓縮機后，研製了螺桿、星輪專用高精度機床，掌握了加工和裝配技術，採用整機機體，產品用電腦控制。除生產單螺桿壓縮機外，還向歐、美、日等廠家提供螺桿、星輪或主機供生產單螺桿壓縮機。儘管噴油單螺桿壓縮機國際市場上售價比雙螺桿壓縮機高，但仍佔50%市場。

4）噴水單螺桿空氣壓縮機醫藥、食品、電子、新材料及高科技產品等對壓縮空氣要求提高以及環保意識增強，對無油空氣壓縮機需求越來越大。噴水單螺桿壓縮機因避免了油污染，能提供清潔壓縮空氣（空氣中本來就含有水），同時大大減少了噴油所帶來粘性剪切損失，節能效果特別好；美國九十年代成立格里邁而施密特公司所生產噴水單螺桿壓縮機一級壓縮時比兩級壓縮雙螺桿壓縮機節能20%。噴水單螺桿壓縮機需求量越來越大。美國海軍對十幾種壓縮機進行了大量實驗論證后認為：單螺桿壓縮機是潛水艇等艦船用最佳壓縮機，高壓、無油壓縮機來說是唯一選擇。噴水單螺桿壓縮機售價遠高於噴油式，但經濟效益、社會效益和市場前景都十分看好。各種用途單螺桿壓縮機都有卓越性能，廣闊市場與良好效益，收費高昂單螺桿壓縮機發明專利又已過期，一些國家正加緊研製。

北一通是國內最早研製單螺桿壓縮機廠家，76年研製出樣機，當時嚙合副壽命僅數十小時。該廠長期未能突破各項關鍵技術，曾經與美國CP公司達成引進單螺桿壓縮機全套技術協議，但後來美國單方面中止了合同。北一通僅到產品樣機與不齊全圖紙（缺最關鍵螺桿與星輪圖紙）。之後該廠又多方努力尋求引進，迄今毫無結果。溫嶺化工機械廠和蘇北冷凍機廠先後與西安交大合作研製單螺桿壓縮機均長期未能解決嚙合副加工技術而放棄了研製工作。武漢空氣壓縮機廠和西安交大合作研製壓噴油單螺桿空氣壓縮機，為86年國家科委重點項目，此外七十四所艦船用噴水單螺桿空氣壓縮機系國防科工委重點項目，研製情況不明。國內其他單位到北一通退休職工轉讓技術所生產樣機，其水平在北一通之下。關鍵技術單螺桿壓縮機生產中最大困難，即關鍵技術螺桿、星輪參數設計及其優化，兩嚙合齒面齒廓精度（加工精度和裝配精度）。解決了這兩個問題，就能大批量生產各種用途單螺桿壓縮機。

1、螺桿和星輪參數優化星輪和螺桿嚙合時，星輪工作齒面每一瞬時共軛接觸線，星輪一條直母線q外，還有因二次包絡而形成另一條軛接觸線。這些瞬時接觸線對應星輪齒一定區間的有效轉角φ範圍內，形成一個連續曲面S。曲面S一半母線q之上，另一半母線q之下。曲面S一大部分，只某一瞬時，即某一轉角φ時，實現螺桿和星輪共軛接觸。之後（或之前），它卻侵入了螺桿實體而發生實體干涉。S曲面這一部分是不可用。曲面S形狀及特性和嚙合副參數設置有密切關係。我們面臨了一個“最優化”課題，它“目標函數”是如何有效轉角範圍內最大限度令S曲面處可用區間，以增加星輪齒側曲面嚙合面積。有效延長嚙合副壽命。

2、高精度專用機床高精度專用機床是加工優質螺桿、星輪必不可少設備，是整個項目關鍵，也是國外對我國封鎖重點。一些專家過去認為專機傳動鏈精度要求太高，國內不可能達到。當前數控伺服系統廣泛應用情況下，製造由最短傳動鏈和超高精度傳動元件組成專機是可以實現。

3、刀具國外直線包絡是單螺桿壓縮機唯一型線。這種型線螺桿齒面不可展，不能用磨削方法加工。採用指形銑刀作為粗加工，車削用於精加工，是唯一可行加工方法。星輪加工是我國二十多年來一直未能解決問題。現我們從理論和實踐上解決了這一難題。星輪設計中盡一切可能增加嚙合副整個嚙合轉角區間內接觸面積。我們計算到星輪齒面三維坐標和它一階，二階微分鄰域特性，設計了高效率剃刀，可以沒有理論誤差條件下，加工出精密星輪齒曲面。

產品用途與市場單螺桿空氣壓縮機主要用於石油、化工、能源、交通、機械、冶金、礦山、建築、醫藥、食品等領域。如氣動工具、氣動夾具、自動控制、精密測量、噴砂、噴漆、散狀物料（水泥、煤粉、藥粉等）氣力輸送等。其中無油單螺桿壓縮機因能提供潔凈能源節能，市場需求越來越大。工藝用單螺桿壓縮機用來壓縮除空氣以外各種氣體，主要用於化工生產工藝流程中。也用作煤氣、天然氣輸送等。單螺桿壓縮機是冷凍（空調）機最佳機種，軍事上如潛水艇和導彈發射等也有重要用途。西方發達國家，螺桿式壓縮機基本上取代了活塞式，市場佔有率近80%，瑞典阿特拉司公司每年約生產雙螺桿壓縮機1.8萬台，美國I-R公司每年約產0.9萬台。國內1986年螺桿式僅為2%，近年來約佔30%，市場潛力大。如前所述：外商、台商利用技術等方面優勢搶佔中國市場，銷售情況良好。而國內廠家則銷售欠佳。銷售情況是商業秘密，難於收集，但從生產能力可見一斑；新成立柳州富達機械有限公司，（中意合資）年生產能力為：雙螺桿壓縮機0.5萬台，產值逾2億元。全國雙螺桿空氣壓縮機年生產能力估計2萬台以上。2002年上海復盛公司生產螺桿壓縮機產值達1.5億元，英格索蘭空壓機廠產值達5億元，國家經濟迅速發展，單螺桿壓縮機需求量將會日趨增大。幾點說明單螺桿壓縮機是技術密集型兼勞動力密集型產品，國外引進技術且外購螺桿、星輪條件下生產整機也能盈利，我國用自己全套技術生產，質量不低於國外水平、價格上有明顯優勢，一旦開拓了國際市場，產量與效益將更為可觀，能帶動相關產業，如：電子、儀錶、電器發展，此外，本項目投產無污染公害。單螺桿壓縮機有CC、CP、PP、PC四種類型，其中以最後問世PC型最節能，被單螺桿壓縮機發明人譽為理想冷凍（空調）機，PC型生產技術最困難，目前兩家公司能生產該型空氣壓縮機。PC型問世淘汰了CC型。此外，將CP型螺桿外形由圓柱變為圓錐，將形成一種新機型。正象PC型優於CC型一樣，新機型比CP型更節能。