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我國單螺桿壓縮機的發(fā)展歷程與進展
發(fā)布時間：2014-08-28
我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，給壓縮機制造業(yè)帶來商機的同時，也提出了更高的要求。不少國際知名壓縮機廠商入駐中國市場，給我國壓縮機制造業(yè)帶來了前所未有的壓力。在機遇與挑戰(zhàn)并存的形勢下，如何快速提高我國壓縮機制造技術(shù)水平，創(chuàng)立我們擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的民族品牌，已成為當(dāng)務(wù)之急。本文從單螺桿壓縮機制造技術(shù)的進展方面來回顧我國單螺桿壓縮機的發(fā)展歷程與進展。與大家共勉。
從1975年至今，單螺桿壓縮機在我國經(jīng)歷了從低潮逐步進展到正常狀態(tài)一個曲折的過程。目前，單螺桿這種結(jié)構(gòu)型式的潛在優(yōu)點已顯露出來，被市場認同接受，成為容積式壓縮機市場上頗受關(guān)注的機型。
30多年來，在單螺桿壓縮機發(fā)展的歷程中曾遇到和解決過許多方面的技術(shù)問題，而提高星輪片壽命是貫穿全過程的突出主題。
星輪片壽命與材質(zhì)、潤滑、結(jié)構(gòu)設(shè)計以至基礎(chǔ)理論研究等都有關(guān)系，且與蝸桿與星輪片的制造技術(shù)關(guān)系最為密切，可以說星輪片壽命是隨著蝸桿與星輪片的制造技術(shù)的進展而提高的。因此制造技術(shù)就成為發(fā)展單螺桿壓縮機的首要前提與核心技術(shù)。制造技術(shù)中首先是蝸桿與星輪片加工的專用機床。解決專機的途徑：可以從國外引進購買、或從國內(nèi)購買、或自行設(shè)計等。其中，引進或購買專用機床是捷徑。70年代后期至80年代初曾試圖從國外引進購買，先后曾與辛麥恩、美國CP公司數(shù)次洽談，終由于技術(shù)封鎖而未成。國內(nèi)不少機床廠和專用機床研究所都不愿意承接委托設(shè)計制造。因此在當(dāng)時解決專機的途徑只能是自行設(shè)計。
回顧單螺桿壓縮機30多年的發(fā)展歷程，大體分為兩個階段。
一、第一階段1975年至1988年
1975年北一通首先開始研制單螺桿空壓機，76年試制出9立方單螺桿空壓機。
1978年以來西安交大壓縮機教研室一些教師開始對單螺桿壓縮機進行諸多方面的深入研究，上海704所介紹了美海軍裝備部門對單螺桿空壓機的評價，并做了噴水內(nèi)冷單螺桿空壓機的研制與試驗。北一通數(shù)次與單螺桿發(fā)明人辛麥恩、美國CP公司直面交流、談判引進、及國外考察等。所有這些使有關(guān)研制人員對單螺桿技術(shù)加深了了解、提高了認識。
在這一階段，先后研制單螺桿壓縮機產(chǎn)品的廠家有四川(簡陽)空分設(shè)備廠，浙江溫嶺化機廠，武漢空壓機廠，蘇北冷凍機廠等廠家。各廠在研制樣機的數(shù)年中都努力做了許多有益的工作，而且有的樣機性能數(shù)據(jù)還很不錯。但未見商品問世。在這一階段只有北一通9立方空壓機一種產(chǎn)品勉強為市場接受，并成為商品持續(xù)生產(chǎn)銷售。總結(jié)其原因最主要的是對蝸桿、星輪片的制造技術(shù)的認識不夠深入以及如何解決制造技術(shù)問題存在的差異所致。
首先，對單螺桿壓縮機制造技術(shù)的認識。這里有一個認識過程，首先是對包擴對機器結(jié)構(gòu)特性的重視，之后才發(fā)現(xiàn)制造技術(shù)其實是關(guān)鍵。如星輪片壽命與多種因素密切相關(guān)，如浮動星輪結(jié)構(gòu)，嚙合副材質(zhì)匹配，動力潤滑等，特別是嚙合副型線很重要。嚙合副型線就是單螺桿壓縮機的星輪齒側(cè)與蝸桿槽壁接觸配合的幾何曲面型線，從事單螺桿壓縮機的研制人員始終關(guān)注型線，尋求接觸應(yīng)力小(接觸線長、接觸線分散)，磨損小(磨損分散、易形成油膜)，接觸良好，泄漏少的型線。毋庸置疑，探討嚙合機理，研究并改進嚙合型線是至關(guān)重要的。然而，對于發(fā)展單螺桿壓縮機產(chǎn)品而言，制造出較好的型線也是重要的，而且是最現(xiàn)實的。經(jīng)過失敗與坎坷才能感悟，只有經(jīng)歷才能逐步成熟。從事單螺桿的研制人員碰到困難，經(jīng)歷困惑才不同程度地認識到解決加工方法、刀具及設(shè)備更為實際、更加迫切。這是發(fā)展單螺桿壓縮機產(chǎn)品的首要前提。多年來把解決蝸桿、星輪片的制造技術(shù)作為主要課題或主要課題之一。
綜觀雙螺桿壓縮機的發(fā)展歷程，似乎制造技術(shù)也是其發(fā)展的首要前提：眾所周知，國內(nèi)外雙螺桿壓縮機是伴隨著開發(fā)新型線、恰當(dāng)?shù)钠ヅ潺X數(shù)而不斷發(fā)展與提高的。型線至關(guān)重要，有關(guān)研究人員不難在這方面達到共識。同時人們也知道，國內(nèi)外雙螺桿壓縮機，因為有了高精度的數(shù)控轉(zhuǎn)子加工銑床(磨床)，已經(jīng)使一般的多種型線的加工變得比較容易實現(xiàn)了，而且能夠達到一定的精度、產(chǎn)品被市場認同。加工轉(zhuǎn)子齒形的銑刀經(jīng)過二、三十年的努力到1985年左右得以完善。在這樣的前提下，雙螺桿壓縮機才得以發(fā)展，人們才得以把精力轉(zhuǎn)移到型線開發(fā)研究與齒數(shù)匹配方面來。
在國內(nèi)1960年左右開始研制雙螺桿直至1985年國內(nèi)各制造廠引進購買專用機床后才形成批量生產(chǎn)。由雙螺桿壓縮機的發(fā)展也可以看出制造技術(shù)是雙螺桿能否成為工業(yè)產(chǎn)品的前提，也是其核心技術(shù)之一。
其次，如何解決蝸桿、星輪片制造技術(shù)問題存在著差異。
許多研制單螺桿壓縮機的單位大多是采用普通車床滾齒機等簡單改裝配制組合刀具進行加工，由于這類改裝機床本身精度低，傳動鏈長，剛性差以及組合刀具誤差大等原因，其加工質(zhì)量較差，難以成為商品。北一通則選擇了設(shè)計加工專用機床。1975年樣機設(shè)計剛開始，制造技術(shù)的探索同步啟動，特別是第一代蝸桿及星輪片專機較快的進展到第二代專機，解決了機床運轉(zhuǎn)可靠性，提高了機床剛度，也適當(dāng)?shù)奶岣吡藱C床精度，使星輪片壽命達到了一定水平，才使單螺桿這種結(jié)構(gòu)型式的空壓機得以保留在壓縮機市場中。回顧起來第一、二代專機，基本上解決了蝸桿的加工方法、刀具及機床(精度還不太高)。星輪片則是仿型法加工，誤差大。
在這一階段，為數(shù)不多的廠、校有關(guān)科技人員不怕技術(shù)封鎖，鍥而不舍堅韌地探索，積累了許多教訓(xùn)和經(jīng)驗，使我國單螺桿壓縮機成為商品，制造技術(shù)和產(chǎn)品水平雖然處于初期低級階段，但仍能被用戶接受。十幾年中不斷吸取單螺桿機實際使用的經(jīng)驗與教訓(xùn)，針對問題，不斷改進，從而推動我國單螺桿技術(shù)緩慢地發(fā)展并逐步趨于成熟，為我國單螺桿技術(shù)進一步發(fā)展與商品生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。
二、第二階段1989年至2005年
這一階段的前期，有關(guān)人員又進行了多方面的改進(例如定壓比熱力設(shè)計、噴油霧化、變徑設(shè)計、密封、主機結(jié)構(gòu)、油氣分離直至各系統(tǒng))。
特別注重了對蝸桿、星輪片材質(zhì)的改進：蝸桿的材質(zhì)從銅改為鋁合金、鑄鐵再改進為球鐵。星輪片材質(zhì)從第一階段篩選的普通酚醛樹脂層壓板改進為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂加玻璃纖維，而且玻璃纖維又從平直改為交叉編織。
在殼體的制造技術(shù)方面又有新進展，創(chuàng)造了在普通銑床上加工殼體星輪孔的加工方法，即：雙圓柱無間隙定心，誤差放大后觀測，逐步調(diào)整趨近理想位置的加工方法。基本實現(xiàn)了蝸桿星輪中心距±0.01的要求。
在此前期，設(shè)計制造完成了第三代加工蝸桿、星輪片專機。這兩種專機加工范圍大，能加工多種規(guī)格，為增加品種創(chuàng)造了條件，機床精度有所提高，刀具上也有改進。首先是蝸桿專機傳動鏈的精度提高，特別注意了末端件的傳動比盡量增大，衰減長傳動鏈的誤差，同時也注意到盡量提高末端件的精度。其次，提高了星輪片半自動加工專機的分度精度，有關(guān)專業(yè)廠制造的鼠牙分度盤精度滿足不了要求，自行設(shè)計制造了鼠牙分度盤對磨機，使兩鼠牙盤在專業(yè)廠分度精度的基礎(chǔ)上，再進行互相研磨而成，大大提高了分度精度。同時模版、刀具材質(zhì)結(jié)構(gòu)都有改進。以上這些進展使單螺桿制造技術(shù)又提高了一大步，星輪片壽命隨之也顯著地提高了。單螺桿產(chǎn)品能進一步被市場認可與接受。在這樣制造技術(shù)和產(chǎn)品水平的情況下，國內(nèi)單螺桿空壓機制造業(yè)出現(xiàn)了前所未有的新局面。單螺桿空壓機產(chǎn)品的品種規(guī)格快速增多、生產(chǎn)廠家不斷增加。除北一通外，先后出現(xiàn)了樂雁、飛和、施耐德、浪潮、長沙惠湘、阜新金昊、江漢石油第三機械廠等單螺桿空壓機生產(chǎn)廠。2000年后又出現(xiàn)正力、上海佳力士(樂雁)、上海普渡等廠。此外，重慶壓縮機廠、常德壓縮機廠等也曾組裝過。雖然涌現(xiàn)出這么多廠家，由于上海飛和等廠的共同努力，把多種規(guī)格的單螺桿空壓機產(chǎn)品廣泛的推向市場，并成功地打開了市場，所以其中不少生產(chǎn)廠的銷售量仍能以較大幅度逐年上升，特別是1998年后上升勢頭強勁。
在這一階段的中期，上海飛和集團匯集了壓縮機、機床設(shè)計、精密測量儀設(shè)計等各行業(yè)專家，經(jīng)過幾年努力，首先實現(xiàn)了向大直徑蝸桿、星輪片制造技術(shù)的跨越，自行設(shè)計完成了第四代加工專機，從而向市場推出了大排量單螺桿壓縮機。繼而，飛和集團成功的自行設(shè)計完成第五代專機，即高精度數(shù)控蝸桿加工專機和高精度數(shù)控星輪片加工專機，在單螺桿制造技術(shù)上實現(xiàn)了重大突破。這個突破主要體現(xiàn)在以下兩個方面：
1.星輪齒兩側(cè)曲面加工方法，從仿型法進展到滾切法。
由于是幾何展成，從理論上消除了仿型誤差，使蝸桿槽兩側(cè)曲面與星輪齒兩側(cè)曲面這一特殊的直廊環(huán)面蝸桿付共軛。從而制造出最佳齒形，實現(xiàn)最好的型線接觸，大大提高了星輪片壽命、容積效率及性能指標(biāo)。這種滾切法與同時加工三個齒的星輪滾刀相比優(yōu)點明顯，僅加工一個齒，切削力小，刀具簡單，容易刃磨，刀刃鋒利，切削平穩(wěn)，星輪齒側(cè)精度高，是星輪片制造技術(shù)一大進展。
2.專用機床的設(shè)計由原來的傳動關(guān)系、強度及剛度設(shè)計進展到專用機床的精度設(shè)計。
第五代專機設(shè)計中完全著重于專機的精度。多年來我們認識到提高專用機床的精度，特別是傳動精度至關(guān)重要，它決定著蝸桿槽與星輪齒的分度精度。傳動精度高、分度誤差就小。6個蝸桿槽、11個星輪齒的分度誤差不容小視。蝸桿槽的分度誤差會使星輪片旋轉(zhuǎn)不均勻，加速或減速旋轉(zhuǎn)意味著有旋轉(zhuǎn)加速度和作用于槽側(cè)面與齒側(cè)面之間的附加作用力，從而使星輪齒在槽內(nèi)震顫或顫動。蝸桿高速旋轉(zhuǎn)(大直徑蝸桿外圓的線速度可達60米/秒左右)，這種震顫可能造成極大的危害。如果分度誤差小、附加力小，震顫微小，浮動星輪的橡膠圈彈性阻尼作用尚可有效抑制(控制)。如果分度誤差大，附加作用力大，震顫大，浮動星輪則沒有能力有效抑制。蝸桿(側(cè)面)與星輪片(側(cè)面)之間附加作用力就會隨震顫增大而增大，最終導(dǎo)致嚙合付的油膜遭到破壞，星輪齒快速磨損，嚴重時會使浮動星輪橡膠圈損壞以致星輪片齒折斷等。
由此可見蝸桿及星輪片的分度精度是決定星輪片壽命的最重要的因素。蝸桿和星輪片的分度精度又取決于專機的傳動精度。因此在專機設(shè)計前著重對這種專機的各種不同傳動元件組成的專機傳動鏈的傳動精度進行來了計算、分析與對比，通過分析對比可以認識到影響機床傳動精度的末端元件傳動比、精度、傳動鏈長短等諸多因素的各自的重要度。最后擇優(yōu)采用，實現(xiàn)了專機具有高的傳動精度。
上述兩種高精度專機用飛和自行設(shè)計制造的機床傳動精度測量儀(經(jīng)國家計量局標(biāo)定精度為3”)檢測其傳動精度比以前的專機精度提高了10多倍。
上述兩種高精度專機上海飛和集團擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)，是國內(nèi)現(xiàn)有各單螺桿空壓機生產(chǎn)廠中唯一能擁有能自行設(shè)計制造高精度專機的廠家。
現(xiàn)在國內(nèi)有兩類高精度蝸桿加工專機及星輪片加工專機。
第一類高精度加工專機，就是曾在許多期刊上登載的文章中所提的“中國專機”。文章作者自稱“獨家擁有”;“直至目前仍是中國唯一擁有”的“中國專機”。實際情況是并非其獨家擁有，飛和集團也有同樣的“中國專機”。
第二類高精度加工專機是飛和集團根據(jù)蝸桿、星輪片具體結(jié)構(gòu)、按直廊環(huán)面蝸桿嚙合付的特點所制定的加工方法及加工特點而自行設(shè)計的(飛和獨家擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán))。
這兩類高精度專機，雖然都是高精度的，但是后者設(shè)計得更好、更合理：
自行設(shè)計的專用機床能體現(xiàn)其專用特性，其基本特征是“量體裁衣”，可以最大限度地實現(xiàn)設(shè)計和加工的需求和提高加工效率。可選擇最新最好的機構(gòu)及機床配套零部件，并設(shè)計成數(shù)控機床。
飛和自行設(shè)計的專機與“中國專機”相比：主軸剛度好、加工范圍寬，刀具進給機構(gòu)合理提高了進給剛度和精度，主軸轉(zhuǎn)速及進給速度是無極變速，在顯示屏上能直接看出，加工過程中可隨時調(diào)整進給速度，既不用手工操作，也無需停車來改變進給量。除上、下工件外，加工過程為全自動控制，生產(chǎn)效率高。由于采用濕切屑更符合環(huán)保要求。
目前飛和集團在加工高精度蝸桿、星輪片方面從刀具、工藝裝備、專用機床直至檢測儀器等已完整齊備。這是制造技術(shù)的堅實基礎(chǔ)，為提高星輪片壽命提供了保障。從實際生產(chǎn)銷售方面來看飛和集團早已成為中國單螺桿壓縮機的主導(dǎo)企業(yè)。而且由于生產(chǎn)銷售的數(shù)量多，積累了更多的各種經(jīng)驗，只有經(jīng)歷了才更成熟。綜上所述，飛和的單螺桿技術(shù)已經(jīng)處于成熟狀況。但是技術(shù)的發(fā)展是無止境的，不斷創(chuàng)新與超越仍是飛和永遠的追求。
在這一階段中后期，由于單螺桿制造技術(shù)有了重大突破，星輪片材質(zhì)也進行了第三次改進，采用了更好的材質(zhì)。設(shè)計技術(shù)也更加成熟，使得單螺桿壓縮機得以更好更快的發(fā)展。到目前為止國內(nèi)現(xiàn)有單螺桿空壓機品種規(guī)格已相當(dāng)齊全，產(chǎn)品的規(guī)格范圍甚至超出了國外產(chǎn)品，且其綜合性能指標(biāo)已具有國際先進水平。只要我們立志改革與創(chuàng)新，努力探索單螺桿壓縮機的機理，深入掌握其設(shè)計技術(shù)，特別是不斷改進與提高制造技術(shù)。在我國現(xiàn)有的條件下，就能造出高水平(國際水平)的單螺桿壓縮機。這一方面受益于中國已成為世界制造業(yè)中心，而且也受益于大家30多年來對單螺桿壓縮機技術(shù)的辛勤探索。我們相信在不久的將來，中國的單螺桿壓縮機將被國人與世界完全接受與認可。
綜上所述，30多年來單螺桿壓縮機的發(fā)展經(jīng)歷了一個曲折而又不均衡的過程，前十幾年是艱難探索，緩慢進展，制造技術(shù)和產(chǎn)品性能都處于初期低級水平。后十幾年特別是后十年左右單螺桿壓縮機發(fā)展迅速，設(shè)計技術(shù)更加成熟，測試手段基本完備，品種規(guī)格齊全，制造技術(shù)(加工方法、刀具、專機)實現(xiàn)了重大突破，達到國際先進水平，某些產(chǎn)品也具有國際先進水平，并已有了單螺桿空壓機的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以說我國單螺桿空壓機技術(shù)已經(jīng)成熟。在這30多年經(jīng)歷中單螺桿壓縮機在我國從無到有，從低水平跨越到高水平，這是所有廠、校、院所研制人員鍥而不舍堅韌探索的結(jié)果。
不過我們也應(yīng)該清醒看到目前單螺桿壓縮機為單級壓縮的空壓機、尚有不少可應(yīng)用的領(lǐng)域等待研發(fā)，任重道遠，發(fā)展空間廣闊。從事單螺桿的企業(yè)、科研院校及科技人員還需繼續(xù)努力，探索創(chuàng)新，為我國單螺桿壓縮機進一步的發(fā)展再創(chuàng)輝煌。