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螺杆压缩机摩擦形态求真探讨

 螺杆压缩机摩擦形态求真探讨
 
 
  【压缩机网】对于双螺杆压缩机和单螺杆压缩机的滚动与滑动摩擦问题,人们众说纷纭,有人说:双螺杆两转子之间是滚动摩擦,单螺杆压缩机转子与星轮之间是滑动摩擦……
  为了正确的认识滑动与滚动摩擦,我们不妨分析两个物体的摩擦形态。两个物体的摩擦形态有三种:滚动摩擦、滑动摩擦和滚滑摩擦。
  滚动摩擦是相对运动的摩擦偶件不断地变换接触点(例如球轴承)或接触线(例如滚柱轴承),而且其接触点的线速度相同,形成无滑动的滚动摩擦。
  滑动摩擦是相对运动的摩擦偶件有一件不断的变换接触点(例如气缸);而另一件的接触点不变化(例如活塞上的某点),也就是说相对滑动的一摩擦偶件的接触点相对位置不变;而另一摩擦偶件的接触点在一直变化,形成滑动摩擦。滑动摩擦是物体沿着另一物体表面滑动时所产生的摩擦。
  滚滑摩擦是指由于两个零件啮合而形成的摩擦。两个互相啮合的物体(例如齿轮、双螺杆、单螺杆与星轮),当啮合点位于节圆直径上时,瞬时线速度相等,此时摩擦是滚动摩擦;当啮合点偏离节圆直径时,一个零件的瞬时线速度增大,另一个零件的瞬时线速度减小,由于啮合点两零件瞬时线速度不同,形成了基于滚动摩擦附加滑动摩擦的滚滑动摩擦。由于啮合点的位置周期性的发生变化,这种滚滑动摩擦的数据会发生周期性的交替变化。
 
  1.双螺杆压缩机
  双螺杆压缩机两转子是定传动比啮合,一对啮合的螺杆其节圆直径是固定的,当接触点位于节圆直径时,两个转子接触点的线速度相同,此时两转子的运动是纯滚动。
  当接触点离开节圆直径时,两个转子接触点的线速度就发生了变化,当阳转子与阴转子的接触点位于阴转子节圆一侧某一点时,其阴转子接触点的瞬时线速度小于阳转子接触点的线速度。此时阴转子的瞬时运动是滚动,而阳转子的瞬时运动是滚动+滑动。同样,当阳转子与阴转子的接触点位于阳转子节圆一侧某一点时,其阳转子接触点的瞬时线速度小于阴转子接触点的线速度,此时阳转子的瞬时运动是滚动,而阴转子的瞬时运动是滚动+滑动。
  当一个转子啮合点在齿尖时,另一个转子的啮合点必然在齿根,位于齿尖此时转子滑动分量与滚动分量的比值最大,也就是滑动摩擦最大。
  双螺杆压缩机的型线水平,不仅体现在泄漏三角形的大小,也体现在型线的流畅与否。流畅的型线不会产生干涉带,差的型线会产生干涉带,影响螺杆的性能和可靠性,这种干涉会增加螺杆的磨损。干涉带多发生在螺杆齿高的中部,在分解主机换轴承时,会发现螺杆的型面有宽度不同的干涉带。
  齿高中部呈现干涉带原因在于,齿高中部是两螺杆节圆区域及附近区域,此处基本是纯滚动区域,没有和很少有滑动摩擦,基本没有磨损;离开这部分区域,开始有滑动摩擦,相对于上述区域会有磨损发生,出现干涉带减小趋势,因而出现齿高中部呈现干涉带的现象。
  没有其它措施时,双螺杆压缩机在这种情况下会因滑动摩擦大而无法正常运转。
  双螺杆压缩机的发明人就想办法克服这种滑动摩擦,发明出无油双螺杆压缩机和喷油双螺杆压缩机。
  无油双螺杆压缩机的两转子并不接触,其相对位置是由同步齿轮保证的,不接触也就没有摩擦。
  喷油双螺杆有大量的润滑油被喷人压缩气体介质,并被带人两转子表面,起到冷却、润滑、密封、降噪和净化的作用。喷油双螺杆压缩机没有同步齿轮,由阳转子直接带动阴转子旋转。喷油双螺杆压缩机必须喷油,失油的喷油双螺杆压缩机转子由于摩擦作用,很快就会由于焊接而粘牢发生“抱机”事故。
 
  2.单螺杆压缩机
  单螺杆压缩机的摩擦比较复杂,蜗杆和星轮的轴线互相垂直,不像双螺杆那样两转子轴线互相平行。单螺杆压缩机蜗杆与星轮是定传动比啮合,蜗杆与星轮的节圆直径是固定的,当接触点位于节圆直径时,蜗杆与星轮接触点的线速度相同,此时蜗杆与星轮运动是纯滚动。
  当接触点离开节圆直径时,蜗杆与星轮接触点的线速度就发生了变化,位于节圆直径星轮侧某一点时,其蜗杆接触点的瞬时线速度大于星轮接触点的线速度。此时蜗杆的瞬时线速度大,而星轮的瞬时线速度小,呈现星轮的摩擦状态是滚动,而蜗杆的摩擦是滚动加滑动形态。
  同样,当转子与星轮的接触点位于蜗杆节圆一侧某一点时,其蜗杆接触点的瞬时线速度则小于星轮接触点的瞬时线速度。此时蜗杆的瞬时运动是滚动,而星轮接触点的瞬时运动是滚动+滑动。
  当蜗杆的啮合点在齿尖时,星轮的啮合点必然在齿根,此时蜗杆的滑动分量与滚动分量的比值最大,也就是滑动摩擦最大。
  好的啮合付是首要条件,互不干涉是单螺杆啮合付必须遵循的原则,诚然,制造中的微量误差使实际啮合付与理论上的啮合付有一定差异。在型面上的某处会有微点接触,或某处接触面有微量不均布,经开机后其磨损是必然的。在较短的时间内使啮合付干涉处被磨去,呈现出与理论啮合付相吻的型面,即为磨合期,粗糙度小的单螺杆压缩机很容易磨合。在此期间内,啮合付渐渐由稍差转化为较好的啮合付,最终为互不干涉的啮合付。此后在很长的时间内啮合付磨损越来越微量,直至不再磨损。
  蜗杆与星轮的不干涉在于啮合时,星轮型线对蜗杆型线干涉的不断退让,形成第二、第三、第四……条接触线。
  学者们对直线包络啮合副的星轮齿侧理论型面进行了多方研究,为单螺杆压缩机星轮齿型面的设计提供了理论依据,使单螺杆压缩机的摩擦状况有了进一步的改善,促进了单螺杆压缩机的发展。
  由于人们对单螺杆空气压缩机的摩擦形式看法不同,虽然普遍认为单螺杆压缩机有摩擦,但是人们也有不同的看法:
  其一:人们认为单螺杆空气压缩机最大做到60立方米/分钟,不像双螺杆压缩机可做到很大;
  其二:虽然有些压缩机供应商也认为单螺杆压缩机还有摩擦(相对于双螺杆压缩机来说摩擦小),但是有的单螺杆生产商的产品却很少更换星轮片,更不用说更换蜗杆了;
  其三:由于单螺杆压缩机的摩擦特性决定,单螺杆压缩机适合制作单级压缩比高的压缩机;两级微油单螺杆压缩机的排气压力可以做到4.0MPa,而双螺杆压缩机要三级压缩才行,而用于军工的舰船单螺杆压缩机做得更高。
 
  3.水润滑螺杆压缩机
  双螺杆压缩机和单螺杆压缩机的滚动与滑动摩擦状况不同,反映在水润滑螺杆压缩机上,出现了差异。
  单螺杆水润滑压缩机
  由于单螺杆压缩机有独特的滚动与滑动摩擦特性,加之其轴承轴向很小,型线的多条接触线变换,使螺杆水润滑压缩机的磨损很小,因而得到广泛应用。不同生产商的单螺杆压缩机在型线、材料和加工细节方面各有特点,呈现在应用场合就表现不同。有的单螺杆水润滑压缩机在很长的时间内啮合付磨损越来越微量,直至不再磨损。
  当然,同样规格的单螺杆空压机由于水润滑的摩擦力大,密封性差,但其冷却性能好,因而反映在性能方面稍有差距。据制造商提供的数据看来,同水平的水润滑单螺杆空压机在0.8MPa110kW工况气量为微油单螺杆空压机的0.965,可以说是相当不错了。
  双螺杆水润滑压缩机
  一般都有同步齿轮,人们也想把双螺杆压缩机做成无同步齿轮的水润滑压缩机,但是一直没有取得成功。
  作者认为,虽然喷油双螺杆压缩机轴承轴向负载大,转子滚滑摩擦性能也不差,所以,解决了机体和转子的材料和配比问题,没有同步齿轮的双螺杆水润滑压缩机也是可行的。
 
  4.单、双螺杆压缩机摩擦类型的差异
  不得不说,单双螺杆压缩机摩擦类型的差异是由它们的转子轴线决定的,因为双螺杆压缩机的两转子轴线是平行的,而单螺杆压缩机转子轴线是相互垂直的,这就决定了它们的摩擦差异。其瞬时滚滑动的比例构成也较为复杂,摩擦特性对其不同啮合线的依赖不同,好的型线的啮合线摩擦小、寿命长,在轴承不失效和润滑冷却的情况下,其螺杆转子或星轮的寿命会很长,甚至会无限长。
  除了螺杆压缩机的型线因素外,其加工技巧有时也起很大作用,作者拜访过几个压缩机制造商,其中有一个制造商印象较深,他们几乎没有抱机事件,星轮片的寿命也非常好。作者在免为其难的情况下,让他们随便拿一种螺杆给我看看,发现他们的转子有一些特殊的加工技巧,虽然没能做得最好,但是很有特点,对避免抱机和延长星轮片寿命很有裨益。
 
  小结
  1.双螺杆压缩机和单螺杆压缩机的摩擦类型是不同的两种滚滑动摩擦,并非是双螺杆两转子之间是滚动摩擦,单螺杆压缩机转子与星轮之间是滑动摩擦那么简单;
  2.现在看来,人们对水润滑单螺杆压缩机的接触线研究是成功的,改善了单螺杆压缩机的摩擦磨损状况,好的单螺杆压缩机星轮片几乎不磨损;
  3.解决了机体和转子材料和配比问题以及其它问题,不设同步齿轮的双螺杆水润滑压缩机是可行的;
  4.单螺杆压缩机解决了摩擦问题,更适用于中压压缩机和舰船用高压空压机
 

标签: 螺杆压缩机摩擦  

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