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1、第 21 卷 第 4 期 8月 西 安交通 大 学 学报 V ol . 21 1987年 JOUR NAL OF Xl 产AN JIAOTONG UNI V ER SITY 从 4 19 87 Aug 螺杆机械啮合间隙及其变动最的研究 熊则男钱兴华肖大刚 化学 与化学工程 系 ) 摘要 螺 杆机械是近廿年来飞速发展起 来的一种容积式回转机械 . 本文介绍了螺杆机 械关健技术之 一 : 啮 合间隙与其变动量 、 曲面精度的研究 , 内容包括测量装置 , 实 浏和 工 艺分析 , 以及啮 合 间隙与其变动量 对性 能指标的影响 . 主题词 : 螺 杆压 缩机 ; 转子 ; 啮 合 中国 图书资料分
2、类法分类号 : T旦4“ 符号 D饥 少 肠戊 G 。 定容比热 奋 比热比 夕 压 力 才 时 间 V 容积 刁, 啮合 间 隙用 于 补偿 两转子加 工误 差部份 啮合间隙 转角 转 子直 径 质量 温度 比内能 换热系 数 啮合 间 隙用 于补 偿力 、 热变形及密封 存液部份 密度 角速度 P旬 下标的含义 : , 十 1 前一基 元容积 吕 低压区 名 液体 :一1 后一基 元容积 g 汽体 本文收到日期 1986 一01一 22 10 西 安交通大学学 报 第 2 1卷 1 存在的一个关键技术问题 螺杆机械是近廿年来飞 速发展 起 来的一 种 容积式迥转 机械 , 它是 利用一对设
3、 置于机壳 内 的 螺旋形阴 、 阳转子的啮合转动来输送流体 ; 借助齿槽位 置和容 积的变化 , 使流体压缩 或膨 胀) , 完 成 其压 力的 升高 或降低 ) . 螺杆机械主要 包括螺 杆压缩机 、 螺杆泵和螺杆膨 胀机 . 由于 螺杆机械是容积型的 迥转机械 , 所以它兼有迥转式和容积式两者的突出优点 : 洁构 紧凑 , 零件少 , 易 损件少 ; 排 温低 , 流体 脉动 小 , 振动 小 , 噪声小 , 对湿冲程不敏感 , 对 负 荷可进行 无级连 续调节 ; 运行性能稳定 , 可 靠性高 , 检修周 期长 , 维 修方便 . 这 种机械的优 越性决定了它的用 途极为广泛 , 可应
4、用 在原 子能 、 空气 动力 、 石油 、 化工 、 炼油 、 气体分离 、 纺织 、 船舶 、 食品 、 制 冷 、 空调 、 医药 工业等方 面 . 尤其是螺杆 机械在工 作 时因 其工作腔 内完全无接触 , 即转子与转子 间 , 转子与机壳之间不发生 任 何接触 , 故没有 摩擦 , 摩损 , 不需润滑 、 不会污 染被压缩的流体 , 至使它在化工 、 食品 、 医药 、 空气净化等 领域内有着特殊的使用价值 . 因此 , 螺杆机械的发展速度很快 . 仅从销售量来看 , 例如 , 1975 年 西德螺杆压缩机的年产量已占压缩机总产量的2 5拓t l l . 螺杆压缩机在西欧 , 197
5、 7 年 产量为 196 0年的30倍(:) . 螺杆机械结构虽简单 , 但要设计 并制造出高质量 的 螺杆机涉及的学术领域 很广 , 一 些特 殊的 、 关键性问题 难度很高 , 螺杆机械啮合间隙及 其变动量的 研究就是 其中 之一项内容 . 螺 杆机械的核心件一对高速迥 转的转子 , 既是 相对 运动件又是自身密 封件 . 在 满足工作状 态(热态)最佳密封的条件下 , 如何选取冷态啮合间隙以补偿 加工 误差 , 力 、 热变形及贮 存 密封液体 , 这是螺杆机械存在 的一个关键技术问题 . 若 冷态 啮合间隙选 取过 小 , 在工作 状 态 (热态)下将引起转子烧伤或卡死 , 当压 缩易
6、燃 易爆气体时还可能会发生 恶性事故 ; 若冷态 间 隙选取过大 , 将引起介质泄漏 , 使机器的容积 效率降低 , 能 耗增加 . 口(林) 口个 下 户 l 飞 .I J 公差上限 公差 下限 D (mm) 啮合间隙 的 补偿因素如 图1所 六 . 由复杂 型 线组 成的两转子螺 旋 曲面的 误 差 , 是啮合 间隙 补偿值 中占比例 最大 的 、 最 复 杂 、 最灵活多变的因素 . 函数矢 量 与设计参数间可以写成一个设计 矩阵 : r. . .L 一一 飞 .! J 毛 R L力 , R 肠11肠l么 肠: 1 0名么 J工刁 、 住 , . ,口 、.卜 图1 刁1一用于补偿加工误
7、差的啮合 间隙值 J:一用于补偿力 , 热变形及储存油膜 的啮合 间隙值 式(1)中 , a, , a: , 。:;,。2 : 皆非零系 数 ; 右, : 分 别为主动转子的 端 面型线参 数及 螺旋 线参 数 . 这是个对偶矩阵 , 系用 函数 空间来描绘物理(几何 )空间 . 由此 式可见 , 改变尸R : (主动转 子 型面) , 只要改 变 t , : 中任 一个参数或两者同时变化 , 这时FR , (从动转子型 面 ) 也作主相应的变化 . 因此 , 为 获取 最 佳啮合 间隙 及其变 动量 , 必须 减少曲面误差 , 进行 亡 , 二 两方面 的 误差 分离 . 以求取 原始工艺因
8、素 , 将加工过程 检 验性 能指标作有 机联 系 , 以提高螺杆机 第 期 螺扦机械啮合 间隙及其 变动量的研 究 械的性能为最终目的 . 2 共扼件啮合精度的运动测试与工艺分析装置 在武汉冷冻机厂与汉江机床厂的协作下 , 作者用 “ 共扼件啮合精度的运动测 试与 工艺分 析装置 ” (以下简称 “装置” ) , 完成了 啮合间隙 及其变动量的综 合 测量 , 同时侧出影 响 啮 合间隙的 主要因素螺旋误 差 、 分度误差 及布点检测型线误差 . 装置实物见 图2 . 图 乙 共扼 件啮合精度的运 动测试与工 艺分析装置局部图 装置按啮合原理设计 , 使 装 置的理 想中心 距为一 对转子端
9、 面理 想 型 线处于啮合状态时的 中心距 , 处于此中心距时啮合点的 位置为零点 , 用 一 对可加 工 或 鉴定到 足 够精度的样板调整 传感器 的 初始 位置 , 通过相对量法可测出工件误差的 绝 对值 . 传 感器 位 置按 对应 啮 合点布置 , 故记录仪记 录下的 成 对曲线是 一 对对应 啮合点每瞬 时啮合 间隙的 绝 对值 . 对应啮合点选 择的 原则如下 : 在阳转子各典型的型 线段上分别 选取一个测 量点 , 用坐标 转换的方法取得转 子上各对应啮合点 的理 论值 . 以名义直 径为价20 0的 转子为例 , 其 测 点选 择见图 3 , 阴阳转子型 线方程 见表 1 、
10、表2 . 西安交通大学学 报第21卷 . 31 尹52尸 了 滚 25 . 20 , 。 卜 . 呼蔺共 81 。457 那 96 。0 00 7 4 3, : 味 98 。7 99 6 6 6 1 . 857 6 6 64 4 4 图吕图测点示意图 型 线代号型线名称 表 1 方 程表达 式测点号 0,。 节圆段 了 劣 R: O O S 沙 飞夕= R : s i n 价 击 W 沙 0b 径向直线 劣=P008 夕=Ps刀Q bc 销齿圆弧 劣= = R :一r: 咖中 夕= r:日加价 : =A o o s 价一(R : +, :) ,粤中 一占。i n “。 乙 口d 摆线段 ,一A
11、 s i n 功一(R : + , ,)si n 一 功一“c o sa o n n n n n n n I I I I I I I I I 44 山 月 必 . 径 向倒棱 劣=PeOS 夕 =Psin V 一 注 馆 “。 ,c o , , 十 鲁 (* :十,:) o o s 鲁 * A s i n 功+ 备 (R l + , !) s i n 普 * 第4螺杆机械啮合间隙及其变动 量的研 究 表 2 型线代号型 线名称奎 表达 式 , 测 点号 f , f节圆段 劣= R 10 05中 g= 一R l血甲 厂 g 摆线段 一 ( * ; 十 夸) o o * 一 粤 c o s (知
12、一 枷) 一( 二:+ 粤) 血 *一 今 s i n (如 一扣 ) 亡护 少 . ,口 办 销齿圆弧 劣 R i+ 汽 c o 8 甲 g = 一犷l傲n甲 浓陌以 l 一添以币 摆线段 摆线段 一 c o S 中 一 丽 c o g (知 3+ 知) 一 s i n 甲 十 丽 s诅 ( 一知 3 十 知) 一 ( “!+ 令) c o 日* 一 粤 c o g 协 3一 枷) 一 ( “1十 令) s i n *十 今 “ 净 3一 静) I I I I I l l l l l l I I I V V V V V V V V 3 测量实例及工艺分析 图4阴转子各齿 的导程误差 现以某
13、冷冻机厂的 螺杆制冷 压缩机转子 (功 5拜峨 2 00 ) 测 量实例为例 , 作一简介 . 3 . 1 导程误差 图 4是 阴转子各齿 的导程误差 曲线 , 把 这些 曲 线依次迭合起来 , 即得到 图5所示曲线 , 它符合加 工 该转 子的机床传动键误差曲线 . 其中刁L : 30灿。 , 是 由机床母丝杠系统 引 起的导程误 差 ; 而 JL : = 种。, 是 由机床头架 系统引起 的误 差 . 阳转子各齿 的导程误 差 曲线及迭 合情况与上述情 况相似 . 上述 理论值的实现主要依靠微机修正 及 工 夹具 调 整 , 装 置上 设 置了 劣 、 岁 、 : 三 方 向的调 整 环
14、节 , 以取得三维空间对应啮 合点 . 由于 转子螺旋曲面 非无 限薄 , 传感器测量球头 亦非无限小 , 故测 量接触的位置及 测量结果 需要 进 行修正 计算 , 以使测 量球头接触的 阴阳转子曲面上 的 点恰是一对共辘点 . 从一系列对应啮合点啮合 间 隙 的 图形中可获取 一对转子的 啮 合精度 、 平均啮合 西安 交 通大学 学报 第2 1卷 弓 , 图5 阴转子加工机床的传动误差 间 隙 、 曲面误 差和 型线 误差 . 根据单项测量 及频谱分析 , 已获得转 子的 分度误 差 、 刀具的切 削误差 、 工件的安装误 差及 直 流 电机的干扰 误差等 . 将实测 的 两空 间曲面最
15、小间隙调为零 , 即 可获取啮合最 佳 间隙值 . 为对误 差进 行分离 , 建 立了曲面 误差 与原始工 艺因素的关系 式 “ . 有 关螺旋曲面检 测中的修正计算见参考文 献“ . 3 . 2 分度误魏 由误 差曲线获分度 误差值 如表 3 所示 , 其误差阶梯曲 线如图6所示 . 1 1 1 1 1 2 2 23 3 34 4 4 5 5 5 一一4林m m m一8拜m m m一10拜m m m+ 1 7 林m m m +2 2和m m m (拜, ) + 10拼 图6各齿分度误差图 。误差 , 齿序 由表3或图6可见 , 分度误差主 要是 由机床头架分度系统的误 差所导致 . 3 .
16、3 啮合 间除侧t 图7是 阴 、 阳转子一 对共辆点的 啮合 间隙实测曲线 , 图中两曲线间的 距离即为瞬时 啮合 4日卜5叫卜 图7啮合间隙实测曲线 1 . 最大间除50“m ; 2 . 阳转子曲面误差22娜m ; 3 . 平均间隙30群m ; 4 . 振幅标2拜m : :6 . 时标0 . 1秒; 二阴转子曲面误差13解m ; 7 . 阳转子 ; 8 . 阴转子;9 . 定标单峰3 0 “m , 故每小格2解m . 1 0 . 最小间隙1。 拼m 。 第4期 螺杆机 械啮 合间隙及其变动量的研究 15 间隙 , 由图 5 可见 螺 旋面误差曲线直接分解得到的 导程误差 及分度误差 , 此外 , 通过频谱分 析和激 振尚可找到机床 、 刀具上 的 其他误 差源 , 消除或减小这 些误差 , 就能缩小啮合间隙及 啮合变动量 , 而啮合间隙是影响容积效率的极为重要的 因素 , 间隙变动量 则影响噪音 . 某冷冻机厂通 过上 述测 量及 工 艺分析 , 对机床分度 、 导程等工 艺系统进行 了调 整 , 将测 得的 最佳 啮合间隙值代入成形刀具
