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我國(guó)單螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程與進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2014-08-28
我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，給壓縮機(jī)制造業(yè)帶來(lái)商機(jī)的同時(shí)，也提出了更高的要求。不少國(guó)際知名壓縮機(jī)廠商入駐中國(guó)市場(chǎng)，給我國(guó)壓縮機(jī)制造業(yè)帶來(lái)了前所未有的壓力。在機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的形勢(shì)下，如何快速提高我國(guó)壓縮機(jī)制造技術(shù)水平，創(chuàng)立我們擁有完全自主知識(shí)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(jī)制造技術(shù)的進(jìn)展方面來(lái)回顧我國(guó)單螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程與進(jìn)展。與大家共勉。
從1975年至今，單螺桿壓縮機(jī)在我國(guó)經(jīng)歷了從低潮逐步進(jìn)展到正常狀態(tài)一個(gè)曲折的過(guò)程。目前，單螺桿這種結(jié)構(gòu)型式的潛在優(yōu)點(diǎn)已顯露出來(lái)，被市場(chǎng)認(rèn)同接受，成為容積式壓縮機(jī)市場(chǎng)上頗受關(guān)注的機(jī)型。
30多年來(lái)，在單螺桿壓縮機(jī)發(fā)展的歷程中曾遇到和解決過(guò)許多方面的技術(shù)問(wèn)題，而提高星輪片壽命是貫穿全過(guò)程的突出主題。
星輪片壽命與材質(zhì)、潤(rùn)滑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shuō)星輪片壽命是隨著蝸桿與星輪片的制造技術(shù)的進(jìn)展而提高的。因此制造技術(shù)就成為發(fā)展單螺桿壓縮機(jī)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(jī)床。解決專機(jī)的途徑：可以從國(guó)外引進(jìn)購(gòu)買、或從國(guó)內(nèi)購(gòu)買、或自行設(shè)計(jì)等。其中，引進(jìn)或購(gòu)買專用機(jī)床是捷徑。70年代后期至80年代初曾試圖從國(guó)外引進(jìn)購(gòu)買，先后曾與辛麥恩、美國(guó)CP公司數(shù)次洽談，終由于技術(shù)封鎖而未成。國(guó)內(nèi)不少機(jī)床廠和專用機(jī)床研究所都不愿意承接委托設(shè)計(jì)制造。因此在當(dāng)時(shí)解決專機(jī)的途徑只能是自行設(shè)計(jì)。
回顧單螺桿壓縮機(jī)30多年的發(fā)展歷程，大體分為兩個(gè)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(jī)，76年試制出9立方單螺桿空壓機(jī)。
1978年以來(lái)西安交大壓縮機(jī)教研室一些教師開始對(duì)單螺桿壓縮機(jī)進(jìn)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(duì)單螺桿空壓機(jī)的評(píng)價(jià)，并做了噴水內(nèi)冷單螺桿空壓機(jī)的研制與試驗(yàn)。北一通數(shù)次與單螺桿發(fā)明人辛麥恩、美國(guó)CP公司直面交流、談判引進(jìn)、及國(guó)外考察等。所有這些使有關(guān)研制人員對(duì)單螺桿技術(shù)加深了了解、提高了認(rèn)識(shí)。
在這一階段，先后研制單螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)品的廠家有四川(簡(jiǎn)陽(yáng))空分設(shè)備廠，浙江溫嶺化機(jī)廠，武漢空壓機(jī)廠，蘇北冷凍機(jī)廠等廠家。各廠在研制樣機(jī)的數(shù)年中都努力做了許多有益的工作，而且有的樣機(jī)性能數(shù)據(jù)還很不錯(cuò)。但未見(jiàn)商品問(wèn)世。在這一階段只有北一通9立方空壓機(jī)一種產(chǎn)品勉強(qiáng)為市場(chǎng)接受，并成為商品持續(xù)生產(chǎn)銷售?？偨Y(jié)其原因最主要的是對(duì)蝸桿、星輪片的制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)不夠深入以及如何解決制造技術(shù)問(wèn)題存在的差異所致。
首先，對(duì)單螺桿壓縮機(jī)制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)。這里有一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程，首先是對(duì)包擴(kuò)對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)特性的重視，之后才發(fā)現(xiàn)制造技術(shù)其實(shí)是關(guān)鍵。如星輪片壽命與多種因素密切相關(guān)，如浮動(dòng)星輪結(jié)構(gòu)，嚙合副材質(zhì)匹配，動(dòng)力潤(rùn)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(jī)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(jī)的研制人員始終關(guān)注型線，尋求接觸應(yīng)力小(接觸線長(zhǎng)、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(jī)理，研究并改進(jìn)嚙合型線是至關(guān)重要的。然而，對(duì)于發(fā)展單螺桿壓縮機(jī)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(shí)的。經(jīng)過(guò)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(rèn)識(shí)到解決加工方法、刀具及設(shè)備更為實(shí)際、更加迫切。這是發(fā)展單螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)品的首要前提。多年來(lái)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(jī)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(guó)內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)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(dá)到共識(shí)。同時(shí)人們也知道，國(guó)內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)，因?yàn)橛辛烁呔鹊臄?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(shí)現(xiàn)了，而且能夠達(dá)到一定的精度、產(chǎn)品被市場(chǎng)認(rèn)同。加工轉(zhuǎn)子齒形的銑刀經(jīng)過(guò)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(jī)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(lái)。
在國(guó)內(nèi)1960年左右開始研制雙螺桿直至1985年國(guó)內(nèi)各制造廠引進(jìn)購(gòu)買專用機(jī)床后才形成批量生產(chǎn)。由雙螺桿壓縮機(jī)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(wèn)題存在著差異。
許多研制單螺桿壓縮機(jī)的單位大多是采用普通車床滾齒機(jī)等簡(jiǎn)單改裝配制組合刀具進(jìn)行加工，由于這類改裝機(jī)床本身精度低，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，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(jì)加工專用機(jī)床。1975年樣機(jī)設(shè)計(jì)剛開始，制造技術(shù)的探索同步啟動(dòng)，特別是第一代蝸桿及星輪片專機(jī)較快的進(jìn)展到第二代專機(jī)，解決了機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，提高了機(jī)床剛度，也適當(dāng)?shù)奶岣吡藱C(jī)床精度，使星輪片壽命達(dá)到了一定水平，才使單螺桿這種結(jié)構(gòu)型式的空壓機(jī)得以保留在壓縮機(jī)市場(chǎng)中?；仡櫰饋?lái)第一、二代專機(jī)，基本上解決了蝸桿的加工方法、刀具及機(jī)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(jiān)韌地探索，積累了許多教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)，使我國(guó)單螺桿壓縮機(jī)成為商品，制造技術(shù)和產(chǎn)品水平雖然處于初期低級(jí)階段，但仍能被用戶接受。十幾年中不斷吸取單螺桿機(jī)實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，針對(duì)問(wèn)題，不斷改進(jìn)，從而推動(dòng)我國(guó)單螺桿技術(shù)緩慢地發(fā)展并逐步趨于成熟，為我國(guó)單螺桿技術(shù)進(jìn)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(jìn)行了多方面的改進(jìn)(例如定壓比熱力設(shè)計(jì)、噴油霧化、變徑設(shè)計(jì)、密封、主機(jī)結(jié)構(gòu)、油氣分離直至各系統(tǒng))。
特別注重了對(duì)蝸桿、星輪片材質(zhì)的改進(jìn)：蝸桿的材質(zhì)從銅改為鋁合金、鑄鐵再改進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(wú)間隙定心，誤差放大后觀測(cè)，逐步調(diào)整趨近理想位置的加工方法。基本實(shí)現(xiàn)了蝸桿星輪中心距±0.01的要求。
在此前期，設(shè)計(jì)制造完成了第三代加工蝸桿、星輪片專機(jī)。這兩種專機(jī)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(jī)床精度有所提高，刀具上也有改進(jìn)。首先是蝸桿專機(jī)傳動(dòng)鏈的精度提高，特別注意了末端件的傳動(dòng)比盡量增大，衰減長(zhǎng)傳動(dòng)鏈的誤差，同時(shí)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(dòng)加工專機(jī)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(jì)制造了鼠牙分度盤對(duì)磨機(jī)，使兩鼠牙盤在專業(yè)廠分度精度的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行互相研磨而成，大大提高了分度精度。同時(shí)模版、刀具材質(zhì)結(jié)構(gòu)都有改進(jìn)。以上這些進(jìn)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(jìn)一步被市場(chǎng)認(rèn)可與接受。在這樣制造技術(shù)和產(chǎn)品水平的情況下，國(guó)內(nèi)單螺桿空壓機(jī)制造業(yè)出現(xiàn)了前所未有的新局面。單螺桿空壓機(jī)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(lè)雁、飛和、施耐德、浪潮、長(zhǎng)沙惠湘、阜新金昊、江漢石油第三機(jī)械廠等單螺桿空壓機(jī)生產(chǎn)廠。2000年后又出現(xiàn)正力、上海佳力士(樂(lè)雁)、上海普渡等廠。此外，重慶壓縮機(jī)廠、常德壓縮機(jī)廠等也曾組裝過(guò)。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(jī)產(chǎn)品廣泛的推向市場(chǎng)，并成功地打開了市場(chǎng)，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(shì)頭強(qiáng)勁。
在這一階段的中期，上海飛和集團(tuán)匯集了壓縮機(jī)、機(jī)床設(shè)計(jì)、精密測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)等各行業(yè)專家，經(jīng)過(guò)幾年努力，首先實(shí)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(jì)完成了第四代加工專機(jī)，從而向市場(chǎng)推出了大排量單螺桿壓縮機(jī)。繼而，飛和集團(tuán)成功的自行設(shè)計(jì)完成第五代專機(jī)，即高精度數(shù)控蝸桿加工專機(jī)和高精度數(shù)控星輪片加工專機(jī)，在單螺桿制造技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破。這個(gè)突破主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
1.星輪齒兩側(cè)曲面加工方法，從仿型法進(jìn)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(shí)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(shí)加工三個(gè)齒的星輪滾刀相比優(yōu)點(diǎn)明顯，僅加工一個(gè)齒，切削力小，刀具簡(jiǎn)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(jìn)展。
2.專用機(jī)床的設(shè)計(jì)由原來(lái)的傳動(dòng)關(guān)系、強(qiáng)度及剛度設(shè)計(jì)進(jìn)展到專用機(jī)床的精度設(shè)計(jì)。
第五代專機(jī)設(shè)計(jì)中完全著重于專機(jī)的精度。多年來(lái)我們認(rèn)識(shí)到提高專用機(jī)床的精度，特別是傳動(dòng)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(dòng)精度高、分度誤差就小。6個(gè)蝸桿槽、11個(gè)星輪齒的分度誤差不容小視。蝸桿槽的分度誤差會(huì)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(dòng)。蝸桿高速旋轉(zhuǎn)(大直徑蝸桿外圓的線速度可達(dá)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(dòng)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(dòng)星輪則沒(méi)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(huì)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(yán)重時(shí)會(huì)使浮動(dòng)星輪橡膠圈損壞以致星輪片齒折斷等。
由此可見(jiàn)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(jī)的傳動(dòng)精度。因此在專機(jī)設(shè)計(jì)前著重對(duì)這種專機(jī)的各種不同傳動(dòng)元件組成的專機(jī)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度進(jìn)行來(lái)了計(jì)算、分析與對(duì)比，通過(guò)分析對(duì)比可以認(rèn)識(shí)到影響機(jī)床傳動(dòng)精度的末端元件傳動(dòng)比、精度、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)短等諸多因素的各自的重要度。最后擇優(yōu)采用，實(shí)現(xiàn)了專機(jī)具有高的傳動(dòng)精度。
上述兩種高精度專機(jī)用飛和自行設(shè)計(jì)制造的機(jī)床傳動(dòng)精度測(cè)量?jī)x(經(jīng)國(guó)家計(jì)量局標(biāo)定精度為3”)檢測(cè)其傳動(dòng)精度比以前的專機(jī)精度提高了10多倍。
上述兩種高精度專機(jī)上海飛和集團(tuán)擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)有各單螺桿空壓機(jī)生產(chǎn)廠中唯一能擁有能自行設(shè)計(jì)制造高精度專機(jī)的廠家。
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有兩類高精度蝸桿加工專機(jī)及星輪片加工專機(jī)。
第一類高精度加工專機(jī)，就是曾在許多期刊上登載的文章中所提的“中國(guó)專機(jī)”。文章作者自稱“獨(dú)家擁有”;“直至目前仍是中國(guó)唯一擁有”的“中國(guó)專機(jī)”。實(shí)際情況是并非其獨(dú)家擁有，飛和集團(tuán)也有同樣的“中國(guó)專機(jī)”。
第二類高精度加工專機(jī)是飛和集團(tuán)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(diǎn)所制定的加工方法及加工特點(diǎn)而自行設(shè)計(jì)的(飛和獨(dú)家擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán))。
這兩類高精度專機(jī)，雖然都是高精度的，但是后者設(shè)計(jì)得更好、更合理：
自行設(shè)計(jì)的專用機(jī)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和加工的需求和提高加工效率?？蛇x擇最新最好的機(jī)構(gòu)及機(jī)床配套零部件，并設(shè)計(jì)成數(shù)控機(jī)床。
飛和自行設(shè)計(jì)的專機(jī)與“中國(guó)專機(jī)”相比：主軸剛度好、加工范圍寬，刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)合理提高了進(jìn)給剛度和精度，主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度是無(wú)極變速，在顯示屏上能直接看出，加工過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)整進(jìn)給速度，既不用手工操作，也無(wú)需停車來(lái)改變進(jìn)給量。除上、下工件外，加工過(guò)程為全自動(dòng)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(tuán)在加工高精度蝸桿、星輪片方面從刀具、工藝裝備、專用機(jī)床直至檢測(cè)儀器等已完整齊備。這是制造技術(shù)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為提高星輪片壽命提供了保障。從實(shí)際生產(chǎn)銷售方面來(lái)看飛和集團(tuán)早已成為中國(guó)單螺桿壓縮機(jī)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(yàn)，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(wú)止境的，不斷創(chuàng)新與超越仍是飛和永遠(yuǎn)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(jìn)行了第三次改進(jìn)，采用了更好的材質(zhì)。設(shè)計(jì)技術(shù)也更加成熟，使得單螺桿壓縮機(jī)得以更好更快的發(fā)展。到目前為止國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單螺桿空壓機(jī)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(guó)外產(chǎn)品，且其綜合性能指標(biāo)已具有國(guó)際先進(jìn)水平。只要我們立志改革與創(chuàng)新，努力探索單螺桿壓縮機(jī)的機(jī)理，深入掌握其設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是不斷改進(jìn)與提高制造技術(shù)。在我國(guó)現(xiàn)有的條件下，就能造出高水平(國(guó)際水平)的單螺桿壓縮機(jī)。這一方面受益于中國(guó)已成為世界制造業(yè)中心，而且也受益于大家30多年來(lái)對(duì)單螺桿壓縮機(jī)技術(shù)的辛勤探索。我們相信在不久的將來(lái)，中國(guó)的單螺桿壓縮機(jī)將被國(guó)人與世界完全接受與認(rèn)可。
綜上所述，30多年來(lái)單螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)曲折而又不均衡的過(guò)程，前十幾年是艱難探索，緩慢進(jìn)展，制造技術(shù)和產(chǎn)品性能都處于初期低級(jí)水平。后十幾年特別是后十年左右單螺桿壓縮機(jī)發(fā)展迅速，設(shè)計(jì)技術(shù)更加成熟，測(cè)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(jī))實(shí)現(xiàn)了重大突破，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，某些產(chǎn)品也具有國(guó)際先進(jìn)水平，并已有了單螺桿空壓機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)我國(guó)單螺桿空壓機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟。在這30多年經(jīng)歷中單螺桿壓縮機(jī)在我國(guó)從無(wú)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(jiān)韌探索的結(jié)果。
不過(guò)我們也應(yīng)該清醒看到目前單螺桿壓縮機(jī)為單級(jí)壓縮的空壓機(jī)、尚有不少可應(yīng)用的領(lǐng)域等待研發(fā)，任重道遠(yuǎn)，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(guó)單螺桿壓縮機(jī)進(jìn)一步的發(fā)展再創(chuàng)輝煌。