【壓縮機網(wǎng)】迄今為止，市場(chǎng)上大量銷(xiāo)售和運行的國內外單螺桿空壓機都屬于單直線(xiàn)（圓柱） 嚙合的傳統產(chǎn)品，絕大多數機器在投入運行一兩年后，流量就明顯下降達10%以上。
1、引言
單螺桿壓縮機在理論上是一種十分完美的氣體壓縮機械。主要在于它體積小、重量輕、振動(dòng)噪聲小。新制機器在剛投入運行的一段時(shí)間內容積效率高、泄漏少，同等級制造精度下的比能耗明顯小于其他螺桿或滑片壓縮機。文獻[1]介紹了2009年國家工信部列出的機械產(chǎn)品節能目錄中，空壓機行業(yè)共有11個(gè)型號產(chǎn)品列入其中，其中11個(gè)型號產(chǎn)品全部是單螺桿空壓機，而當時(shí)的單螺桿空壓機產(chǎn)品僅占全國回轉式空壓機年產(chǎn)量的5%以下。
迄今為止，市場(chǎng)上大量銷(xiāo)售和運行的國內外單螺桿空壓機都屬于單直線(xiàn)（圓柱） 嚙合的傳統產(chǎn)品，絕大多數機器在投入運行一兩年后，流量就明顯下降達10%以上。同時(shí)，也常有不少機器出現軸承異常損毀竄動(dòng)和星輪擦傷斷裂等現象，甚至發(fā)生機殼側窗被星輪撞裂的事故（圖1）。致使單螺桿空壓機近年來(lái)聲譽(yù)大跌，有不少單螺桿制造商減產(chǎn)或停業(yè)，或轉向經(jīng)營(yíng)雙螺桿及其他產(chǎn)品。有不少制造商的產(chǎn)品銷(xiāo)售廣告把單螺桿壓縮機的“單”字去掉，以回避眾人之嫌。為此，我們不得不對十幾年來(lái)單螺桿壓縮機在我國的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行反思。
2、單螺桿產(chǎn)品市場(chǎng)沉浮的原因分析
單螺桿壓縮機市場(chǎng)低占有率的主要原因簡(jiǎn)要如下：
?。?）單螺桿壓縮機自50年前發(fā)明以來(lái)，國外的單螺桿嚙合技術(shù)就沒(méi)有多少進(jìn)步和發(fā)展，至今國外公司幾乎全部采用的是單直線(xiàn)嚙合的螺桿-星輪摩擦副[2]，偶爾也有一些制造商采用單圓柱包絡(luò )的嚙合副，實(shí)際上其星輪齒面上的圓柱包絡(luò )區域很小，與單直線(xiàn)（棱）線(xiàn)嚙合效果相差無(wú)幾（圖2）。因此，星輪齒面及螺桿齒槽容易磨損，造成整機流量明顯下降是不爭的事實(shí)。
?。?）我國近20年來(lái)的單螺桿壓縮機制造商主要集中在浙江、上海和廣東一代。他們在30年前“北一通單螺桿技術(shù)”的基礎上，對螺桿和星輪加工機床的精度和加工效率進(jìn)行改進(jìn)，采用了高耐磨性的PEEK材料做星輪片，使單螺桿壓縮機的流量穩定性和可靠性有了明顯提高，2001年以來(lái)在國內市場(chǎng)上有了一席之地[3-4]。當時(shí)單螺桿制造商們利用單螺桿優(yōu)秀的作用原理過(guò)度夸大宣傳，使廣大壓縮機用戶(hù)信以為真，單螺桿市場(chǎng)迎來(lái)了黃金的十年。十年中，廣大用戶(hù)經(jīng)過(guò)大量運行實(shí)踐發(fā)現，大多數機器的流量在數百或數千小時(shí)后明顯下降。奈何幾乎所有用戶(hù)現場(chǎng)都沒(méi)有安裝流量測量?jì)x表，無(wú)從申訴制造商的質(zhì)保承諾。更為嚴重的是，不少單螺桿壓縮機星輪異常損毀竄動(dòng)，致使星輪片被機殼窗口異常碰斷，星輪齒架被螺槽咬死剪斷，電機線(xiàn)圈燒毀等。從2012年以來(lái)，單螺桿的市場(chǎng)就急轉直下，聲譽(yù)大跌。
?。?）盡管如此，多數單螺桿制造商們仍然高調聲稱(chēng)其產(chǎn)品是無(wú)比的可靠，從來(lái)不承認自身存在的致命缺陷。本文作者作為單螺桿壓縮機的研究人員，也曾試圖接觸幾家制造商來(lái)了解或協(xié)助解決面臨的問(wèn)題，但是都被“我們的產(chǎn)品質(zhì)量很好”所回絕。這種既無(wú)關(guān)鍵新技術(shù)，又不承認自身產(chǎn)品性能缺點(diǎn)的企業(yè)，怎么能生產(chǎn)出高技術(shù)、高質(zhì)量的產(chǎn)品呢？又如何能支撐單螺桿產(chǎn)品市場(chǎng)不下滑呢？
?。?）反觀(guān)競爭優(yōu)勢明顯的雙螺桿空壓機行業(yè)，經(jīng)過(guò)國內外80余年的大力發(fā)展，特別是在近30年來(lái)國內大量引進(jìn)國外型線(xiàn)技術(shù)和加工裝備，國外公司直接地進(jìn)入中國市場(chǎng)，國內數十家企業(yè)大量投資進(jìn)行螺桿壓縮機的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和提升，使得螺桿壓縮機性能穩定提升，產(chǎn)品成本顯著(zhù)下降。自然而然對單螺桿產(chǎn)品構成“弱肉強食”之勢。同時(shí)也應該看到，成熟的螺桿壓縮機技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)使自身的發(fā)展潛力和發(fā)展空間變小，轉向低價(jià)主導的惡性競爭。如果單螺桿能夠藉助于自身先天優(yōu)勢，采用z*新技術(shù)全力改變自身的星輪磨損、星輪齒及軸承的損毀、制造成本高的系列缺陷，反過(guò)來(lái)又會(huì )對螺桿壓縮機構成強勢挑戰。所需要的技術(shù)方案已經(jīng)在國內外多次發(fā)表[5-6]。
3、轉折單螺桿命運的噴液懸浮嚙合技術(shù)
噴液懸浮嚙合技術(shù)是基于多圓柱展成包絡(luò )螺桿齒面來(lái)實(shí)現的。該理論的提出關(guān)鍵在于摒棄單螺桿研究中固化思維方式即認為螺桿齒槽只可能靠單直線(xiàn)的車(chē)刀車(chē)削或一根棒銑刀銑削加工。圖2示出了國內外慣用的單直線(xiàn)型線(xiàn)星輪與螺桿齒槽嚙合的過(guò)程。
所謂多圓柱包絡(luò )型線(xiàn)，就是以實(shí)現z*優(yōu)潤滑摩擦和z*小氣體泄漏為原則進(jìn)行構造的型線(xiàn)，并且采用不同方位的圓柱銑刀對同一個(gè)齒槽反復加工，近似地實(shí)現星輪齒與螺桿齒槽為穩定的曲面嚙合。圖3給出了多圓柱包絡(luò )型線(xiàn)的星輪與螺桿齒面構造。
圖4給出了多圓柱包絡(luò )的螺桿和星輪的嚙合過(guò)程。按照楔形面高速滑動(dòng)形成動(dòng)力液膜的直觀(guān)概念，星輪片在螺槽下部位置時(shí)，齒槽斜度較陡，星輪齒的右側接觸點(diǎn)上部形成較長(cháng)的收斂型楔形區域，推斷可以形成承載力大的較厚液膜，此時(shí)的星輪片左側齒上部接觸點(diǎn)上部難以形成楔形區域，液膜的厚度和承載力很差；當星輪移動(dòng)至齒槽的中部位置時(shí)，兩側的接觸點(diǎn)以上都能形成適當的楔形區域和適度的液膜厚度與承載能力；當星輪片移動(dòng)到齒槽上端，此時(shí)的星輪齒右側可以形成良好的液膜和承載能力，而星輪齒的左側難以形成液膜和承載能力。也就是說(shuō)，星輪齒與螺槽相互滑動(dòng)中形成潤滑液膜的能力隨位置不同而變化。在實(shí)際壓縮機中，一個(gè)齒槽中星輪齒的3個(gè)不同位置，可以等同于3個(gè)星輪齒同一時(shí)刻在3個(gè)齒槽中的嚙合過(guò)程，如圖5所示。且3個(gè)星輪齒在圓周方向是一個(gè)整體。綜合分析3個(gè)星輪齒左側或者右側的液膜形成趨向，顯然是有好有壞，及各個(gè)齒的同側液膜可以相互依賴(lài)，相互約束，兩側總體效果相當，這就保證了星輪總體液膜的穩定性和星輪的耐磨性[7]。而3個(gè)單直線(xiàn)包絡(luò )的星輪片同時(shí)在3個(gè)齒槽中滑動(dòng)時(shí)，每一個(gè)都沒(méi)有動(dòng)力液膜形成的機制，磨損幾乎成為必然。當然也有極個(gè)別單直線(xiàn)星輪齒左右受力恰巧平衡，長(cháng)期不發(fā)生磨損。但不能以此作為單直線(xiàn)“型線(xiàn)優(yōu)秀”的理由。
論文作者研究團隊與西安交大思源科技股份公司、柳工壓縮機公司、好米動(dòng)力設備公司（上海）等多家企業(yè)合作，研制出數10臺噴油和噴水的單螺桿壓縮機，進(jìn)行實(shí)驗測試和工業(yè)應用、實(shí)驗結果超出了我們的預期。
對于噴油單螺桿機，全部采用鑄鐵作為星輪片材料（圖6），多臺數千小時(shí)的滿(mǎn)負荷試驗運行和工業(yè)試驗結果證明，無(wú)一例發(fā)生星輪磨損和流量下降。而國內多家研發(fā)者采用鑄鐵星輪片則在數小時(shí)內就出現流量下降和明顯磨損。
對于噴水潤滑單螺桿機，本研究團隊采用PEEK星輪片，數10臺樣機2000～8000h的型式試驗和工業(yè)運行證明，無(wú)一例發(fā)生磨損和流量下降。同時(shí)需要指出，伴隨著(zhù)噴液懸浮嚙合的多圓柱包絡(luò )型線(xiàn)的研發(fā)，一種高速高精度加工單螺桿齒槽和星輪的數控專(zhuān)機銑床也已經(jīng)投入工業(yè)應用。它們可以使得單螺桿嚙合副的加工成本降低六成以上[8-9]。
4、專(zhuān)治星輪片損毀及其軸承竄動(dòng)的“防液擊技術(shù)”
單螺桿壓縮機在運行中常發(fā)生星輪軸承損壞，星輪片被掃斷齒或齒面擦傷齒面的情況，圖1為某國外公司制冷機星輪齒被全部掃斷的圖片。幾乎所有的制造商都把原因歸結為：由于星輪在開(kāi)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，星輪缺油而發(fā)生磨損，星輪磨損又引起嚙合錯位，破壞了星輪齒架和星輪軸承等。
與供應商們上述推斷截然不同，本文作者經(jīng)過(guò)多臺機器實(shí)驗和深入分析發(fā)現：?jiǎn)温輻U壓縮機運行停車(chē)后，多有不易啟動(dòng)的現象。壓縮機的嚙合副密封性越好，停機后存儲在機殼內的液體越多，就越難以盤(pán)車(chē)和啟動(dòng)。50多年來(lái)，沒(méi)有人研究其原因和解決方案，致使單螺桿的星輪軸承和星輪片頻繁損毀，也常發(fā)生燒毀電機線(xiàn)圈的現象。
按照單螺桿壓縮機的受力分析，其轉子軸承受到的軸向力和徑向力（不計重力） 為零，星輪上的軸向力和徑向力僅是雙螺桿軸承受力的1/5以下，軸承連續運行5～10年是絕對沒(méi)有問(wèn)題的。而今，發(fā)生星輪及軸承嚴重損壞，必有蹊蹺！分析單螺桿壓縮腔作用原理可知，單螺桿壓縮機的排氣口設置在機殼的兩側，當壓縮機停機后，機殼內的殘留液體沉到螺桿殼體的下側，如圖7所示。這些液體也必然鉆進(jìn)螺桿齒槽，下次開(kāi)機后被星輪片封閉推向排氣孔口，如果齒槽中液體較多時(shí)，在未與排氣口連通時(shí)就發(fā)生液擊。
許多大容量的單螺桿容易發(fā)生這樣的液擊和星輪損毀，有時(shí)也燒毀電機線(xiàn)圈。多數情況下，存儲在齒槽容積內的液體會(huì )比齒槽壓縮終了的容積要小，不至于發(fā)生啟動(dòng)悶車(chē)現象，但是齒槽內的壓力大大超出排氣壓力，使星輪和軸承遭受到巨大的軸向推力，反復的啟動(dòng)使得軸承反復受傷，而又反復運行，逐漸地使得軸承軸向間隙增大至大幅竄動(dòng)。造成嚙合副錯位，引起星輪齒異常磨損和被小塊割切，或者輪齒咬斷，甚至機殼撞裂。
單螺桿壓縮機特有的液擊現象是造成星輪結構惡性故障的罪魁禍s*，徹底消除液擊的解決方案也十分簡(jiǎn)單[10]：
?。?）停機時(shí)機殼內少存液；（2）開(kāi)機后先設置倒轉幾圈，再立即正轉投入運行；（3）在吸氣腔內設置低位活動(dòng)容積，停機后容腔變小接納機殼內的液體，開(kāi)機以后容腔變大排出液體。大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明本方法可輕松消除軸承損壞及其星輪故障，保證軸承連續運行5年以上也完好無(wú)損。
5、結論
?。?）近十余年來(lái)，國內多數單螺桿制造商漠視產(chǎn)品的主要重要性能缺陷，刻意夸大宣傳的經(jīng)營(yíng)方式，幾乎把單螺桿壓縮機引入了絕境，大有“壓城欲摧”之勢，盡管單螺桿壓縮機在理論上性能完美。
?。?）z*新推廣的單螺桿噴液懸浮嚙合技術(shù)和消除星輪液擊技術(shù)，能夠徹底消除傳統單螺桿的星輪磨損、輪齒損毀和軸承失效竄動(dòng)問(wèn)題，保證壓縮機主機至少3萬(wàn)小時(shí)以上的安全、可靠、恒定流量和無(wú)故障運行。由此來(lái)開(kāi)發(fā)低成本的高壓?jiǎn)温輻U，水潤滑單螺桿機型，將獨占鰲頭。上述系列技術(shù)已經(jīng)在西安交大思源科技股份公司、柳工壓縮機公司和好米動(dòng)力設備公司投入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應用，運行考驗結果令人振奮。
?。?）單螺桿的z*新加工裝備和技術(shù)將保證高精度、高效率，使單螺桿壓縮機的螺桿和星輪的加工成本降低60%以上。這些技術(shù)保證單螺桿壓縮機命運的大轉折。
參考文獻
[1]鄭家強，陳向東，趙躍進(jìn).新國家標準《一般用噴油單螺桿空氣壓縮機》分析[J].壓縮機世界，2010，（6）.
[2]陳蔚風(fēng).單螺桿壓縮機的發(fā)展歷程與展望[J].制冷與空調，2010，（8）
[3]查謙，鄧謙，等.單螺桿壓縮機的新進(jìn)展[J].壓縮機技術(shù)，2002，（2）.
[4]鄭雷飛，夏振鵬.我國單螺桿壓縮機的發(fā)展歷程與進(jìn)展[J].壓縮機技術(shù)，2006，（2）.
[5]Huang R，Li T，Yu XL，et al.An Optimization of the Starwheel
Profile in a Single Screw Compressor[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A：Journal of Power and Energy，2015，229（2）：139-150.
[6]吳偉烽，馮全科，黃銳，李健.單螺桿壓縮機星輪齒理論型面的研究[J].壓縮機技術(shù)，2011，（06）：1-5.
[7] Li Ting，Wang ZL，Huang R，et al.Theoretical Analysis of Loads on the Gate Rotor Bearings in the Single Screw
Compressor [C].In：8th International Conference on Com pressors and their Systemsat in London，2013：9-10.
[8]馮全科，吳偉烽，趙忖，等.一種用于加工單螺桿壓縮機轉子的銑床[P].中國，ZL 200810150033.9.2008.
[9]黃銳，趙忖，李健，吳偉鋒，余小玲，馮全科.一種單螺桿壓縮機星輪加工機床[P].
[10]馮全科，黃銳，劉飛龍，余小玲，吳偉鋒.用于噴液冷卻式單螺桿壓縮機的防液擊裝置[P].
作者簡(jiǎn)介
馮全科（1953-），現任西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院教授，博士學(xué)位，研究方向為制冷及低溫設備的優(yōu)化設計與可靠性研究；冷中子源和超冷中子源的熱物理工作過(guò)程與設計理論研究；新一代單螺桿壓縮機嚙合型線(xiàn)設計，制造裝備與工藝技術(shù)研究；壓縮機的管路振動(dòng)與氣流脈動(dòng)，曲軸扭振理論研究；艦艇用高壓縮機設計技術(shù)研究；大型高壓迷宮壓縮機密封磁懸浮技術(shù)研究。
【壓縮機網(wǎng)】迄今為止，市場(chǎng)上大量銷(xiāo)售和運行的國內外單螺桿空壓機都屬于單直線(xiàn)（圓柱） 嚙合的傳統產(chǎn)品，絕大多數機器在投入運行一兩年后，流量就明顯下降達10%以上。
1、引言
單螺桿壓縮機在理論上是一種十分完美的氣體壓縮機械。主要在于它體積小、重量輕、振動(dòng)噪聲小。新制機器在剛投入運行的一段時(shí)間內容積效率高、泄漏少，同等級制造精度下的比能耗明顯小于其他螺桿或滑片壓縮機。文獻[1]介紹了2009年國家工信部列出的機械產(chǎn)品節能目錄中，空壓機行業(yè)共有11個(gè)型號產(chǎn)品列入其中，其中11個(gè)型號產(chǎn)品全部是單螺桿空壓機，而當時(shí)的單螺桿空壓機產(chǎn)品僅占全國回轉式空壓機年產(chǎn)量的5%以下。
迄今為止，市場(chǎng)上大量銷(xiāo)售和運行的國內外單螺桿空壓機都屬于單直線(xiàn)（圓柱） 嚙合的傳統產(chǎn)品，絕大多數機器在投入運行一兩年后，流量就明顯下降達10%以上。同時(shí)，也常有不少機器出現軸承異常損毀竄動(dòng)和星輪擦傷斷裂等現象，甚至發(fā)生機殼側窗被星輪撞裂的事故（圖1）。致使單螺桿空壓機近年來(lái)聲譽(yù)大跌，有不少單螺桿制造商減產(chǎn)或停業(yè)，或轉向經(jīng)營(yíng)雙螺桿及其他產(chǎn)品。有不少制造商的產(chǎn)品銷(xiāo)售廣告把單螺桿壓縮機的“單”字去掉，以回避眾人之嫌。為此，我們不得不對十幾年來(lái)單螺桿壓縮機在我國的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行反思。
2、單螺桿產(chǎn)品市場(chǎng)沉浮的原因分析
單螺桿壓縮機市場(chǎng)低占有率的主要原因簡(jiǎn)要如下：
?。?）單螺桿壓縮機自50年前發(fā)明以來(lái)，國外的單螺桿嚙合技術(shù)就沒(méi)有多少進(jìn)步和發(fā)展，至今國外公司幾乎全部采用的是單直線(xiàn)嚙合的螺桿-星輪摩擦副[2]，偶爾也有一些制造商采用單圓柱包絡(luò )的嚙合副，實(shí)際上其星輪齒面上的圓柱包絡(luò )區域很小，與單直線(xiàn)（棱）線(xiàn)嚙合效果相差無(wú)幾（圖2）。因此，星輪齒面及螺桿齒槽容易磨損，造成整機流量明顯下降是不爭的事實(shí)。
?。?）我國近20年來(lái)的單螺桿壓縮機制造商主要集中在浙江、上海和廣東一代。他們在30年前“北一通單螺桿技術(shù)”的基礎上，對螺桿和星輪加工機床的精度和加工效率進(jìn)行改進(jìn)，采用了高耐磨性的PEEK材料做星輪片，使單螺桿壓縮機的流量穩定性和可靠性有了明顯提高，2001年以來(lái)在國內市場(chǎng)上有了一席之地[3-4]。當時(shí)單螺桿制造商們利用單螺桿優(yōu)秀的作用原理過(guò)度夸大宣傳，使廣大壓縮機用戶(hù)信以為真，單螺桿市場(chǎng)迎來(lái)了黃金的十年。十年中，廣大用戶(hù)經(jīng)過(guò)大量運行實(shí)踐發(fā)現，大多數機器的流量在數百或數千小時(shí)后明顯下降。奈何幾乎所有用戶(hù)現場(chǎng)都沒(méi)有安裝流量測量?jì)x表，無(wú)從申訴制造商的質(zhì)保承諾。更為嚴重的是，不少單螺桿壓縮機星輪異常損毀竄動(dòng)，致使星輪片被機殼窗口異常碰斷，星輪齒架被螺槽咬死剪斷，電機線(xiàn)圈燒毀等。從2012年以來(lái)，單螺桿的市場(chǎng)就急轉直下，聲譽(yù)大跌。
?。?）盡管如此，多數單螺桿制造商們仍然高調聲稱(chēng)其產(chǎn)品是無(wú)比的可靠，從來(lái)不承認自身存在的致命缺陷。本文作者作為單螺桿壓縮機的研究人員，也曾試圖接觸幾家制造商來(lái)了解或協(xié)助解決面臨的問(wèn)題，但是都被“我們的產(chǎn)品質(zhì)量很好”所回絕。這種既無(wú)關(guān)鍵新技術(shù)，又不承認自身產(chǎn)品性能缺點(diǎn)的企業(yè)，怎么能生產(chǎn)出高技術(shù)、高質(zhì)量的產(chǎn)品呢？又如何能支撐單螺桿產(chǎn)品市場(chǎng)不下滑呢？
?。?）反觀(guān)競爭優(yōu)勢明顯的雙螺桿空壓機行業(yè)，經(jīng)過(guò)國內外80余年的大力發(fā)展，特別是在近30年來(lái)國內大量引進(jìn)國外型線(xiàn)技術(shù)和加工裝備，國外公司直接地進(jìn)入中國市場(chǎng)，國內數十家企業(yè)大量投資進(jìn)行螺桿壓縮機的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和提升，使得螺桿壓縮機性能穩定提升，產(chǎn)品成本顯著(zhù)下降。自然而然對單螺桿產(chǎn)品構成“弱肉強食”之勢。同時(shí)也應該看到，成熟的螺桿壓縮機技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)使自身的發(fā)展潛力和發(fā)展空間變小，轉向低價(jià)主導的惡性競爭。如果單螺桿能夠藉助于自身先天優(yōu)勢，采用z*新技術(shù)全力改變自身的星輪磨損、星輪齒及軸承的損毀、制造成本高的系列缺陷，反過(guò)來(lái)又會(huì )對螺桿壓縮機構成強勢挑戰。所需要的技術(shù)方案已經(jīng)在國內外多次發(fā)表[5-6]。
3、轉折單螺桿命運的噴液懸浮嚙合技術(shù)
噴液懸浮嚙合技術(shù)是基于多圓柱展成包絡(luò )螺桿齒面來(lái)實(shí)現的。該理論的提出關(guān)鍵在于摒棄單螺桿研究中固化思維方式即認為螺桿齒槽只可能靠單直線(xiàn)的車(chē)刀車(chē)削或一根棒銑刀銑削加工。圖2示出了國內外慣用的單直線(xiàn)型線(xiàn)星輪與螺桿齒槽嚙合的過(guò)程。
所謂多圓柱包絡(luò )型線(xiàn)，就是以實(shí)現z*優(yōu)潤滑摩擦和z*小氣體泄漏為原則進(jìn)行構造的型線(xiàn)，并且采用不同方位的圓柱銑刀對同一個(gè)齒槽反復加工，近似地實(shí)現星輪齒與螺桿齒槽為穩定的曲面嚙合。圖3給出了多圓柱包絡(luò )型線(xiàn)的星輪與螺桿齒面構造。
圖4給出了多圓柱包絡(luò )的螺桿和星輪的嚙合過(guò)程。按照楔形面高速滑動(dòng)形成動(dòng)力液膜的直觀(guān)概念，星輪片在螺槽下部位置時(shí)，齒槽斜度較陡，星輪齒的右側接觸點(diǎn)上部形成較長(cháng)的收斂型楔形區域，推斷可以形成承載力大的較厚液膜，此時(shí)的星輪片左側齒上部接觸點(diǎn)上部難以形成楔形區域，液膜的厚度和承載力很差；當星輪移動(dòng)至齒槽的中部位置時(shí)，兩側的接觸點(diǎn)以上都能形成適當的楔形區域和適度的液膜厚度與承載能力；當星輪片移動(dòng)到齒槽上端，此時(shí)的星輪齒右側可以形成良好的液膜和承載能力，而星輪齒的左側難以形成液膜和承載能力。也就是說(shuō)，星輪齒與螺槽相互滑動(dòng)中形成潤滑液膜的能力隨位置不同而變化。在實(shí)際壓縮機中，一個(gè)齒槽中星輪齒的3個(gè)不同位置，可以等同于3個(gè)星輪齒同一時(shí)刻在3個(gè)齒槽中的嚙合過(guò)程，如圖5所示。且3個(gè)星輪齒在圓周方向是一個(gè)整體。綜合分析3個(gè)星輪齒左側或者右側的液膜形成趨向，顯然是有好有壞，及各個(gè)齒的同側液膜可以相互依賴(lài)，相互約束，兩側總體效果相當，這就保證了星輪總體液膜的穩定性和星輪的耐磨性[7]。而3個(gè)單直線(xiàn)包絡(luò )的星輪片同時(shí)在3個(gè)齒槽中滑動(dòng)時(shí)，每一個(gè)都沒(méi)有動(dòng)力液膜形成的機制，磨損幾乎成為必然。當然也有極個(gè)別單直線(xiàn)星輪齒左右受力恰巧平衡，長(cháng)期不發(fā)生磨損。但不能以此作為單直線(xiàn)“型線(xiàn)優(yōu)秀”的理由。
論文作者研究團隊與西安交大思源科技股份公司、柳工壓縮機公司、好米動(dòng)力設備公司（上海）等多家企業(yè)合作，研制出數10臺噴油和噴水的單螺桿壓縮機，進(jìn)行實(shí)驗測試和工業(yè)應用、實(shí)驗結果超出了我們的預期。
對于噴油單螺桿機，全部采用鑄鐵作為星輪片材料（圖6），多臺數千小時(shí)的滿(mǎn)負荷試驗運行和工業(yè)試驗結果證明，無(wú)一例發(fā)生星輪磨損和流量下降。而國內多家研發(fā)者采用鑄鐵星輪片則在數小時(shí)內就出現流量下降和明顯磨損。
對于噴水潤滑單螺桿機，本研究團隊采用PEEK星輪片，數10臺樣機2000～8000h的型式試驗和工業(yè)運行證明，無(wú)一例發(fā)生磨損和流量下降。同時(shí)需要指出，伴隨著(zhù)噴液懸浮嚙合的多圓柱包絡(luò )型線(xiàn)的研發(fā)，一種高速高精度加工單螺桿齒槽和星輪的數控專(zhuān)機銑床也已經(jīng)投入工業(yè)應用。它們可以使得單螺桿嚙合副的加工成本降低六成以上[8-9]。
4、專(zhuān)治星輪片損毀及其軸承竄動(dòng)的“防液擊技術(shù)”
單螺桿壓縮機在運行中常發(fā)生星輪軸承損壞，星輪片被掃斷齒或齒面擦傷齒面的情況，圖1為某國外公司制冷機星輪齒被全部掃斷的圖片。幾乎所有的制造商都把原因歸結為：由于星輪在開(kāi)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，星輪缺油而發(fā)生磨損，星輪磨損又引起嚙合錯位，破壞了星輪齒架和星輪軸承等。
與供應商們上述推斷截然不同，本文作者經(jīng)過(guò)多臺機器實(shí)驗和深入分析發(fā)現：?jiǎn)温輻U壓縮機運行停車(chē)后，多有不易啟動(dòng)的現象。壓縮機的嚙合副密封性越好，停機后存儲在機殼內的液體越多，就越難以盤(pán)車(chē)和啟動(dòng)。50多年來(lái)，沒(méi)有人研究其原因和解決方案，致使單螺桿的星輪軸承和星輪片頻繁損毀，也常發(fā)生燒毀電機線(xiàn)圈的現象。
按照單螺桿壓縮機的受力分析，其轉子軸承受到的軸向力和徑向力（不計重力） 為零，星輪上的軸向力和徑向力僅是雙螺桿軸承受力的1/5以下，軸承連續運行5～10年是絕對沒(méi)有問(wèn)題的。而今，發(fā)生星輪及軸承嚴重損壞，必有蹊蹺！分析單螺桿壓縮腔作用原理可知，單螺桿壓縮機的排氣口設置在機殼的兩側，當壓縮機停機后，機殼內的殘留液體沉到螺桿殼體的下側，如圖7所示。這些液體也必然鉆進(jìn)螺桿齒槽，下次開(kāi)機后被星輪片封閉推向排氣孔口，如果齒槽中液體較多時(shí)，在未與排氣口連通時(shí)就發(fā)生液擊。
許多大容量的單螺桿容易發(fā)生這樣的液擊和星輪損毀，有時(shí)也燒毀電機線(xiàn)圈。多數情況下，存儲在齒槽容積內的液體會(huì )比齒槽壓縮終了的容積要小，不至于發(fā)生啟動(dòng)悶車(chē)現象，但是齒槽內的壓力大大超出排氣壓力，使星輪和軸承遭受到巨大的軸向推力，反復的啟動(dòng)使得軸承反復受傷，而又反復運行，逐漸地使得軸承軸向間隙增大至大幅竄動(dòng)。造成嚙合副錯位，引起星輪齒異常磨損和被小塊割切，或者輪齒咬斷，甚至機殼撞裂。
單螺桿壓縮機特有的液擊現象是造成星輪結構惡性故障的罪魁禍s*，徹底消除液擊的解決方案也十分簡(jiǎn)單[10]：
?。?）停機時(shí)機殼內少存液；（2）開(kāi)機后先設置倒轉幾圈，再立即正轉投入運行；（3）在吸氣腔內設置低位活動(dòng)容積，停機后容腔變小接納機殼內的液體，開(kāi)機以后容腔變大排出液體。大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明本方法可輕松消除軸承損壞及其星輪故障，保證軸承連續運行5年以上也完好無(wú)損。
5、結論
?。?）近十余年來(lái)，國內多數單螺桿制造商漠視產(chǎn)品的主要重要性能缺陷，刻意夸大宣傳的經(jīng)營(yíng)方式，幾乎把單螺桿壓縮機引入了絕境，大有“壓城欲摧”之勢，盡管單螺桿壓縮機在理論上性能完美。
?。?）z*新推廣的單螺桿噴液懸浮嚙合技術(shù)和消除星輪液擊技術(shù)，能夠徹底消除傳統單螺桿的星輪磨損、輪齒損毀和軸承失效竄動(dòng)問(wèn)題，保證壓縮機主機至少3萬(wàn)小時(shí)以上的安全、可靠、恒定流量和無(wú)故障運行。由此來(lái)開(kāi)發(fā)低成本的高壓?jiǎn)温輻U，水潤滑單螺桿機型，將獨占鰲頭。上述系列技術(shù)已經(jīng)在西安交大思源科技股份公司、柳工壓縮機公司和好米動(dòng)力設備公司投入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應用，運行考驗結果令人振奮。
?。?）單螺桿的z*新加工裝備和技術(shù)將保證高精度、高效率，使單螺桿壓縮機的螺桿和星輪的加工成本降低60%以上。這些技術(shù)保證單螺桿壓縮機命運的大轉折。
參考文獻
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[9]黃銳，趙忖，李健，吳偉鋒，余小玲，馮全科.一種單螺桿壓縮機星輪加工機床[P].
[10]馮全科，黃銳，劉飛龍，余小玲，吳偉鋒.用于噴液冷卻式單螺桿壓縮機的防液擊裝置[P].
作者簡(jiǎn)介
馮全科（1953-），現任西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院教授，博士學(xué)位，研究方向為制冷及低溫設備的優(yōu)化設計與可靠性研究；冷中子源和超冷中子源的熱物理工作過(guò)程與設計理論研究；新一代單螺桿壓縮機嚙合型線(xiàn)設計，制造裝備與工藝技術(shù)研究；壓縮機的管路振動(dòng)與氣流脈動(dòng)，曲軸扭振理論研究；艦艇用高壓縮機設計技術(shù)研究；大型高壓迷宮壓縮機密封磁懸浮技術(shù)研究。
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