[科普中国]-单螺杆压缩机

单螺杆压缩机由一个圆柱螺杆和两个对称布置的平面星轮组成啮合副，装在机壳内。螺杆螺槽、机壳(气缸)内壁和星轮齿构成封闭容积。动力传到螺杆轴上，由螺杆带动星轮旋转。气体由吸气腔进入螺槽内，经压缩后通过排气孔口和排气腔排出。星轮的作用相当于往复活塞压缩机的活塞，当星轮齿在螺槽内相对运动时，封闭容积逐渐减小，气体受到压缩。

简介螺杆压缩机是往复式活塞压缩机换代产品，用螺杆取代活塞式压缩机是动力用压缩机发展趋势。螺杆压缩机有双螺杆和单螺杆两种。双螺杆压缩机全套技术我国已重复引进多套，但核心技术，例如齿形为第二代单边修正不对称摆线。也正是这个原因，外商与台商利用他们第三代星型齿等技术优势抢占中国市场，目前国内厂家很难与他们竞争。单螺杆压缩机60年代由法国人辛麦恩发明，七十年代主要用作喷油压缩机，八十年代技术真正成熟后，其应用范围才日淅扩大。单螺杆压缩机虽比双螺杆压缩机问世晚数十年，但因性能优异而上升势头强劲。

单螺杆压缩机与双螺杆压缩机的比较单螺杆压缩机的螺杆具有6个螺槽，星轮有11个齿，相当于6个气缸，两个星轮同时与螺槽啮合，因此，螺杆侮旋转一周相当于12个气缸在做功。

众所周知，螺杆压缩机(包括双螺杆和单螺杆两种)在回转压缩扫L中所占比重最大。从国际市场来看，1963年到1983年这20年间，全世界螺杆压缩机销售量每年增长率为30%。目前，日木、欧美等国在中等气量的压缩机中，双螺杆压缩机占80%。作为同样范围内的单螺杆压缩机和双螺杆压缩机，相比较而言，双螺杆以其加工工艺性好、可行性高等特点，在整个螺杆机市场上占到80%以上的份额，单螺杆压缩机仅占不到20%。以下对两种压缩机作一简要比较1。

结构单螺杆压缩机的螺杆与星轮属于一对球面蜗杆副，螺杆轴和星轮轴必须保持空间垂直;双螺杆压缩机的阴、阳转子相当于一对齿轮副，阴、阳转子轴保持平行位置。从结构上而言，一单螺杆压缩机螺杆与星轮之间的配合精度难以保证，故整机运行可行性较双螺杆为低2。

驱动方式两种压缩机均可与电机直联或通过皮带轮传动，但当双螺杆压缩机转速较高时，需要加增速齿轮2。

工作原理与特点工作原理与特点单螺杆压缩机，主要由一个六头螺杆和二个十一齿星轮及机体组成。结构简单，体积小，重量不到活塞式1/6。螺杆转一圈有十二次吸、排气。螺杆高速运转时气流脉动小、排气量大。因星轮对称安装，螺杆受力完全平衡，振动小，噪声比双螺杆式低10dB以上。由于单螺杆的受力平衡，一级压缩的最高压力可比双螺杆大；单螺杆比双螺杆节能，轴承尺寸不象双螺杆式那样受限制而寿命更长。压缩机高速运转时被压缩气体会产生大量热能，须喷油或喷其它液体（水、液态制冷剂等）冷却，单螺杆压缩机一般都采用液体润滑，但可分为油润滑、水润滑以及制冷剂等液体润滑。与螺杆压缩机有弯曲变形条件下运转工况不同，单螺杆压缩机因螺杆受力完全平衡，能在很小工作间隙下工作，泄漏小、容积效率高。喷油机小间隙下工作时，油液所带来粘性剪切损失会导致比功率上升。我们研制产品达到小间隙下工作而具有高容积效率同时，具备了降低比功率能力。

单螺杆压缩机存在的问题磨损问题单螺杆压缩机目前最关键的瓶颈应该是星轮片的磨损问题。涉及面广，与材料、润滑、加工、运行等均相关。国内多年来一直在前述几方面努力，所取得的成绩很好，但仍然不够。
根据最新研究成果，星轮片的磨损机理和磨损原因尚需要进一步研究：一、目前市场上大部分单螺杆压缩机型线仍然是直线包络；二、传统理论认为，运行过程中，是由螺杆推动星轮运行的。这可能有所偏差。根据最新研究成果，压缩腔内的压缩空气和润滑油在星轮齿侧的作用力，既是在没有加工误差的情况下，作用在星轮圆周方向的扭矩也可以达到0.7Nm之多，因此星轮实际上是紧贴着螺杆，“推动”螺杆在运动。这一点可以与实际产品前齿侧磨损远远比后齿侧磨损厉害获得印证。三、星轮与螺杆加工中，刀具受热变形对加工精度的影响的研究，目前好像还是空白。必须展开这方面的研究，以确定加工精度的可控程度。
当然，这里说到的是关键、核心问题。后续产品、配套，维护等方面技术含量相对要小一点。

加工技术与装配技术加工技术与装配技术是单螺杆压缩机技术核心，掌握了它就能自行研制高精度专机而不必依赖进口。否则，即使有了高精度专机能生产高品质压缩机。加工精度多高，不能正确装配，以前一切努力将前功尽弃。加工与装配精度高低集中体现齿面啮合情况上。啮合副应没有跑合情况下，实现啮合区内全部齿面同时啮合，每个齿面啮合总面积不低于90%。

国外概况国外概况目前日、美、英、法和荷兰等国家引进法国奥费尔公司技术基础上生产单螺杆压缩机。

1）英国霍尔（Hall）公司将剖分式机体改成整体式，提高了整机刚性与精度，设置进气线减少了油液粘性剪切损失并提高了进气效率。生产喷油单螺杆冷冻机其性能全面优于双螺杆冷冻机，但水平低于日本。日本大金公司生产单螺杆冷冻机比该公司原生产双螺杆冷冻机，满载时效率提高了25%，部分负载时效率提高了40%。八十年代，日本三菱公司创造了自己高精度加工和装配技术，所生产无油单螺杆冷冻机减少了油液粘性剪切损失，比喷油单螺杆冷冻机节能5%，现水平又有了进一步提高。大型无油单螺杆冷冻机性能全面达到或超过了最节能但价格昂贵透平式冷冻机，成为当代最好冷冻机，也是冷冻机发展方向，市场前景良好，目前仅日本能生产。其成本远低于透平式而售价却较高，单螺杆冷冻机附加值很高，经济经益和社会效益很好。

2）工艺用单螺杆压缩机单螺杆压缩机综合性能，尤其是可靠性好、易于电脑控制等原特别适用于工艺流程，用于天然气集气、煤层除气、陆注气、酸气压缩、燃气轮机增压、蒸气回收等和各种化工生产工艺流程中压缩各种气体。美国德莱塞——兰德公司曾购买日本三井精机公司螺杆、星轮组装整机，但目前已经停产。

3）喷油单螺杆空气压缩机该产品是螺杆压缩机中产量最大，用途最广产品，以日本三井精机公司水平最高。该公司从三十年代开始制造压缩机，七十年代引进了单螺杆压缩机后，研制了螺杆、星轮专用高精度机床，掌握了加工和装配技术，采用整机机体，产品用电脑控制。除生产单螺杆压缩机外，还向欧、美、日等厂家提供螺杆、星轮或主机供生产单螺杆压缩机。尽管喷油单螺杆压缩机国际市场上售价比双螺杆压缩机高，但仍占50%市场。

4）喷水单螺杆空气压缩机医药、食品、电子、新材料及高科技产品等对压缩空气要求提高以及环保意识增强，对无油空气压缩机需求越来越大。喷水单螺杆压缩机因避免了油污染，能提供清洁压缩空气（空气中本来就含有水），同时大大减少了喷油所带来粘性剪切损失，节能效果特别好；美国九十年代成立格里迈而施密特公司所生产喷水单螺杆压缩机一级压缩时比两级压缩双螺杆压缩机节能20%。喷水单螺杆压缩机需求量越来越大。美国海军对十几种压缩机进行了大量实验论证后认为：单螺杆压缩机是潜水艇等舰船用最佳压缩机，高压、无油压缩机来说是唯一选择。喷水单螺杆压缩机售价远高于喷油式，但经济效益、社会效益和市场前景都十分看好。各种用途单螺杆压缩机都有卓越性能，广阔市场与良好效益，收费高昂单螺杆压缩机发明专利又已过期，一些国家正加紧研制。

国内概况北一通是国内最早研制单螺杆压缩机厂家，76年研制出样机，当时啮合副寿命仅数十小时。该厂长期未能突破各项关键技术，曾经与美国CP公司达成引进单螺杆压缩机全套技术协议，但后来美国单方面中止了合同。北一通仅到产品样机与不齐全图纸（缺最关键螺杆与星轮图纸）。之后该厂又多方努力寻求引进，迄今毫无结果。温岭化工机械厂和苏北冷冻机厂先后与西安交大合作研制单螺杆压缩机均长期未能解决啮合副加工技术而放弃了研制工作。武汉空气压缩机厂和西安交大合作研制压喷油单螺杆空气压缩机，为86年国家科委重点项目，此外七十四所舰船用喷水单螺杆空气压缩机系国防科工委重点项目，研制情况不明。国内其他单位到北一通退休职工转让技术所生产样机，其水平在北一通之下。关键技术单螺杆压缩机生产中最大困难，即关键技术螺杆、星轮参数设计及其优化，两啮合齿面齿廓精度（加工精度和装配精度）。解决了这两个问题，就能大批量生产各种用途单螺杆压缩机。

1、螺杆和星轮参数优化星轮和螺杆啮合时，星轮工作齿面每一瞬时共轭接触线，星轮一条直母线q外，还有因二次包络而形成另一条轭接触线。这些瞬时接触线对应星轮齿一定区间的有效转角φ范围内，形成一个连续曲面S。曲面S一半母线q之上，另一半母线q之下。曲面S一大部分，只某一瞬时，即某一转角φ时，实现螺杆和星轮共轭接触。之后（或之前），它却侵入了螺杆实体而发生实体干涉。S曲面这一部分是不可用。曲面S形状及特性和啮合副参数设置有密切关系。我们面临了一个“最优化”课题，它“目标函数”是如何有效转角范围内最大限度令S曲面处可用区间，以增加星轮齿侧曲面啮合面积。有效延长啮合副寿命。

2、高精度专用机床高精度专用机床是加工优质螺杆、星轮必不可少设备，是整个项目关键，也是国外对我国封锁重点。一些专家过去认为专机传动链精度要求太高，国内不可能达到。当前数控伺服系统广泛应用情况下，制造由最短传动链和超高精度传动元件组成专机是可以实现。

3、刀具国外直线包络是单螺杆压缩机唯一型线。这种型线螺杆齿面不可展，不能用磨削方法加工。采用指形铣刀作为粗加工，车削用于精加工，是唯一可行加工方法。星轮加工是我国二十多年来一直未能解决问题。现我们从理论和实践上解决了这一难题。星轮设计中尽一切可能增加啮合副整个啮合转角区间内接触面积。我们计算到星轮齿面三维坐标和它一阶，二阶微分邻域特性，设计了高效率剃刀，可以没有理论误差条件下，加工出精密星轮齿曲面。

应用发展产品用途与市场单螺杆空气压缩机主要用于石油、化工、能源、交通、机械、冶金、矿山、建筑、医药、食品等领域。如气动工具、气动夹具、自动控制、精密测量、喷砂、喷漆、散状物料（水泥、煤粉、药粉等）气力输送等。其中无油单螺杆压缩机因能提供洁净能源节能，市场需求越来越大。工艺用单螺杆压缩机用来压缩除空气以外各种气体，主要用于化工生产工艺流程中。也用作煤气、天然气输送等。单螺杆压缩机是冷冻（空调）机最佳机种，军事上如潜水艇和导弹发射等也有重要用途。西方发达国家，螺杆式压缩机基本上取代了活塞式，市场占有率近80%，瑞典阿特拉司公司每年约生产双螺杆压缩机1.8万台，美国I-R公司每年约产0.9万台。国内1986年螺杆式仅为2%，近年来约占30%，市场潜力大。如前所述：外商、台商利用技术等方面优势抢占中国市场，销售情况良好。而国内厂家则销售欠佳。销售情况是商业秘密，难于收集，但从生产能力可见一斑；新成立柳州富达机械有限公司，（中意合资）年生产能力为：双螺杆压缩机0.5万台，产值逾2亿元。全国双螺杆空气压缩机年生产能力估计2万台以上。2002年上海复盛公司生产螺杆压缩机产值达1.5亿元，英格索兰空压机厂产值达5亿元，国家经济迅速发展，单螺杆压缩机需求量将会日趋增大。几点说明单螺杆压缩机是技术密集型兼劳动力密集型产品，国外引进技术且外购螺杆、星轮条件下生产整机也能盈利，我国用自己全套技术生产，质量不低于国外水平、价格上有明显优势，一旦开拓了国际市场，产量与效益将更为可观，能带动相关产业，如：电子、仪表、电器发展，此外，本项目投产无污染公害。单螺杆压缩机有CC、CP、PP、PC四种类型，其中以最后问世PC型最节能，被单螺杆压缩机发明人誉为理想冷冻（空调）机，PC型生产技术最困难，目前两家公司能生产该型空气压缩机。PC型问世淘汰了CC型。此外，将CP型螺杆外形由圆柱变为圆锥，将形成一种新机型。正象PC型优于CC型一样，新机型比CP型更节能3。

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学