CN102094819A - 双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机 - Google Patents

Abstract

一种单螺杆压缩机，包含一根螺杆以及两个星轮，所述两星轮分布在螺杆两边同螺杆啮合。其特征在于：螺杆的螺槽面是代替星轮齿啮合面的双椭圆产形面按照空间啮合规律包络螺杆的一次包络面，对应的星轮齿的啮合面是螺杆的螺槽面包络星轮的二次包络面。螺杆的头数与星轮的齿数之比是4∶7。

Description

双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机

技术领域

本发明涉及一种单螺杆压缩机，属于压缩机领域，特别涉及动力(如空气压缩机、单螺杆膨胀机)、制冷和工艺(如各种化工气体压缩机)等用途的双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机。

背景技术

单螺杆压缩机包含一根螺杆、两个星轮以及一机体，所述螺杆由螺杆轴经轴承支承在机体内，两星轮分布在螺杆两边同螺杆啮合，星轮由星轮轴经轴承支承在同一机体内。

单螺杆压缩机是法国人Zimmern于1960年发明的，最初的型线是直线型，1975年Zimmern又提出了圆柱(圆台)型。后来，经多次演变，出现的“直线二次包络型”型线和“圆柱(圆台)型二次包络型”型线等都是Zimmern两类型线的改进。

单螺杆压缩机的单螺杆啮合副是空间交错轴啮合副，其理论非常复杂，特别是啮合方程的求解困扰世界一个多世纪，目前常用的解法如运动解法等并不精确。由于理论研究的严重滞后，人们对空间啮合理论的认识还停留在表象，很多观点只是一种推测或者说是猜测，经不起检验。

正因为存在这样那样的问题，单螺杆压缩机发明已六十年，还是走不出Zimmern划定的“直线包络型”和“圆柱(圆台)包络型”的范围和圈圈，型线理论研究一直没有大的进展和突破。

艾赫威(北京)科技有限公司的工程师李锦上先生在空间啮合理论研究取得三个方面的重大进展：

其一是定义了空间啮合基本定理：在任何包含参考空间或静止空间0，运动空间I和II的三空间啮合传动***中，总有两个瞬心存在于0参考空间内，并且I、II运动空间内的两共轭啮合面之间啮合传动的任何瞬时的接触点的公法线同两瞬心的连线(即瞬轴线)相交。

其二是找到了空间啮合传动***的啮合方程V·N＝0的新解法(从略)。

其三是发明了空间啮合副二次包络面的三面共点构造法：通过构造两个辅助平面族同满足空间啮合规律的二次包络面族相交产生交点，根据交点至特定基准的最短距离点一定在二次包络面上的原则确定的点构造空间啮合副二次包络型面。

这三大科研成果构成新的空间啮合理论体系，是目前世界上这一领域的最高成就。

发明内容

由于有了理论的突破，研究空间啮合副的过程就比较容易或者说比较简单，产生科研成果也很多，本发明公开的“双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机”是这一系列成果中的一个具体实施例之一，其技术方案是这样实现的：

一种单螺杆压缩机，包含一根螺杆、两个星轮以及一机体，所述螺杆由螺杆轴经轴承支承在机体内，两星轮分布在螺杆两边同螺杆啮合，星轮由星轮轴经轴承支承在同一机体内。其特征在于：至少螺杆螺槽的两个侧面是双椭圆产形面包络螺杆的一次包络面，星轮齿的啮合面是螺杆螺槽面的二次包络面。

双椭圆产形面是在一个三维空间坐标系的XOY平面内，取X轴正方向上距原点O为x₀的一定点O₁，以O₁为中心沿X轴画长轴为U₀，另短轴取V₀的一条椭圆弧M₁，过O₁作垂直XOY平面的轴O₁Q，在XO₁Q平面内，取X轴正方向上距点O₁为E₀-U的一定点为O₂，以O₂为中心沿X轴画长轴为U，另短轴取V的另一椭圆弧M₂，点P是M₂上的一定点。当XO₁Q平面绕轴O₁Q旋转时，椭圆弧M₂上的定点P在M₁上移动，椭圆弧M₂扫描生成的曲面；或者是，椭圆弧M₂绕X轴旋转得椭球面

点

是

上的一定点，当XO₁Q平面绕轴O₁Q旋转时，椭球面

上的定点

在M₁上移动，椭球面

包络生成的曲面。

双椭圆产形面的参数方程为：

x＝x₀+(U₀+Ucosα)cosβ

y＝(V₀+Ucosα)sinβ

z＝Vsinα

双椭圆产形面绕X轴旋转δ角度，绕Y轴旋转γ角度，双椭圆产形面的参数方程即为：

x＝x₀+(U₀+Ucosα)cosβ

y＝y₀+((V₀+Ucosα)sinβ)cosδ-Vsinαsinδ

z＝z₀+(x₀+(U₀+Ucosα)cosβ)tanγ+((V₀+Ucosα)sinβ)sinδ/cosγ+Vsinαcosδ/cosγ。

双椭圆产形面绕X轴转角不超出-5°＜δ＜5°，绕Y轴转角不超出-5°＜γ＜5°。

螺杆螺槽由两个侧面构成，两侧面之间向槽底收缩最后相交，对应的星轮齿啮合面的两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小最后为零。或者是螺杆螺槽由三个面构成，两侧面之间的距离向槽底收缩，到底面相交处最窄，对应的星轮齿啮合面的两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小，到与齿顶面相交处最小。

螺杆的头数与星轮的齿数取最佳比值4∶7。

双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机的螺杆和星轮的啮合型面用车铣复合加工中心或五轴联动的机床铣削或磨削加工。

图例说明

如图1为双椭圆产形面的形成图：图中3为双椭圆产形面。

如图2为双椭圆产形面包络螺杆槽面的原理图：图中1为有4个槽的螺杆，3为双椭圆产形面，4为星轮的中心平面内的一圆。

如图3右边是双椭圆产形面包络位于中间的螺杆生成螺杆的螺槽面，左边是位于中间的螺杆的螺槽面包络星轮生成星轮齿的啮合面的原理图：图中1为有4个槽的螺杆，2为有7个齿的星轮，3为双椭圆产形面，4为星轮的中心平面内的一圆。

如图4为用三面共点构造法构造星轮齿啮合面的原理图：图中6为辅助平面ABCD和辅助平面EFGH与包络面IJKL的交点，4为星轮的中心平面内的一圆。

如图5a为双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机的星轮，图中星轮2具有7个齿，每个齿有前侧面8和后侧面9；如图5b为双椭圆产形面二次包络型线单螺杆压缩机的另一种星轮，图中星轮2具有7个齿，每个齿有前侧面8、后侧面9和齿顶面10。它们有一共同特点就是齿根部比齿顶部大，如图5a中的齿顶部两侧面最后相交，如图5b中的齿顶部两侧面与齿顶部相交，相交处两侧面间的距离最小。

具体实施方式

如图1所示，在一个三维空间坐标系的XOY平面内，取X轴正方向上距原点O的x₀＝59mm的一定点O₁，以O₁为中心沿X轴画长轴U₀＝49mm、平行Y轴方向画短轴V₀＝24.5mm的一椭圆弧M₁，过O₁作垂直XOY平面的轴O₁Q，在XO₁Q平面内，取X轴正方向上距点O₁的E₀-U＝39mm(E₀为啮入深度)的一定点为O₂，以O₂为中心沿X轴画长轴U＝10mm、垂直O₂X画短轴V＝4mm的另一椭圆弧M₂，点P是M₂上的一定点。当XO₁Q平面绕轴O₁Q旋转时，椭圆弧M₂上的定点P在M₁上移动，椭圆弧M₂扫描生成双椭圆产形面A。

如图2在一个包含三个空间0、I、II的单螺杆啮合传动***中，其中0代表参考空间或静止空间，I代表星轮的运动空间，II代表螺杆的运动空间，I运动空间和II运动空间的中心距为159mm，星轮的半径为108mm，螺杆的半径为100mm，螺杆的头数与星轮齿数比是4∶7。以双椭圆产形面3代替星轮齿的啮合面，双椭圆产形面3绕X轴转角不超出-5°＜δ＜5°，绕Y轴转角不超出-5°＜γ＜5°，且双椭圆产形面3的坐标空间与星轮的运动空间的原点重合，按单螺杆啮合副的运动规律做空间啮合运动，双椭圆产形面3在螺杆上包络出螺槽曲面B。然后如图3所示以螺槽曲面B做产形面，按单螺杆啮合副的运动规律做空间啮合运动，螺槽曲面B包络出星轮齿的啮合面

。

经二次包络生成的单螺杆啮合副，螺杆的螺槽曲面至少由两个侧面构成，螺槽的两侧面之间向槽底收缩最后相交，对应的星轮齿的啮合面也由两个齿侧面构成，两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小最后为零；或者是螺槽的两侧面之间向槽底收缩，两侧面之间的距离到与底面相交处最小，对应的星轮齿的两个啮合侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小，到与齿顶的相交处最小。

星轮齿的啮合面由三个包络面组合而成，一个起密封作用的共轭接触密封工作面、一个受压侧瞬时接触面和一个背压侧瞬时接触面，起密封作用的共轭接触密封工作面的啮合线在不大于0.2mm宽度的啮合面内移动。受压侧瞬时接触面和背压侧瞬时接触面上的两条不同时接触的啮合线同上述啮合线成σ＜90°的夹角，这两条瞬时接触线能分担共轭接触密封工作面上的压力，减少密封工作面的磨损。

双椭圆产形面二次包络型线单螺杆啮合副的发明是在空间啮合理论研究取得重大突破后实现的，很好地解决了单螺杆啮合副的气密性、耐磨性和加工工艺性等三大问题。具有如下显著的特点：

(1)、一条在二次包络面的密封面或称工作面上移动量非常小的接触线同一次包络面始终接触保证了接触面的气密性；

(2)、二次包络面的密封面或称工作面两边的型面上同一次包络面具有不同时接触的移动接触线，分散了密封面或称工作面上的接触压力，星轮齿两侧面之间的气体压差小，星轮齿受力均衡，保证了接触面的耐磨性；

(3)、啮合副的型面能在车铣复合加工中心或五轴联动机床上高效铣削和磨削加工，不再依赖滚切法加工，能大幅降低加工难度、提高加工精度、提高生产效率、缩短生产时间、减少生产成本。

(4)、克服了直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副的星轮齿前侧面与齿顶面的棱角处极易产生根切而快速磨损而失效的缺点。

(5)、用金属星轮能在100℃以上较大温度范围运行，克服了直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副金属星轮因热膨胀系数大，容易出现咬死现象的缺点。

(6)、本方案公开的啮合结构装配时对误差不敏感，降低了星轮与螺杆装配和维修更换的难度。

以上内容描述了本发明的基本原理、主要特征和实现方式，本行业的专业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种参数和尺寸的变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内，本发明要求保护范围由所附的技术方案、权利要求书及等同物界定。

Claims (5)

1.一种单螺杆压缩机，包含一根螺杆、两个星轮以及一机体，所述螺杆由螺杆轴经轴承支承在机体内，两星轮分布在螺杆两边同螺杆啮合，星轮由星轮轴经轴承支承在同一机体内。其特征在于：螺杆螺槽由两个侧面或两个侧面和一个底面构成，至少螺杆的两个螺槽侧面是双椭圆产形面代替星轮齿的啮合面按照单螺杆压缩机的空间啮合规律包络螺杆的一次包络面，星轮齿的啮合面是螺杆螺槽面的二次包络面；

所述双椭圆产形面是在一个三维空间坐标系的XOY平面内，取X轴正方向上距原点O为x₀的一定点O₁，以O₁为中心沿X轴画长轴为U₀，垂直O₁X画短轴为V₀的一条椭圆弧M₁，过O₁作垂直XOY平面的轴O₁Q，在XO₁Q平面内，取X轴正方向上距点O₁为E₀-U的一定点为O₂，以O₂为中心沿X轴画长轴为U，垂直O₂X画短轴为V的另一椭圆弧M₂，点P是M₂上的一定点，当XO₁Q平面绕轴O₁Q旋转时，椭圆弧M₂上的定点P在M₁上移动，椭圆弧M₂扫描生成的曲面；或者是，椭圆弧M₂绕X轴旋转得椭球面

，点

是上的一定点，当XO₁Q平面绕轴O₁Q旋转时，椭球面

上的定点在M₁上移动，椭球面

包络生成的曲面；

双椭圆产形面的参数方程为：

x＝x₀+(U₀+Ucosα)cosβ

y＝(V₀+Ucosα)sinβ

z＝Vsinα；

双椭圆产形面绕X轴旋转δ角度，绕Y轴旋转γ角度，双椭圆产形面的参数方程即为：

x＝x₀+(U₀+Ucosα)cosβ

y＝y₀+((V₀+Ucosα)sinβ)cosδ-Vsinαsinδ

z＝z₀+(x₀+(U₀+Ucosα)cosβ)tanγ+((V₀+Ucosα)sinβ)sinδ/cosγ+Vsinαcosδ/cosγ。

2.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机，其特征在于：双椭圆产形面绕X轴转角δ不超出-5°＜δ＜5°，绕Y轴转角γ不超出-5°＜γ＜5°。

3.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机，其特征在于：螺杆螺槽的两侧面之间向槽底收缩最后相交，对应的星轮齿啮合面的两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小最后为零。

4.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机，其特征在于：螺杆螺槽的两侧面之间的距离向槽底收缩，到与槽底面相交处最窄，对应的星轮齿啮合面的两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小，到与齿顶面相交处最小。

5.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机，其特征在于：螺杆的头数与星轮的齿数取最佳比值4∶7。

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