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        行業動態

        螺桿壓縮機設計理論與關鍵技術的研究和開發

        文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/3/4     瀏覽次數:    
            螺桿壓縮機設計理論與關鍵技術的研究和開發
            摘要:基于螺桿壓縮機熱、動力學的理論研究,建立了螺桿壓縮機工作過程中熱力學、動力學計算的數學模型,并在螺桿壓縮機工作過程指示圖錄取、壓力脈動測試、轉子軸向力測量、油分布的可視化等實驗研究基礎上,揭示了螺桿壓縮機熱、動力性能與轉子型線等設計參數之間的內在規律,建立了完整的螺桿壓縮機設計理論.在設計理論的指導下,開發了轉子型線設計、刀具刃形設計、SC-CAD設計等技術和軟件,與本行業知名企業合作開發系列產品,并實現大批量生產,使新產品廣泛應用于制冷空調、空氣動力和石油化工等領域,實現了我國螺桿壓縮機產品的更新換代,推動了我國壓縮機行業的技術進步和產業結構優化
            關鍵詞:螺桿壓縮機;設計理論;關鍵技術;產品開發
            螺桿壓縮機是一種消耗電力的機械設備,具有結構簡單、可靠性高及操作維護方便等一系列獨特的優點,被廣泛應用于制冷空調和空氣動力、石油、化工等工業領域.從1960年開始,螺桿壓縮機在國外逐漸批量生產和應用,在寬廣的容量和工況范圍內,逐步替代了活塞壓縮機等其他種類的壓縮機從1978年開始,我國螺桿壓縮機生產企業在參考國外進口樣機結構的基礎上,以“單邊不對稱擺線———銷齒圓弧”型線為核心,設計生產了一些螺桿壓縮機產品,雖在一定程度上滿足了市場需求,但存在著轉子型線、主機設計技術、制造工藝落后等問題,導致產品的能耗高、噪聲大.在我國能源緊缺、環境保護要求日益高漲的社會發展大趨勢下,該種技術產品已不能滿足我國國民經濟發展要求,因此不得不從國外進口大量的螺桿壓縮機應用于國內不同的工業領域.國際上知名壓縮機生產廠商對我國采取了技術保密,嚴重阻礙了我國螺桿壓縮機技術的發展.因此,研究開發具有我國自主知識產權的新一代高效、環保的螺桿壓縮機,十分符合我國民族工業發展的戰略要求
            關鍵技術開發
            在螺桿壓縮機設計理論的指導下,提出并攻克了實現螺桿壓縮機系列產品開發的多項關鍵技術主要包括螺桿轉子型線設計方法、螺桿轉子刀具刃形設計技術、調節和潤滑技術,以及SCCAD設計計算軟件開發等.開發的關鍵技術通過鑒定,結論為取得了系統的創新成果,解決了許多關鍵技術,達到了國際同類技術的領先水平螺桿轉子型線設計方法
            前述螺桿壓縮機設計理論研究表明,螺桿轉子型線對壓縮機熱力性能和動力特性有著決定性的影響,因此轉子型線設計是開發高性能螺桿壓縮機的關鍵技術之一.文獻[6]提出的“通過定量比較轉子幾何特性、熱力和動力性能,以二次曲線及其共軛包絡線組成齒曲線的型線設計方法”,避免了傳統型線組成齒曲線中的點和直線,解決了準確預測轉子型線對于壓縮機熱力性能和動力性能影響的難題傳統的螺桿壓縮機型線設計方法,僅根據影響熱力性能的泄漏對型線參數進行優選,而本項目研究中的螺桿壓縮機轉子型線設計技術是在通過全面比較目前國際上知名型線的基礎上,憑借對螺桿壓縮機精確的研究成果,不僅從影響熱力性能因素出發,更進一步地注意到了有關型線參數對轉子間力矩分配的影響,使得利用該技術設計的轉子型線在熱力性能、動力特性以及批量加工方面具有更大的優越性.螺桿轉子型線設計技術的核心內容如下:①組成齒曲線的選擇;②據熱力性能設計轉子型線;③據動力特性設計轉子型線應用轉子型線設計技術成果,成功設計并推廣應用了多種新型螺桿轉子型線,具有代表性的型線如圖14所示
            螺桿轉子刀具刃形設計技術
            螺桿壓縮機設計理論表明,轉子間隙對壓縮機的性能有重大的影響,而該間隙受加工、熱膨脹、噴油等因素的影響,因此決定間隙的刀具刃形設計技術是螺桿壓縮機產業化的關鍵技術之一.本項目提出用“不等距法”設計嚙合間隙和在節圓附近設置驅動帶的轉子刀具刃形設計技術,有效地提高了轉子加工的精度和效率,改善了螺桿壓縮機的性能和可靠性螺桿轉子刀具刃形是加工轉子時,保證轉子型線精度的關鍵,因此刀具刃形的設計對螺桿壓縮機的性能有重大影響.為了補償加工誤差和轉子工作時的變形,需要在理論型線的基礎上,設定各點的間隙,并根據由此得到的實際型線進行轉子的刀具刃形設計.傳統的間隙設定方法是等距型線法和等距型面法,兩種方法都沒有考慮型線各部分變形量的不同.在本項目的嚙合間隙設定中,則對型線各部分的變形進行了具體的分析和計算,形成了設定嚙合間隙的“不等距法”,并把此方法應用于刀具刃形的設計中.另外,本項目還提出了在節圓附近設置寬度為2~4mm的驅動帶的刀具刃形設計方法,保證了陰、陽轉子僅在節圓附近以純滾動的方式接觸和傳遞力矩,對進一步降低噪聲和提高COP,起到了幫助作用.利用上述螺桿轉子刀具刃形設計技術,根據某轉子型線及其嚙合間隙(如圖15所示)設計的刀具刃形如圖16所示
            螺桿壓縮機調節和潤滑技術

            螺桿壓縮機在運行過程中,會受到外界使用工況變化的影響,為了保證壓縮機的運行效率,必須調圖15型線嚙合間隙分布陽轉子刀具刃型陰轉子刀具刃型圖16刀具刃形節其自身的運行工況.另外,螺桿壓縮機的潤滑系統也關系到機器的性能和可靠性.本項目研究了螺桿壓縮機能量和內容積比調節的機理,提出并實現了“僅通過控制相關油路上的電磁閥,即可同時調節壓縮機能量和內容積比的一種新穎的能量調節機構”;基于對螺桿壓縮機啟動及運行時供油問題的研究,開發了“油泵供油結合壓差供油的潤滑系統”,解決了單一潤滑系統的不足,并同時擁有各自的優點針對螺桿制冷壓縮機應用工況的不同,本項目開發了一種新穎的能量調節機構.該調節機構設有個出油口,并合理配置在油腔相關位置.根據螺桿壓縮機運行工況的變化,通過控制這3個出油口線路上的電磁閥,可自動進行能量和內容積比的調節使螺桿壓縮機在正常工況、高溫工況、低溫工況、最大壓差工況下運行時都能保持較高的效率,實現了在變工況運行時的節能效果.這種調節機構的提出解決了在變工況時螺桿壓縮機由于內容積比不匹配造成的過壓縮或者欠壓縮帶來的損失,保證了螺桿壓縮機運行功耗的最小化,提高了螺桿壓縮機運行效率,取得了良好的節能效果另外,在螺桿壓縮機系統中,原來采用的潤滑系統分為油泵系統和壓差系統.油泵系統在機組啟動時能立即給軸承等供油,但一旦油泵發生故障,機組運行就相當危險,而且流量固定,造成了在高壓下工作時油量不足,低壓下工作時油量過剩,耗功增加壓差系統正好相反,排壓越高,油流量越大,但在機組剛啟動時沒有足夠的供油量.為了保證螺桿壓縮機啟動時有足夠的油量,在變工況運行時仍有合適的油量供應,降低機組功耗,提高機組可靠性,因此本項目開發了油泵供油結合壓差供油的潤滑系統克服了兩者的缺陷同時擁有了各自的優點.為了保證整個潤滑系統的可靠運行,本項目還開發了一種專用的雙作用轉子活塞油泵,具有效率高、可靠性好的特點。

            螺桿壓縮機設計計算軟件開發
            螺桿壓縮機設計理論表明,在確定螺桿轉子型線、吸排氣孔口及嚙合間隙等設計參數時,需要綜合考慮這些設計參數對壓縮機熱力性能和動力特性的影響,這只有經驗豐富的專業人員利用前述的復雜模型和程序才能完成.然而,實現成果廣泛應用的關鍵之一,就是需要使生產企業的工程師有自主設計能力.為此,本項目開發了具有自主知識產權的SCCAD螺桿壓縮機設計計算軟件,把前述的螺桿壓縮機設計理論和關鍵技術等內容進行集成,是國際上最先進的螺桿壓縮機設計計算軟件,能快速進行螺桿壓縮機的設計計算,縮短設計周期,降低設計成本,解決了螺桿壓縮機生產企業自主設計螺桿壓縮機的窘境軟件的核心內容是螺桿轉子型線、幾何特性、熱力性能、轉子受力、轉子變形以及轉子刀具刃形等6項設計計算模型及程序,具體內容如下轉子型線計算.根據對型線的基本要求和使用場合的特殊要求,給定某轉子型線上的組成齒曲線,根據嚙合原理和包絡條件,求出另一轉子上的共軛型線曲線.根據轉子型線計算程序,可計算出轉子型線上各點的坐標值及表明該點嚙合位置的陽轉子轉角,同時還可計算出型線在各點的斜率,以供其他程序使用幾何特性計算.由SCCAD軟件中的幾何特性計算程序讀入轉子型線計算結果,再考慮轉子結構參數(如長徑比、扭轉角)和孔口參數,進一步計算出諸如接觸線長度、泄漏三角形面積、吸排氣孔口面積及基元容積的變化等幾何特性工作過程熱力性能預測.在幾何特性計算的基礎上,以基元容積為研究對象,對工作過程中的吸排氣流動、通過不同間隙的泄漏、噴油與被壓縮氣體間的換熱等現象,進行系統的理論分析和試驗驗證從而得到描述螺桿壓縮機工作過程特性的一組偏微分方程,求出工作過程中壓縮腔內氣體的壓力、溫度等微觀性能參數,并求出壓縮機的排氣量、軸功率等宏觀熱力性能參數轉子受力計算.SCCAD軟件的轉子受力分析程序,是在工作過程模擬基礎上,利用有限元方法,通過詳細劃分受力面積和精確確定作用在這些微元面積上的壓力,得到轉子受力和支撐轉子的軸承負荷轉子變形計算.在工作過程模擬和轉子受力分析的基礎上,利用有限元方法,計算陰陽轉子的變形,其計算結果對刀具刃形的修正具有重要的意義刀具刃形計算.利用端面型線的數據和轉子結構參數,計算刀具刃形,因而適用于任何類型的轉子端面型線.該程序利用“不等距法”計算嚙合間隙并合理分配轉子間隙,在節圓附近設置了寬度為~4mm的驅動帶,而且獨到地處理刀具刃形計算中常出現的干涉和斷點問題,得到了光滑過渡的刀具刃形軟件運用VisualBasic程序設計語言開發了基于Windows的窗式用戶界面,圖17為軟件的主界面及轉子型線計算程序的輸入數據對話窗口。
            結論

            本文以流程工業生產系統為背景 , 從復雜網絡理論這一新的角度出發對復雜工業系統的安全性評估進行了研究. 利用復雜網絡理論分析了工業系統的網絡拓撲特性 ,提出了一種依據網絡拓撲特性對系統安全性進行評估的方法, 并給出了具體的模擬算法步驟. 對于 TE 過程的網絡特性分析和安全性模擬仿真的結果表明, 本文方法可以從復雜網絡的角度來分析和理解系統連鎖故障的物理本質, 識別系統脆弱點. 為了從根本上認清系統連鎖故障的機理,本文設計了實用防控策略 ,從而為流程工業生產提供了新的途徑. 由于復雜網絡理論研究尚處于初步階段,因此還需要在工業系統特點的基礎上對系統網絡的抽象、網絡特性的定義和描述上做進一步的研究,使其能夠更加精確地反應真實的工業系統。


        本文由 飼料膨化機單螺桿 整理編輯。


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