综述
SUMMARY

国内外涡旋空气压缩机新议

   上世纪不少人就已在涡旋压缩机领域耕耘,美国人的涡旋空气压缩机已经做的相当不错。当时,国内也一度掀起涡旋空气压缩机热,全国有数个独立的涡旋空气压缩机研究课题组和多处合作研发单位都在研发试制涡旋空气压缩机,但是好像总是得不到期望的效果。涡旋空气压缩机屡经几度兴衰,现在仍然有人在追求涡旋空气压缩机,有的和国外的公司合作生产,有的自己研发,谋求涡旋空气压缩机在中国大力发展。

  30年前,涡旋压缩机已进入冰箱空调领域,其技术、加工设备、材料和水平等已卓有成效,作者则不赘述制冷用涡旋压缩机的原理和有关知识。
  有些单位的人刚开始搞涡旋空气压缩机,搞了几台样机,觉得涡旋空气压缩机并没有那么神秘。过去进入涡旋空气压缩机的投资人多是小型和微型企业,现在出现了一个新动向,就是除了小型和微型企业外,有一些中型或大型压缩机制造商也参与其中,甚至有人在搞单机2.6立方米/分钟的涡旋空气压缩机。
  其实,涡旋空气压缩机有其自身的优势,也有竞争的难度:
  1.涡旋空气压缩机不解决吸气洁净化问题,其性能和可靠性就无从保证;
  2.大中型空气压缩机制造商为了扩充自己的产品种类,可能试探性的投入涡旋空气压缩机,即使投资效果不佳,也不会伤筋动骨。而其他投资人的损失程度就会因人而异;
  3.没有可靠的适合于涡旋压缩机的高精度加工中心,大批量生产涡旋空气压缩机就不现实。
  4.采用名牌高可靠性轴承是涡旋空气压缩机的不二选择,因此带来的成本上升因素也不可避免;
  5.高可靠性涡旋空气压缩机的适宜材质研究有待突破,此问题不解决的话,涡旋空气压缩机的推广就很难见效。
  纵观各种试销和在销的涡旋空气压缩机,单机最大功率为5.5千瓦和5马力两种,制造商采用并联方式,拼凑成5.5、11、16、22、33、44千瓦和5、10、15、20、30、40马力等功率级的成品涡旋空气压缩机组,在市场上屡见不鲜。
  美国和日本涡旋空气压缩机搞得不错,他们把制冷涡旋压缩机移植成空气压缩机,成为整个涡旋压缩机的一个分支。
  国内涡旋空气压缩机制造商也都想扩充自己的产品种类,只有少数企业把涡旋空气压缩机作为自己的主攻方向。
  压缩机企业与国外涡旋压缩机公司合作进行涡旋空气压缩机开发是近几年才开始的。合资合作生产涡旋空气压缩机效果不错,借助于国外压缩机公司多年涡旋空气压缩机技术的积累,打包引进技术、设备、整机、零部件等,到积木式生产。国外公司把认为可以转让的产品、技术通过整机引进贴牌等在国内销售;有的进口部分零部件组装产品机组,进而提供加工中心及图纸、程序,逐步转移到合作方,达到合资生产的目的,这也是一种国产化的趋势。
  对此,作者也有一些看法和观点。
 
  1.涡旋压缩机适合作为小规格制冷压缩机用
  涡旋压缩机作为小规格制冷压缩机是很好的,其主要原因在于制冷涡旋压缩机的工质是闭式循环。涡旋制冷压缩机的吸气非常洁净,不会因为有固体颗粒进入涡旋盘而损坏涡旋面之虑。诸如:丹佛斯、HITACHI、COPELAND等都做到很好。
  涡旋空气压缩机就不一样了,除非进气口非常干净,最好是无尘环境,吸气过滤器非常可靠,而且过滤精度在亚微米级,采用三级或可靠两级过滤。
  但即使在吸气过滤正常情况下,空气压缩机吸进去的微粒灰尘,亦会集聚在涡流区,不一定什么时候就会掉出来,进入压缩机涡旋盘,而损伤涡旋面。
  涡旋盘的损坏有两种情况:
  一种是涡旋盘严重磨损,产生周向漏气和轴向漏气,效率严重下降;
  另一般表现为能听到压缩机内部明显的金属撞击声,这是涡旋盘被击碎后的金属碎片相互撞击或与压缩机壳体撞击的声音。
  涡旋盘的损坏是不可修复的。
 
  2.涡旋压缩机的加工特点与主要加工设备
  涡旋压缩机涡旋盘主要的加工特点是:精度高,其尺寸精度为0.001mm,比活塞压缩机和螺杆压缩机高一个数量级。
  现在涡旋压缩机多使用立式镗铣加工工艺,主要技术参数多为:
  主轴转速为200~2000rpm,主轴锥孔:HSK-A63;主轴功率(30分钟续):15/11kW;
  主轴扭矩(25%ED连续):45.7/31.1N.m
  XYZ行程mm:X650/Y450/Z350;XYZ直线轴快移速度m/min:20/20/20
  工作台规格mm:750/450;控制轴数:3轴3联动
  X/Y定位精度(全行程,带光栅)mm:±0.001;
  X/YZ重复定位精度(全行程,带光栅)mm:±0.0010。
  国内也有用其它类似加工工艺生产涡旋盘的制造商,但其精度不可能低于0.001毫米。
  现在用于加工涡旋盘先进的加工中心已采用4轴联动;
  先进的加工中心主轴转速达到140000rpm,真正做到削铁如泥。
  涡旋空气压缩机的加工中心加工精度为0.001mm,X/Y定位精度为:±0.001mm;X/YZ重复定位精度:±0.0010mm。其精度如此高的原因在于:保证涡旋盘的尺寸精度才能保证可靠性和性能要求;另一原因在于铣刀循环重复切削,加工面不会出现接刀痕迹,才能保证涡旋面的精度,表面完整光滑。
  国外加工中心企业把加工中心卖给自己的用户,一般会把客户需要的部分产品图纸、线型、程序及配套刀具打包出售给客户。这样,加工中心企业多卖了钱,购买加工中心的客户也得到了部分需要的技术,尽快形成生产力,占领市场,达到双赢或两全其美的目的。
 
  3.涡旋盘的加工中心宜采用卧轴加工
  作者一直呼吁:高精度加工中心被认为是加工涡旋盘的关键设备。上世纪有人在汉中专门研制了涡旋加工工艺,后来在加工过程中,出现切屑搞伤涡旋盘底面的现象。当然,用压缩空气强化吸出或吹出切屑并非不可能。
  但是,作者还是认为,涡旋盘的加工中心用卧轴加工中心会更巧妙,切屑容易用压缩空气吹出,不至于因为加工过程中产生的切屑而划伤涡旋面,而影响加工精度,这样就可以大幅度保护重要的涡旋盘底面,降低废品率,提高加工效率。
  当然具有4轴联动加工中心(具有联动的卧轴)会更好,会更适合于加工涡旋盘。
  而Boston digital com的高精度加工中心是5轴联动,有一个联动的园坐标,可以精确加工回转曲面,可以加工离心压缩机叶轮、螺杆压缩机转子,加工涡旋盘更不在话下,主轴转速达到140000rpm。
 
  4.涡旋盘的材料
  涡旋盘的常用材料有铸铁、铸铜和铝合金等。现在多用变形铝及铝合金。其牌号为:4032。
  4032铝合金是美国标准的变形铝及铝合金,多国引用或采用其标准。
  高强度铝合金涡旋盘适用金属模压力铸造。4032铝合金的热线胀系数大,高温强度高,高温耐蚀性良好。4032铝合金用于加工锻造活塞。铸造性能和加工性能好。主要用于生产航空锻件和活塞,这种铝合金有较好的力学性能;但尺寸稳定性教差,在此情况下,为防止拉缸、抱缸,被迫放大配缸尺寸间隙。用高强度铝合金的涡旋盘偶件,由于线膨胀系数接近,前述类似缺陷的影响很小。
  4032-T6状态在室温状态下的典型力学性能:屈服强度—315MPa、抗拉强度—380MPa、伸长率—9%
  其化学成分为:
  铝 Al(最小值):余量
  硅 Si:11.0~13.5
  铁 Fe:≤1.0
  铜 Cu:0.05~1.3
  锰 Mn:—
  镁 Mg:0.8~1.3
  铬 Cr:≤0.10
  镍 Ni:0.50~1.3
  锌 Zn:≤0.25
  钛 Ti:—
  未指定的其它元素:每种:≤0.05;合计:≤0.15
  另一种高强度铝合金是ZL114A。
  ZL114A是我国标准的铸造铝合金,也适合于制作涡旋盘,由于还加入了Mn、Ti和微量的Be,使该合金有优良的铸造性能,较好的耐蚀性、气密性,高的强度和好切削加工性能,即使是加工螺纹孔,粗糙度也很好。其焊接性能一般。适合铸制形状复杂、承受重大负荷的动力结构件(如飞机发动机的结构件、水泵、油泵、叶轮等),要求气密性较好和在较高温度下工作的零件。
  主要采用金属型和砂型铸造,也可采用压铸。
  ZL114A抗拉强度σb (MPa):≥310(330),伸长率 δ5 (%):≥3,硬度 :≥95(5/250/30)HBS
  作者作过ZL114A的机械性能,其抗拉强度为330N/mm,延伸率9.0%
  其化学成分为:
  钛 Ti:0.10-0.20
  铍 Be :0.04~0.07
  铝 Al :余量
  锰 Mn:≤0.1(杂质)
  镁 Mg:0.45-0.75(杂质)
  钛 Ti:0.1-0.2(杂质)
  钛+稀土 Ti+Zr:≤0.20(杂质)
  锡 Sn :≤0.01(杂质)
  铅 Pb:≤0.03(杂质)
  注:杂质总和:(砂型铸造)≤0.75;(金属型铸造)≤0.75
  ZL114A适合于制作静盘,和4032制作动盘配合使用是一种好的偶件材料配比,这两种不同的材料配合会提高其综合耐磨损性能。
  涡旋盘的合金铸件一般用金属膜压力铸造。其高强度铝合金成分严格,成本较高。处理融化铝合金的技术、设备和铸造机械有一定专业要求,铝合金铸造专业技术人员会熟窨该技术。开始时,铸件成品率可能不高,经过技术改进试验,成品率会提高到满意的程度。
 
  5.涡旋盘的研磨与抛光
  涡旋空气压缩机的正常线速度为2m/sec左右。对涡旋空气压缩机来说,涡旋盘的研磨与抛光尤为重要。
  a 在涡旋空气压缩机装配时,对其涡旋盘宜进行研磨和抛光,提高其表面质量,使其能更适合协调工作;
  b 用涡旋盘偶件在低速状态下,附以磨合剂进行自研磨是一种不错的方法;
  c 采用特制的PEEK材质的涡旋盘与4032材质的涡旋盘变速对研,可以提高涡旋盘的表面质量;
  d 用端面刻有容纳抛光剂纹路的指铣刀形状的金属园棒,在抛光剂的参与下抛光涡旋盘底面,用以提高涡旋盘底面的光洁度;
  e 对涡旋盘进行研磨后应进行抛光,避免研磨过程中产生附着在涡旋盘表面的固体微粒;
  f 抛光过程中,在表面涂覆一定的纳米级的特殊抗磨修复剂不仅能提高表面质量,在涡旋盘表面还会形成一薄层金属陶瓷,强化涡旋盘的抗磨损性能。
  在上述的数种措施中,作者认为采用弹性浮动研磨效果更佳,弹性浮动的抛光更具有意想不到的效果。
  对涡旋盘的研磨与抛光后,彻底的清洗是必要的。
  经过上述处理的涡旋盘和不经处理的涡旋盘截然不同。
  国外有很多名牌机械、工具等,包括压缩机,他们的产品零件不仅材质特殊,技术精湛,外表也是无可挑剔的,犹如工艺品般光滑闪亮,使人爱不释手,更具有好的适用性和可靠性。

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