CN102059404A - 高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体机械的空气动力技术领域，具体地说是一种高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法，其特征在于：在螺旋转子齿侧添加间隙，使相互轭合的螺旋公转子与螺旋母转子得到0.02mm～0.035mm的均匀的轭合空间工作间隙，并采用空间曲线方程切线斜率逼近弧微分方法获得实际加工齿廓分段方程，将实际加工齿廓分段方程输入高精度五轴磨床的加工程序中，并沿着螺旋转子的齿侧进行磨削。本发明同现有技术相比，获得的螺旋公转子与螺旋母转子的空间曲面接触线短，封闭容积小，有利压力油膜形成，消除加工尖点、重复点和间断点，从而形成光滑过渡；有效减小动力损失并提供了高效均匀密封带；产品耐磨、柔性轭合、噪音低。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械的空气动力技术领域，具体地说是一种高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法。
背景技术
现有双轴主机螺旋动力发生装置原始设计都是基于无间隙轭合理论的研究和讨论，但实际螺旋工作状态下因制造、高温高压下受力和膨胀变形等因素的影响，必须要留有适当的间隙来保证主机高效比功率，并保证运转的可靠性和经济性，因此，行业通常采用的设计方法是采用理论齿廓方程直接铣削切出螺旋转子，即螺旋公转子和螺旋母转子，同时采用拉大中心距、深切、刀具修正、等距等传统方法获得一定间隙，但这些方法因精度低而存在如下的先天的缺陷：主机易抱死、加工效率低、废品率高、与国外同类产品相比容积效率低、噪音大、内压波动大、泄露三角形增大、轭合间隙不均匀、轭合空间工作间隙在0.07mm～0.12mm区间不等，所以不能满足高精度高效产品设计和保障机组可靠运行的实际要求，这些现象同时也造成电耗高、油耗高、高成本、耗时、费工、停产等实际问题，长期困扰着企业研发设计及生产人员。
先决条件：间隙引起的泄漏，降低容积效率，但是，螺旋齿廓的间隙又是主机安全运行所必需的。 因此，准确计算出螺旋齿廓的间隙分布是合理选取均匀间隙值的前提，而螺旋齿廓的间隙问题及泄露损失又是该领域的重要问题，许多学者、专家和企业的研发人员围绕这一问题一直做大量的研究工作。因为空气动力领域产品高新技术的创新和环保节能一直是促进社会经济效益持续增长的永恒主题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，采用空间曲线方程切线斜率逼近弧微分法沿着节圆啮合零对零接触带的高压工作侧进行展成，以获得最佳均匀的轭合空间工作间隙。
为实现上述目的，设计一种高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法，将包括螺旋公转子、螺旋母转子的螺旋转子齿廓方程加工坐标分别输入高精度五轴磨床进行编程加工，磨削出相互轭合的螺旋公转子与螺旋母转子，其特征在于：在螺旋转子齿侧添加间隙，使相互轭合的螺旋公转子与螺旋母转子得到0.02mm～0.035mm的均匀的轭合空间工作间隙，上述轭合空间工作间隙采用如下方法获得：（1）工况：排气温度为小于110℃、排气压力小于3.0Mpa的高温高压的工况；（2）展成：理论齿廓分段方程为，在此基础上采用空间曲线方程切线斜率逼近弧微分方法获得实际加工齿廓分段方程，将实际加工齿廓分段方程输入高精度五轴磨床的加工程序中，并沿着螺旋转子的齿侧进行磨削；其中实际齿廓分段方程中的
。
所述的螺旋转子的齿侧是指螺旋公转子与螺旋母转子的节圆啮合零对零接触带的工作侧，即压力侧。
在理论齿廓方程的曲线上取三点i点、i-1点、i+1点，其中i点为理论齿廓方程曲线与法线NN的相交点，i点的坐标值为（
，
），i-1点与i+1点是分别位于
两侧的在理论齿廓方程曲线上的点，i-1点的坐标值为（
，
），i+1点的坐标值为（
，
）。
螺旋公转子与螺旋母转子的参数材质采用45号调质钢，棒料或QT铸件，热处理后的硬度为HB190～240；螺旋公转子长径比为1.4～2.0；螺旋角度240°～300°；空间零对零接触带在有油润滑的条件下，空间零对零接触带宽度为0.1～0.2mm；动平衡G2.5级；实际磨削加工获得的精度如下：当螺旋齿廓外径在小于Ф300㎜时，齿廓齿形的误差小于±0.01㎜；当螺旋齿廓外径小于Ф300㎜时，全导程的误差小于±0.01㎜，分度的误差小于±0.01㎜，光洁度为0.4。
本发明同现有技术相比，采用本发明中空间曲线方程切线斜率逼近弧微分法沿着螺旋公转子与螺旋母转子的节圆啮合零对零接触带的工作侧进行精密磨削的方法，获得的螺旋公转子与螺旋母转子的空间曲面接触线短，封闭容积小，有利压力油膜形成，消除加工尖点、重复点和间断点，从而形成光滑过渡；有效减小动力损失并提供了高效均匀密封带；产品耐高压、耐高温、耐磨、柔性轭合、噪音低、使用周期长，比功率低且制造成本低，在行业内方法新颖，达到了国际先进水平，独具创新，可靠性强，是一种高效节能环保推广产品。
附图说明
图1为本发明中螺旋转子理论齿廓曲线与实际齿廓曲线的空间坐标数学模型解析示意图。
图2为本发明中螺旋转子中的螺旋公转子与螺旋母转子空间轭合示意图。
图3为图2的左视图。
图4为本发明中螺旋母转子与螺旋公转子齿廓端面间隙示意图。
图5-1为采用传统的空间间隙方法，螺旋母转子理论齿廓每偏移0.01mm单位的示意图。
图5-2为采用传统的空间间隙方法，螺旋公转子理论齿廓每偏移0.01mm单位的示意图。
图5-3为采用传统的空间间隙方法，获螺旋转子实际工作压力侧空间轭和间隙的示意图。
图5-4为采用传统的空间间隙方法，获得的齿廓空间工作间隙的实验数据通过软件计算数据描绘曲线的示例图。
图6-1为采用本发明的方法，螺旋公转子齿根处理论齿廓每偏移0.01mm单位的示意图。
图6-2为为采用本发明的方法，螺旋母转子理论齿廓每偏移0.01mm单位的示意图。
图6-3为采用本发明的方法，螺旋转子实际工作压力侧空间轭合间隙的示意图。
图6-4为采用本发明的方法，获得的齿廓空间工作间隙的实验数据通过软件计算数据描绘曲线的示例图。
参见附图2～图4，1为螺旋母转子；2为螺旋公转子；3为螺旋母转子齿廓；4为螺旋公转子齿廓；5为间隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图2～图4，双轴主机螺旋动力发生装置中的螺旋转子通过在径向与轴向固定，所述的螺旋转子包括螺旋公转子2与螺旋母转子1。其中，螺旋公转子2轴端输入传动力矩带动螺旋母转子1在腔体内的高速旋转产生一个间隙5润滑密封，并通过螺旋公转子2与螺旋母转子1的齿间密封容积的缩小与压力气体的排放相对应。
合理的螺旋齿廓间隙值，是双轴主机螺旋动力发生装置安全运行所必需的，本发明是通过以下技术理论，同时考虑主机工作工况、驱动区域、选择性间隙添加区域、加工装配精度、介质特性及部件材质等具体条件加辅以数据修正，在螺旋转子齿侧添加间隙，使相互轭合的螺旋公转子与螺旋母转子的轭合空间工作间隙为0.02mm～0.035mm时，该对空间轭合螺旋转子的空间曲面接触线短、封闭容积小、过渡光滑、噪音低，能有效减小动力损失，并且耐磨，因而整体性能达到最优化设计。
一、获得实际齿廓分段方程的数学计算方法，参见图1：
1、已知的理论齿廓分段方程为
，则理论齿廓分段方程所获得的理论齿廓曲线
上任意一点（
，
）的斜率kt＝
；其中，
为理论齿廓曲线
上任意一点的斜率角；
2、当该点沿法线NN方向移动，则有
；
3、由此得空间离散点坐标组成的实际齿廓分段方程为：
；
4、以拉格朗日插值多项式
近似表示理论齿廓分段方程所获得的理论齿廓曲线上的三个点i-1、i、i+1，其中i点位于法线NN上，其坐标值为（
，
），i-1点与i+1点是分别位于
两侧的、在理论齿廓曲线上的点，i-1点的坐标值为（，
），i+1点的坐标值为（，
），由此三个点i-1、i、i+1获得的曲线方程
，则此曲线方程的曲线的斜率
通过编程软件，将此i点的斜率
代入实际的齿廓分段方程中，即得到实际齿廓曲线 
理论齿廓曲线
。
二、加工制造
本发明中螺旋转子采用45号调质钢棒料或QT球墨铸件，热处理后的硬度为HB190～240，螺旋公转子长径比范围为1.4～2.0；铣削螺旋角度240°～300°，然后再采用如下方法进行加工：
首先，适用工况：保证机组运行排气温度小于110℃、排气压力小于3.0Mpa，进行有油强制冷却润滑；
螺旋转子齿廓的最终精磨工序是保证螺旋转子产品性能的关键工序，按照本发明方法加工后螺旋转子成品的齿廓、导程、分度、齿根的垂直度和光洁度等重要加工精度指标都将得到很大的提高，同时齿廓表面圆滑无斑痕死点，成对空间轭合气隙均匀吻合。故精密加工设备应具有刚性好、运动平稳、无振动、爬行、窜动等现象，数控系统指令快速准确，闭环反馈系统灵敏可靠，自诊断能力强，精度保持性不因高性能砂轮自修正出现波动，本例中的HOLROYD高精度转子磨床可采用如英国HOLROYD高精度转子磨床 TG350E –CNC或德国KAPP高精度转子磨床ＲＸ系列等；同时配合软件系统功能来输入相关加工程序，并配套螺旋转子齿廓在线检测设备，如高精度三坐标测量仪采用德国ZEISS的Prismo Ultra机型，这样可以消除螺旋转子加工尖点、重复点和间断点，形成光滑过渡。
生产过程中对螺旋转子中的螺旋公转子和螺旋母转子进行分别展成加工如下：
对螺旋母转子非工作齿侧采用理论齿廓方程
进行磨削加工；同时将螺旋公转子及螺旋母转子工作侧的齿廓方程在理论齿廓分段方程的基础上采用空间曲线方程切线斜率逼近弧微分法获得的实际齿廓分段方程
输入五轴高精度磨床的电脑加工程序中，并沿着螺旋公转子与螺旋母转子节圆啮合零对零接触带至齿根侧进行空间轭合展成磨削加工，实际齿廓分段方程中的k为空间齿廓切线斜率，计算公式如下：
在展成精密加工后进行在线检测，需保证螺旋公转子与螺旋母转子的如下空间轭合参数：
a、空间齿廓零对零接触带在冷却润滑的条件下，空间零对零接触带宽度为0.1～0.2mm；
b、动平衡G2.5级；
c、当螺旋齿廓外径在小于Ф300㎜时，型线的误差小于±0.01㎜；
d、当螺旋齿廓外径小于Ф300㎜时，全导程的误差小于±0.01㎜，分度的误差小于±0.01㎜；
e、表面光洁度需达到0.4。
三、空间轭合间隙对比
参见见图5-4和图6-4，分别为采用传统的空间间隙方法获得的齿廓空间工作间隙的实验数据通过软件计算数据描绘曲线的示例图、本发明方法获得的齿廓空间工作间隙的实验数据通过软件计算数据描绘曲线的示例图，由两者的实验数据对比可知：传统方法获得间隙达到0.048mm，而本发明方法可减小到0.024mm，且间隙均匀连续，减少泄漏面积显著，提高排气效率约8％左右，采用本发明方法获得的螺旋转子与同类设备的能源消耗对比可降低10％的能耗；螺旋公转子最高转速度可以达到7800r/min；广泛的工作温度范围，从-30℃到110℃；适用工作压力范围0.3～3.0MPa；适用不同介质如油、气、水等；轭合平稳柔和 ；轮廓间面积利用率高；使用寿命长，可靠性高。
从积极的使用经验、长期试验运行数据反馈，结合数学空间解析原理，本发明中的高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成间隙的方法，凭借其创新优化的空间轭合工作间隙，可大幅度提高机组的效率及可靠性和长寿命可在将来找到更多经济应用领域，产品批量生产后，通过市场推广，将会创造更实际、更广泛的社会经济效益。
Claims (4)
1.一种高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法，将包括螺旋公转子、螺旋母转子的螺旋转子齿廓方程加工坐标分别输入高精度五轴磨床进行编程加工，磨削出相互轭合的螺旋公转子与螺旋母转子，其特征在于：在螺旋转子齿侧添加间隙，使相互轭合的螺旋公转子与螺旋母转子得到0.02mm～0.035mm的均匀的轭合空间工作间隙，上述轭合空间工作间隙采用如下方法获得：（1）工况：排气温度为小于110℃、排气压力小于3.0Mpa的高温高压的工况；（2）展成：理论齿廓分段方程为
，在此基础上采用空间曲线方程切线斜率逼近弧微分方法获得实际加工齿廓分段方程
，将实际加工齿廓分段方程输入高精度五轴磨床的电脑加工程序中，并沿着螺旋转子的齿侧进行磨削；其中实际齿廓分段方程中的
。
2.如权利要求1所述的一种高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法，其特征在于：所述的螺旋转子的齿侧是指螺旋公转子与螺旋母转子节圆啮合零对零接触带至齿根侧。
3.如权利要求1所述的一种高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成法，其特征在于：在理论齿廓方程的曲线上取三点i点、i-1点、i+1点，其中i点为理论齿廓方程曲线与法线NN的相交点，i点的坐标值为（
，
），i-1点与i+1点是分别位于
两侧的在理论齿廓方程曲线上的点，i-1点的坐标值为（
，
），i+1点的坐标值为（
，
）。
4.如权利要求1所述的一种获得高精度空间螺旋齿廓高效轭合展成间隙方法，其特征在于：螺旋公转子与螺旋母转子的参数材质采用45号调质钢，棒料或QT铸件，热处理后的硬度为HB190～240；螺旋公转子长径比为1.4～2.0；螺旋角度240°～300°；空间零对零接触带在有油润滑的条件下，空间零对零接触带宽度为0.1～0.2mm；动平衡G2.5级；实际磨削加工获得的精度如下：当螺旋齿廓外径在小于Ф300㎜时，齿廓齿形的误差小于±0.01㎜；当螺旋齿廓外径小于Ф300㎜时，全导程的误差小于±0.01㎜，分度的误差小于±0.01㎜，光洁度为0.4。
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| Li et al. | Research on Reverse Measuring Method of Screw Drill Rotor Based on Axis Section |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGXI GELEITE COMPRESSOR CO., LTD. Effective date: 20130529 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130529 Address after: 200949, room 1688, 414, Jinshi Road, Shanghai, Baoshan District (Baoshan Industrial Park) Patentee after: SHANGHAI WENJIAN COMPRESSOR Co.,Ltd. Patentee after: JIANGXI GELEITE COMPRESSOR Co.,Ltd. Address before: 200949, room 1688, 414, Jinshi Road, Shanghai, Baoshan District (Baoshan Industrial Park) Patentee before: SHANGHAI WENJIAN COMPRESSOR Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170517 Address after: 200949, room 1688, 414, Jinshi Road, Shanghai, Baoshan District (Baoshan Industrial Park) Patentee after: SHANGHAI WENJIAN COMPRESSOR Co.,Ltd. Address before: 200949, room 1688, 414, Jinshi Road, Shanghai, Baoshan District (Baoshan Industrial Park) Co-patentee before: JIANGXI GELEITE COMPRESSOR Co.,Ltd. Patentee before: SHANGHAI WENJIAN COMPRESSOR Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190116 Address after: 344712 Nancheng County Industrial Park, Fuzhou City, Jiangxi Province (Phase III) Patentee after: JIANGXI GELEITE COMPRESSOR Co.,Ltd. Address before: Room 414, 1688 Jinshi Road, Baoshan District, Shanghai, 2004 (Baoshan Industrial Park) Patentee before: SHANGHAI WENJIAN COMPRESSOR Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121003 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |