CN109236644B - 星轮组件及包含该组件的单螺杆空气压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种星轮组件，包括星轮轴、星轮支架以及星轮片，星轮轴的定位端以双列角接触球轴承安装固定在星轮定位轴承座上，星轮轴的浮动端以滑动轴承安装在滑动轴承座上，星轮轴与星轮支架均为独立部件，星轮支架和星轮片套装在星轮轴上，星轮支架与星轮片接触的一侧平面上，从外圆端面沿每个齿的齿中心位置设置有径向的燕尾槽，星轮片与星轮支架接触的一侧平面上设置有与燕尾槽匹配的燕尾棱，各燕尾棱分别卡在一个相应的燕尾槽中，实现星轮片与星轮支架的紧固连接。本发明还要求保护一种包含星轮组件的单螺杆空气压缩机。本发明通过改进现有星轮组件结构，同时在机壳上增设喷水孔，大大提升了单螺杆空气压缩机的整机稳定性能。
Description
技术领域
本发明属于压缩机技术领域，特别涉及一种星轮组件及包含该组件的单螺杆空气压缩机。
背景技术
压缩机是一种常见的通用机械设备。单螺杆空气压缩机因其结构紧凑、振动小、噪音低，稳定性好，得到了广泛应用。单螺杆空气压缩机由一个圆柱形螺杆和两个对称布置的平面型星轮组成啮合副，装在机壳内。螺杆的螺槽、机壳内腔和星轮前后齿，顶面构成工作容积。运行时，电机的动力通过联轴器传到螺杆轴上，由螺杆带动星轮旋转，气体由吸气腔进入螺槽内，经压缩后通过机壳上的排气口排出。机壳上开有喷液孔，将制冷液喷入工作容积内，起到冷却、密封、润滑作用。
星轮组件是单螺杆空气压缩机的重要部件，现有技术中，星轮组件主要由星轮片、支架、星轮轴、星轮片周向定位销、O型圈、压圈、止动垫、圆螺母组成，其中支架上的支撑平面和星轮片的接触面要求加工精度很高，且星轮片厚度较薄，即使勉强保证它们之间微间隙接触，运行过程中由于星轮片在支架上没有轴向约束，只有一个周向定位销，运行一段时间星轮片就会出现不同程度的变形，使星轮片和机壳分割面处于相对啮合运动产生微颗粒磨损，这些磨粒对运动零件表面会产生微颗粒挤压拉伤，对冷却系统的过滤装置产生堵塞，以致使零件磨损周期加快或拉伤，使冷却液性能变差，控制阀体动作失效。
另一方面，星轮组件上支架和星轮轴是铸造复合件，即合二为一，该铸造件因形状较为复杂，铸造缺陷较多，如：夹砂、气孔、冷隔等。在后续加工中报废率较高，且在装配复检时支架支撑平面有不同程度的变形，经力学测试为铸造内应力释放不彻底，后经多次人工时效和震动去应力工艺才使变形基本符合设计技术要求，处理周期较长。
上述星轮片、星轮支架的变形等问题，直接影响单螺杆空气压缩机稳定性能，星轮片变形严重时会出现星轮片打碎故障。
而在星轮轴的轴端，现有技术中都采用一端固定，一端浮动的两端单列滚动轴承的支承方式，并利用机械密封来将螺杆轴、星轮轴进行密封，避免冷却水渗漏到轴承上，螺杆轴也同样采取该方式。单螺杆压缩机运转速度较高(3000转/分左右)，实际使用时频繁启动、停止的频率较高，两个支承点距离较远，工作时压缩气体使得轴上会产生一定的径向力和轴向力。单列滚动轴承具有结构简单使用方便的特点，但其承载能力较小，只能承受一定的径向载荷，抗冲击能力差、高速时噪音大、易损坏，长时间使用则会严重影响压缩机的排气量，甚至导致星轮磨损快，效能和流量快速下降。
另外，随着螺杆继续转动，螺杆齿槽内气体受星轮转动挤压，压力升大，温度随之继续升高。过高的温度容易使螺杆与机壳受热膨胀或抱死，或损坏零部件，而依靠增大配合间隙避免抱死又会增加气量损耗，降低效能。在无油水润滑单螺杆压缩机机壳内壁上设置有两个喷水口，喷口位置对称设置在螺杆中部，能够在一定程度上降低温升，然而随着对压缩机工作要求的提高，在长时间运行的情况下，该种结构已经无法均匀降低运行中的螺杆温度，且润滑效果无法保证，导致产生螺杆抱死现象。
综上，星轮片、星轮支架的变形，星轮轴、螺杆轴的不当安装方式，以及螺杆的降温不畅，已经成为制约单螺杆空气压缩机整机稳定性能的重要因素。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种星轮组件及包含该组件的单螺杆空气压缩机，通过改进现有星轮组件结构，大大提升了单螺杆空气压缩机的整机稳定性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种星轮组件，包括星轮轴1、星轮支架2以及星轮片3，其特征在于，星轮轴1的定位端以双列角接触球轴承11安装固定在星轮定位轴承座12上，星轮轴1的浮动端以滑动轴承安装在滑动轴承座13上，星轮轴1与星轮支架2均为独立部件，星轮支架2和星轮片3套装在星轮轴1上，所述星轮支架2与星轮片3接触的一侧平面上，从外圆端面沿每个齿的齿中心位置设置有径向的燕尾槽7，所述星轮片3与星轮支架2接触的一侧平面上设置有与所述燕尾槽7匹配的燕尾棱8，各燕尾棱8分别卡在一个相应的燕尾槽7中，实现星轮片3与星轮支架2的紧固连接。
所述星轮轴1上，位于星轮片3的另一侧还套装有压圈4、止动垫5和圆螺母6，实现星轮片3的紧固安装。
所述星轮支架2与星轮片3均为11齿结构。
所述双列角接触球轴承11安装固定在星轮定位轴承座12上，所述滑动轴承包括滑动轴承外圈9和滑动轴承内圈10，其中，滑动轴承外圈9为静环，套合在滑动轴承座13上，滑动轴承内圈10为动环，套在星轮轴1的浮动端，随轴一起转动。
所述滑动轴承外圈9的内孔上加工有螺旋环槽17，所述滑动轴承外圈9设置有台阶结构，滑动轴承座13上也设置有台阶结构，两台阶结构相互叠合。
所述双列角接触球轴承11用星轮定位轴承座端盖14、星轮定位轴承座压盖15及轴肩安装固定在星轮定位轴承座12上，所述星轮轴1上安装有机械密封16，机械密封16一端作用于星轮定位轴承座12；所述滑动轴承座13上设置有滑动轴承座压盖18，滑动轴承座压盖18上装有进水接头19，用于为滑动轴承提供冷却润滑水。
本发明还要求保护一种包含所述星轮组件的单螺杆空气压缩机。该单螺杆空气压缩机包括带有侧盖21的机壳20，所述星轮定位轴承座12与滑动轴承座13均固定在机壳20上，侧盖21对应的位置为星轮支架2与星轮片3，机壳20内设置有带螺杆转子25的螺杆轴24，螺杆轴24纵向设置，其上端通过排气端轴承座23和排气端轴承座压盖22安装，安装方式参考星轮轴1的定位端安装结构，也以双列角接触球轴承安装固定在排气端轴承座23上，下端通过吸气端轴承座26和吸气端轴承座压盖27安装，安装方式参考星轮轴1的浮动端安装结构，也以滑动轴承安装在吸气端轴承座26上。
在机壳20的内壁对应螺杆转子25中心齿槽最深处设置有两个喷水孔一30，在机壳20的内壁对应靠近排气端的位置增设有两个喷水孔二31，在所述机壳20上设置有与所述喷水孔一30和喷水孔二31连通的轴向供水通道一28和轴向供水通道二29。
所述喷水孔一1的喷水方向为螺杆转子25的螺槽切向，所述喷水孔二2的喷水方向与螺杆轴24垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、现有单螺杆空气压缩机主机星轮组件上星轮支架和星轮轴是铸造复合件，即合二为一。该铸造件因形状较为复杂，铸造缺陷较多，如：夹砂、气孔、冷隔等。本发明采用成型棒料制作的分体式星轮支架和星轮轴，首次将星轮支架和星轮轴分开设置，星轮轴和支架不再一体成型，而是采用分体结构，解决了主机星轮零件铸造缺陷和消除内应力周期长问题。
2、现有技术星轮组件上星轮片变形是单螺杆空气压缩机的一大困扰。主机运行时星轮片就会出现不同程度的变形，使星轮片和机壳分割面处于相对啮合运动产生微颗粒磨损，这些磨粒对运动零件表面会产生微颗粒挤压拉伤，对冷却系统的过滤装置产生堵塞，以致使零件磨损周期加快或拉伤，使冷却液性能变差，控制阀体动作失效。这些问题将直接影响单螺杆空气压缩机稳定性能。星轮片变形严重时会出现星轮片打碎故障。本发明机采用聚醚醚酮星轮片，且星轮片与星轮支架采用镶嵌结构，可以约束星轮片变形，从而降低单螺杆空气压缩机运行能耗，保证其稳定工作。
3、本发明的轴支承结构，保留了传统的一端固定一端浮动的支承方式，既能保证轴上零件的准确定位，又能补偿因热膨胀引起的轴的变化，同时采用了能承受较大轴向力的双列角接触球轴承和滑动轴承，轴内、外圈采用具有高耐磨性和高强度的材料制作，所以能够承受较大的径向载荷和轴向位移，且运行噪音大幅度下降。在滑动轴承动环和静环的接触面上，设计有用于润滑、冷却的环槽，工作时，在内外压力差的作用下，使带有一定压力的液体经管路源源不断的输入，通过环槽一端进入后从另端流出，从而达到滑动轴承润滑和冷却的目的，保证滑动轴承正常使用。使得压缩机的工作可靠性、稳定性大大增加，使用滑动轴承还减少了一个机械密封的使用，节约了成本。
4、原有单螺杆压缩机仅在螺杆齿槽最深处有两个冷却润滑喷水孔，但压缩过程中吸气端刚开始压缩压力低，温度低，排气端压力高，温度高反而没有冷却润滑喷水孔。本发明通过增加2个冷却润滑喷水孔，该喷水孔布置形式和轴向喷水部位是保证润滑冷却能够取得最大能效比的关键，通过在合理位置增设喷水口，改变了现有主机润滑不充分、冷却不均匀现象，避免螺杆、机壳运行时温度较高且不均匀，容易产生螺杆抱死现象的发生。既能降低温升，使排气端温度下降，又能保证润滑，改变润滑冷却状态，而且产生的液膜提高了密封性，使能效提高，功耗降低，主机运行噪音、稳定性进一步提高，提升了可靠性和稳定性，使用寿命大大延长。
附图说明
图1是本发明星轮组件结构示意图(径向视图)。
图2是本发明星轮片与星轮支架的镶嵌结构示意图。
图3是图2中M向旋转视图。
图4是图2中A-A向剖视图。
图5是图2中B-B向剖视图。
图6是图2中B-B向剖视图(仅显示支架部分)。
图7是图2中B-B向剖视图(仅显示星轮片部分)
图8是本发明单螺杆空气压缩机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种星轮组件，包括星轮轴1、星轮支架2以及星轮片3，星轮轴1的定位端以双列角接触球轴承11安装固定在星轮定位轴承座12上，星轮轴1的浮动端以滑动轴承安装在滑动轴承座13上，
星轮片3为聚醚醚酮星轮片，星轮轴1和星轮支架2均为独立部件，星轮支架2与星轮片3均采用11齿结构，安装于星轮轴1上。
如图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，在星轮支架2与星轮片3接触的一侧平面上，从外圆端面沿每个齿的齿中心位置加工有径向的燕尾槽7，星轮片3与星轮支架2接触的一侧平面上注塑有与燕尾槽7匹配的燕尾棱8，各燕尾棱8分别镶嵌在一个相应的燕尾槽7中，实现星轮片3与星轮支架2的紧固连接。燕尾槽7的尺寸根据支架外径和齿宽来确定，确定原则以保证支架刚性及星轮片约束变形力设计。图3给出了一种可行的加工参数，单位为mm。
在星轮轴1上，位于星轮片3的另一侧还套装有压圈4、止动垫5和圆螺母6，实现星轮片3的紧固安装。
星轮组件的轴上部分安装加工过程如下：
a星轮支架2为不锈钢材料，星轮支架2、星轮轴1采用饼料和棒料加工。
b将加工好的星轮支架2热套到星轮轴1上。
c将热套的支架组件支撑平面进行精加工，以保证对星轮轴中心线的垂直度要求和平面度要求。
d在星轮支架2的平面上从外圆端面沿齿中心位置加工燕尾槽7至内孔处，使平面上11齿中心线位置均加工成燕尾槽结构。燕尾槽7的尺寸大小根据星轮支架2的外径尺寸确定。
e在高温400度、高压1000KN注塑压机的作用下，将液态聚醚醚酮材料喷射融入到星轮支架2平面上加工的燕尾槽7内，待模具中的聚醚醚酮材料固化和冷却后，即将星轮片3镶嵌到了星轮支架2中，使星轮片3、星轮支架2和星轮轴1成为一体。
f星轮支架铸塑镶嵌完成后，再对其进行机械加工、啮合型面加工。
g对星轮片3的啮合平面进行精加工，以保证平面对星轮轴1的中心线垂直度要求和平面度要求。
h将压圈4、止动垫5和圆螺母6按顺序安装到星轮轴1上，星轮组件的轴上部分安装完成。
其中，也可先将星轮支架2和星轮片3镶嵌为一体，再安装星轮轴1上。
通过小批量星轮组件轴上部分结构在单螺杆空气压缩机上试装、运行，星轮支架支撑平面只有微量变形，星轮片变形问题基本得到解决。能效、噪音、震动明显降低，稳定性明显提高。经1200-2000小时的试制运行，啮合的零部件表面和冷却水中基本没有微颗粒磨粒，运行状态无异常现象。对试制后的星轮支架镶嵌体中星轮片啮合平面进行测试，支架支撑平面有微量变形，该变形在设计要求范围内，星轮片基本无变形。可以确定，星轮分体式结构以及星轮支架镶嵌技术基本解决了星轮片的变形和大幅度降低星轮片运行过程的变形，解决了单螺杆空气压缩机铸造缺陷和消除铸造内应力周期长问题，从而缩短单螺杆空气压缩机星轮零件加工和热处理周期，保证单螺杆空气压缩机稳定运行和能耗的降低。
再次参考图1，在星轮轴1定位端，所述双列角接触球轴承11用星轮定位轴承座端盖14、星轮定位轴承座压盖15及轴肩等安装固定在星轮定位轴承座12上，并在星轮轴1上该端安装有机械密封16，机械密封16一端作用于双列角接触球轴承11，防止冷却液渗漏到轴承上。
在星轮轴1浮动端，滑动轴承外圈9作为静环，套合在滑动轴承座13上，所述滑动轴承外圈9设置有台阶结构，滑动轴承座13上也设置有台阶结构，两台阶结构相互叠合，使得定位可靠，运转时结合更加紧密。滑动轴承外圈9的内孔上加工有螺旋环槽17，便于冷却润滑水的通过；滑动轴承内圈10作为动环，套在星轮轴1上随其一起转动。滑动轴承座13上设置有滑动轴承座压盖18，滑动轴承座压盖18上装有进水接头19，用于为滑动轴承提供冷却润滑水。
该支撑结构的原理是：
1、在定位端，双列角接触球轴承具有承载能力大，能够承受双向(轴向和径向)载荷，极限转速高，具有成对安装的背对背轴承的特点，但宽度尺寸小，解决了单列滚动轴承轴向承载能力差，高速运转噪音大，刚性差的问题，同时，解决了单列轴承游隙过大，造成螺杆星轮啮合间隙不断变化引起的磨损加快，进而影响排气量的缺点。能有效限制星轮片在螺杆槽内的轴向位置，使得压缩机运行可靠。
2、在浮动端，采用液体润滑的滑动轴承支承。滑动轴承外圈、滑动轴承内圈均采用具有高耐磨性和高强度的材料制作，由于滑动轴承轴向尺寸较大，又处于轴向浮动状态，所以能够承受较大的轴向载荷和位移，且不易损坏。在轴承的动环和静环的接触面上，设计有用于润滑冷却的螺旋环槽，工作时，在内外压力差的作用下，带有一定压力的液体从外部源源不断的输入，经螺旋环槽一端进入后从另端流出，从而达到连续的润滑和冷却的目的，保证轴承的正常使用。该情况下，该端不再需要机械密封装置。
参考图8，在单螺杆空气压缩机中采用了上述的星轮组件，以保证整机的稳定运行，该单螺杆空气压缩机包括带有侧盖21的机壳20，星轮定位轴承座12与滑动轴承座13均固定在机壳20上，连接为一体。侧盖21对应的位置为星轮支架2与星轮片3，机壳20内设置有带螺杆转子25的螺杆轴24，螺杆轴24纵向设置，其上端通过排气端轴承座23和排气端轴承座压盖22安装，安装方式参考星轮轴1的定位端安装结构，也以双列角接触球轴承安装固定在排气端轴承座23上，下端通过吸气端轴承座26和吸气端轴承座压盖27安装，安装方式参考星轮轴1的浮动端安装结构，也以滑动轴承安装在吸气端轴承座26上。
进一步地，在机壳20的内壁对应螺杆转子25中心齿槽最深处设置有两个位于同一圆周且关于中心对称的喷水孔一30，喷水孔一30的喷水方向为螺杆转子25的螺槽切向，在机壳20的内壁对应靠近排气端的位置(在螺杆槽内压力接近最大时)增设有两个喷水孔二31，喷水孔二31的喷水方向与螺杆轴24垂直。在所述机壳20上设置有与所述喷水孔一30和喷水孔二31连通的轴向供水通道一28和轴向供水通道二29。该结构可克服传统结构中喷水润滑效能低螺杆受热变形不均匀，或出现螺杆和机壳的抱死现象。
两个喷水孔一30和两个喷水孔二31的位置使压缩机运转时润滑冷却充分，螺杆受热变形均匀，保证啮合间隙准确、稳定，提高效能。
工作时，在电机作用下，螺杆轴24转动，压缩机进气端和排气端则会产生压力差，润滑冷却水在压力差的作用下，经由系统管路、进水口进入轴向供水通道一28和轴向供水通道二29，然后通过与内壁相通的喷水孔一30和喷水孔二31，喷射到旋转的螺杆螺槽内，使冷却润滑水能均匀地喷洒在螺杆与星轮、螺杆与机壳封闭的不同的工作面上，达到冷却润滑的目的。该结构形式简单，实用，可靠。
Claims (6)
1.一种星轮组件的轴上部分安装加工工艺，所述星轮组件包括星轮轴(1)、星轮支架(2)以及星轮片(3)，星轮轴(1)的定位端以双列角接触球轴承(11)安装固定在星轮定位轴承座(12)上，星轮轴(1)的浮动端以滑动轴承安装在滑动轴承座(13)上，星轮轴(1)与星轮支架(2)均为独立部件，星轮支架(2)和星轮片(3)套装在星轮轴(1)上，所述星轮支架(2)与星轮片(3)接触的一侧平面上，从外圆端面沿每个齿的齿中心位置设置有径向的燕尾槽(7)，所述星轮片(3)与星轮支架(2)接触的一侧平面上设置有与所述燕尾槽(7)匹配的燕尾棱(8)，各燕尾棱(8)分别卡在一个相应的燕尾槽(7)中，实现星轮片(3)与星轮支架(2)的紧固连接，所述星轮轴(1)上，位于星轮片(3)的另一侧还套装有压圈(4)、止动垫(5)和圆螺母(6)，实现星轮片(3)的紧固安装，所述星轮支架(2)与星轮片(3)均为11齿结构，其特征在于，轴上部分的安装加工包括如下步骤：
a星轮支架(2)为不锈钢材料，星轮支架(2)、星轮轴(1)采用饼料和棒料加工；
b将加工好的星轮支架(2)热套到星轮轴(1)上；
c将热套的支架组件支撑平面进行精加工，以保证对星轮轴(1)中心线的垂直度要求和平面度要求；
d在星轮支架(2)的平面上从外圆端面沿齿中心位置加工燕尾槽(7)至内孔处，使平面上11齿中心线位置均加工成燕尾槽结构，燕尾槽(7)的尺寸大小根据星轮支架(2)的外径尺寸确定；
e在高温400度、高压1000KN注塑压机的作用下，将液态聚醚醚酮材料喷射融入到星轮支架(2)平面上加工的燕尾槽(7)内，待模具中的聚醚醚酮材料固化和冷却后，即将星轮片(3)镶嵌到了星轮支架(2)中，使星轮片(3)、星轮支架(2)和星轮轴(1)成为一体；
f星轮支架铸塑镶嵌完成后，再对其进行机械加工、啮合型面加工；
g对星轮片(3)的啮合平面进行精加工，以保证平面对星轮轴(1)的中心线垂直度要求和平面度要求；
h将压圈(4)、止动垫(5)和圆螺母(6)按顺序安装到星轮轴(1)上，星轮组件的轴上部分安装完成。
2.根据权利要求1所述星轮组件的轴上部分安装加工工艺，其特征在于，所述双列角接触球轴承(11)安装固定在星轮定位轴承座(12)上，所述滑动轴承包括滑动轴承外圈(9)和滑动轴承内圈(10)，其中，滑动轴承外圈(9)为静环，套合在滑动轴承座(13)上，滑动轴承内圈(10)为动环，套在星轮轴(1)的浮动端，随轴一起转动。
3.根据权利要求2所述星轮组件的轴上部分安装加工工艺，其特征在于，所述滑动轴承外圈(9)的内孔上加工有螺旋环槽(17)，所述滑动轴承外圈(9)设置有台阶结构，滑动轴承座(13)上也设置有台阶结构，两台阶结构相互叠合。
4.根据权利要求1或3所述星轮组件的轴上部分安装加工工艺，其特征在于，所述双列角接触球轴承(11)用星轮定位轴承座端盖(14)、星轮定位轴承座压盖(15)及轴肩安装固定在星轮定位轴承座(12)上，所述星轮轴(1)上安装有机械密封(16)，机械密封(16)一端作用于星轮定位轴承座(12)；所述滑动轴承座(13)上设置有滑动轴承座压盖(18)，滑动轴承座压盖(18)上装有进水接头(19)，用于为滑动轴承提供冷却润滑水。
5.一种包含权利要求1所述星轮组件的单螺杆空气压缩机，其特征在于，在机壳(20)的内壁对应螺杆转子(25)中心齿槽最深处设置有两个喷水孔一(30)，在机壳(20)的内壁对应靠近排气端的位置增设有两个喷水孔二(31)，在所述机壳(20)上设置有与所述喷水孔一(30)和喷水孔二(31)连通的轴向供水通道一(28)和轴向供水通道二(29)，所述喷水孔一(30)的喷水方向为螺杆转子(25)的螺槽切向，所述喷水孔二(31)的喷水方向与螺杆轴(24)垂直。
6.根据权利要求5所述单螺杆空气压缩机，其特征在于，包括带有侧盖(21)的机壳(20)，所述星轮定位轴承座(12)与滑动轴承座(13)均固定在机壳(20)上，侧盖(21)对应的位置为星轮支架(2)与星轮片(3)，机壳(20)内设置有带螺杆转子(25)的螺杆轴(24)，螺杆轴(24)纵向设置，其上端通过排气端轴承座(23)和排气端轴承座压盖(22)安装，下端通过吸气端轴承座(26)和吸气端轴承座压盖(27)安装。
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