CN110848137A - 一种零间隙螺杆转子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种零间隙螺杆转子及其制备方法。所述零间隙螺杆转子包括相互啮合的阴转子和阳转子，所述阴转子包括阴转子本体，所述阳转子包括阳转子本体，所述阴转子本体与所述阳转子本体之间设置有非等距间隙带，间隙值A为0.01～0.05mm，在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面设置有非金属涂层。这一处理方式能够大幅降低泄漏通道面积，减小泄漏损失，提升螺杆压缩机运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及螺杆压缩机主机技术领域，具体涉及一种零间隙螺杆转子及其制备方法。
背景技术
螺杆压缩机是一种按容积变化原理而工作的双轴回转式压缩机。其工作原理为待压缩的气体被吸入其一工作室，工作室随即关闭及缩小，被压缩的气体在其内经受一种多变压缩过程。当工作室内的气体达到预期的终压力时，工作室立即与压出管接通，工作室再继续缩小时，受压缩的气体被排出至排气管道内。上述过程主要通过阴阳转子的啮合实现的，具体地，螺杆压缩机通过平行布置的一对阴阳转子的周期性啮合旋转实现容积变化，从而完成吸气、压缩和排气过程。
然而，在阴阳转子间，以及转子与机壳之间存在多种形状和大小不一的泄漏通道，主要原因包括：1)转子型线固有的几何特性导致；2)加工精度不足造成转子偏离理论尺寸；3)转子运转中受气体作用力的影响而发生变形；4)转子受热膨胀而发生变形；5)啮合过程中转子相互接触传递扭矩而出现挤压变形及磨损；6)转子与静止部件非正常接触而发生磨损。这些泄漏通道使得螺杆压缩机运行过程中产生泄漏损失，导致实际运行过程偏离理论绝热压缩，效率无法达到最佳。
其中阴阳转子间的间隙称之为啮合间隙，该泄漏通道低压侧始终为吸气压力，另一侧为压缩过程压力和排气压力，运行过程中该泄漏通道两侧压力差较大，该处泄漏损失对压缩机的效率影响最为显著。因此需要降低泄漏通道面积，减小泄漏损失，提升螺杆压缩机运行效率。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种零间隙螺杆转子。
本发明的第二目的在于提供该零间隙螺杆转子的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及一种零间隙螺杆转子，包括相互啮合的阴转子和阳转子，所述阴转子包括阴转子本体，所述阳转子包括阳转子本体，所述阴转子本体与所述阳转子本体之间设置有非等距间隙带，间隙值A为0.01～0.05mm，并在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面设置有非金属涂层。
优选地，当所述非金属涂层仅设置于所述阳转子本体表面时，所述涂层的厚度≥A；当所述非金属涂层仅设置于所述阴转子本体表面时，所述涂层的厚度≥A；当所述非金属涂层同时设置于所述阳转子本体表面和所述阴转子本体表面时，所述涂层的厚度≥A/2。
优选地，当所述非金属涂层同时设置于所述阳转子本体表面和所述阴转子本体表面时，
在所述阳转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm，涂层厚度≥0.01mm；
在所述阴转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阴转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阴转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm；
或者在所述阴转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm，涂层厚度≥0.01mm；
在所述阳转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阳转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阳转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阳转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
优选地，当所述非金属涂层仅设置于所述阳转子本体表面时，在所述阳转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阳转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阳转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阳转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
优选地，当所述非金属涂层仅设置于所述阴转子本体表面时，在所述阴转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阴转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阴转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
优选地，所述阴转子本体和阳转子本体的材质均为金属，选自碳素结构钢、合金结构钢、球墨铸铁中的至少一种。
优选地，所述非金属涂层含有聚四氟乙烯和环氧树脂。
本发明还涉及所述零间隙螺杆转子的制备方法，包括以下步骤：
(1)在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面进行磨削，得到非等距间隙带；
(2)在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面涂覆非金属涂层，得到阴转子和阳转子；
(3)对所述阴转子和阳转子进行静态干磨处理，将阴阳转子磨合至零间隙状态。
优选地，步骤(3)中，将所述阴转子和阳转子装配于啮合仪上，阳转子通过外部电机驱动或手动驱动进行静态干磨处理。
优选地，步骤(3)中，所述静态干磨处理包括以下步骤：
(i)第一阶段磨合：将阳转子转速限定为30～35rpm/min，时间为3～4min；
(ii)第二阶段磨合：将阳转子转速限定为50～55rpm/min，时间为5～6min；
(iii)第三阶段磨合：将阳转子转速限定为100～110rpm/min，时间为10～15min；
(iiii)检测：如阴阳转子间的间隙值≤0.01mm，转子静态三坐标测量值与要求值的偏差在±0.01mm内，判定符合使用标准。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种零间隙螺杆转子及其制备方法。该方法通过在阴阳转子本体表面设置非等距间隙的基础上制备非金属涂层，通过静态干磨处理将阴阳转子磨合至零间隙状态，得到零间隙螺杆转子。这一处理方式能够大幅降低泄漏通道面积，减小泄漏损失，提升螺杆压缩机运行效率。
附图说明
图1为阴阳转子配合的结构示意图。
其中，1-阴转子；
11-阴转子驱动侧；
111-阴转子本体驱动侧节圆；
12-阴转子非驱动侧；
121-阴转子本体非驱动侧节圆；
2-阳转子；
21-阳转子驱动侧；22-阳转子非驱动侧。
图2为现有技术的阳转子间隙设计图。
图3为现有技术的阴转子间隙设计图。
图4为本发明的阳转子本体表面等距间隙带设计图。
图5为本发明的阴转子本体表面非等距间隙带设计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例涉及一种零间隙螺杆转子，如图1所示，包括相互啮合的阴转子1和阳转子2，阴转子1包括阴转子本体，阳转子2包括阳转子本体。从图中可知，阴转子本体与阳转子本体并不是完全啮合，两者之间设置有非等距间隙带，间隙值A为0.01～0.05mm(3～5丝，1丝＝0.01毫米)，并在阴转子本体和/或阳转子本体表面设置有非金属涂层。
由于现有的螺杆压缩机在阴阳转子之间存在多处间隙，运行过程中会导致泄漏损失，降低螺杆压缩机的运行效率。本发明通过在阴转子本体和/或阳转子本体表面预设非等距间隙带，并在间隙位置涂覆非金属涂层，使阴阳转子之间实现零间隙，
目前广泛采用锻造的中碳钢、中碳合金钢或球墨铸铁制备压缩机转子。在本发明的一个实施例中，阴转子本体和阳转子本体的材质选自碳素结构钢、合金结构钢、球墨铸铁中的至少一种。其中碳素结构钢可以为45号钢，合金结构钢可以为40Cr，球墨铸铁可以为球铁QT600-3。上述材料均具有不易变形、低噪音、高减震性能的优点。
非金属涂层的作用为降低阴阳转子之间，以及转子与机壳间因摩擦导致的严重磨损。本发明的非金属涂层中含有聚四氟乙烯和环氧树脂。可参考专利201410221946.0中记载的聚四氟乙烯基粘结固体润滑剂，其以聚酰亚胺树脂和环氧树脂为粘结剂，聚四氟乙烯、三聚氰胺氰尿酸盐和二硫化钼为固体润滑剂，混合溶剂为稀释剂。将其涂覆于机械零部件表面加温固化后，可形成聚四氟乙烯基粘结固体润滑涂层。其对金属底材附着良好、抗冲击性能好，具有良好的耐腐蚀性、低摩擦系数和长耐磨寿命。
由于将非金属涂层设置于阴转子本体和/或阳转子本体表面后还需要进行静态干磨处理，以保证涂层厚度的均匀性，需要使涂层厚度略大于间隙值。进一步地，1)当非金属涂层仅设置于阳转子本体表面时，在阳转子本体表面预留非等距间隙带，非金属涂层的厚度≥A；2)当非金属涂层仅设置于阴转子本体表面时，在阴转子本体表面预留非等距间隙带，非金属涂层的厚度≥A；3)当非金属涂层同时设置于阳转子本体表面和阴转子本体表面时，即可以在阳转子本体表面预留等距间隙带，在阴转子本体表面预留非等距间隙带，也可以在阳转子本体表面预留非等距间隙带，在阴转子本体表面预留等距间隙带，且阴阳转子本体表面非金属涂层的厚度均≥A/2。
螺杆压缩机通过阳转子2驱动阴转子1转动，阴阳转子间的无间隙区域也是两者发生局部接触的区域。由于阴阳转子在节圆处的相对运动速度较小，通常驱动区域，即阴阳转子发生直接接触的区域位于节圆两侧。节圆是一个与啮合运动有关的概念。两齿啮合时从轴向看去，相互接触的点称为啮合节点，这一点的线速度相同称为节点，由节点位置决定的圆称为节圆。参考图1，阳转子2的转动方向为逆时针，则在阳转子2的一齿上，带动阴转子1转动的面为阳转子驱动侧21，另一侧为阳转子非驱动侧22。同理，阴转子1与阳转子驱动侧21接触的一侧为阴转子驱动侧11，另一侧为阴转子非驱动侧12。阴转子1与阴转子驱动侧11共面的节圆为阴转子本体驱动侧节圆111，与阴转子非驱动侧12共面的节圆为阴转子本体非驱动侧节圆121。阳转子本体驱动侧节圆和非驱动侧节圆的定义方式与阴转子1类似。与其它区域相比，节圆两侧需要设置较小的间隙。因此在阴阳转子间至少设置一个非均匀间隙，即节圆两侧的间隙较小，其余部位设置正常间隙。
现有技术的螺杆转子通常为金属材质，并将间隙设计在阴转子1表面。具体为阴转子节圆两侧不设置间隙，其余部位设置等距间隙。在阳转子2表面不设置间隙，因此在啮合时通过节圆传递动力。在表面未设置非金属涂层的情况下，位于阴阳转子间的间隙会造成泄漏损失，降低压缩机的效率。
如图2和图3所示：图2为现有技术的阳转子间隙设计图，该曲线两端分别为非驱动侧节圆和驱动侧节圆，从图中的单一曲线可知其表面不设置间隙。图3为现有技术的阴转子间隙设计图，曲线的左侧凸起表示非驱动侧节圆，右侧凸起表示驱动侧节圆。图中多条与曲线垂直的短直线表示不同位置的间隙，直线长度即为间隙值。这些直线的末端组成一条虚拟的曲线，该虚拟的曲线为除去非等距间隙带后的阴转子本体表面。可知现有技术的阴转子间隙设计方式为：驱动侧节圆附近(驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内)无间隙，非驱动侧节圆附近(非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内)间隙设置为0.02mm，阴转子表面其余部分的间隙值设置为0.04mm。
本发明中，当在阴阳转子表面均设置涂层时，阴阳转子本体均需设置间隙，以保证涂层厚度。可以在阳转子本体表面设置等距间隙，阴转子本体表面设置非等距间隙；也可以在阴转子本体表面设置等距间隙，阳转子本体表面设置非等距间隙。下面以第一种情况为例进行说明：
如图4和图5所示：图4为本发明的阳转子本体表面等距间隙带设计图，该曲线两端分别为非驱动侧节圆和驱动侧节圆。图中与曲线垂直的短直线的长度相等，说明在阳转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm，用于涂覆涂层。考虑后续的静态干磨过程，涂层厚度≥0.01mm。图5为本发明的阴转子本体表面非等距间隙带设计图。图中与曲线垂直的短直线的长度在两侧节圆附近发生变化，说明在阴转子本体表面设置非等距间隙带。具体为将阴转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内(右侧凸起处)的间隙值设置为0，将阴转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内(左侧凸起处)的间隙值设置为0.01mm，将阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，用于涂覆涂层。考虑后续的静态干磨过程，涂层厚度≥0.02mm。
在本发明的另一个实施例中，在阴转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm，涂层厚度≥0.01mm；在阳转子本体表面设置非等距间隙带，将阳转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将阳转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将阳转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
在本发明的另一个实施例中，当非金属涂层仅设置于阳转子本体表面时，在阳转子本体表面设置非等距间隙带，将阳转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将阳转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将阳转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
在本发明的另一个实施例中，当非金属涂层仅设置于阴转子本体表面时，在阴转子本体表面设置非等距间隙带，将阴转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将阴转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
本发明还涉及该零间隙螺杆转子的制备方法，包括以下步骤：
(1)在阴转子本体和/或阳转子本体表面进行磨削，得到非等距间隙带；
(2)在阴转子本体和/或阳转子本体表面涂覆非金属涂层，涂层材料为前述的具有自润滑、可磨耗性质的非金属材料，得到阴转子1和阳转子2；
(3)由于涂层厚度及均匀性难以保证精确，需要对阴转子1和阳转子2进行静态干磨处理。优选将阴转子1和阳转子2装配于啮合仪上，阳转子2通过外部电机驱动或手动驱动带动旋转，阴转子1在阳转子2的驱动下做啮合运动，此时涂层厚度过大的部分会因转子的啮合而脱落，最终将阴阳转子磨合至零间隙状态。
步骤(3)中，阳转子2的转速不易设置过高。在本发明的一个实施例中，需要设置多次干磨，且转速逐渐提高，防止直接进行高速干磨导致涂层成片脱落。具体地，静态干磨处理包括以下步骤：
(i)第一阶段磨合：将阳转子2转速限定为30～35rpm/min，时间为3～4min。此时涂层较厚，需要进行低转速磨合；
(ii)第二阶段磨合：将阳转子2转速限定为50～55rpm/min，时间为5～6min；
(iii)第三阶段磨合：将阳转子2转速限定为100～110rpm/min，时间为10～15min；
(iiii)检测：如阴阳转子间的间隙值≤0.01mm，转子静态三坐标测量值与要求值的偏差在±0.01mm内，判定符合使用标准。
实施例
1)阴阳转子本体的材料均为45钢，按照以下间隙值对阴阳转子本体进行磨削加工：
在阳转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm；
在阴转子本体表面设置非等距间隙带，将阴转子本体驱动侧节圆111两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将阴转子本体非驱动侧节圆121两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm。
2)在阴阳转子本体表面涂覆非金属涂层，得到阴阳转子。阳转子本体表面的涂层厚度≥0.01mm。阴转子本体表面的涂层厚度≥0.02mm。
3)将阴阳转子置于啮合仪上定位，阳转子2通过电机带动旋转，进行静态干磨处理。包括以下步骤：
(i)第一阶段磨合：将阳转子2转速限定为30rpm/min，时间为3min；
(ii)第二阶段磨合：将阳转子2转速限定为50rpm/min，时间为5min；
(iii)第三阶段磨合：将阳转子2转速限定为100rpm/min，时间为10min；
(iiii)检测：如阴阳转子间的间隙值≤0.01mm，转子静态三坐标测量值与要求值的偏差在±0.01mm内，判定符合使用标准。
对比例
阴阳转子的材料均为45钢，采用如图2和图3所示的阴阳转子间隙设计：即阳转子2表面不设置间隙；阴转子驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内无间隙，非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内间隙设置为0.02mm，阴转子表面其余部分的间隙值设置为0.04mm，在阴阳转子表面未涂覆非金属涂层。
在相同吸、排气状态下，实施例和对比例转子的使用数据见表1。
表1
表1中的吸气压力、吸气温度和排气压力为测试条件。实际测试过程中无法将上述参数调节至完全相等，但该差值在允许范围内。实验过程中吸排气温度、压力和压缩机电机的控制波动范围均按照GB/T 5773-2004容积式压缩机测试方法的规定值选取。
容积效率为反映压缩机内部泄漏情况的物理量(理论值为100％)。从表1可知，将实施例与对比例比较，容积效率提升4.97％，说明通过间隙的泄漏量大幅降低。COP为描述压缩机性能的物理量，由于泄漏量的降低，泄漏损失减小，压缩机性能提升5.5％；
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种零间隙螺杆转子，其特征在于，包括相互啮合的阴转子和阳转子，所述阴转子包括阴转子本体，所述阳转子包括阳转子本体，所述阴转子本体与所述阳转子本体之间设置有非等距间隙带，间隙值A为0.01～0.05mm，并在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面设置有非金属涂层。
2.根据权利要求1所述的零间隙螺杆转子，其特征在于，当所述非金属涂层仅设置于所述阳转子本体表面时，所述涂层的厚度≥A；当所述非金属涂层仅设置于所述阴转子本体表面时，所述涂层的厚度≥A；当所述非金属涂层同时设置于所述阳转子本体表面和所述阴转子本体表面时，所述涂层的厚度≥A/2。
3.根据权利要求2所述的零间隙螺杆转子，其特征在于，当所述非金属涂层同时设置于所述阳转子本体表面和所述阴转子本体表面时，
在所述阳转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm，涂层厚度≥0.01mm；
在所述阴转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阴转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阴转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
4.根据权利要求2所述的零间隙螺杆转子，其特征在于，当所述非金属涂层同时设置于所述阳转子本体表面和所述阴转子本体表面时，
在所述阴转子本体表面设置等距间隙带，间隙值设置为0.01mm，涂层厚度≥0.01mm；
在所述阳转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阳转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阳转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阳转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
5.根据权利要求2所述的零间隙螺杆转子，其特征在于，当所述非金属涂层仅设置于所述阳转子本体表面时，在所述阳转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阳转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阳转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阳转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
6.根据权利要求2所述的零间隙螺杆转子，其特征在于，当所述非金属涂层仅设置于所述阴转子本体表面时，在所述阴转子本体表面设置非等距间隙带，将所述阴转子本体驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0，将所述阴转子本体非驱动侧节圆两侧1mm宽度区域内的间隙值设置为0.01mm，将所述阴转子本体表面其余部分的间隙值设置为0.02mm，涂层厚度≥0.02mm。
7.根据权利要求1所述的零间隙螺杆转子，其特征在于，所述阴转子本体和阳转子本体的材质均为金属，选自碳素结构钢、合金结构钢、球墨铸铁中的至少一种；
和/或，所述非金属涂层含有聚四氟乙烯和环氧树脂。
8.根据权利要求1至7任一项所述零间隙螺杆转子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面进行磨削，得到非等距间隙带；
(2)在所述阴转子本体和/或阳转子本体表面涂覆非金属涂层，得到阴转子和阳转子；
(3)对所述阴转子和阳转子进行静态干磨处理，将阴阳转子磨合至零间隙状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述阴转子和阳转子装配于啮合仪上，阳转子通过外部电机驱动或手动驱动进行静态干磨处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述静态干磨处理包括以下步骤：
(i)第一阶段磨合：将阳转子转速限定为30～35rpm/min，时间为3～4min；
(ii)第二阶段磨合：将阳转子转速限定为50～55rpm/min，时间为5～6min；
(iii)第三阶段磨合：将阳转子转速限定为100～110rpm/min，时间为10～15min；
(iiii)检测：如阴阳转子间的间隙值≤0.01mm，转子静态三坐标测量值与要求值的偏差在±0.01mm内，判定符合使用标准。
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