CN114857000A - 一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机设计及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机设计及制造方法，它属于涡旋空压机技术领域。本发明一方面，通过材料、制造工艺、局部表面改性等三方面的差异化设计使得静涡旋齿比动涡旋齿的结构强度、表面硬度都更高，且通过精加工尺寸公差设计将动、静涡旋齿初始状态设计为过盈配合啮合状态，另一方面将自适应配磨工艺设计成先在超低转速条件下运转、再在额定转速条件下运转的分阶段递进式配磨工艺，极大地提高配磨效果，动静涡旋盘涡旋齿将达到热平衡态下无间隙、无过盈的最佳啮合状态。本发明具备工艺合理、生产成本低、排气压力上限更高、排气流量更大、节能效果更好、实用性更强等优点，适合作为高端无油涡旋空压机产品设计制造工艺。

Description

一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机设计及制造方法
技术领域
本发明涉及一种设计及制造方法，尤其是涉及一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机设计及制造方法，它属于涡旋空压机技术领域。
背景技术
空压机是一种用以压缩气体的设备，是气动系统的核心设备，在现代工业中应用非常广泛。目前市场上常见的空压机主要有活塞式空压机、螺杆式空压机等，而涡旋空压机是一种新型高效容积式压缩机。涡旋空压机的通用工作原理为：静涡旋盘固定在机架上，动涡旋盘在防自转机构的制约下围绕静涡旋盘基圆中心做很小半径的公转平动运动，动、静涡旋盘上的涡旋齿壁组成的若干个月牙形压缩腔的体积随之不断变化，从而实现吸气、压缩、排气的循环工作过程。
目前行业内涡旋空压机动、静涡旋盘普遍采用相同的材料与制造工艺，动、静涡旋盘在运行过程中通过保持一定的运动间隙来达到密封，动、静涡旋盘严禁互相机械接触以防止咬死、碎裂。正是由于目前行业内涡旋空压机普遍采用间隙密封原理，动静涡旋盘啮合密封性较差，直接导致涡旋空压机排气压力与排气效率难以提高，仅能适用于作为中低压气源使用。此外，影响动、静涡旋盘啮合精度的因素很多，这对涡旋空压机设计、制造、装配都提出了很高的技术要求，以精准控制动、静涡旋盘啮合间隙，这又直接导致了涡旋空压机生产工艺复杂、生产制造成本很高。
公开日为2015年02月25日，公开号为CN104373346A的中国专利中，公开了一种名称为“涡旋压缩机以及其中压腔的密封方法和密封装置”的发明专利。该专利采用双密封设计，在密封布置中，止推轴承不需要高的机加工精度，因而降低了成本；密封圈被设置在机架上，因此消除了与之相关的可靠性问题；增大中压腔的表面，其对于增大压缩机的工作领域是重要的；但是动静涡旋盘啮合密封性较差，导致涡旋空压机排气压力与排气效率难以提高，仅能适用于作为中低压气源使用，故其还是存在上述缺陷。
因此，提出一种可以简化生产工艺、降低制造成本、提高动静盘啮合密封性、提高排气压力上限、提高排气效率的涡旋空压机设计及制造方法，对提高涡旋空压机产品性能、推动涡旋空压机行业技术进步具有重要意义，也显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种工艺设计合理，生产成本低，排气压力上限更高，排气流量更大，节能效果更好，实用性更强的提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机设计及制造方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)毛坯材料及工艺设计
涡旋空压机的静涡旋盘材料设计为硬度相对较高的轻质金属材料，并采用锻造工艺制造静涡旋盘毛坯，并对其进行热处理强化；涡旋空压机的动涡旋盘材料设计为硬度相对较低的轻质金属材料，并采用铸造工艺制造动涡旋盘毛坯；
(2)精加工尺寸公差设计
静涡旋盘的静涡旋齿厚设计为基本尺寸，动涡旋盘的动涡旋齿厚设计为基本尺寸，且动涡旋齿厚≥静涡旋齿厚，不考虑公差情况下，该静涡旋齿厚、动涡旋齿厚基本尺寸将使得动涡旋齿、静涡旋齿啮合间隙为零；并通过静涡旋齿厚的精加工尺寸公差设计、动涡旋齿厚的精加工尺寸公差设计，使得完成精加工后的静涡旋盘的静涡旋齿与动涡旋盘的动涡旋齿装配后为过盈配合啮合状态；
(3)局部表面改性工艺设计
精加工后的静涡旋盘先通过表面强化处理以提高其疲劳强度，然后再在静涡旋盘的静涡旋齿表面制作硬质耐磨层，以提高表面硬度及耐磨性；而精加工后的动涡旋盘不做任何表面改性处理工艺；
(4)自适应配磨工艺设计
将完成装配后的涡旋空压机首先在超低转速状态下连续运转至少30分钟以进行充分互相冷态自适应配磨，然后再在额定转速再连续运转至少30分钟以进行充分互相热平衡态自适应配磨，完成该自适应配磨工艺后的动涡旋盘的动涡旋齿、静涡旋盘中的静涡旋齿在额定转速热平衡态下将达到无间隙、无过盈的最佳啮合状态。
作为优选，本发明所述步骤(1)中，静涡旋盘的材料选用2024铝合金并采用等温模锻工艺制造静涡旋盘毛坯，动涡旋盘的材料选用ZL102铝合金并采用压力铸造工艺制造动涡旋盘毛坯。
作为优选，本发明所述步骤(1)中，所制造静涡旋盘毛坯的硬度为HB120—HB145；所制造动涡旋盘毛坯的硬度为HB50。
作为优选，本发明所述步骤(2)中，动涡旋齿厚＝1.2×静涡旋齿厚，且静涡旋齿厚的精加工尺寸公差设计为H4～H6，即下偏差为0、上偏差为IT4～IT6级标准公差；动涡旋齿厚的精加工尺寸公差设计为H6～H9，即下偏差为0、上偏差为IT6～IT9级标准公差。
作为优选，本发明所述步骤(3)中，精加工后的静涡旋盘表面强化处理工艺采用喷丸或喷砂处理，静涡旋齿表面硬质耐磨层选用纳米陶瓷涂层。
作为优选，本发明所述步骤(4)中，涡旋空压机超低转速状态选用50～100转/分钟。
本发明还提供一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的制造方法，其特征在于：通过该涡旋空压机的设计方法，制造涡旋空压机，使得动涡旋盘的动涡旋齿、静涡旋盘的静涡旋齿在额定转速热平衡态下将达到无间隙、无过盈的最佳啮合状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1)本专利申请方法只需通过毛坯材料及工艺、精加工尺寸公差、局部表面改性工艺、自适应配磨工艺四方面综合优化设计即可提高动、静涡旋齿啮合密封性，工艺合理、生产成本低、实用性很强；2)按照本专利申请方法制造的涡旋空压机的动、静涡旋盘涡旋齿可达到热平衡态下无间隙、无过盈的最佳啮合状态，比传统间隙啮合涡旋空压机的排气压力上限更高、排气流量更大、节能效果更好，本专利申请方法尤其适用于作为高端无油涡旋空压机产品设计制造工艺。
附图说明
图1是本发明实施例的设计及制造方法流程图。
图2是本发明实施例的涡旋空压机动静盘啮合状态剖视图。
图3是本发明实施例的涡旋空压机静涡旋盘剖视图。
图4是本发明实施例的涡旋空压机动涡旋盘剖视图。
图5是本发明实施例的涡旋空压机动静盘啮合状态局部放大剖视图。
图中：静涡旋盘1，动涡旋盘2，静涡旋齿1-1，排气孔1-2，进气口1-3，静涡旋齿厚t1，动涡旋齿2-1，动涡旋齿厚t2。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1—图5，本实施例涡旋空压机主要核心零部件包括静涡旋盘1与动涡旋盘2(其余机架、偏心主轴、防自转机构等零部件与本专利申请方法基本不相关)，其中静涡旋盘1的主要结构包括静涡旋齿1-1、排气孔1-2和进气口1-3，动涡旋盘2的主要结构包括动涡旋齿2-1；静涡旋盘1固定安装在涡旋空压机的机架上，而动涡旋盘2安装在偏心主轴上并使得动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1互相啮合并组成若干个月牙形压缩腔；该涡旋空压机工作时，涡旋空压机偏心主轴驱动动涡旋盘2公转平动，动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1互相啮合形成的若干月牙形压缩腔的体积随之不断变化，从而实现从进气口1-3吸气、压缩、从排气孔1-2排气的循环工作过程。
本实施例提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，包括以下步骤：
(1)毛坯材料及工艺设计
涡旋空压机的静涡旋盘1材料设计为硬度相对较高的2024铝合金，并采用等温模锻工艺制造静涡旋盘毛坯，并对其进行热处理强化，所制造静涡旋盘毛坯的硬度约为HB120—HB145；涡旋空压机的动涡旋盘2材料设计为硬度相对较低的ZL102铝合金，并采用压力铸造工艺制造动涡旋盘毛坯，所制造动涡旋盘毛坯的硬度约为HB50。
(2)精加工尺寸公差设计
涡旋空压机中的静涡旋齿1-1厚度基本尺寸设计为t1＝4mm、动涡旋齿2-1厚度基本尺寸设计为t2＝1.2×t1＝4.8mm，理论上不考虑公差情况下该t1、t2涡旋齿厚基本尺寸将使得动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1之间的啮合间隙刚好为零；静涡旋齿1-1厚度t1的精加工尺寸公差设计为H6(即静涡旋齿1-1精加工厚度尺寸
Figure BDA0003654725400000041
)，动涡旋齿2-1厚度t2的精加工尺寸公差设计为H9(即动涡旋齿2-1精加工厚度尺寸
Figure BDA0003654725400000042
)，使得完成精加工后的静涡旋齿1-1与动涡旋齿2-1装配后为过盈配合啮合状态。
(3)局部表面改性工艺设计
精加工后的静涡旋盘1先通过表面喷丸(或喷砂)处理以提高其疲劳强度，然后再在静涡旋齿1-1表面制作纳米陶瓷涂层(基本不影响涡旋齿厚度)以提高表面硬度及耐磨性；而精加工后的动涡旋盘2不做任何表面改性处理工艺。
(4)自适应配磨工艺设计
将完成装配后的涡旋空压机首先在50转/分钟的超低转速状态下连续运转60分钟以进行充分互相冷态自适应配磨，然后再在额定转速下再连续运转60分钟以进行充分互相热平衡态自适应配磨，完成该自适应配磨工艺后的动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1在额定转速热平衡态下将达到无间隙、无过盈的最佳啮合状态。
本实施例的设计原理为：一方面，通过材料、制造工艺、局部表面改性等三方面的差异化设计使得静涡旋齿1-1比动涡旋齿2-1的结构强度、表面硬度都更高，动涡旋盘2与静涡旋盘1两者之间的硬度差异明显，且通过精加工尺寸公差设计将动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1之间的初始状态设计为过盈配合啮合状态，后续自适应配磨过程中强度硬度相对较高的静涡旋齿1-1作为“磨削刀具”对强度硬度相对较低的动涡旋齿2-1进行“研磨加工”，材料软硬搭配可以极大地提高研磨效果、减小研磨所需的“磨削力”、避免动静涡旋盘受力过大破裂损坏；另一方面，自适应配磨工艺中首先在50转/分钟的超低转速条件下连续运转60分钟是为了研磨去除动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1在冷态条件下的过盈量(机加工及装配产生的初始状态过盈量)，然后在额定转速条件下连续运转60分钟是为了研磨去除动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1在热平衡状态下的过盈量(热变形产生的过盈量)，这种分阶段递进式的配磨工艺可以进一步减小研磨所需的“磨削力”、避免动静涡旋盘受力过大破裂损坏、同时进一步提高配磨质量；按照本专利方法制造的涡旋空压机工作时，在涡旋空压机刚启动时动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1为间隙配合啮合状态，啮合密封性较差，但随着运行时间的延长动涡旋盘2与静涡旋盘1温度逐渐升高直至趋于热平衡态，动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1之间的啮合间隙随之逐步缩小直至啮合间隙缩小至零，此时动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1将达到热平衡态下无间隙、无过盈的最佳啮合状态，啮合密封性极大提高，进而有效提高涡旋空压机排气压力、容积流量等各项关键性能参数。
本实施例所述方法只需通过毛坯材料及工艺、精加工尺寸公差、局部表面改性工艺、自适应配磨工艺四方面综合优化设计即可提高动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1之间的啮合密封性，工艺合理、生产成本低、实用性很强。
本实施例所述方法制造的涡旋空压机的动涡旋齿2-1与静涡旋齿1-1可达到热平衡态下无间隙、无过盈的最佳啮合状态，比传统间隙啮合涡旋空压机的排气压力上限更高、排气流量更大、节能效果更好，尤其适用于作为高端无油涡旋空压机产品设计制造工艺。
综上，本实施例所述的涡旋空压机设计及制造方法可有效提高动静盘啮合密封性，具有工艺合理、生产成本低、排气压力上限更高、排气流量更大、节能效果更好、实用性更强等优点，尤其适合作为高端无油涡旋空压机产品设计制造工艺。
本实施例附图中的动涡旋盘1、静涡旋盘2仅仅是为了解释本发明申请而设定的一种简要结构案例，并不影响本发明实际适用涡旋空压机结构的广泛性。
通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）毛坯材料及工艺设计
涡旋空压机的静涡旋盘（1）材料设计为硬度相对较高的轻质金属材料，并采用锻造工艺制造静涡旋盘毛坯，并对其进行热处理强化；涡旋空压机的动涡旋盘（2）材料设计为硬度相对较低的轻质金属材料，并采用铸造工艺制造动涡旋盘毛坯；
（2）精加工尺寸公差设计
静涡旋盘（1）的静涡旋齿厚（t1）设计为基本尺寸，动涡旋盘（2）的动涡旋齿厚（t2）设计为基本尺寸，且动涡旋齿厚（t2）≥静涡旋齿厚（t1），不考虑公差情况下，该静涡旋齿厚（t1）、动涡旋齿厚（t2）基本尺寸将使得动涡旋齿（2-1）、静涡旋齿（1-1）啮合间隙为零；并通过静涡旋齿厚（t1）的精加工尺寸公差设计、动涡旋齿厚（t2）的精加工尺寸公差设计，使得完成精加工后的静涡旋盘（1）的静涡旋齿（1-1）与动涡旋盘（2）的动涡旋齿（2-1）装配后为过盈配合啮合状态；
（3）局部表面改性工艺设计
精加工后的静涡旋盘（1）先通过表面强化处理以提高其疲劳强度，然后再在静涡旋盘（1）的静涡旋齿（1-1）表面制作硬质耐磨层，以提高表面硬度及耐磨性；而精加工后的动涡旋盘（2）不做任何表面改性处理工艺；
（4）自适应配磨工艺设计
将完成装配后的涡旋空压机首先在超低转速状态下连续运转至少30分钟以进行充分互相冷态自适应配磨，然后再在额定转速再连续运转至少30分钟以进行充分互相热平衡态自适应配磨，完成该自适应配磨工艺后的动涡旋盘（2）的动涡旋齿（2-1）、静涡旋盘（1）中的静涡旋齿（1-1）在额定转速热平衡态下将达到无间隙、无过盈的最佳啮合状态。
2.根据权利要求1所述的提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：所述步骤（1）中，静涡旋盘（1）的材料选用2024铝合金并采用等温模锻工艺制造静涡旋盘毛坯，动涡旋盘（2）的材料选用ZL102铝合金并采用压力铸造工艺制造动涡旋盘毛坯。
3.根据权利要求1所述的提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所制造静涡旋盘毛坯的硬度为HB120—HB145；所制造动涡旋盘毛坯的硬度为HB50。
4.根据权利要求1所述的提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：所述步骤（2）中，动涡旋齿厚（t2）=1.2×静涡旋齿厚（t1），且静涡旋齿厚（t1）的精加工尺寸公差设计为H4～H6，即下偏差为0、上偏差为IT4～IT6级标准公差；动涡旋齿厚（t2）的精加工尺寸公差设计为H6～H9，即下偏差为0、上偏差为IT6～IT9级标准公差。
5.根据权利要求1所述的提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：所述步骤（3）中，精加工后的静涡旋盘（1）表面强化处理工艺采用喷丸或喷砂处理，静涡旋齿（1-1）表面硬质耐磨层选用纳米陶瓷涂层。
6.根据权利要求1所述的提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：所述步骤（4）中，涡旋空压机超低转速状态选用50～100转/分钟。
7.一种提高动静盘啮合密封性的涡旋空压机的制造方法，采用权利要求1-6任意一项所述的涡旋空压机的设计方法，其特征在于：通过该涡旋空压机的设计方法，制造涡旋空压机，使得动涡旋盘（2）的动涡旋齿（2-1）、静涡旋盘（1）的静涡旋齿（1-1）在额定转速热平衡态下将达到无间隙、无过盈的最佳啮合状态。
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