朱博文 趙永強(qiáng)

摘 要：目前隨著螺桿類產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，汽車空調(diào)、汽車發(fā)動機(jī)、車內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、油料供給和制動系統(tǒng)等都引入了螺桿類產(chǎn)品。文章對比了螺桿類產(chǎn)品及其特點、性能要求及應(yīng)用場合。介紹了國內(nèi)外螺桿類產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀及其相關(guān)研究方法。最后，展望螺桿類產(chǎn)品在汽車行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：螺桿;螺桿壓縮機(jī);螺桿泵;螺桿膨脹機(jī);螺桿擠出機(jī)

中圖分類號：TH16 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-246-06

Abstract： At present， with the technical development and application of screw products， screw products are introduced into automobile air conditioning， automobile engine， interior circulation system， oil supply and braking system. This paper compares the screw products and their characteristics， performance requirements and application occasions. The research status and related research methods of screw products at home and abroad are introduced. Finally， the application and development trend of screw products in automobile industry are prospected.

Keywords： Screw; Screw compressor; Screw pump; Screw expander; Screw extruder

CLC NO.： TH16 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-246-06

引言

螺桿類產(chǎn)品對汽車行業(yè)中的應(yīng)用場合有著獨特的優(yōu)勢，如空調(diào)和車內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)可以通過螺桿壓縮機(jī)來完成，而輸送泵和水泵可以利用螺桿泵來完成，車內(nèi)的塑料零件可以通過螺桿擠出機(jī)來完成，因此螺桿類產(chǎn)品的發(fā)展速度也決定著汽車行業(yè)的發(fā)展速度。本文將介紹螺桿類產(chǎn)品的現(xiàn)狀。

螺桿類產(chǎn)品的工作原理是通過電機(jī)的驅(qū)動主動（陽）螺桿轉(zhuǎn)子，從而帶動從動（陰）螺桿轉(zhuǎn)子，通過螺旋運動使介質(zhì)從吸入端進(jìn)行輸送或者壓縮到另一端的排出端。不同的螺桿產(chǎn)品可以實現(xiàn)不同介質(zhì)的輸送過程，比如螺桿壓縮機(jī)、螺桿膨脹機(jī)、螺桿擠出機(jī)和螺桿泵等，這四類產(chǎn)品的主要特征對比如表1所示。通過對比可以看出，每個螺桿類產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不同，但主要是結(jié)構(gòu)都很相似。

現(xiàn)階段對螺桿類產(chǎn)品的一系列的優(yōu)化和設(shè)計主要圍繞螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線，根據(jù)對螺桿轉(zhuǎn)子的型線進(jìn)行優(yōu)化，能夠提高螺桿類產(chǎn)品的工作效率。隨著現(xiàn)代工業(yè)和裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，人們對高性能的螺桿類產(chǎn)品要求越來越高，因此，在設(shè)計和生產(chǎn)螺桿類產(chǎn)品時，必須要考慮到螺桿類產(chǎn)品的工作性能和工作效率。

1 螺桿類產(chǎn)品的特點和研究現(xiàn)狀

螺桿類產(chǎn)品由于其獨特的結(jié)構(gòu)特性，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，作為一種典型的螺桿機(jī)械（螺桿壓縮機(jī)、螺桿膨脹機(jī)、螺桿擠出機(jī)和螺桿泵），它們的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）可靠性高。由于所需零部件少，沒有易損件，因此在工作運轉(zhuǎn)時壽命較長。

（2）適應(yīng)性強(qiáng)。螺桿產(chǎn)品具有在寬廣的工況范圍內(nèi)能保持較高的效率，適用于多種工況，所以易于定型批量生產(chǎn)。

（3）多相混輸。雙螺桿壓縮機(jī)、雙螺桿泵都可以實現(xiàn)混合介質(zhì)的輸送，并且雙螺桿泵可以實現(xiàn)液、氣、固體的混合輸送。

（4）高扭矩、高轉(zhuǎn)速。目前，世界上的螺桿產(chǎn)品都在向著高扭矩、高轉(zhuǎn)速、低能耗方向發(fā)展，高轉(zhuǎn)速帶來的效果即是高生產(chǎn)率。而螺桿壓縮機(jī)、螺桿泵等產(chǎn)品都是可以是實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高扭矩的運動。

（5）應(yīng)用范圍廣。螺桿產(chǎn)品可用于多種領(lǐng)域，多用于船舶、電力、機(jī)床、電梯等場合。

1.1 螺桿壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀

螺桿壓縮機(jī)分為單螺桿和雙螺桿壓縮機(jī)，在1878年由德國人H.Krigar提出，到1934年開始在工業(yè)上應(yīng)用。雙螺桿壓縮機(jī)因其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，尤其在石油、化工企業(yè)的可燃?xì)饣厥蛰斔瓦^程中發(fā)揮著不可或缺的作用，相比于其他類型的壓縮機(jī)的主要優(yōu)點是運動部件的運動方式為純旋轉(zhuǎn)運動。雙螺桿壓縮機(jī)的工作過程分為3個步驟，首先是吸氣過程，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，齒槽容積隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而逐漸擴(kuò)大，并和吸入口相連通，氣體通過孔口進(jìn)入齒槽容積進(jìn)行氣體的吸入過程。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定角度以后，齒間容積越過吸入孔口位置與吸入孔口斷開，吸入過程結(jié)束。然后為壓縮過程，當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，被機(jī)體、吸氣端座和排氣端座所封閉的齒槽內(nèi)的氣體，由于陰、陽轉(zhuǎn)子的相互嚙合和齒間相互填塞而被壓向排氣端，同時壓力逐步升高進(jìn)行壓縮過程。最后為排氣過程，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到齒間容積與機(jī)殼排氣口相通時，被壓縮之氣體開始排出，這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合，此時齒間容積為零，氣體被完全排出，即完成“排氣過程”[1]。

國外的一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)在很早之前開始對螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行研發(fā)。如瑞典的阿特拉斯·科普柯公司、英格索蘭公司、美國的壽力公司和德國凱撒公司等。

瑞典的阿特拉斯·科普柯公司生產(chǎn)的螺桿壓縮機(jī)被中國國內(nèi)廣泛使用。如圖1所示，為GA7-37VSD+系列壓縮機(jī)，其特點在于提高了能效，降低了能耗，降低了噪音等級，減少了運行成本。

英格索蘭公司是最早在中國生產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)的公司，該公司的市場占有率僅次于阿特拉斯?；贗R堅固可靠的主機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)擁有一些獨特的性能，以增加其運行的可靠性。如圖2所示，為Nirvana變速無油螺桿壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)增強(qiáng)了可靠性，有不銹鋼組件，雙通氣密封件和帶有先進(jìn)UltraCoat保護(hù)的精密機(jī)加工轉(zhuǎn)子確保無故障運行，并且長壽命組件設(shè)計用于承受46?C的最高環(huán)境溫度。

1.2 螺桿膨脹機(jī)的研究現(xiàn)狀

螺桿膨脹機(jī)是依靠氣體體積膨脹，驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種熱機(jī)。是21世紀(jì)獲得長足發(fā)展的一種新興動力機(jī)械，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱回收、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域，可直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，也可直接拖動泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備。通常所稱的螺桿膨脹機(jī)指雙螺桿膨脹機(jī)，與汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī)相比，螺桿膨脹機(jī)的發(fā)展歷程較短，是一種比較新穎的熱動力機(jī)械。螺桿膨脹機(jī)按螺桿壓縮機(jī)的逆原理工作，主要由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等極少的零件組成，結(jié)構(gòu)簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地臵于氣缸中。

關(guān)于螺桿膨脹機(jī)的產(chǎn)品企業(yè)有美國ACD公司、瑞典的阿特拉斯和法國低溫星等。這些企業(yè)對膨脹機(jī)的研究和生產(chǎn)已經(jīng)非常的成熟。

美國ACD公司在高效膨脹機(jī)的設(shè)計和制造方面擁有50多年的經(jīng)驗。如圖3所示為ACD公司的TC系列膨脹機(jī)，它的膨脹效率低至90%，膨脹機(jī)壓力比低至24：1，其特點為高效、低溫和增壓，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上為緊密耦合設(shè)計。

法國低溫星公司于1966年在瑞士成立，對低溫系統(tǒng)裝置有很久遠(yuǎn)的研究。如圖4所示為TC300系列膨脹機(jī)，其特點在于峰值可變進(jìn)口導(dǎo)葉和提高了工作范圍的效率。流量高達(dá)250萬Nm3/h（550 kg/s），壓力高達(dá)200bar，膨脹機(jī)溫度-270℃至+200℃。

1.3 螺桿擠出機(jī)

擠出機(jī)廣泛應(yīng)用，可適用于多種物料的加工，是一種高性能的機(jī)械設(shè)備。雙螺桿擠出機(jī)由傳動裝置、加料裝置、料筒和螺桿等幾個部分組成，各部件的作用與單螺桿擠出機(jī)相似，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。與單螺桿擠出機(jī)的區(qū)別之處在于雙螺桿擠出機(jī)中有兩根平行的螺桿置于“∞”形截面的料簡。

從運動原理來看，雙螺桿擠出機(jī)中同向嚙合和異向嚙合及非嚙合型是不同的。

同向嚙合型雙螺桿擠出機(jī)，這類擠出機(jī)有低速和高速兩種，前者主要用于型材擠出，而后者用于特種聚合物加工操作。（1）緊密嚙合式擠出機(jī)。低速擠出機(jī)具有緊密嚙合式螺桿幾何形狀，其中一根螺桿的螺棱外形與另一根螺桿的螺棱外形緊密配合，即共軛螺桿外形。（2）自潔式擠出機(jī)。高速同向擠出機(jī)具有緊密匹配的螺棱外形?？蓪⑦@種螺桿設(shè)計成具有相當(dāng)小的螺桿間隙，使螺桿具有密閉式自潔作用，這種雙螺桿擠出機(jī)稱為緊密自潔同向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出機(jī)。

異向嚙合型雙螺桿擠出機(jī)，緊密嚙合異向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出機(jī)的兩螺桿螺槽之間的空隙很?。ū韧驀Ш闲碗p螺桿擠出機(jī)中的空隙小很多），因此可達(dá)到正向的輸送特性。

國內(nèi)有很多企業(yè)從事于雙螺桿擠出機(jī)的研究開發(fā)，比較知名的有南京科亞公司、南京瑞亞公司和科倍隆公司等。這些公司都積極投入資金進(jìn)行螺桿擠出機(jī)的研究。

如南京科亞公司通過多年努力，成功開發(fā)了AK系列雙螺桿配混擠出機(jī)，如圖7所示，該系列擠出機(jī)采取雙通道復(fù)式筒體冷卻系統(tǒng)，溫度控制更加精準(zhǔn)。采用鑄造底座，冷卻真空系統(tǒng)內(nèi)置，設(shè)備穩(wěn)定性獲得大幅提升，適用于高速、高扭矩、高產(chǎn)量的場合，并且高效低耗、綠色環(huán)保。

科倍隆公司研發(fā)生產(chǎn)的CTE PLUS系列配混擠出機(jī)，如圖8所示，采用最新傳動箱，按照比扭矩7.2Nm/cm3進(jìn)行設(shè)計。內(nèi)部結(jié)構(gòu)使同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿緊密嚙合，具有高效率、高性能、結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠性等優(yōu)點。

1.4 螺桿泵

螺桿泵是一種典型的轉(zhuǎn)子容積式泵，具有流量平穩(wěn)、壓力脈動小、具有自吸能力強(qiáng)、壽命長、效率高等優(yōu)點，適合輸送的介質(zhì)粘度廣泛。可根據(jù)實際使用工況，對不同的工作介質(zhì)可以旋轉(zhuǎn)不同類型的螺桿泵進(jìn)行輸送。單、雙、五螺桿都屬于非密封型螺桿泵，三螺桿泵屬于密封性螺桿泵，雙螺桿泵可以輸送介質(zhì)的粘度和濃度不受限制。單螺桿泵可輸送帶有顆粒狀的介質(zhì)。而三螺桿泵適合在特定場合中輸送清潔、潤滑性和高粘度介質(zhì)。

螺桿泵是靠螺桿繞各自的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和嚙合，從而產(chǎn)生容積的變化，將介質(zhì)從吸入腔，輸送到排出腔，它的壓力從吸入壓力升高到排出壓力是逐漸增高的，不存在壓力的突變。不同螺桿的性能對比如表2所示。其中三螺桿泵作為螺桿泵的主導(dǎo)類型之一，在工作原理上與單、雙螺桿泵相似，但本質(zhì)上存在差異。三螺桿泵由20世紀(jì)30年代瑞典IMO公司發(fā)明，是一種嚴(yán)格的密封性螺桿泵。三螺桿泵的特點是流量平穩(wěn)、壓力脈動小、具有自吸能力、振動小、效率高等。常用于船舶、電力、機(jī)床、電梯等領(lǐng)域。其核心工作部件是三根互相嚙合的主、從動螺桿，隨著主動螺桿轉(zhuǎn)動帶動其他兩根螺桿高速運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了吸、排的工作流程。

國外關(guān)于螺桿泵的研究比國內(nèi)早，由于國內(nèi)螺桿泵的生產(chǎn)制造起步較晚，對高性能螺桿泵的研究進(jìn)展比較緩慢。國外的主要螺桿泵企業(yè)如表3所示。

2 螺桿端面型線設(shè)計研究現(xiàn)狀

早在1981年，國外學(xué)者Ryazantsev[3-4]提出了采用圓弧倒鈍方法對三螺桿泵中從動螺桿的尖部進(jìn)行優(yōu)化，通過理論計算對不同優(yōu)化寬度進(jìn)行了研究對比。并且意大利學(xué)者M(jìn)immi G[5]等人對三螺桿泵的螺桿轉(zhuǎn)子型線用直線倒棱法修型，將齒頂處的尖角修正為鈍角，降低齒頂處的磨損。隨后Okorokov[6]提出對三螺桿泵中主、從動螺桿的尖部都進(jìn)行圓弧優(yōu)化的方法。Park S-Y[7]等人提出了一種提高加工精度、縮短加工時間的加工方法，將基于轉(zhuǎn)子的形狀特征的成型道具應(yīng)用到非對稱轉(zhuǎn)子的精加工中，實現(xiàn)非對稱轉(zhuǎn)子的高效加工。Bae J-H[8]等人對內(nèi)齒輪泵推導(dǎo)了橢圓1-漸開線-橢圓2型多廓線轉(zhuǎn)子的形狀函數(shù)，利用理論方程預(yù)測轉(zhuǎn)矩和噪聲性能。Tang[9]提出了一種圖形學(xué)與分析相結(jié)合的新方法——Matlab匿名函數(shù)法。揭示了接觸線對螺桿密封性能的影響，研究了漸開線嚙合角對A型雙螺桿泵螺桿接觸線性能的影響。Wei[10-11]利用曲面共軛原理建立雙螺桿捏合機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計與螺桿轉(zhuǎn)子共軛曲面嚙合方程的數(shù)學(xué)模型，提出一種可對高黏度物料進(jìn)行輸送、混合及塑化作用的新型雙螺桿捏合機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子型線。國內(nèi)學(xué)者蘇步青[12]等人在1973以螺桿泵用擺線和螺旋的設(shè)計方法進(jìn)行解析。李福天[13]對螺桿泵的分類、工作原理、型線設(shè)計方法進(jìn)行了總結(jié)，并對單、雙、三和五螺桿泵的端面型線、性能參數(shù)和應(yīng)用場合作了具體研究。曾敏[14]對三螺桿泵螺桿用漸開線方法進(jìn)行了優(yōu)化，改善了螺桿的加工工藝。宋超[15]通過對旋風(fēng)切削理論的研究，對135型螺桿外旋風(fēng)切削加工進(jìn)行研究。

3 螺桿數(shù)值模擬方法研究現(xiàn)狀

隨著加工技術(shù)的不斷提高，人們對高性能的螺桿泵相關(guān)產(chǎn)品的需求也越來越高，因此，在對這些螺桿產(chǎn)品的工作研究也在逐漸提高。目前CFD技術(shù)在螺桿泵和螺桿空壓機(jī)方面的研究逐步增加，如I. Papes[16]對雙螺桿膨脹機(jī)的兩種不同方案進(jìn)行了不同壓力比和轉(zhuǎn)速的研究。Lyashkov，A.A.[17]用計算機(jī)仿真了壓縮機(jī)螺桿的盤型刀具加工模擬，并用圖形CAD技術(shù)完成了過程計算。Syzrantseva，K.[18]對螺桿泵和螺桿泵的井下電機(jī)工作部件之間的多對接觸區(qū)的載荷實現(xiàn)了計算仿真。Rane，Sham[19]利用計算流體力學(xué)（CFD）建立了雙螺桿壓縮機(jī)的三維瞬態(tài)流體流動網(wǎng)格，比較了轉(zhuǎn)子的性能。Seshaiah N，Ghosh S K等[20]對雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬，試驗獲得了傳熱系數(shù);Hsieh S H，Shih Y C等[21]為提出一種數(shù)學(xué)模型和計算方法，計算噴油螺桿壓縮機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的溫度分布，研究了轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)熱傳導(dǎo);Krichel S V，Sawodny O等[22]建立了油浸螺桿壓縮機(jī)的動態(tài)仿真模型;Cao F，Gao T等[23]提出了雙螺桿壓縮機(jī)工作腔內(nèi)壓力分布的數(shù)學(xué)模型，得到了多相壓縮工況下的壓力分布數(shù)據(jù);Prashanth S R[24]數(shù)值分析了雙螺桿擠出機(jī)的節(jié)距增大或機(jī)械間隙減小對粘性耗散率減小的影響;Ding H等[25]利用測試和模擬比較了壓縮機(jī)共軛傳熱情況下的熱動力性能。

國內(nèi)大部分學(xué)者如李鵬[26]對同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)的三維等溫非牛頓進(jìn)行模擬，得到了組合流道的速度場和壓力場;石兆東等[27]利用有限元法分析了非嚙合雙螺桿擠壓機(jī)的內(nèi)部溫度和流量隨著螺桿轉(zhuǎn)速和流道兩端壓差增加而逐漸增加的結(jié)果;龍志斌等[28]通過數(shù)值模擬了螺桿軸向力，即機(jī)頭靜壓力和附加軸向力，并用實驗間接測試了螺桿轉(zhuǎn)子所受的軸向力;岳爽等[29]研究擠出機(jī)內(nèi)部流場壓力和電機(jī)扭矩作用對螺桿轉(zhuǎn)子及內(nèi)部芯軸的應(yīng)力、變形的影響;魏靜等[30-31]利用流固耦合技術(shù)，分析了新型雙螺桿捏合機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和中心距條件下，工作壓力、速度分布、最大切應(yīng)力、物料速率等特性，扭矩和流體壓力對螺桿應(yīng)力、變形的影響規(guī)律;王天書等[32]研究了四種三螺桿擠出機(jī)的組合螺桿的流固耦合作用;操建平、曹剛、王慶楠等[33-35]利用有限元法對單螺桿泵進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過其溫度場研究了單螺桿泵的溫度分布對轉(zhuǎn)子的影響;張宇昕，盧濤等[36]研究雙螺桿擠出機(jī)雙通道機(jī)筒的溫度分布、應(yīng)力分布和變形。

4 螺桿類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢

隨著汽車行業(yè)向輕量化、綠色化、高效化方向發(fā)展，螺桿類產(chǎn)品也向高速、高壓、大功率方向發(fā)展，人們對高性能的螺桿產(chǎn)品的需求也大幅度提升，對螺桿產(chǎn)品的加工精度和內(nèi)部研究也隨之提高。為了克服傳統(tǒng)螺桿產(chǎn)品的缺陷，未來螺桿產(chǎn)品的發(fā)展趨勢主要在于：

（1）高精度。螺桿轉(zhuǎn)子的加工技術(shù)和加工方法是保證螺桿產(chǎn)品性能提高的關(guān)鍵步驟，目前對螺桿轉(zhuǎn)子的加工方法主要有銑削和磨削，但是在精度方面還是不能完全控制。因此，復(fù)雜型面的螺桿轉(zhuǎn)子加工工藝是主要的發(fā)展方向。

（2）微型化。為了適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械裝備向智能化、綠色化及微型化方向發(fā)展，克服傳統(tǒng)的三段式液壓單元的體積大、軸向尺寸大和占用安裝空間等缺點，螺桿產(chǎn)品將實現(xiàn)電機(jī)和液壓單元一體化。對于適應(yīng)不同使用場合的應(yīng)用將會非常有利，尤其是安裝空間受限、對噪音和振動特別敏感的場合更加適合。

（3）高速率。目前三螺桿泵的速率主要由驅(qū)動電機(jī)決定，而驅(qū)動電機(jī)需要通過聯(lián)軸器和減速器等來驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)子工作，如果驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)獲得發(fā)展時，將對螺桿產(chǎn)品的速度和穩(wěn)定性有很大提升。通過伺服電機(jī)技術(shù)，對工作機(jī)進(jìn)行集設(shè)計，將螺桿產(chǎn)品集成于電機(jī)內(nèi)部，使用電機(jī)直驅(qū)的方式，可以減少電機(jī)能耗，并且增加了螺桿產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

（4）高效節(jié)能。在國家深化實施節(jié)能減排的趨勢下，各方力量共同努力實現(xiàn)螺桿產(chǎn)品的自身節(jié)能、使用工況節(jié)能、余能回收三個技術(shù)流的發(fā)展，實現(xiàn)由整機(jī)節(jié)能向系統(tǒng)節(jié)能、短時節(jié)能到持續(xù)節(jié)能的轉(zhuǎn)變。

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