凸轮转子泵螺旋活塞转子技术及生产工艺现状

2013/10/25 21:08:03      点击:
1 引言
刨削加工是传统的加工方法之一,具有刀具制造简单,生产准备时间短的特点。
在加工窄而长的表面时,若采用强力刨削及宽刃刨刀精刨平面,可以得到较高的生产效率和较好的表面质量。并且,对不通孔或有障碍台肩的孔内键槽,刨削加工几乎是唯一的加工方法。因此,在实际生产中,尤其是在单件生产中,刨削加工占有较高的比例 。

数控技术作为现代制造业的基础,被应用在刨削加工中,给这一传统的生产模式带来了深刻的革命性的变化。数控刨削的加工方法,不仅可用于简单平面的加工,还可以加工象连铸机结晶槽、耐火砖模具、汽轮机叶片等这样复杂的异形零件以及象凸轮转子泵螺旋活塞转子这类具有回转轴螺旋形零件 。这些都大大拓宽了刨削加工原有的适用范围,为这一传统加工工艺注入了新的活力。


2 凸轮转子泵的国内外发展概况及发展趋
2.1 凸轮转子泵的发展概况
凸轮转子泵是一种典型的气体增压与输送机械,具有工作稳定,机械效率高,结构简单,操作方便等优点,被广泛应用于很多领域。自从1854 年,美国人弗朗西斯和菲兰德.罗茨(Francis & Philander Roots )兄弟发明凸轮转子泵以来,它在实际生产中的应用已经有150 多年的历史。从最初在冶炼工业上的应用,逐渐延伸到建材、电力、化工与石油化工、矿山、港口、轻纺、邮电、食品、造纸、水产养殖和污水处理等许多领域 。
我国于1951 年开始制造凸轮转子泵。从五十年代的仿制阶段,六十年代、七十年代的独立设计和行业联合设计阶段,到八十年代的引进吸收和创新阶段,我国风机工业发生了深刻变化,先进技术得到了消化,形成了一定的生产能力。进入九十年代凸轮转子泵技术开发活动更趋活跃。以力华泵业有限公司为例,该厂先后开发出SR系列三叶转子泵、WR 系列水下转子泵、JR 系列两叶成组和JS 系列三叶成组转子泵,并承担国家“八五”科技攻关任务,研制出R—CT 系列单级高压转子泵和R—VT 系列单级干式高负压真空泵,填补了国内空白。
国外生产凸轮转子泵的著名厂家有日本的日立、三井、三菱、川崎、石川岛、荏原和神钢;美国的德莱赛、英格索兰、德拉瓦、爱利奥特、库佩尔和阿里斯;德国的德马格、GHH 和波尔齐格;以及意大利的新比隆公司;瑞士苏尔寿公司和俄罗斯涅瓦工厂。其中凸轮转子泵的年产量进入世界前3 名的为:美国德莱赛--兰德公司、德国德马格公司和意大利新比隆公司 。这些公司生产的凸轮转子泵技术水平先进、性能可靠、产品质量好;结构紧凑、占地面积小,运输、安装极为方便。但是,这些厂家的凸轮转子泵产品价格也比较昂贵。
随着我国经济的迅速发展,凸轮转子泵的需求呈扩大趋势。有关调查资料显示,“十五”期间,为满足石油、化工、化肥、轻工、煤气、造纸及污水处理等行业配套的需要,预计共需要凸轮转子泵2 万台左右 。这对我国凸轮转子泵行业的发展即是机遇又是挑战。
我国转子泵行业的设计制造水平,虽然经过多年的不断更新和发展,但是同国外著名的厂家相比,许多方面仍然有差距。如现有的凸轮转子泵高效基本级系列不全,效率较低;加工水平落后,噪声较高等。尤其是在凸轮转子泵三元叶轮的加工方面,与国外的先进加工工艺还存在很大的差距。如意大利新比隆公司采用开槽焊接技术,德国德马格公司采用钎焊接技术,而国内还未将这些技术应用于生产;在五座标铣制叶轮方面,国外先进厂家的加工效率比国内高2~3 倍;在叶轮焊接方面,国外采用数控自动焊,而国内还在沿用手工电弧焊的落后工艺方法[4]。因此,提高设计和制造水平,是推动我国凸轮转子泵行业腾飞的基础和关键。
2.2 凸轮转子泵的发展趋势
凸轮转子泵的发展趋势,主要是进一步提高效率、降低噪声、增强可靠性及扩大应用范围 。
(1)提高效率。主要是优化叶轮型线。改善叶轮“啮合”间隙的内密封效果;提高转子泵的制造精度,改善转子间隙的均匀程度,并使之尽可能缩小,从而减少气体泄漏,提高容积效率。此外,要合理匹配电机,避免出现“大马拉小车”的情况。
(2)降低噪声。重点是进行低噪声技术开发,如:预进气结构设计、三叶螺旋活塞转子加工等,以减小气流脉动,降低气体动力性噪声。同时应不断改善叶轮平衡品质,提高同步齿轮制造精度,以减小振动,降低机械性噪声。大多数情况下,还需要采取消声和隔声等辅助措施,控制噪声在传播途径中的辐射,以满足用户对低噪声的要求。
(3)增强可靠性。一是改进产品实物质量,二是加强安全保护措施。为此,应注重低压安全阀和逆止阀的研制与配置,并利用微机控制技术,对转子泵的压力、油温、电流等运行参数进行自动监测,通过联锁或报警等方式,对转子泵起动、运行及停车过程进行控制,使其处于安全、稳定、可靠的受控状态。

(4)扩大应用范围。应注重密封技术与材料技术的应用研究,改进产品的密封性、耐磨性、耐腐蚀性、阻燃防爆性等,以满足各种易燃、易爆、有毒、含尘及腐蚀性气体的输送要求。也可针对高温、高压或高负压等特殊要求,开发适销对路的产品,以此扩大凸轮转子泵的应用范围,向其他类型转子泵和真空泵的使用领域渗透。


3 凸轮转子泵的工作原理及分类
3.1 凸轮转子泵的工作原理
凸轮转子泵是一种双转子压缩机械,两个转子的轴线互相平行。其工作原理如图1.1 所示。
通过主、从动轴上的齿轮,使两转子作等速反向旋转。而完成吸气、压缩和排气过程。当左侧转子作顺时针转动时,右侧转子作逆时针转动,气体从下面进口吸入。随着旋转时所形成的工作室容积的减小,气体受到压缩,最后从上面出口排出。两叶轮转子之间、叶轮转子与机壳及墙板之间,既要保证相互不摩擦碰撞,又要保证不因间隙过大而使输送气体过多泄漏。同时,由于两只转子的外形,具有特殊的曲线,在运动时,始终可以保持微小间隙,把进气与排气空间相互隔绝,使排出的气体尽量不返回进气室空间。凸轮转子泵的工作过程如图1.2 所示 。
图1 凸轮转子泵工作原理图
1——外壳 2——转子
图中从1 到5 的五个转子位置,表示转子在旋转三分之一圆周中的工作过程,接下去的三分之一圆周又以同样的顺序重复。
图2 叶轮工作过程详图
假定叶轮与叶轮、叶轮与机壳之间的间隙为零,并将上叶轮与机壳的接触点用a1 和a2 表示,下叶轮与机壳的接触点用b1 和b2 表示。
在位置(1),机壳分为三部分。左面为吸气腔,腔内的压力与进气压力相等。
右面为排气腔,腔内的压力处于排气压力的作用之下。上叶轮与机壳围成封闭的基元容积V1 ,其内部压力等于进气压力。
在位置(2),随着上叶轮右面接触点a2 的消失,基元容积V1 开始与排气腔连通。
排气腔内的高压气体,突然由回流缝隙δ1 迅速向基元容积V1 回流,使其压力陡然由吸气压力上升至排气压力,这就是等容压缩过程。
位置(3)与位置(1)类似,只不过上、下两个叶轮互换位置而已。原来在基元容积V1 内的气体被推到排气口,下叶轮与机壳在b1 和b2 两处接触,构成新的基元容积V2 。
当叶轮旋转到位置(4 )时,随着接触点b1 的消失和回流缝隙δ1 的开启,基元容积V2 与排气腔相通,此时的情况与位置(2)的相似。
位置(5)与位置(1)相同,基元容积V2 的气体也被推到排气口去了,新的基元容积V3 出现在先前V1 所在的位置上。
至此,上下两个叶轮各自旋转三分之一圆周,分别输送了一个基元容积的气体,达到了输送气体的目的。
3.2 凸轮转子泵的分类
凸轮转子泵叶轮转子有很多种分类方式。按照转子的头数可分为两叶转子与三叶转子;按其形状可分为直叶转子与螺旋活塞转子。两叶转子均为直叶,三叶转子有直叶和扭叶两种形状(如图1.3 所示)。就工作性能而言,三叶优于两叶,扭叶优于直叶。
3 叶轮形状示意图
(a)两叶型 (b)三叶·直叶型(c)三叶·扭叶型此外,还有下列各种分类方法:
按照工作方式不同,凸轮转子泵有单级与双级、干式与湿式之分。
按冷却方式分,有空冷转子泵、水冷转子泵和逆流冷却转子泵等。
按结构型式分,有立式转子泵、卧式转子泵、竖轴式转子泵、密集成组型风机等。

本文中,主要是针对凸轮转子泵转子的第一种分类方式(两叶与三叶之分,直叶与扭叶之分)进行讨论。


4 凸轮转子泵叶轮转子加工技术的重要意义
从上面所讲的凸轮转子泵发展趋势可以看出:作为风机核心部件的叶轮转子,其发展趋势在很大程度上决定了风机的发展。因此,凸轮转子泵叶轮转子的加工具有很大的意义 。主要体现在以下几个方面:
风机转子的加工精度直接影响风机的使用性能。由于两叶轮相啮合来实现转子泵的正常工作,其转子的加工质量直接影响啮合过程中叶轮之间的间隙。当间隙过大时,无法完成气体的压缩,从而影响风机的鼓风量,甚至不能进行鼓风。如果间隙过小,在鼓风的过程中转子会因工作发热而升温,导致转子膨胀,产生干涉现象,使风机不能正常工作或者使风机破坏。
风机转子加工过程中中心不对称直接影响风机的使用寿命。在转子加工中,由于加工的问题,即使加工的转子通过配对能很好的啮合,然而由于加工对称度存在问题而使其动平衡不理想。这样会因为叶轮的质量偏心而造成两传动齿轮在啮合时产生冲击,使啮合齿轮的使用寿命显著降低,同时引起整个转子泵的振动,对其他装配件的使用寿命也会产生较大的不良影响,从而降低整个风机的使用寿命。
风机转子加工表面质量和转子轮廓曲面质量直接影响风机工作噪声。这两者直接影响啮合时转子间的间隙的均匀性,而啮合时的间隙是否均匀对转子之间的气体流动的波动情况存在较大的影响。如果在转子加工时,加工的表面质量不好或者轮廓曲面不是十分理想,这样会造成转子之间的气体波动较大,很容易造成较大的气体动力学噪声,直接影响风机周围的环境。

由此可见,风机转子加工对凸轮转子泵的发展有重要的意义,它直接影响风机的性能和使用寿命,也影响风机将来的发展。尤其在当今社会环保成为社会日常生活中的重要课题时,风机转子的加工工艺的好坏对凸轮转子泵的发展具有举足轻重的作用。


5 国内外凸轮转子泵叶轮转子加工工艺
1) 仿形法(靠模法)
采用仿形法加工凸轮转子泵叶轮转子,其加工原理与其他仿形加工方法一样,首先要根据凸轮转子泵叶轮的型线方程来计算、设计和制造靠模板。然后以靠模板为基准运用仿形原理,加工出符合要求的转子型线。在加工过程中,靠模板会发生磨损,而且靠模加工方法本身的精度不是很高,这样导致加工后的转子型面误差较大,两转子在装配时往往无法正确啮合。所以加工后一般都需要对转子成对进行人工刮研。这样不仅不利于提高生产率,而且无法实现转子在装配时的互换性。这种方法是一种比较传统的加工方法。现在这种加工方法的使用已经比较少,主要是在一些小型生产企业。
2) 范成法
范成法加工凸轮转子泵叶轮转子是利用啮合原理进行的。凸轮转子泵工作时两转子相互“啮合”,因此叶轮转子可以看作是齿数为2 或者3 的齿轮。机床强制工具齿轮(刀具)与转子毛坯之间作啮合运动,从而在转子毛坯上切出轮廓来[12] 。其中工具齿轮的节圆等于叶轮的分度圆或基圆直径。
以上介绍的仿形法与范成法一般只能用于加工相对固定的叶轮型线,这对于目前多品种小批量的产品很不适合,特别是三叶叶轮的加工,尤为不方便。相比之下,数控加工成为叶轮加工改革的主要方向。
3) 数控加工方法
数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用。它所具有的高精度、高柔性、高效率等优点现在已被人们广泛认可。随着数控技术在生产中的广泛应用,传统机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化[9]。近年来,国内外已经有不少厂家用数控刨床、数控铣床、数控车床等数控机床加工出多种型号的凸轮转子泵叶轮转子。数控加工的产品种类多、精度高,互换性好;同时加工效率高,操作简便。这些优点使得数控加工方法成为凸轮转子泵叶轮加工的必然趋势。更为重要的是:数控技术的应用,为工作性能较好的三叶螺旋活塞转子的加工提供了新的途径,使这种转子的批量生产成为可能。

目前市场上,凸轮转子泵两叶转子已经实现了数控加工。但是,三叶转子,尤其是螺旋活塞转子的加工,数控技术的应用非常有限,这类转子的产量也非常小。数控刨削加工螺旋活塞转子,具有工艺简单,加工效率高的优点。因此,开发针对凸轮转子泵螺旋活塞转子数控刨削加工的专用系统,将会具有良好的经济效益和广阔的市场前景。


6 本文的立题和主要研究工作
本文以力华泵业有限公司的凸轮转子泵螺旋活塞转子的数控加工项目为背景,对加工具有回转轴螺旋形零件的数控刨削技术进行研究,实现基于开放式数控系统平台的凸轮转子泵螺旋活塞转子的刨削数控加工。
本文具体进行了以下几个方面的工作:
1)建立凸轮转子泵转子的数学模型,然后从转子的端面型线及转子的形状两方面进行比较,选择最优的转子类型。
2)对凸轮转子泵螺旋活塞转子进行工艺分析,进而比较了几种数控加工方法,从而选定数控刨削加工工艺。
3)根据现有凸轮转子泵生产厂家的技术条件和设备情况,确定数控刨削的总体方案。包括机床结构的改进,运动控制方案及位置控制方式的选择等。

4 )在华中“世纪星”数控平台上,完成刨削数控系统的应用开发。


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