章根國

（深圳振華亞普精密機(jī)械有限公司，深圳 518109）

0 引言

目前我國船舶柴油機(jī)啟動(dòng)用壓縮機(jī)仍是使用上世紀(jì)的老式活塞式空氣壓縮機(jī)，需經(jīng)二級壓縮才能達(dá)到排氣壓力3 MPa，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動(dòng)大、易損件多、溫度高、可靠性差等缺點(diǎn)。研究發(fā)展，其原因包括以下三點(diǎn)：1）活塞所受的氣體力和自身的往復(fù)慣性力不能平衡，所引起的劇烈振動(dòng)全部傳遞到基礎(chǔ)地板；2）氣閥的開閉沖擊、曲柄連桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生噪聲，即會(huì)表現(xiàn)出整機(jī)噪聲特別大的現(xiàn)象；3）閥片、彈簧、活塞環(huán)、大小頭軸承等工作傳動(dòng)部件因工作條件惡劣而易損，故障率高，維修更換頻繁；4）活塞機(jī)可行的單級壓縮比不應(yīng)大于4，但現(xiàn)用的活塞機(jī)卻設(shè)計(jì)成二級壓縮到3 MPa，單級壓縮比達(dá)到5.5，這樣就造成排氣溫度很高（約200℃），增加機(jī)艙溫度；5）由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，可靠性差，亦會(huì)增加人員操作產(chǎn)生的重大安全隱患。

1 我國中壓船用空氣壓縮機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

1）壓縮機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了活塞式→雙螺桿→單螺桿的發(fā)展歷程，國內(nèi)船用壓縮機(jī)目前執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T12928-2008《船用中低壓活塞空氣壓縮機(jī)》和GJB1490-1992《艦用中壓往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)通用規(guī)范》。由于歐美和日本對船用中壓單螺桿壓縮機(jī)的主要核心技術(shù)進(jìn)行了壟斷，且對我國實(shí)施了產(chǎn)品禁運(yùn)和技術(shù)封鎖，加上我國在單級中壓單螺桿空氣壓縮機(jī)技術(shù)、關(guān)鍵部件螺桿、星輪加工機(jī)床技術(shù)、加工工藝技術(shù)方面未取得技術(shù)突破，這些條件造成了我國船用中壓壓縮機(jī)只能采用活塞式二級串聯(lián)。這種方式存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動(dòng)大、排氣溫度高、易損件多、故障率高、維修更換頻繁、可靠性差等缺點(diǎn)。船舶企業(yè)采用這種落后裝備，嚴(yán)重阻礙了我國船舶業(yè)及海軍現(xiàn)代化進(jìn)程。

2）基于單級中壓單螺桿空氣原理的船用壓縮機(jī)研究已解決了船用單螺桿壓縮機(jī)單級壓縮排氣壓力達(dá)到3.0 MPa時(shí)的如下問題：（1）主機(jī)高性能嚙合副型線的特殊設(shè)計(jì)；（2）內(nèi)壓縮比、壓縮過程中空氣、潤滑油、溫度、含油量等因素的變化關(guān)系；（3）螺桿、星輪高精度加工設(shè)備及加工工藝；（4）各類特殊工況下實(shí)驗(yàn)檢測方法等一系列問題。經(jīng)上船應(yīng)用測試和檢測，所研制的國內(nèi)首創(chuàng)船用單級中壓單螺桿空氣壓縮機(jī)完全滿足船舶對壓縮機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)性能要求，所有技術(shù)指標(biāo)符合船用標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 單級中壓單螺桿船用空氣壓縮機(jī)技術(shù)分析

1）通過螺桿及星輪型線分析，提高螺桿螺槽基元容積內(nèi)壓縮比是核心技術(shù)之一，通過型線的合理設(shè)計(jì)，內(nèi)壓縮比確定為11.9至14.3才可達(dá)到設(shè)計(jì)壓力要求。根據(jù)需要的壓縮機(jī)容積流量和額定排氣壓力，計(jì)算精確的內(nèi)壓縮比來確定螺桿直徑D、星輪半徑r、槽寬b、中心距A（圖1），并獲得特殊的排氣三角口的形狀和位置以及其它參數(shù)。提高螺桿螺槽基元容積內(nèi)壓縮比值是實(shí)現(xiàn)單級壓縮達(dá)到1.6 MPa ～3.0 MPa的排氣壓力的關(guān)鍵。

圖1 螺桿直徑D、星輪半徑r、槽寬（星輪齒寬）b、中心距A、螺槽長（螺槽曲線展長）及排氣三角口示意圖

2）為解決單級中壓單螺桿船用壓縮機(jī)在意外斷電或緊急停機(jī)時(shí)主機(jī)殼體因吸氣低壓腔壓力過高導(dǎo)致側(cè)蓋等非承壓部位爆裂的問題，單級中壓單螺桿船用空氣壓縮機(jī)在主機(jī)殼體的吸氣低壓腔設(shè)計(jì)了一個(gè)安全裝置（圖2），該裝置主要由兩部分組成，一部分是過濾裝置（2），另一部分為壓力釋放閥（1），其中，過濾裝置（2）能夠?qū)嚎s氣體中的壓縮機(jī)油有效過濾，過濾后的壓縮機(jī)油經(jīng)回油管（4）及回油口（3）返回主機(jī)，氣體進(jìn)入壓力釋放閥；壓力釋放閥（1）的通徑及釋放壓力根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的壓力及其排氣量設(shè)定（圖3），從而有效提高船用單級中壓單螺桿壓縮機(jī)可靠性。

圖2 壓力釋放裝置示意圖

3）中壓單螺桿船用壓縮機(jī)壓縮腔冷卻噴油位置、噴油角度、噴油量、噴油霧化效果的精確計(jì)算與優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是核心技術(shù)之一。油的存在增加了粘性剪切、摩擦、攪拌和吸氣預(yù)熱等方面的損失，增加了壓縮機(jī)的耗功。此外，壓力高及油濕度、油分子的變化影響了壓縮機(jī)的性能。因此壓縮腔冷卻噴油位置、噴油角度、噴油量、噴油霧化效果直接影響到氣體的壓縮和換熱效果，直接影響壓縮機(jī)的性能。

4）通過各類特殊工況下實(shí)驗(yàn)檢測方法研究，解決了產(chǎn)品處于搖擺、高溫高濕等環(huán)境中性能參數(shù)變化的問題。

5）船用中壓單螺桿壓縮機(jī)螺桿、星輪加工工藝、加工專機(jī)的研究也是核心技術(shù)之一。單級船用中壓單螺桿壓縮機(jī)主機(jī)要求螺桿、星輪和固定嚙合副位置的殼體等零件的高精度。由于影響產(chǎn)品壽命的主要因素是螺桿、星輪和殼體的制造精度，為保障螺桿加工工藝的順利實(shí)施，研制開發(fā)了無齒輪傳動(dòng)（零傳動(dòng)）的螺桿齒形車削的高精度數(shù)控專機(jī)，為生產(chǎn)單螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)品提供制造加工工藝基礎(chǔ)。

3 單螺桿壓縮機(jī)、雙螺桿壓縮機(jī)與活塞式壓縮機(jī)的比較

1）優(yōu)勢對比（表1）

表1 單螺桿壓縮機(jī)與雙螺桿壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)的比較

2）結(jié)構(gòu)比較

1）活塞式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖3）是曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，與單螺桿式的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比較，在技術(shù)上存在如下缺點(diǎn)：

（1）零部件的數(shù)量多，零部件損壞的機(jī)率大，產(chǎn)品可靠性低。這樣必然增加用戶的維修費(fèi)用。

（2）曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特性，限制了其轉(zhuǎn)速的提高，致使機(jī)器笨重。同時(shí)，該運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，剩余的慣性力，會(huì)使機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲以及零部件的不正常的損壞。所以活塞式振動(dòng)大，機(jī)械性噪音大、可靠性低。

2）雙螺桿壓縮機(jī)在壓縮氣體的過程中，由于受到氣體的反作用力，該力在兩個(gè)螺桿上形成很大的徑向力與軸向力（圖4），并自然傳遞到軸承上，所以雙螺桿壓縮機(jī)即使是選用最好的進(jìn)口軸承，其壽命一般也只在一萬五千個(gè)小時(shí)左右。

3）單螺桿壓縮機(jī)在壓縮氣體的過程中，也同樣必然受到氣體的反作用力，該力也在單螺桿上形成很大的徑向力和軸向力。單螺桿壓縮機(jī)在單螺桿兩端間開有引氣通道，流至高壓側(cè)的氣體將通過引氣通道回流至低壓側(cè)，從而使單螺桿兩端面上的氣體力相互平衡。由于星輪在單螺桿軸線兩側(cè)中心對稱布置，作用于單螺桿上的氣體徑向力平衡，作用于單螺桿槽內(nèi)的氣體軸向力也相互抵消，達(dá)到自身平衡（圖5）。因此，單螺桿不受任何徑向或軸向氣體力的作用，且星輪片上所受的力也只是雙螺桿壓縮機(jī)的1/30左右，故單螺桿壓縮機(jī)能在平衡、小振動(dòng)、高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，而無需特別的安裝基礎(chǔ)，僅需安放在水平地面上。單螺桿壓縮機(jī)即使利用國產(chǎn)的普通軸承，其壽命也可以達(dá)到10萬小時(shí)，而且可以在用戶處就地維修方便。

圖3 活塞式壓縮機(jī)工作原理，其中1為排氣閥，2為氣缸，3為活塞，4為活塞桿，5為.滑塊，6為連桿，7為曲柄，8為吸氣閥，9為閥門彈簧

圖4 雙螺桿壓縮機(jī)工作原理

圖5 單螺桿壓縮機(jī)工作原理

3）單級中壓單螺桿船用空氣壓縮機(jī)與活塞式產(chǎn)品主要技術(shù)優(yōu)勢比較（表2）

表2 COGD-240/3船用中壓單螺桿空氣壓縮機(jī)與活塞機(jī)主要技術(shù)優(yōu)勢比較

4 結(jié)論

在國家加強(qiáng)裝備制造業(yè)競爭實(shí)力的背景下，船舶用活塞式壓縮機(jī)將逐步被先進(jìn)的單螺桿壓縮機(jī)所取代，這就要求我國船用單螺桿壓縮機(jī)必須盡快取得技術(shù)突破，適應(yīng)船舶業(yè)發(fā)展的需求?？諝鈮嚎s機(jī)作為船舶重要的輔助裝備，對船舶的運(yùn)行安全起著至關(guān)重要的作用。由于我國自主研發(fā)了船用單級中壓單螺桿空氣壓縮機(jī)現(xiàn)，單級壓縮排氣壓力可達(dá)到3.0 MPa，在穩(wěn)定性、可靠性、壽命等多方面均優(yōu)于目前使用的活塞式壓縮機(jī)。在確保我國船舶技術(shù)發(fā)展的配套需求、提升船用裝備綜合競爭力市場環(huán)境中，單級中壓單螺桿船用空氣壓縮機(jī)有著廣闊的應(yīng)用市場。

[1] 章根國.單級中壓單螺桿空氣壓縮機(jī)核心技術(shù)突破[J].壓縮機(jī)技術(shù),2012(3).

[2] 郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000年.