无油涡旋空压机涡旋型线精度测试工艺研究*

邵中魁,沈小丽,黄建军*,陶仁和,朱征东

(1.浙江省机电设计研究院有限公司,浙江 杭州 310051;2.浙江华昌液压机械有限公司,浙江 杭州 311300)

0 引 言

空压机是一种用于提供气源动力的通用性流体机械,在石油化工、食品医药、机械制造、空调制冷等众多领域中都有重要的应用价值[1,2]。其中,无油涡旋空压机在近几年的应用日益广泛,其利用一对带涡旋齿的动、静盘,在公转平动运动中形成渐缩形封闭容积,以实现气体压缩[3]。

由于其压缩腔内无须添加润滑油,不须经过净化处理即可得到高度洁净的压缩气体,在食品、医疗、电子、化工、精密喷涂、燃料电池等需要清洁气源的应用领域具有无可比拟的优势。

由于无油涡旋空压机的压缩腔是依靠动静涡旋齿之间的微小间隙进行密封,对啮合间隙的精确控制显得尤为关键,这也对涡旋空压机涡旋型线的加工、检测以及空压机主要零部件的装配都提出了极高的要求[4]。

目前,国际上只有日本ANEST(岩田)及瑞典的阿特拉斯等少数几家公司具有成熟的无油涡旋空压机生产能力。相比于国际上的上述几家公司的生产能力,国内无油涡旋空压机生产厂家的技术基础相对薄弱,并且其生产的无油涡旋空压机的运行效率低,可靠性也较差。

目前,国内市场上的涡旋空压机以圆渐开线型线最为常用。该类涡旋空压机加工过程中,一般是将压力铸造所得的动静涡旋盘毛坯装夹于数控机床上,再使用展成法对其进行加工,并实时对动静涡旋盘的加工质量进行检测,根据检测情况对其进行补偿。

李连生等人[5]开展了针对涡旋空压机涡旋型线加工精度的测量方法研究,其要求空压机涡旋盘具有明确的加工基准、方程参数等,才能进行后续的精度测试。郝胜利等人[6]提出了一种基于CAD的涡旋压缩机型线反求方法,可实现对已知图形但未知参数的涡旋线进行反求,但未能实现对不知图形且不知参数的压缩机涡旋线进行反求。但对于经过使用或购买的未知型线方程的空压机,往往不知其具体图形,只能测量有限的样点坐标,这给涡旋空压机型线的求解和检测带来一定的难度。

针对该问题,笔者开展对涡旋空压机涡旋型线检测技术研究,采用牛顿迭代法实现对型线的求解,并对其进行误差分析,最后开展涡旋盘氧化层厚度的测量分析。

1 涡旋空压机结构原理

涡旋空压机主机头结构示意图如图1所示。

图1 涡旋空压机主机头结构示意图1—静盘;2—动盘;3—小轴;4—平衡铁;5—机架;6—曲轴;7—带轮

由图1可知:

涡旋空压机主机头主要由静涡旋盘、动涡旋盘、曲轴、防自转机构和机架等部件组成;动、静涡旋盘上有一对形状相同的涡旋齿;静盘固定安装在机架上,动盘与之对插放置,动盘和静盘的初始相位角相差180°;两涡旋齿之间多点啮合,形成多组封闭的月牙形工作腔[7]。

涡旋空压机工作原理如图2所示。

图2 涡旋空压机工作原理

由图2可知:

当电机带动曲轴旋转,动盘同时受到偏心曲轴的驱动和防自转机构的限制,其相对静盘做小半径的公转平动;动盘周期性运动,月牙形工作腔的容积也实现周期性变化,从而完成吸气、压缩和排气的过程[8];

图2(a)中,气体进入最外侧工作腔,随着动盘运动到图2(b)的位置,最外侧工作腔封闭,吸气结束,动盘继续运动到图2(c),月牙形工作腔的容积不断变小,实现气体的压缩,最终高压气体从中心位置排出,结束一个工作周期。

2 涡旋型线方程及加工方法

2.1 涡旋型线方程

涡旋盘上的涡旋型线可选择单一型线、通用型线、组合型线。其中,单一型线有圆渐开线、正多边形渐开线、半圆渐开线、变径基圆渐开线、阿基米德螺线、代数螺旋线等[9-11]。

圆渐开线是一种常用的涡旋型线,最早由日本学者MORISHITA E等人[12]提出。由于其可用展成法加工,加工精度高,具有优良的运行性能,在实际生产中的应用最为广泛。

圆渐开线涡旋齿示意图如图3所示。

图3 圆渐开线涡旋齿示意图

由图3可知,涡旋齿基本参数包括基圆半径rb,渐开线发生角α,涡旋齿宽t,渐开角φ。

以基圆圆心为坐标原点,内涡旋线的方程如下式所示[13]:

(1)

外涡旋线的方程如下式所示:

(2)

式中:rb—基圆半径;α—渐开线发生角;φ—渐开角。

涡旋齿宽t和涡旋齿节距p分别如下:

t=2αrb

(3)

p=2πrb

(4)

2.2 加工方法

圆渐开线涡旋型线一般采用展成法加工[14],涡旋型线加工原理如图4所示。

图4 涡旋型线加工原理

由图4可知:

操作人员在加工时将涡旋盘装夹在数控机床的工作台上,沿着x轴正方向进行匀速运动,圆盘沿顺时针方向旋转,当圆盘旋转一周时,x轴移动一个渐开线基圆的周长,刀具即可加工出涡旋壁;

加工过程中操作人员可对圆渐开线质量进行实时检测,根据误差进行适当补偿或按废品处理。

3 涡旋型线检测与方程求解

一般对于正常使用中的涡旋空压机,因操作人员不了解其基圆圆心坐标及其他型线方程参数,此时缺少成熟的方法对型线质量进行检测。

笔者针对该问题,对圆渐开线涡旋型线的方程求解和质量检测开展研究。

涡旋盘检测工装如图5所示。

图5 涡旋盘检测工装

由图5可知:

检测时,为得到高精度的涡旋型线样点坐标,将涡旋盘装夹在工装上,采用高精度三坐标测量仪采集涡旋型线上的样点坐标。

三坐标测量时无须对基圆圆心进行定位。对于一个未知基圆坐标、基圆半径和展开角的圆渐开线涡旋盘,其内涡旋线型线如下:

(5)

式中:xb,yb—基圆圆心坐标。

由于yi=f(xi)是关于渐开角φ的参数方程,其待定参数包括xb,yb,rb和α,故笔者在采集的样点中选择的4个坐标点,(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),利用牛顿迭代法反求4个待定参数。

首先,须对xb,yb,rb和α4个参数进行估值,具体方法为:

采用卡尺在涡旋臂上测量若干个位置的厚度,取平均值作为涡旋齿厚度t的估值;同理,再测量涡旋盘节距初值p。

根据公式(4),得到基圆半径的初值如下:

rb=p/2π

(6)

根据公式(3),得到渐开线发生角估值如下:

α=t/2rb

(7)

笔者在涡旋臂某位置临近两点,做其中垂线;同理,在涡旋臂另外几处找到临近两点,做中垂线。

因中垂线与基圆近似相切,故各中垂线包络的圆近似为基圆,从而得到基圆圆心坐标(xb,yb)的估值。

完成xb,yb,rb,α的估值后,笔者在采集到的涡旋臂上的43个样点中,选择4个典型样点的坐标如表1所示。

表1 内圈上一组样点坐标

表1显示了所选样点的坐标,将xb,yb,rb,α以及4组(x,y)的值代入渐开线方程(5)中,可求解其对应的展开角φ的估值。

以各参数的估值为基础,基于牛顿迭代法,笔者用MATLAB编写迭代程序,设置迭代精度为e-4;运行程序完成迭代后得到xb,yb,rb和α的收敛解,将其代入方程(5)中,即可得涡旋型线的高精度方程。

迭代后求得精确参数:xb=4.269 7 mm,yb=-422.851 7 mm,rb=2.803 7 mm,α=-2.087 5。

由此得到涡旋盘内圈方程如下:

(8)

4 型线方程精度分析

由方程(8)得到的型线和实际测量点的误差测量结果如图6所示。

图6 误差测量结果

图6(a)为涡旋线与测量点的分布图,为凸显显示效果,测量点的径向误差被放大了40倍。

图6(b)显示了测量点径向误差随展开角的分布情况。

分析测量结果可知,测量点与方程曲线的误差在60 μm内,测量点误差大小随展开角的变化较为连续。

测量点平均误差如下:

(9)

测量点平均绝对误差如下式所示:

(10)

由公式(9,10)可知,所求得的型线方程具有较高的精度。

通过文中所述牛顿迭代法求得空压机涡旋盘涡旋线内侧和外侧的型线方程后,笔者将方程曲线和三坐标测量样点的位置重合显示,得到的样点分布图,如图7所示。

图7 样点分布图

由图7可知,所测样点与所求型线的具有较高的吻合度。

当笔者选择不同的样点坐标求解涡旋型线时,所得的结果不可避免地存在差别,因此可在求得型线方程后,计算测量点平均误差及测量点平均绝对误差,选择误差较小的一组数据,作为择优的结果。

5 涡旋盘氧化层厚度检测

无油涡旋空压机涡旋盘一般由铝合金压力铸造得到毛坯,再由机床精加工,最后进行硬质氧化[15],以提高涡旋盘的耐磨性和耐腐蚀性。

硬质阳极氧化槽液为硫酸溶液添加有机酸,主要原理为:

阴极反应:2H++2e=2H2

阳极反应:4OH--4e=2H2O+O2

在阳极形成大量活性较强的氧原子,与铝发生强烈的结合反应,生成致密的Al2O3保护膜。

氧化层的生成会影响涡旋盘的尺寸精度[16],铝合金硬质氧化层的厚度一般在20 μm～80 μm之间,对铸造而成的涡旋盘进行机加工时,须根据氧化膜的厚度预留一定的加工余量,并考虑其尺寸公差,使其满足使用需求。

此外,还须保证零件的表面光洁度,并尽量避免锐角、毛刺等引起局部过热而烧伤零件。

氧化前后的动涡旋盘如图8所示。

图8 氧化前后的动涡旋盘

由图8可知:

经氧化后,涡旋盘表面生成一层黑色的保护膜,零件耐磨性、耐腐蚀性得到了增强。为避免影响涡旋盘散热效果,其背面散热片一般不做表面处理,氧化部位仅为涡旋盘底面和涡旋臂,因此须用专门的工装对涡旋盘背面进行保护。

笔者选取3个硬质氧化后的动涡旋盘进行硬度测试,得到的氧化后涡旋盘表面硬度如表2所示。

由表2可知,涡旋盘硬度较为均匀,平均硬度分为别HV402.3,HV403.0,HV403.9,基本满足硬度要求。

笔者采用涂层厚度测量仪测量涡旋盘氧化层的厚度,涡旋盘氧化层厚度如表3所示。

表2 氧化后涡旋盘表面硬度(HV)

表3 涡旋盘氧化层厚度(μm)

由表3可知:

动涡旋盘底面氧化层平均厚度为44.6 μm,侧面平均厚度为44.5 μm;

考虑到动静盘的啮合间隙一般为20 μm～50 μm,理想的氧化膜厚度极差应控制在10 μm以内,因此,笔者通过硬质氧化得到的动涡旋盘基本满足使用要求。

6 结束语

笔者研究了一种针对未知型线参数的圆渐开线无油涡旋空压机型线精度的测试分析方法,基于牛顿迭代法计算得到某空压机涡旋盘的型线方程,并进行了误差分析,最后对涡旋盘氧化层质量进行了测试分析。

研究结果表明:

(1)笔者提出的方法可在未知基圆圆心坐标、基圆半径、初始展开角等主要参数的情况下,快速、高效地得到涡旋型线方程参数,且参数精度较高;

(2)基于笔者的方法对某涡旋盘进行了误差分析,测量点与方程曲线的误差在60 μm内,测量点误差大小随展开角的变化较为连续,测量点平均误差为4.76 μm,测量点平均绝对误差为21.38 μm,求得的型线方程具有较高的精度,且涡旋盘质量较为理想;

(3)对涡旋盘表面氧化后的氧化层的硬度和厚度进行了测量,可知经机加工后的铸铝件硬质氧化后,表面硬度达到HV400,氧化层厚度约44 μm,厚度偏差在10 μm以内,基本满足使用需求。

笔者后续将对无油涡旋空压机涡旋盘运行过程中的应力应变分布、机加工精度控制等方面开展更深入的研究。