干式無(wú)油螺桿空壓機(jī)與水潤(rùn)滑無(wú)油螺桿空壓機(jī)對(duì)比

近幾十年來(lái)，對(duì)無(wú)油螺桿空壓機(jī)的研究日趨活躍，很多國(guó)家及企業(yè)在原有的噴油螺桿空壓機(jī)機(jī)型的基礎(chǔ)上，開始不斷探索無(wú)油螺桿空壓機(jī)的道路。在用氣品質(zhì)要求高的領(lǐng)域，如紡織、冶金、食品、化工、醫(yī)藥、石油和空分等各種需要純凈無(wú)油壓縮空氣的場(chǎng)所，無(wú)油螺桿空壓機(jī)能夠提供優(yōu)質(zhì)的壓縮氣體滿足各種需求，因此應(yīng)用前景廣闊。應(yīng)用領(lǐng)域在食品制造及包裝行業(yè)，采用噴油螺桿空壓機(jī)制備壓縮氣體時(shí)，生產(chǎn)過程經(jīng)過多次高溫氧化和冷凝乳化，空壓機(jī)中潤(rùn)滑油的性能已大幅度降低，且呈酸性，對(duì)后續(xù)設(shè)備不僅起不到潤(rùn)滑作用，反而會(huì)破壞正常潤(rùn)滑，使用無(wú)油螺桿空壓機(jī)可以避免失效的潤(rùn)滑油對(duì)設(shè)備的負(fù)面影響。在制藥、生物工程中，壓縮氣體中含有細(xì)菌和噬菌體的污染是不容忽視的，無(wú)油螺桿空壓機(jī)提供的純凈壓縮氣體，可避免細(xì)菌和噬菌體在氣體中滋生。在電鍍行業(yè)，生產(chǎn)過程中存在鍍層表面發(fā)花、燒焦、針孔、裂紋等問題，人們采用攪拌來(lái)解決此類問題，攪拌需要壓縮空氣的支持。壓縮空氣質(zhì)量對(duì)電鍍光亮鎳的沉積速度以及電鍍效率影響很大。應(yīng)用無(wú)油螺桿空壓機(jī)，可以有效的避免鍍層表面發(fā)花、燒焦、針孔、裂紋等問題的發(fā)生。因此，如今已經(jīng)開始應(yīng)用無(wú)油螺桿壓縮機(jī)制備純凈的氣體進(jìn)行電鍍。在汽車噴涂行業(yè)，不純的氣體往往造成劣質(zhì)的涂層。如果壓縮空氣中含有油，涂層表面出現(xiàn)一些分散或集中的小隆起，這些水泡一般在面漆下的某一涂層中產(chǎn)生，水泡是由于涂層下面有水汽或污物而產(chǎn)生的。此外，含油的壓縮空氣也有可能導(dǎo)致濕涂層表面出現(xiàn)點(diǎn)狀分布的小坑洞，形成火山口狀的矽坑，在坑底有時(shí)可見底材，俗稱魚眼。如今汽車噴涂行業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用無(wú)油螺桿空壓機(jī),以制備用于噴涂的純凈氣體，使得國(guó)產(chǎn)汽車的噴涂水平得到提高。在紡織行業(yè)，噴氣織機(jī)需要干燥且無(wú)油的壓縮空氣。在生產(chǎn)過程中，精細(xì)噴嘴會(huì)將壓縮空氣吹到線束上，形成渦流，從而賦予紗線形狀、彈力和彈性，無(wú)油螺桿空壓機(jī)提供的純凈壓縮空氣可以保證布匹成品的質(zhì)量。無(wú)油螺桿空壓機(jī)分類及主要廠家無(wú)油螺桿空壓機(jī)包括干式螺桿空壓機(jī)和噴水螺桿空壓機(jī)兩大類。干式螺桿空壓機(jī)的主要是雙螺桿空壓機(jī)，噴水螺桿空壓機(jī)中又包括雙螺桿空壓機(jī)和單螺桿空壓機(jī)。干式螺桿空壓機(jī)干式螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要有阿特拉斯（AC）、英格索蘭（IR）、壽力、伯格（BOGE）和神戶制鋼（KOBELCO）,等公司的產(chǎn)品。德國(guó)伯格（BOGE），轉(zhuǎn)子涂層采用了鉬一石墨材料，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)可自行更換軸承，冷卻器的設(shè)計(jì)合理。壽力，為多種新型紡織機(jī)電設(shè)備提供了優(yōu)質(zhì)氣源，密封劑可以較長(zhǎng)時(shí)間不用更換。英格索蘭主要采用二硫化鉬轉(zhuǎn)子涂層，經(jīng)過滲透工藝進(jìn)行處理，其驅(qū)動(dòng)軸輸入端裝有改良的唇形密封件。阿特拉斯，轉(zhuǎn)子采用S-AP型線，噴涂特氟龍涂層。氣路系統(tǒng)（高低壓轉(zhuǎn)子）、油路系統(tǒng)（齒輪箱、油底殼、油泵和油濾）冷卻系統(tǒng)（中冷、后冷和油冷）等三大系統(tǒng)整體化結(jié)構(gòu)；齒輪箱采用雙軸承設(shè)計(jì)，滾珠軸承承受徑向力，滾柱軸承承受軸向力。噴水螺桿壓縮機(jī)噴水雙螺桿壓縮機(jī)的流程如圖2所示，較早有荷蘭的GrassAir。如今主要是阿特拉斯和歐拉法（Eulerf）。阿特拉斯采用的是陶瓷轉(zhuǎn)子，水潤(rùn)滑軸承，無(wú)同步齒輪。轉(zhuǎn)子相互嚙合，之間形成水膜密封。噴水單螺桿空壓機(jī)方面有復(fù)盛和歐拉法，復(fù)盛開發(fā)的是小排量水潤(rùn)滑單螺桿空壓機(jī)。復(fù)盛采用三井的單螺桿機(jī)頭，排氣量可達(dá)12m3/min，最大功率可到120kW，轉(zhuǎn)子材料為不銹鋼和銅材，陶瓷軸承。由于材料和技術(shù)的限制，目前大型噴水單螺桿壓縮機(jī)的制造相對(duì)困難，但噴水單螺桿壓縮機(jī)的效率較高，維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低。歐拉法采用獨(dú)創(chuàng)的三線嚙合、非等寬齒技術(shù)并采用專有加工技術(shù)，克服水的低粘性，保持高容積效率，通過噴水霧化冷卻，確保系統(tǒng)近似等溫壓縮。歐拉法的主機(jī)噴水潤(rùn)滑與密封，壓縮腔與軸承室之間采用世界先進(jìn)的專利密封系統(tǒng)，確保整個(gè)系統(tǒng)無(wú)油，排氣量可達(dá)66m3/min,最大功率可到355KW，不銹鋼主機(jī)，主機(jī)零件采用耐腐蝕優(yōu)異的特殊不銹鋼，比采用涂層材料更持久耐用，省卻防銹維護(hù)。轉(zhuǎn)子材料與型線轉(zhuǎn)子材料在干式螺桿空壓機(jī)中，由于沒有潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑及帶走微小顆粒，氣體會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子、殼體內(nèi)壁、氣道產(chǎn)生腐蝕，因此在傳統(tǒng)噴油螺桿轉(zhuǎn)子材料的基礎(chǔ)上，通常會(huì)噴涂防腐層，如噴涂聚四氟乙烯、二硫化鉬、特氟龍等，達(dá)到保證轉(zhuǎn)子不變形，不被腐蝕的作用。在噴水螺桿壓縮機(jī)中，由于向壓縮腔內(nèi)注水，雖然取到了冷卻、密封和保持氣體的純凈度的作用，提高了空壓機(jī)的效率，同時(shí)也很好的控制了排氣溫度，但是水必將對(duì)轉(zhuǎn)子等部件產(chǎn)生腐蝕作用，因此需要慎重選擇轉(zhuǎn)子材料。轉(zhuǎn)子材料的選擇一般有如下幾種：（1）NSB鋼轉(zhuǎn)子中船重工七一一研究所上海螺桿壓縮機(jī)研制中心制造的LG一30/0.8型噴水式火炬氣螺桿壓縮機(jī)中，其轉(zhuǎn)子采用了NSB鋼（鍍鎳磷合金，耐火炬氣中、H2、H2S、SO2的腐蝕）。（2）高分子聚合陶瓷轉(zhuǎn)子阿特拉斯和法國(guó)GVM等公司采用高分子聚合陶瓷轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子可以精確加工到百分之幾毫米的精度。長(zhǎng)期試驗(yàn)的結(jié)果表明，這種材料耐磨性好，并且具有良好的可靠性和適用性。（3）工程塑料轉(zhuǎn)子工程塑料轉(zhuǎn)子的采用，開辟了螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)及加工手段的新經(jīng)濟(jì)途徑，并為噴水螺桿空壓機(jī)的發(fā)展提供了良好條件。精密注塑成型的工程塑料轉(zhuǎn)子，不銹、成本低，同時(shí)降低了螺桿壓縮機(jī)的噪聲和振動(dòng)。為壓縮腔內(nèi)采用噴水密封冷卻技術(shù)創(chuàng)造了很好的條件。螺桿轉(zhuǎn)子型線對(duì)于螺桿空壓機(jī)而言，型線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要綜合考慮轉(zhuǎn)子型線的嚙合要求、連續(xù)的接觸線、加工性能等因素。西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所為完成國(guó)家“十五”863計(jì)劃“電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”中的“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”課題，研制成功了可以應(yīng)用于燃料電池的LG300型無(wú)油噴水螺桿空氣壓縮機(jī)［3］。針對(duì)具體設(shè)計(jì)要求，該課題組專門開發(fā)了一種轉(zhuǎn)子新型線如圖4所示。該型線的特征是雙邊非對(duì)稱，所有組成齒曲線均為圓弧或圓弧包絡(luò)線，可降低通過接觸線的橫向泄漏，提高壓縮機(jī)效率。另外，還改善了轉(zhuǎn)子的加工性能，便于采用多種方法進(jìn)行加工。技術(shù)難點(diǎn)干式螺桿空壓機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)（1）轉(zhuǎn)子變形干式螺桿空壓機(jī)的性能，很大程度上取決于轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)的密封間隙。在轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼間存在多條泄漏通道流體通過間隙的泄漏直接影響容積效率和總效率。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程電轉(zhuǎn)子在熱、力邊界條件的作用下發(fā)生熱、力彈性變形，這就使得實(shí)際運(yùn)行間隙與設(shè)計(jì)間隙差別較大。間隙過大會(huì)造成泄漏增加，容積效率下降；間隙過小又容易發(fā)生燒傷咬死事故［4］。雖然整個(gè)轉(zhuǎn)子的溫差不大，但是轉(zhuǎn)子徑向變形沿長(zhǎng)度方向依然存在差別。這主要是因?yàn)檎麄€(gè)轉(zhuǎn)子外形復(fù)雜，齒、槽均為螺旋形，而非嚴(yán)格的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子沿接觸線徑向變形的分析發(fā)現(xiàn)雖然沿軸向長(zhǎng)度方向變形量存在差別，但兩轉(zhuǎn)子的總變形量基本不變，而且總變形量隨溫度呈線性變化趨勢(shì)。干式壓縮機(jī)排氣溫度往往較高，為了防止發(fā)生轉(zhuǎn)子咬死甚至轉(zhuǎn)子齒的嚴(yán)重?fù)p壞的情況，應(yīng)考慮加大設(shè)計(jì)間隙或者采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施⑸。（2）涂層失效低劣的轉(zhuǎn)子涂層運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)脫落，轉(zhuǎn)子暴露在空氣中，承受空氣中雜質(zhì)和溫度變化的影響。最終，導(dǎo)致運(yùn)行性能的降低，甚至對(duì)機(jī)器造成損壞。噴涂防腐涂層的工藝是難點(diǎn)之一。如今采用較多的是二硫化鉬，聚四氟乙烯，以及鉬一石磨涂層。噴水螺桿空壓機(jī)技術(shù)難點(diǎn)（1）陶瓷轉(zhuǎn)子的制造由于陶瓷材料的耐磨性，不適宜采用機(jī)床加工，故采用精密鑄造的方式，而鑄造工藝是其中的難點(diǎn)。一般陶瓷制品的氣孔、裂紋等缺陷，需用顯微對(duì)焦的X射線儀表探測(cè)，以及保持陶瓷毛坯密度的一致性，需用超聲波儀器進(jìn)行監(jiān)控。（2）水的污染清理由于水的存在，必然對(duì)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)和冷卻水系統(tǒng)造成一定的腐蝕影響，更會(huì)在管路中形成一定的水垢。水垢在冷卻系統(tǒng)內(nèi)形成后，將會(huì)縮小水流道截面積，增加水循環(huán)的阻力，阻礙正常的熱交換，隨著水垢層的不斷加厚，將造成設(shè)備嚴(yán)重的冷卻不良而帶來(lái)一連串的惡果，如壓縮機(jī)增加功率消耗，減少吸氣量，降低排氣量等，因此對(duì)水垢的處理方式也非常重要。水垢處理的方式一般有化學(xué)試劑法、物理法、人工法等。（3）水潤(rùn)滑軸承水潤(rùn)滑軸承需要改變傳統(tǒng)金屬軸承系統(tǒng)的材質(zhì)性能和潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，將軸承與動(dòng)密封裝置等部件有機(jī)空合為一體，以水作為潤(rùn)滑介質(zhì)。目前，能夠提供水潤(rùn)滑軸承的廠家相對(duì)較少，瑞典的SKF公司在積極從事該方面的研究開發(fā)工作。發(fā)展趨勢(shì)降噪的研究噪聲作為螺桿壓縮機(jī)一個(gè)比較明顯的問題被多次提出。在無(wú)油螺桿壓縮機(jī)中表現(xiàn)的尤為突出。因此，對(duì)于降低噪聲的研究將成為一個(gè)熱點(diǎn)，伴隨著其他機(jī)型的噪聲研究，噪聲研究技術(shù)將會(huì)不斷的發(fā)展進(jìn)步，給無(wú)油螺桿噪聲研究提供充足的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。水潤(rùn)滑技術(shù)的研究隨著噴油螺桿空壓機(jī)在許多領(lǐng)域應(yīng)用局限性的日益暴露和干式螺桿空壓機(jī)本身存在的一系列問題，水潤(rùn)滑無(wú)油螺桿空壓機(jī)被應(yīng)時(shí)地提出，有很好的前景展望。隨著涂層工藝和軸承制造業(yè)的發(fā)展，一些公司如阿特拉斯和歐拉法（Eulerf）已經(jīng)采用的水潤(rùn)滑軸承，而拋棄原同步齒輪需要油潤(rùn)滑的局限。再者，在轉(zhuǎn)子形線不斷改良的大趨勢(shì)下，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子之間進(jìn)行嚙合而形成很好的水膜密封，水潤(rùn)滑無(wú)油螺桿空壓機(jī)將不再是一個(gè)不切實(shí)際的想法。提高壓縮機(jī)性能改進(jìn)無(wú)油螺桿空壓機(jī)轉(zhuǎn)子的型線是提高空壓機(jī)性能的關(guān)鍵。螺桿空壓機(jī)性能的不斷提高及其市場(chǎng)份額的不斷擴(kuò)大，是與轉(zhuǎn)子型線的發(fā)展密不可分的。優(yōu)化型線的設(shè)計(jì)方法,將成為研究熱點(diǎn)。歐拉法研制三大技術(shù)創(chuàng)新：（1）高可靠解決軸承與壓縮腔之間的機(jī)械密封（2）主機(jī)及整機(jī)具備抗腐蝕能力（3）克服水的低粘度解決嚙合間隙密封三大創(chuàng)