無油渦旋空壓機渦旋型線精度測試工藝研究*

邵中魁,沈小麗,黃建軍*,陶仁和,朱征東

(1.浙江省機電設計研究院有限公司,浙江 杭州 310051;2.浙江華昌液壓機械有限公司,浙江 杭州 311300)

0 引 言

空壓機是一種用于提供氣源動力的通用性流體機械,在石油化工、食品醫藥、機械制造、空調制冷等眾多領域中都有重要的應用價值[1,2]。其中,無油渦旋空壓機在近幾年的應用日益廣泛,其利用一對帶渦旋齒的動、靜盤,在公轉平動運動中形成漸縮形封閉容積,以實現氣體壓縮[3]。

由于其壓縮腔內無須添加潤滑油,不須經過凈化處理即可得到高度潔凈的壓縮氣體,在食品、醫療、電子、化工、精密噴涂、燃料電池等需要清潔氣源的應用領域具有無可比擬的優勢。

由于無油渦旋空壓機的壓縮腔是依靠動靜渦旋齒之間的微小間隙進行密封,對嚙合間隙的精確控制顯得尤為關鍵,這也對渦旋空壓機渦旋型線的加工、檢測以及空壓機主要零部件的裝配都提出了極高的要求[4]。

目前,國際上只有日本ANEST(巖田)及瑞典的阿特拉斯等少數幾家公司具有成熟的無油渦旋空壓機生產能力。相比于國際上的上述幾家公司的生產能力,國內無油渦旋空壓機生產廠家的技術基礎相對薄弱,并且其生產的無油渦旋空壓機的運行效率低,可靠性也較差。

目前,國內市場上的渦旋空壓機以圓漸開線型線最為常用。該類渦旋空壓機加工過程中,一般是將壓力鑄造所得的動靜渦旋盤毛坯裝夾于數控機床上,再使用展成法對其進行加工,并實時對動靜渦旋盤的加工質量進行檢測,根據檢測情況對其進行補償。

李連生等人[5]開展了針對渦旋空壓機渦旋型線加工精度的測量方法研究,其要求空壓機渦旋盤具有明確的加工基準、方程參數等,才能進行后續的精度測試。郝勝利等人[6]提出了一種基于CAD的渦旋壓縮機型線反求方法,可實現對已知圖形但未知參數的渦旋線進行反求,但未能實現對不知圖形且不知參數的壓縮機渦旋線進行反求。但對于經過使用或購買的未知型線方程的空壓機,往往不知其具體圖形,只能測量有限的樣點坐標,這給渦旋空壓機型線的求解和檢測帶來一定的難度。

針對該問題,筆者開展對渦旋空壓機渦旋型線檢測技術研究,采用牛頓迭代法實現對型線的求解,并對其進行誤差分析,最后開展渦旋盤氧化層厚度的測量分析。

1 渦旋空壓機結構原理

渦旋空壓機主機頭結構示意圖如圖1所示。

圖1 渦旋空壓機主機頭結構示意圖1—靜盤;2—動盤;3—小軸;4—平衡鐵;5—機架;6—曲軸;7—帶輪

由圖1可知:

渦旋空壓機主機頭主要由靜渦旋盤、動渦旋盤、曲軸、防自轉機構和機架等部件組成;動、靜渦旋盤上有一對形狀相同的渦旋齒;靜盤固定安裝在機架上,動盤與之對插放置,動盤和靜盤的初始相位角相差180°;兩渦旋齒之間多點嚙合,形成多組封閉的月牙形工作腔[7]。

渦旋空壓機工作原理如圖2所示。

圖2 渦旋空壓機工作原理

由圖2可知:

當電機帶動曲軸旋轉,動盤同時受到偏心曲軸的驅動和防自轉機構的限制,其相對靜盤做小半徑的公轉平動;動盤周期性運動,月牙形工作腔的容積也實現周期性變化,從而完成吸氣、壓縮和排氣的過程[8];

圖2(a)中,氣體進入最外側工作腔,隨著動盤運動到圖2(b)的位置,最外側工作腔封閉,吸氣結束,動盤繼續運動到圖2(c),月牙形工作腔的容積不斷變小,實現氣體的壓縮,最終高壓氣體從中心位置排出,結束一個工作周期。

2 渦旋型線方程及加工方法

2.1 渦旋型線方程

渦旋盤上的渦旋型線可選擇單一型線、通用型線、組合型線。其中,單一型線有圓漸開線、正多邊形漸開線、半圓漸開線、變徑基圓漸開線、阿基米德螺線、代數螺旋線等[9-11]。

圓漸開線是一種常用的渦旋型線,最早由日本學者MORISHITA E等人[12]提出。由于其可用展成法加工,加工精度高,具有優良的運行性能,在實際生產中的應用最為廣泛。

圓漸開線渦旋齒示意圖如圖3所示。

圖3 圓漸開線渦旋齒示意圖

由圖3可知,渦旋齒基本參數包括基圓半徑rb,漸開線發生角α,渦旋齒寬t,漸開角φ。

以基圓圓心為坐標原點,內渦旋線的方程如下式所示[13]:

(1)

外渦旋線的方程如下式所示:

(2)

式中:rb—基圓半徑;α—漸開線發生角;φ—漸開角。

渦旋齒寬t和渦旋齒節距p分別如下:

t=2αrb

(3)

p=2πrb

(4)

2.2 加工方法

圓漸開線渦旋型線一般采用展成法加工[14],渦旋型線加工原理如圖4所示。

圖4 渦旋型線加工原理

由圖4可知:

操作人員在加工時將渦旋盤裝夾在數控機床的工作臺上,沿著x軸正方向進行勻速運動,圓盤沿順時針方向旋轉,當圓盤旋轉一周時,x軸移動一個漸開線基圓的周長,刀具即可加工出渦旋壁;

加工過程中操作人員可對圓漸開線質量進行實時檢測,根據誤差進行適當補償或按廢品處理。

3 渦旋型線檢測與方程求解

一般對于正常使用中的渦旋空壓機,因操作人員不了解其基圓圓心坐標及其他型線方程參數,此時缺少成熟的方法對型線質量進行檢測。

筆者針對該問題,對圓漸開線渦旋型線的方程求解和質量檢測開展研究。

渦旋盤檢測工裝如圖5所示。

圖5 渦旋盤檢測工裝

由圖5可知:

檢測時,為得到高精度的渦旋型線樣點坐標,將渦旋盤裝夾在工裝上,采用高精度三坐標測量儀采集渦旋型線上的樣點坐標。

三坐標測量時無須對基圓圓心進行定位。對于一個未知基圓坐標、基圓半徑和展開角的圓漸開線渦旋盤,其內渦旋線型線如下:

(5)

式中:xb,yb—基圓圓心坐標。

由于yi=f(xi)是關于漸開角φ的參數方程,其待定參數包括xb,yb,rb和α,故筆者在采集的樣點中選擇的4個坐標點,(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),利用牛頓迭代法反求4個待定參數。

首先,須對xb,yb,rb和α4個參數進行估值,具體方法為:

采用卡尺在渦旋臂上測量若干個位置的厚度,取平均值作為渦旋齒厚度t的估值;同理,再測量渦旋盤節距初值p。

根據公式(4),得到基圓半徑的初值如下:

rb=p/2π

(6)

根據公式(3),得到漸開線發生角估值如下:

α=t/2rb

(7)

筆者在渦旋臂某位置臨近兩點,做其中垂線;同理,在渦旋臂另外幾處找到臨近兩點,做中垂線。

因中垂線與基圓近似相切,故各中垂線包絡的圓近似為基圓,從而得到基圓圓心坐標(xb,yb)的估值。

完成xb,yb,rb,α的估值后,筆者在采集到的渦旋臂上的43個樣點中,選擇4個典型樣點的坐標如表1所示。

表1 內圈上一組樣點坐標

表1顯示了所選樣點的坐標,將xb,yb,rb,α以及4組(x,y)的值代入漸開線方程(5)中,可求解其對應的展開角φ的估值。

以各參數的估值為基礎,基于牛頓迭代法,筆者用MATLAB編寫迭代程序,設置迭代精度為e-4;運行程序完成迭代后得到xb,yb,rb和α的收斂解,將其代入方程(5)中,即可得渦旋型線的高精度方程。

迭代后求得精確參數:xb=4.269 7 mm,yb=-422.851 7 mm,rb=2.803 7 mm,α=-2.087 5。

由此得到渦旋盤內圈方程如下:

(8)

4 型線方程精度分析

由方程(8)得到的型線和實際測量點的誤差測量結果如圖6所示。

圖6 誤差測量結果

圖6(a)為渦旋線與測量點的分布圖,為凸顯顯示效果,測量點的徑向誤差被放大了40倍。

圖6(b)顯示了測量點徑向誤差隨展開角的分布情況。

分析測量結果可知,測量點與方程曲線的誤差在60 μm內,測量點誤差大小隨展開角的變化較為連續。

測量點平均誤差如下:

(9)

測量點平均絕對誤差如下式所示:

(10)

由公式(9,10)可知,所求得的型線方程具有較高的精度。

通過文中所述牛頓迭代法求得空壓機渦旋盤渦旋線內側和外側的型線方程后,筆者將方程曲線和三坐標測量樣點的位置重合顯示,得到的樣點分布圖,如圖7所示。

圖7 樣點分布圖

由圖7可知,所測樣點與所求型線的具有較高的吻合度。

當筆者選擇不同的樣點坐標求解渦旋型線時,所得的結果不可避免地存在差別,因此可在求得型線方程后,計算測量點平均誤差及測量點平均絕對誤差,選擇誤差較小的一組數據,作為擇優的結果。

5 渦旋盤氧化層厚度檢測

無油渦旋空壓機渦旋盤一般由鋁合金壓力鑄造得到毛坯,再由機床精加工,最后進行硬質氧化[15],以提高渦旋盤的耐磨性和耐腐蝕性。

硬質陽極氧化槽液為硫酸溶液添加有機酸,主要原理為:

陰極反應:2H++2e=2H2

陽極反應:4OH--4e=2H2O+O2

在陽極形成大量活性較強的氧原子,與鋁發生強烈的結合反應,生成致密的Al2O3保護膜。

氧化層的生成會影響渦旋盤的尺寸精度[16],鋁合金硬質氧化層的厚度一般在20 μm～80 μm之間,對鑄造而成的渦旋盤進行機加工時,須根據氧化膜的厚度預留一定的加工余量,并考慮其尺寸公差,使其滿足使用需求。

此外,還須保證零件的表面光潔度,并盡量避免銳角、毛刺等引起局部過熱而燒傷零件。

氧化前后的動渦旋盤如圖8所示。

圖8 氧化前后的動渦旋盤

由圖8可知:

經氧化后,渦旋盤表面生成一層黑色的保護膜,零件耐磨性、耐腐蝕性得到了增強。為避免影響渦旋盤散熱效果,其背面散熱片一般不做表面處理,氧化部位僅為渦旋盤底面和渦旋臂,因此須用專門的工裝對渦旋盤背面進行保護。

筆者選取3個硬質氧化后的動渦旋盤進行硬度測試,得到的氧化后渦旋盤表面硬度如表2所示。

由表2可知,渦旋盤硬度較為均勻,平均硬度分為別HV402.3,HV403.0,HV403.9,基本滿足硬度要求。

筆者采用涂層厚度測量儀測量渦旋盤氧化層的厚度,渦旋盤氧化層厚度如表3所示。

表2 氧化后渦旋盤表面硬度(HV)

表3 渦旋盤氧化層厚度(μm)

由表3可知:

動渦旋盤底面氧化層平均厚度為44.6 μm,側面平均厚度為44.5 μm;

考慮到動靜盤的嚙合間隙一般為20 μm～50 μm,理想的氧化膜厚度極差應控制在10 μm以內,因此,筆者通過硬質氧化得到的動渦旋盤基本滿足使用要求。

6 結束語

筆者研究了一種針對未知型線參數的圓漸開線無油渦旋空壓機型線精度的測試分析方法,基于牛頓迭代法計算得到某空壓機渦旋盤的型線方程,并進行了誤差分析,最后對渦旋盤氧化層質量進行了測試分析。

研究結果表明:

(1)筆者提出的方法可在未知基圓圓心坐標、基圓半徑、初始展開角等主要參數的情況下,快速、高效地得到渦旋型線方程參數,且參數精度較高;

(2)基于筆者的方法對某渦旋盤進行了誤差分析,測量點與方程曲線的誤差在60 μm內,測量點誤差大小隨展開角的變化較為連續,測量點平均誤差為4.76 μm,測量點平均絕對誤差為21.38 μm,求得的型線方程具有較高的精度,且渦旋盤質量較為理想;

(3)對渦旋盤表面氧化后的氧化層的硬度和厚度進行了測量,可知經機加工后的鑄鋁件硬質氧化后,表面硬度達到HV400,氧化層厚度約44 μm,厚度偏差在10 μm以內,基本滿足使用需求。

筆者后續將對無油渦旋空壓機渦旋盤運行過程中的應力應變分布、機加工精度控制等方面開展更深入的研究。