螺桿類產品及其在汽車行業中的應用

朱博文 趙永強

摘 要：目前隨著螺桿類產品的技術發展和應用，汽車空調、汽車發動機、車內循環系統、油料供給和制動系統等都引入了螺桿類產品。文章對比了螺桿類產品及其特點、性能要求及應用場合。介紹了國內外螺桿類產品的研究現狀及其相關研究方法。最后，展望螺桿類產品在汽車行業的應用和發展趨勢。

關鍵詞：螺桿;螺桿壓縮機;螺桿泵;螺桿膨脹機;螺桿擠出機

中圖分類號：TH16 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-246-06

Abstract： At present， with the technical development and application of screw products， screw products are introduced into automobile air conditioning， automobile engine， interior circulation system， oil supply and braking system. This paper compares the screw products and their characteristics， performance requirements and application occasions. The research status and related research methods of screw products at home and abroad are introduced. Finally， the application and development trend of screw products in automobile industry are prospected.

Keywords： Screw; Screw compressor; Screw pump; Screw expander; Screw extruder

CLC NO.： TH16 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-246-06

引言

螺桿類產品對汽車行業中的應用場合有著獨特的優勢，如空調和車內部循環系統可以通過螺桿壓縮機來完成，而輸送泵和水泵可以利用螺桿泵來完成，車內的塑料零件可以通過螺桿擠出機來完成，因此螺桿類產品的發展速度也決定著汽車行業的發展速度。本文將介紹螺桿類產品的現狀。

螺桿類產品的工作原理是通過電機的驅動主動（陽）螺桿轉子，從而帶動從動（陰）螺桿轉子，通過螺旋運動使介質從吸入端進行輸送或者壓縮到另一端的排出端。不同的螺桿產品可以實現不同介質的輸送過程，比如螺桿壓縮機、螺桿膨脹機、螺桿擠出機和螺桿泵等，這四類產品的主要特征對比如表1所示。通過對比可以看出，每個螺桿類產品應用領域不同，但主要是結構都很相似。

現階段對螺桿類產品的一系列的優化和設計主要圍繞螺桿轉子的端面型線，根據對螺桿轉子的型線進行優化，能夠提高螺桿類產品的工作效率。隨著現代工業和裝備制造業的快速發展，人們對高性能的螺桿類產品要求越來越高，因此，在設計和生產螺桿類產品時，必須要考慮到螺桿類產品的工作性能和工作效率。

1 螺桿類產品的特點和研究現狀

螺桿類產品由于其獨特的結構特性，被廣泛應用于各個領域，作為一種典型的螺桿機械（螺桿壓縮機、螺桿膨脹機、螺桿擠出機和螺桿泵），它們的優點主要體現在以下方面。

（1）可靠性高。由于所需零部件少，沒有易損件，因此在工作運轉時壽命較長。

（2）適應性強。螺桿產品具有在寬廣的工況范圍內能保持較高的效率，適用于多種工況，所以易于定型批量生產。

（3）多相混輸。雙螺桿壓縮機、雙螺桿泵都可以實現混合介質的輸送，并且雙螺桿泵可以實現液、氣、固體的混合輸送。

（4）高扭矩、高轉速。目前，世界上的螺桿產品都在向著高扭矩、高轉速、低能耗方向發展，高轉速帶來的效果即是高生產率。而螺桿壓縮機、螺桿泵等產品都是可以是實現高轉速和高扭矩的運動。

（5）應用范圍廣。螺桿產品可用于多種領域，多用于船舶、電力、機床、電梯等場合。

1.1 螺桿壓縮機的研究現狀

螺桿壓縮機分為單螺桿和雙螺桿壓縮機，在1878年由德國人H.Krigar提出，到1934年開始在工業上應用。雙螺桿壓縮機因其獨特的優勢被廣泛應用于眾多行業，尤其在石油、化工企業的可燃氣回收輸送過程中發揮著不可或缺的作用，相比于其他類型的壓縮機的主要優點是運動部件的運動方式為純旋轉運動。雙螺桿壓縮機的工作過程分為3個步驟，首先是吸氣過程，當轉子轉動時，齒槽容積隨轉子旋轉而逐漸擴大，并和吸入口相連通，氣體通過孔口進入齒槽容積進行氣體的吸入過程。在轉子旋轉到一定角度以后，齒間容積越過吸入孔口位置與吸入孔口斷開，吸入過程結束。然后為壓縮過程，當轉子繼續轉動時，被機體、吸氣端座和排氣端座所封閉的齒槽內的氣體，由于陰、陽轉子的相互嚙合和齒間相互填塞而被壓向排氣端，同時壓力逐步升高進行壓縮過程。最后為排氣過程，當轉子轉到齒間容積與機殼排氣口相通時，被壓縮之氣體開始排出，這個過程一直持續到齒末端的型線完全嚙合，此時齒間容積為零，氣體被完全排出，即完成“排氣過程”[1]。

國外的一些企業和機構在很早之前開始對螺桿壓縮機進行研發。如瑞典的阿特拉斯·科普柯公司、英格索蘭公司、美國的壽力公司和德國凱撒公司等。

瑞典的阿特拉斯·科普柯公司生產的螺桿壓縮機被中國國內廣泛使用。如圖1所示，為GA7-37VSD+系列壓縮機，其特點在于提高了能效，降低了能耗，降低了噪音等級，減少了運行成本。

英格索蘭公司是最早在中國生產螺桿壓縮機的公司，該公司的市場占有率僅次于阿特拉斯?；贗R堅固可靠的主機，螺桿式壓縮機擁有一些獨特的性能，以增加其運行的可靠性。如圖2所示，為Nirvana變速無油螺桿壓縮機，該壓縮機增強了可靠性，有不銹鋼組件，雙通氣密封件和帶有先進UltraCoat保護的精密機加工轉子確保無故障運行，并且長壽命組件設計用于承受46?C的最高環境溫度。

1.2 螺桿膨脹機的研究現狀

螺桿膨脹機是依靠氣體體積膨脹，驅動螺桿轉子旋轉，將熱能轉換為機械能的一種熱機。是21世紀獲得長足發展的一種新興動力機械，可廣泛應用于工業余熱回收、地熱發電、生物質發電等領域，可直接驅動發電機，也可直接拖動泵、風機等機械設備。通常所稱的螺桿膨脹機指雙螺桿膨脹機，與汽輪機、內燃機等熱機相比，螺桿膨脹機的發展歷程較短，是一種比較新穎的熱動力機械。螺桿膨脹機按螺桿壓縮機的逆原理工作，主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯軸節等極少的零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子平行地臵于氣缸中。

關于螺桿膨脹機的產品企業有美國ACD公司、瑞典的阿特拉斯和法國低溫星等。這些企業對膨脹機的研究和生產已經非常的成熟。

美國ACD公司在高效膨脹機的設計和制造方面擁有50多年的經驗。如圖3所示為ACD公司的TC系列膨脹機，它的膨脹效率低至90%，膨脹機壓力比低至24：1，其特點為高效、低溫和增壓，在結構設計上為緊密耦合設計。

法國低溫星公司于1966年在瑞士成立，對低溫系統裝置有很久遠的研究。如圖4所示為TC300系列膨脹機，其特點在于峰值可變進口導葉和提高了工作范圍的效率。流量高達250萬Nm3/h（550 kg/s），壓力高達200bar，膨脹機溫度-270℃至+200℃。

1.3 螺桿擠出機

擠出機廣泛應用，可適用于多種物料的加工，是一種高性能的機械設備。雙螺桿擠出機由傳動裝置、加料裝置、料筒和螺桿等幾個部分組成，各部件的作用與單螺桿擠出機相似，其結構如圖5所示。與單螺桿擠出機的區別之處在于雙螺桿擠出機中有兩根平行的螺桿置于“∞”形截面的料簡。

從運動原理來看，雙螺桿擠出機中同向嚙合和異向嚙合及非嚙合型是不同的。

同向嚙合型雙螺桿擠出機，這類擠出機有低速和高速兩種，前者主要用于型材擠出，而后者用于特種聚合物加工操作。（1）緊密嚙合式擠出機。低速擠出機具有緊密嚙合式螺桿幾何形狀，其中一根螺桿的螺棱外形與另一根螺桿的螺棱外形緊密配合，即共軛螺桿外形。（2）自潔式擠出機。高速同向擠出機具有緊密匹配的螺棱外形?？蓪⑦@種螺桿設計成具有相當小的螺桿間隙，使螺桿具有密閉式自潔作用，這種雙螺桿擠出機稱為緊密自潔同向旋轉式雙螺桿擠出機。

異向嚙合型雙螺桿擠出機，緊密嚙合異向旋轉式雙螺桿擠出機的兩螺桿螺槽之間的空隙很?。ū韧驀Ш闲碗p螺桿擠出機中的空隙小很多），因此可達到正向的輸送特性。

國內有很多企業從事于雙螺桿擠出機的研究開發，比較知名的有南京科亞公司、南京瑞亞公司和科倍隆公司等。這些公司都積極投入資金進行螺桿擠出機的研究。

如南京科亞公司通過多年努力，成功開發了AK系列雙螺桿配混擠出機，如圖7所示，該系列擠出機采取雙通道復式筒體冷卻系統，溫度控制更加精準。采用鑄造底座，冷卻真空系統內置，設備穩定性獲得大幅提升，適用于高速、高扭矩、高產量的場合，并且高效低耗、綠色環保。

科倍隆公司研發生產的CTE PLUS系列配混擠出機，如圖8所示，采用最新傳動箱，按照比扭矩7.2Nm/cm3進行設計。內部結構使同向旋轉的雙螺桿緊密嚙合，具有高效率、高性能、結構緊湊、高可靠性等優點。

1.4 螺桿泵

螺桿泵是一種典型的轉子容積式泵，具有流量平穩、壓力脈動小、具有自吸能力強、壽命長、效率高等優點，適合輸送的介質粘度廣泛?？筛鶕嶋H使用工況，對不同的工作介質可以旋轉不同類型的螺桿泵進行輸送。單、雙、五螺桿都屬于非密封型螺桿泵，三螺桿泵屬于密封性螺桿泵，雙螺桿泵可以輸送介質的粘度和濃度不受限制。單螺桿泵可輸送帶有顆粒狀的介質。而三螺桿泵適合在特定場合中輸送清潔、潤滑性和高粘度介質。

螺桿泵是靠螺桿繞各自的軸線進行旋轉和嚙合，從而產生容積的變化，將介質從吸入腔，輸送到排出腔，它的壓力從吸入壓力升高到排出壓力是逐漸增高的，不存在壓力的突變。不同螺桿的性能對比如表2所示。其中三螺桿泵作為螺桿泵的主導類型之一，在工作原理上與單、雙螺桿泵相似，但本質上存在差異。三螺桿泵由20世紀30年代瑞典IMO公司發明，是一種嚴格的密封性螺桿泵。三螺桿泵的特點是流量平穩、壓力脈動小、具有自吸能力、振動小、效率高等。常用于船舶、電力、機床、電梯等領域。其核心工作部件是三根互相嚙合的主、從動螺桿，隨著主動螺桿轉動帶動其他兩根螺桿高速運轉，從而實現了吸、排的工作流程。

國外關于螺桿泵的研究比國內早，由于國內螺桿泵的生產制造起步較晚，對高性能螺桿泵的研究進展比較緩慢。國外的主要螺桿泵企業如表3所示。

2 螺桿端面型線設計研究現狀

早在1981年，國外學者Ryazantsev[3-4]提出了采用圓弧倒鈍方法對三螺桿泵中從動螺桿的尖部進行優化，通過理論計算對不同優化寬度進行了研究對比。并且意大利學者Mimmi G[5]等人對三螺桿泵的螺桿轉子型線用直線倒棱法修型，將齒頂處的尖角修正為鈍角，降低齒頂處的磨損。隨后Okorokov[6]提出對三螺桿泵中主、從動螺桿的尖部都進行圓弧優化的方法。Park S-Y[7]等人提出了一種提高加工精度、縮短加工時間的加工方法，將基于轉子的形狀特征的成型道具應用到非對稱轉子的精加工中，實現非對稱轉子的高效加工。Bae J-H[8]等人對內齒輪泵推導了橢圓1-漸開線-橢圓2型多廓線轉子的形狀函數，利用理論方程預測轉矩和噪聲性能。Tang[9]提出了一種圖形學與分析相結合的新方法——Matlab匿名函數法。揭示了接觸線對螺桿密封性能的影響，研究了漸開線嚙合角對A型雙螺桿泵螺桿接觸線性能的影響。Wei[10-11]利用曲面共軛原理建立雙螺桿捏合機轉子型線設計與螺桿轉子共軛曲面嚙合方程的數學模型，提出一種可對高黏度物料進行輸送、混合及塑化作用的新型雙螺桿捏合機螺桿轉子型線。國內學者蘇步青[12]等人在1973以螺桿泵用擺線和螺旋的設計方法進行解析。李福天[13]對螺桿泵的分類、工作原理、型線設計方法進行了總結，并對單、雙、三和五螺桿泵的端面型線、性能參數和應用場合作了具體研究。曾敏[14]對三螺桿泵螺桿用漸開線方法進行了優化，改善了螺桿的加工工藝。宋超[15]通過對旋風切削理論的研究，對135型螺桿外旋風切削加工進行研究。

3 螺桿數值模擬方法研究現狀

隨著加工技術的不斷提高，人們對高性能的螺桿泵相關產品的需求也越來越高，因此，在對這些螺桿產品的工作研究也在逐漸提高。目前CFD技術在螺桿泵和螺桿空壓機方面的研究逐步增加，如I. Papes[16]對雙螺桿膨脹機的兩種不同方案進行了不同壓力比和轉速的研究。Lyashkov，A.A.[17]用計算機仿真了壓縮機螺桿的盤型刀具加工模擬，并用圖形CAD技術完成了過程計算。Syzrantseva，K.[18]對螺桿泵和螺桿泵的井下電機工作部件之間的多對接觸區的載荷實現了計算仿真。Rane，Sham[19]利用計算流體力學（CFD）建立了雙螺桿壓縮機的三維瞬態流體流動網格，比較了轉子的性能。Seshaiah N，Ghosh S K等[20]對雙螺桿壓縮機進行了數學分析和數值模擬，試驗獲得了傳熱系數;Hsieh S H，Shih Y C等[21]為提出一種數學模型和計算方法，計算噴油螺桿壓縮機內、外轉子的溫度分布，研究了轉子的瞬態熱傳導;Krichel S V，Sawodny O等[22]建立了油浸螺桿壓縮機的動態仿真模型;Cao F，Gao T等[23]提出了雙螺桿壓縮機工作腔內壓力分布的數學模型，得到了多相壓縮工況下的壓力分布數據;Prashanth S R[24]數值分析了雙螺桿擠出機的節距增大或機械間隙減小對粘性耗散率減小的影響;Ding H等[25]利用測試和模擬比較了壓縮機共軛傳熱情況下的熱動力性能。

國內大部分學者如李鵬[26]對同向嚙合雙螺桿擠出機的三維等溫非牛頓進行模擬，得到了組合流道的速度場和壓力場;石兆東等[27]利用有限元法分析了非嚙合雙螺桿擠壓機的內部溫度和流量隨著螺桿轉速和流道兩端壓差增加而逐漸增加的結果;龍志斌等[28]通過數值模擬了螺桿軸向力，即機頭靜壓力和附加軸向力，并用實驗間接測試了螺桿轉子所受的軸向力;岳爽等[29]研究擠出機內部流場壓力和電機扭矩作用對螺桿轉子及內部芯軸的應力、變形的影響;魏靜等[30-31]利用流固耦合技術，分析了新型雙螺桿捏合機在不同轉速和中心距條件下，工作壓力、速度分布、最大切應力、物料速率等特性，扭矩和流體壓力對螺桿應力、變形的影響規律;王天書等[32]研究了四種三螺桿擠出機的組合螺桿的流固耦合作用;操建平、曹剛、王慶楠等[33-35]利用有限元法對單螺桿泵進行了數值模擬分析，通過其溫度場研究了單螺桿泵的溫度分布對轉子的影響;張宇昕，盧濤等[36]研究雙螺桿擠出機雙通道機筒的溫度分布、應力分布和變形。

4 螺桿類產品的發展趨勢

隨著汽車行業向輕量化、綠色化、高效化方向發展，螺桿類產品也向高速、高壓、大功率方向發展，人們對高性能的螺桿產品的需求也大幅度提升，對螺桿產品的加工精度和內部研究也隨之提高。為了克服傳統螺桿產品的缺陷，未來螺桿產品的發展趨勢主要在于：

（1）高精度。螺桿轉子的加工技術和加工方法是保證螺桿產品性能提高的關鍵步驟，目前對螺桿轉子的加工方法主要有銑削和磨削，但是在精度方面還是不能完全控制。因此，復雜型面的螺桿轉子加工工藝是主要的發展方向。

（2）微型化。為了適應現代機械裝備向智能化、綠色化及微型化方向發展，克服傳統的三段式液壓單元的體積大、軸向尺寸大和占用安裝空間等缺點，螺桿產品將實現電機和液壓單元一體化。對于適應不同使用場合的應用將會非常有利，尤其是安裝空間受限、對噪音和振動特別敏感的場合更加適合。

（3）高速率。目前三螺桿泵的速率主要由驅動電機決定，而驅動電機需要通過聯軸器和減速器等來驅動螺桿轉子工作，如果驅動電機的技術獲得發展時，將對螺桿產品的速度和穩定性有很大提升。通過伺服電機技術，對工作機進行集設計，將螺桿產品集成于電機內部，使用電機直驅的方式，可以減少電機能耗，并且增加了螺桿產品的穩定性。

（4）高效節能。在國家深化實施節能減排的趨勢下，各方力量共同努力實現螺桿產品的自身節能、使用工況節能、余能回收三個技術流的發展，實現由整機節能向系統節能、短時節能到持續節能的轉變。

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