螺杆类产品及其在汽车行业中的应用

朱博文 赵永强

摘 要：目前随着螺杆类产品的技术发展和应用，汽车空调、汽车发动机、车内循环系统、油料供给和制动系统等都引入了螺杆类产品。文章对比了螺杆类产品及其特点、性能要求及应用场合。介绍了国内外螺杆类产品的研究现状及其相关研究方法。最后，展望螺杆类产品在汽车行业的应用和发展趋势。

关键词：螺杆;螺杆压缩机;螺杆泵;螺杆膨胀机;螺杆挤出机

中图分类号：TH16  文献标识码：A  文章编号：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

螺桿类产品对汽车行业中的应用场合有着独特的优势，如空调和车内部循环系统可以通过螺杆压缩机来完成，而输送泵和水泵可以利用螺杆泵来完成，车内的塑料零件可以通过螺杆挤出机来完成，因此螺杆类产品的发展速度也决定着汽车行业的发展速度。本文将介绍螺杆类产品的现状。

螺杆类产品的工作原理是通过电机的驱动主动（阳）螺杆转子，从而带动从动（阴）螺杆转子，通过螺旋运动使介质从吸入端进行输送或者压缩到另一端的排出端。不同的螺杆产品可以实现不同介质的输送过程，比如螺杆压缩机、螺杆膨胀机、螺杆挤出机和螺杆泵等，这四类产品的主要特征对比如表1所示。通过对比可以看出，每个螺杆类产品应用领域不同，但主要是结构都很相似。

现阶段对螺杆类产品的一系列的优化和设计主要围绕螺杆转子的端面型线，根据对螺杆转子的型线进行优化，能够提高螺杆类产品的工作效率。随着现代工业和装备制造业的快速发展，人们对高性能的螺杆类产品要求越来越高，因此，在设计和生产螺杆类产品时，必须要考虑到螺杆类产品的工作性能和工作效率。

1 螺杆类产品的特点和研究现状

螺杆类产品由于其独特的结构特性，被广泛应用于各个领域，作为一种典型的螺杆机械（螺杆压缩机、螺杆膨胀机、螺杆挤出机和螺杆泵），它们的优点主要体现在以下方面。

（1）可靠性高。由于所需零部件少，没有易损件，因此在工作运转时寿命较长。

（2）适应性强。螺杆产品具有在宽广的工况范围内能保持较高的效率，适用于多种工况，所以易于定型批量生产。

（3）多相混输。双螺杆压缩机、双螺杆泵都可以实现混合介质的输送，并且双螺杆泵可以实现液、气、固体的混合输送。

（4）高扭矩、高转速。目前，世界上的螺杆产品都在向着高扭矩、高转速、低能耗方向发展，高转速带来的效果即是高生产率。而螺杆压缩机、螺杆泵等产品都是可以是实现高转速和高扭矩的运动。

（5）应用范围广。螺杆产品可用于多种领域，多用于船舶、电力、机床、电梯等场合。

1.1 螺杆压缩机的研究现状

螺杆压缩机分为单螺杆和双螺杆压缩机，在1878年由德国人H.Krigar提出，到1934年开始在工业上应用。双螺杆压缩机因其独特的优势被广泛应用于众多行业，尤其在石油、化工企业的可燃气回收输送过程中发挥着不可或缺的作用，相比于其他类型的压缩机的主要优点是运动部件的运动方式为纯旋转运动。双螺杆压缩机的工作过程分为3个步骤，首先是吸气过程，当转子转动时，齿槽容积随转子旋转而逐渐扩大，并和吸入口相连通，气体通过孔口进入齿槽容积进行气体的吸入过程。在转子旋转到一定角度以后，齿间容积越过吸入孔口位置与吸入孔口断开，吸入过程结束。然后为压缩过程，当转子继续转动时，被机体、吸气端座和排气端座所封闭的齿槽内的气体，由于阴、阳转子的相互啮合和齿间相互填塞而被压向排气端，同时压力逐步升高进行压缩过程。最后为排气过程，当转子转到齿间容积与机壳排气口相通时，被压缩之气体开始排出，这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合，此时齿间容积为零，气体被完全排出，即完成“排气过程”[1]。

国外的一些企业和机构在很早之前开始对螺杆压缩机进行研发。如瑞典的阿特拉斯·科普柯公司、英格索兰公司、美国的寿力公司和德国凯撒公司等。

瑞典的阿特拉斯·科普柯公司生产的螺杆压缩机被中国国内广泛使用。如图1所示，为GA7-37VSD+系列压缩机，其特点在于提高了能效，降低了能耗，降低了噪音等级，减少了运行成本。

英格索兰公司是最早在中国生产螺杆压缩机的公司，该公司的市场占有率仅次于阿特拉斯。基于IR坚固可靠的主机，螺杆式压缩机拥有一些独特的性能，以增加其运行的可靠性。如图2所示，为Nirvana变速无油螺杆压缩机，该压缩机增强了可靠性，有不锈钢组件，双通气密封件和带有先进UltraCoat保护的精密机加工转子确保无故障运行，并且长寿命组件设计用于承受46?C的最高环境温度。

1.2 螺杆膨胀机的研究现状

螺杆膨胀机是依靠气体体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，将热能转换为机械能的一种热机。是21世纪获得长足发展的一种新兴动力机械，可广泛应用于工业余热回收、地热发电、生物质发电等领域，可直接驱动发电机，也可直接拖动泵、风机等机械设备。通常所称的螺杆膨胀机指双螺杆膨胀机，与汽轮机、内燃机等热机相比，螺杆膨胀机的发展历程较短，是一种比较新颖的热动力机械。螺杆膨胀机按螺杆压缩机的逆原理工作，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等极少的零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地臵于气缸中。

关于螺杆膨胀机的产品企业有美国ACD公司、瑞典的阿特拉斯和法国低温星等。这些企业对膨胀机的研究和生产已经非常的成熟。

美国ACD公司在高效膨胀机的设计和制造方面拥有50多年的经验。如图3所示为ACD公司的TC系列膨胀机，它的膨胀效率低至90%，膨胀机压力比低至24：1，其特点为高效、低温和增压，在结构设计上为紧密耦合设计。

法国低温星公司于1966年在瑞士成立，对低温系统装置有很久远的研究。如图4所示为TC300系列膨胀机，其特点在于峰值可变进口导叶和提高了工作范围的效率。流量高达250万Nm3/h（550 kg/s），压力高达200bar，膨胀机温度-270℃至+200℃。

1.3 螺杆挤出机

挤出机广泛应用，可适用于多种物料的加工，是一种高性能的机械设备。双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几个部分组成，各部件的作用与单螺杆挤出机相似，其结构如图5所示。与单螺杆挤出机的区别之处在于双螺杆挤出机中有两根平行的螺杆置于“∞”形截面的料简。

从运动原理来看，双螺杆挤出机中同向啮合和异向啮合及非啮合型是不同的。

同向嚙合型双螺杆挤出机，这类挤出机有低速和高速两种，前者主要用于型材挤出，而后者用于特种聚合物加工操作。（1）紧密啮合式挤出机。低速挤出机具有紧密啮合式螺杆几何形状，其中一根螺杆的螺棱外形与另一根螺杆的螺棱外形紧密配合，即共轭螺杆外形。（2）自洁式挤出机。高速同向挤出机具有紧密匹配的螺棱外形。可将这种螺杆设计成具有相当小的螺杆间隙，使螺杆具有密闭式自洁作用，这种双螺杆挤出机称为紧密自洁同向旋转式双螺杆挤出机。

异向啮合型双螺杆挤出机，紧密啮合异向旋转式双螺杆挤出机的两螺杆螺槽之间的空隙很小（比同向啮合型双螺杆挤出机中的空隙小很多），因此可达到正向的输送特性。

国内有很多企业从事于双螺杆挤出机的研究开发，比较知名的有南京科亚公司、南京瑞亚公司和科倍隆公司等。这些公司都积极投入资金进行螺杆挤出机的研究。

如南京科亚公司通过多年努力，成功开发了AK系列双螺杆配混挤出机，如图7所示，该系列挤出机采取双通道复式筒体冷却系统，温度控制更加精准。采用铸造底座，冷却真空系统内置，设备稳定性获得大幅提升，适用于高速、高扭矩、高产量的场合，并且高效低耗、绿色环保。

科倍隆公司研发生产的CTE PLUS系列配混挤出机，如图8所示，采用最新传动箱，按照比扭矩7.2Nm/cm3进行设计。内部结构使同向旋转的双螺杆紧密啮合，具有高效率、高性能、结构紧凑、高可靠性等优点。

1.4 螺杆泵

螺杆泵是一种典型的转子容积式泵，具有流量平稳、压力脉动小、具有自吸能力强、寿命长、效率高等优点，适合输送的介质粘度广泛。可根据实际使用工况，对不同的工作介质可以旋转不同类型的螺杆泵进行输送。单、双、五螺杆都属于非密封型螺杆泵，三螺杆泵属于密封性螺杆泵，双螺杆泵可以输送介质的粘度和浓度不受限制。单螺杆泵可输送带有颗粒状的介质。而三螺杆泵适合在特定场合中输送清洁、润滑性和高粘度介质。

螺杆泵是靠螺杆绕各自的轴线进行旋转和啮合，从而产生容积的变化，将介质从吸入腔，输送到排出腔，它的压力从吸入压力升高到排出压力是逐渐增高的，不存在压力的突变。不同螺杆的性能对比如表2所示。其中三螺杆泵作为螺杆泵的主导类型之一，在工作原理上与单、双螺杆泵相似，但本质上存在差异。三螺杆泵由20世纪30年代瑞典IMO公司发明，是一种严格的密封性螺杆泵。三螺杆泵的特点是流量平稳、压力脉动小、具有自吸能力、振动小、效率高等。常用于船舶、电力、机床、电梯等领域。其核心工作部件是三根互相啮合的主、从动螺杆，随着主动螺杆转动带动其他两根螺杆高速运转，从而实现了吸、排的工作流程。

国外关于螺杆泵的研究比国内早，由于国内螺杆泵的生产制造起步较晚，对高性能螺杆泵的研究进展比较缓慢。国外的主要螺杆泵企业如表3所示。

2 螺杆端面型线设计研究现状

早在1981年，国外学者Ryazantsev[3-4]提出了采用圆弧倒钝方法对三螺杆泵中从动螺杆的尖部进行优化，通过理论计算对不同优化宽度进行了研究对比。并且意大利学者Mimmi G[5]等人对三螺杆泵的螺杆转子型线用直线倒棱法修型，将齿顶处的尖角修正为钝角，降低齿顶处的磨损。随后Okorokov[6]提出对三螺杆泵中主、从动螺杆的尖部都进行圆弧优化的方法。Park S-Y[7]等人提出了一种提高加工精度、缩短加工时间的加工方法，将基于转子的形状特征的成型道具应用到非对称转子的精加工中，实现非对称转子的高效加工。Bae J-H[8]等人对内齿轮泵推导了椭圆1-渐开线-椭圆2型多廓线转子的形状函数，利用理论方程预测转矩和噪声性能。Tang[9]提出了一种图形学与分析相结合的新方法——Matlab匿名函数法。揭示了接触线对螺杆密封性能的影响，研究了渐开线啮合角对A型双螺杆泵螺杆接触线性能的影响。Wei[10-11]利用曲面共轭原理建立双螺杆捏合机转子型线设计与螺杆转子共轭曲面啮合方程的数学模型，提出一种可对高黏度物料进行输送、混合及塑化作用的新型双螺杆捏合机螺杆转子型线。国内学者苏步青[12]等人在1973以螺杆泵用摆线和螺旋的设计方法进行解析。李福天[13]对螺杆泵的分类、工作原理、型线设计方法进行了总结，并对单、双、三和五螺杆泵的端面型线、性能参数和应用场合作了具体研究。曾敏[14]对三螺杆泵螺杆用渐开线方法进行了优化，改善了螺杆的加工工艺。宋超[15]通过对旋风切削理论的研究，对135型螺杆外旋风切削加工进行研究。

3 螺杆数值模拟方法研究现状

随着加工技术的不断提高，人们对高性能的螺杆泵相关产品的需求也越来越高，因此，在对这些螺杆产品的工作研究也在逐渐提高。目前CFD技术在螺杆泵和螺杆空压机方面的研究逐步增加，如I. Papes[16]对双螺杆膨胀机的两种不同方案进行了不同压力比和转速的研究。Lyashkov，A.A.[17]用计算机仿真了压缩机螺杆的盘型刀具加工模拟，并用图形CAD技术完成了过程计算。Syzrantseva，K.[18]对螺杆泵和螺杆泵的井下电机工作部件之间的多对接触区的载荷实现了计算仿真。Rane，Sham[19]利用计算流体力学（CFD）建立了双螺杆压缩机的三维瞬态流体流动网格，比较了转子的性能。Seshaiah N，Ghosh S K等[20]对双螺杆压缩机进行了数学分析和数值模拟，试验获得了传热系数;Hsieh S H，Shih Y C等[21]为提出一种数学模型和计算方法，计算喷油螺杆压缩机内、外转子的温度分布，研究了转子的瞬态热传导;Krichel S V，Sawodny O等[22]建立了油浸螺杆压缩机的动态仿真模型;Cao F，Gao T等[23]提出了雙螺杆压缩机工作腔内压力分布的数学模型，得到了多相压缩工况下的压力分布数据;Prashanth S R[24]数值分析了双螺杆挤出机的节距增大或机械间隙减小对粘性耗散率减小的影响;Ding H等[25]利用测试和模拟比较了压缩机共轭传热情况下的热动力性能。

国内大部分学者如李鹏[26]对同向啮合双螺杆挤出机的三维等温非牛顿进行模拟，得到了组合流道的速度场和压力场;石兆东等[27]利用有限元法分析了非啮合双螺杆挤压机的内部温度和流量随着螺杆转速和流道两端压差增加而逐渐增加的结果;龙志斌等[28]通过数值模拟了螺杆轴向力，即机头静压力和附加轴向力，并用实验间接测试了螺杆转子所受的轴向力;岳爽等[29]研究挤出机内部流场压力和电机扭矩作用对螺杆转子及内部芯轴的应力、变形的影响;魏静等[30-31]利用流固耦合技术，分析了新型双螺杆捏合机在不同转速和中心距条件下，工作压力、速度分布、最大切应力、物料速率等特性，扭矩和流体压力对螺杆应力、变形的影响规律;王天书等[32]研究了四种三螺杆挤出机的组合螺杆的流固耦合作用;操建平、曹刚、王庆楠等[33-35]利用有限元法对单螺杆泵进行了数值模拟分析，通过其温度场研究了单螺杆泵的温度分布对转子的影响;张宇昕，卢涛等[36]研究双螺杆挤出机双通道机筒的温度分布、应力分布和变形。

4 螺杆类产品的发展趋势

随着汽车行业向轻量化、绿色化、高效化方向发展，螺杆类产品也向高速、高压、大功率方向发展，人们对高性能的螺杆产品的需求也大幅度提升，对螺杆产品的加工精度和内部研究也随之提高。为了克服传统螺杆产品的缺陷，未来螺杆产品的发展趋势主要在于：

（1）高精度。螺杆转子的加工技术和加工方法是保证螺杆产品性能提高的关键步骤，目前对螺杆转子的加工方法主要有铣削和磨削，但是在精度方面还是不能完全控制。因此，复杂型面的螺杆转子加工工艺是主要的发展方向。

（2）微型化。为了适应现代机械装备向智能化、绿色化及微型化方向发展，克服传统的三段式液压单元的体积大、轴向尺寸大和占用安装空间等缺点，螺杆产品将实现电机和液压单元一体化。对于适应不同使用场合的应用将会非常有利，尤其是安装空间受限、对噪音和振动特别敏感的场合更加适合。

（3）高速率。目前三螺杆泵的速率主要由驱动电机决定，而驱动电机需要通过联轴器和减速器等来驱动螺杆转子工作，如果驱动电机的技术获得发展时，将对螺杆产品的速度和稳定性有很大提升。通过伺服电机技术，对工作机进行集设计，将螺杆产品集成于电机内部，使用电机直驱的方式，可以减少电机能耗，并且增加了螺杆产品的稳定性。

（4）高效节能。在国家深化实施节能减排的趋势下，各方力量共同努力实现螺杆产品的自身节能、使用工况节能、余能回收三个技术流的发展，实现由整机节能向系统节能、短时节能到持续节能的转变。

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