Синтез геометрии винтовых роторов с переменными параметрами и обоснование технологии их изготовления

• Автор: Васьков, Михаил Николаевич
• Шифр специальности: 05.02.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Новоуральск
• Количество страниц: 108 с. : ил.

1 Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1 Кратко о существующих конструкциях компрессоров
1.2 Виды объемных компрессоров
1.3 Патенты на компрессоры с переменными геометрическими параметрами роторов
1.4 Обзор рынка компрессорной техники
1.5 Компрессор Лисхольма
1.6 Винтовой компрессор-экспандер с роторами с переменными параметрами
1.7 Выводы по разделу
2 Метод синтеза сопряженного зацепления винтовых поверхностей
2.1 О методах расчета сопряженных поверхностей
2.2 Выбор геометрических параметров сопряженных винтовых роторов, обеспечивающих формирование герметичной полости
2.3 Представление винтовой поверхности
2.4 Синтез сопряженного зацепления винтовых поверхностей по известной
линии контакта
2.5 Представление винтовой поверхности с переменными геометрическими параметрами
2.6 Выводы по разделу
3 Изготовление винтовых роторов
3.1 Методы изготовления винтовых роторов компрессора Лисхольма
3.2 Постановка задачи обработки
3.3 Геометрия инструмента
3.4 Выбор геометрических параметров концевой фрезы
3.5 Определение положения инструмента
3.6 Изготовление роторов с переменным шагом
3.7 Стратегия обработки
3.8 Проверка правильности положений фрезы при обработке винтовых поверхностей
3.9 Выводы по разделу
4 Методика и программное обеспечение для расчета и изготовления винтовых
роторов
4.1 Понятие проекта
4.2 Выбор параметров винтовых поверхностей
4.3 Расчет «опорных точек» положений фрезы при обработке
4.4 Выводы по разделу
5 Экспериментальное исследование характеристик винтовых компрессоров
5.1 Контроль геометрических параметров винтовых поверхностей роторов
5.2 Измерение площадей эквивалентных щелей
5.3 Определение напор-расходной характеристики компрессора-экспандера
5.4 Выводы по разделу
Заключение
Литература

Процессы сжатия и расширения газов и паров широко используются в современной технике. Двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, турбины, насосы - диапазон практического применения объемных процессов чрезвычайно велик [1, 76]. Следовательно, совершенствование машин для осуществления этих процессов является одной из приоритетных технических задач.
В последние десятилетия получил развитие новый тип объемной машины -винтовой компрессор [30, 37, 67, 80]. Рабочими органами винтового компрессора являются вращающиеся в разные стороны роторы - цилиндры, на которых выполнены винтовые впадины. Роторы располагаются с частичным перекрытием (зубья одного ротора заходят во впадины другого) и помещены в цилиндрические расточки корпуса. Форма винтовой поверхности роторов подбирается такой, чтобы на любой стадии вращения между ними существовала непрерывная линия контакта. Термин «линия контакта роторов» носит условный характер, поскольку в действительности винтовые роторы не касаются друг друга. Вместе с тем, если рассматривать взаимодействие теоретических профилей роторов, то вполне допустимо говорить о контакте винтовых роторов. Во впадинах между винтовыми зубьями роторов образуются теоретически герметичные полости, ограниченные элементами корпуса и линиями контакта роторов. На практике полости компрессора сообщаются через зазоры между винтовыми роторами и корпусом. При вращении роторов эти полости перемещаются в осевом направлении, перекачивая газ из области низкого давления в область высокого. Если объем полости изменяется по длине ротора, происходит сжатие (в компрессорах) или расширение газа (в экспандерах).
Винтовые машины являются обратимыми устройствами: при приведении во вращение роторов происходит сжатие газа (механическая энергия вращения роторов переходит в потенциальную энергию сжатого газа), а при подаче сжатого газа в полость высокого давления компрессора вращаются роторы (энергия сжатого газа переходит в механическую энергию вращения роторов) [30].
Главной особенностью винтового компрессора является отсутствие механического трения между рабочими винтовыми поверхностями винтовых роторов, а также между роторами и корпусом (за счет использования синхронизирующих шестерен) и отсутствие деталей, совершающих возвратноогибания. Подавляющее большинство крупных предприятий, как английская фирма Но1гоуф немецкая ЕШег, российское предприятие Казанькомпрессормаш, изготавливающих винтовые роторы для винтовых компрессоров, используют дисковые фасонные фрезы для черновой обработки роторов. В качестве чистовой обработки используется шлифование профильными кругами.
При использовании строгальных станков фирмы «Адольф Волдрих» возможно проведение обработки винтовых поверхностей строганием. Строгание производится одним или несколькими резцами (в зависимости от глубины профиля). При установке нескольких резцов они следуют один за другим.
Подобный способ изготовления, наряду с высокой производительностью и приемлемой точностью обработки, обладают следующим недостатком: высокой трудоемкостью изготовления и, соответственно, стоимостью инструмента -фасонной дисковой фрезы. При проведении НИР по выбору профилей роторов, образующих теоретически герметичную полость с перекачиваемым газом, существенным фактором являлась необходимость изготовления винтовых поверхностей с различными профилями зубьев одинаковым, желательно, стандартным- (например, концевой цилиндрической фрезой) инструментом. Подобное решение позволило бы исключить потребность в изготовлении фасонного инструмента и, как следствие, сократить общие затраты времени на проведение НИР.
Существенно, что изготовить роторы с переменным шагом дисковым инструментом невозможно. Для изготовления подобных роторов требуется применение также цилиндрической концевой фрезы.
Принимая во внимание опыт изготовления червяков различного типа [33, 64, 69] в мелкосерийном и единичном производстве методами точения профильными резцами, можно сделать вывод о технологической сложности изготовления винтовых пазов большой глубины. Важным ограничением такого способа при проведении НИР также является необходимость изготавливать дорогостоящий инструмент для каждого типа изготавливаемого ротора.
Разработка способа изготовления винтовых зубчатых колес с различными профилями зубьев одинаковым инструментом (концевой цилиндрической фрезой) позволит сократить затраты на изготовление дорогостоящего фасонного дискового инструмента и время подготовки производства. Более того, применение концевой цилиндрической фрезы позволяет в некоторых случаях исключить