1 引言
单螺杆压缩机在理论上是一种十分完美的气体压缩机械。主要在于它体积小，重量轻，振动噪声小，新制机器在刚投入运行的一段时间内容积效率高，泄漏少，同等级制造精度下的比能耗明显小于其他螺杆或滑片压缩机。文献[1]介绍了2009年国家工信部列出的机械产品节能目录中，空压机行业共有11个型号产品列入其中，其中11个型号产品全部是单螺杆空压机，而当时的单螺杆空压机产品仅占全国回转式空压机年产量的5%以下。
迄今为止，市场上大量销售和运行的国内外单螺杆空压机都属于单直线（圆柱） 啮合的传统产品，绝大多数机器在投入运行一两年后，流量就明显下降达10%以上。同时，也常有不少机器出现轴承异常损毁窜动和星轮擦伤断裂等现象，甚至发生机壳侧窗被星轮撞裂的事故（图1）。致使单螺杆空压机近年来声誉大跌，有不少单螺杆制造商减产或停业，或转向经营双螺杆及其他产品。有不少制造商的产品销售广告把单螺杆压缩机的‘单’字去掉，以回避众人之嫌。为此，我们不得不对十几年来单螺杆压缩机在我国的发展过程进行反思。
2 单螺杆产品市场沉浮的原因分析
单螺杆压缩机市场低占有率的主要原因简要如下：
（1）单螺杆压缩机自50年前发明以来，国外的单螺杆啮合技术就没有多少进步和发展，至今国外公司几乎全部采用的是单直线啮合的螺杆-星轮摩擦副[2]，偶尔也有一些制造商采用单圆柱包络的啮合副——实际上其星轮齿面上的圆柱包络区域很小，与单直线（棱） 线啮合效果相差无几（图2）。因此，星轮齿面及螺杆齿槽容易磨损，造成整机流量明显下降是不争的事实。
（2） 我国近20年来的单螺杆压缩机制造商主要集中在浙江、上海和广东一代。他们在30年前“北一通单螺杆技术”的基础上，对螺杆和星轮加工机床的精度和加工效率进行改进，采用了高耐磨性的PEEK材料做星轮片，使单螺杆压缩机的流量稳定性和可靠性有了明显提高，2001年以来在国内市场上有了一席之地[3-4]。当时单螺杆制造商们利用单螺杆优秀的作用原理过度夸大宣传，使广大压缩机用户信以为真，单螺杆市场迎来了黄金的十年。十年中，广大用户经过大量运行实践发现，大多数机器的流量在数百或数千小时后明显下降。奈何几乎所有用户现场都没有安装流量测量仪表，无从申诉制造商的质保承诺。更为严重的是，不少单螺杆压缩机星轮异常损毁窜动，致使星轮片被机壳窗口异常碰断，星轮齿架被螺槽咬死剪断，电机线圈烧毁等。从2012年以来，单螺杆的市场就急转直下，声誉大跌。
（3） 尽管如此，多数单螺杆制造商们仍然高调声称其产品是无比的可靠，从来不承认自身存在的致命缺陷。本文作者作为单螺杆压缩机的研究人员，也曾试图接触几家制造商来了解或协助解决面临的问题，但是都被“我们的产品质量很好”所回绝。这种既无关键新技术，又不承认自身产品性能缺点的企业，怎么能生产出高技术、高质量的产品呢？又如何能支撑单螺杆产品市场不下滑呢？
（4） 反观竞争优势明显的双螺杆空压机行业，经过国内外80余年的大力发展，特别是在近30年来国内大量引进国外型线技术和加工装备，国外公司直接地进入中国市场，国内数十家企业大量投资进行螺杆压缩机的产品开发和提升，使得螺杆压缩机性能稳定提升，产品成本显著下降。自然而然对单螺杆产品构成“弱肉强食”之势。同时也应该看到，成熟的螺杆压缩机技术和产品已经使自身的发展潜力和发展空间变小，转向低价主导的恶性竞争。如果单螺杆能够藉助于自身先
天优势，采用最新技术全力改变自身的星轮磨损、星轮齿及轴承的损毁、制造成本高的系列缺陷，反过来又会对螺杆压缩机构成强势挑战。所需要的技术方案已经在国内外多次发表[5-6]。
3 转折单螺杆命运的喷液悬浮啮合技术
喷液悬浮啮合技术是基于多圆柱展成包络螺杆齿面来实现的。该理论的提出关键在于摒弃单螺杆研究中固化思维方式———即认为螺杆齿槽只可能靠单直线关键在于摒弃单螺杆研究中固化思维方式———即认为螺杆齿槽只可能靠单直线的车刀车削或一根棒铣刀铣削加工，图2示出了国内外惯用的单直线型线的星轮与螺杆齿槽啮合的过程。
所谓多圆柱包络型线，就是以实现最优润滑摩擦和最小气体泄漏为原则进行构造的型线，并且采用不同方位的圆柱铣刀对同一个齿槽反复加工，近似地实现星轮齿与螺杆齿槽为稳定的曲面啮合。图3给出了多圆柱包络型线的星轮与螺杆齿面构造。
图4给出了多圆柱包络的螺杆和星轮的啮合过程。按照楔形面高速滑动形成动力液膜的直观概念，星轮片在螺槽下部位置时，齿槽斜度较陡，星轮齿的右侧接触点上部形成较长的收敛型楔形区域，推断可以形成承载力大的较厚液膜，此时的星轮片左侧齿上部接触点上部难以形成楔形区域，液膜的厚度和承载力很差；当星轮移动至齿槽的中部
位置时，两侧的接触点以上都能形成适当的楔形区域和适度的液膜厚度与承载能力；当星轮片移动到齿槽上端，此时的星轮齿右侧可以形成良好液膜和承载能力，而星轮齿的左侧难以形成液膜和承载能力。也就是说，星轮齿与螺槽相互滑动中形成润滑液膜的能力随位置不同而变化。在实际压缩机中，一个齿槽中星轮齿的3个不同位置，可以等同于3个星轮齿同一时刻在3个齿槽中的啮合过程，如图5所示。且3个星轮齿在圆周方向是一个整体。综合分析3个星轮齿左侧或者右侧的液膜形成趋向，显然是有好有坏，及各个齿的同侧液膜可以相互依赖，相互约束，两侧总体效果相当，这就保证了星轮总体液膜的稳定性和星轮的耐磨性[7]。而3个单直线包络的星轮片同时在3个齿槽中滑动时，每一个都没有动力液膜形成的机制，磨损几乎成为必然。当然也有极个别单直线星轮齿左右受力恰巧平衡，长期不发生磨损。但不能以此作为单直线“型线优秀”的理由。
论文作者研究团队与西安交大思源科技股份公司、柳工压缩机公司、好米动力设备公司（上海）等多家企业合作，研制出数10台喷油和喷水的单螺杆压缩机，进行实验测试和工业应用、实验结果超出了我们的预期。
对于喷油单螺杆机，我们全部采用铸铁作为星轮片材料（图6），多台数千小时的满负荷试验运行和工业试验结果证明，无一例发生星轮磨损和流量下降。而国内多家研发者采用铸铁星轮片则在数小时内就出现流量下降和明显磨损。
对于喷水润滑单螺杆机，本研究团队采用PEEK星轮片，数10台样机的2000~8000 h的型式试验和工业运行证明，无一例发生磨损和流量下降。同时需要指出，伴随着喷液悬浮啮合的多圆柱包络型线的研发，一种高速高精度加工单螺杆齿槽和星轮的数控专机铣床也已经投入工业应用。它们可以使得单螺杆啮合副的加工成本降低六成以上[8-9]。
4 专治星轮片损毁及其轴承窜动的“防液击技术”
单螺杆压缩机在运行中常发生星轮轴承损坏，星轮片被扫断齿或齿面擦伤齿面的情况，图1为某国外公司制冷机星轮齿被全部扫断的图片。几乎所有的制造商都把原因归结为：由于星轮在开车启动时，星轮缺油而发生磨损，星轮磨损又引起啮合错位，破坏了星轮齿架和星轮轴承等。
与供应商们上述推断截然不同，本文作者经过多台机器实验和深入分析发现：单螺杆压缩机运行停车后，多有不易启动的现象。压缩机的啮合副密封性越好，停机后存储在机壳内的液体越多，就越难以盘车和启动。50多年来，没有人研究其原因和解决方案，致使单螺杆的星轮轴承和星轮片频繁损毁，也常发生烧毁电机线圈的现象。
按照单螺杆压缩机的受力分析，其转子轴承受到的轴向力和径向力（不计重力） 为零，星轮上的轴向力和径向力仅是双螺杆轴承受力的1/5以下，轴承连续运行5~10年是绝对没有问题的。而今，发生星轮及轴承严重损坏，必有蹊跷！分析单螺杆压缩腔作用原理可知，单螺杆压缩机的排气口设置在机壳的两侧，当压缩机停机后，机壳内的残留液体沉到螺杆壳体的下侧，如图7所示。这些液体也必然钻进螺杆齿槽，下次开机后被星轮片封闭推向排气孔口，如果齿槽中液体较多时，在未与排气口连通时就发生液击。
许多大容量的单螺杆容易发生这样的液击和星轮损毁，有时也烧毁电机线圈。多数情况下，存储在齿槽容积内的液体会比齿槽压缩终了的容积要小，不至于发生启动闷车现象，但是齿槽内的压力大大超出排气压力，使星轮和轴承遭受到巨大的轴向推力，反复的启动使得轴承反复受伤，而又反复运行，逐渐地使得轴承轴向间隙增大至大幅窜动。造成啮合副错位，引起星轮齿异常磨损和被小块割切，或者轮齿咬断，甚至机壳撞裂。
单螺杆压缩机特有的液击现象是造成星轮结构恶性故障的罪魁祸首，彻底消除液击的解决方案也十分简单[10]：
（1）停机时机壳内少存液；（2）开机后先设置倒转几圈，再立即正转投入运行；（3）在吸气腔内设置低位活动容积，停机后容腔变小接纳机壳内的液体，开机以后容腔变大排出液体。大量的工程实践已经证明本方法可轻松消除轴承损坏及其星轮故障，保证轴承连续运行5年以上也完好无损。
5 结论
（1） 近十余年来，国内多数单螺杆制造商漠视产品的主要重要性能缺陷，刻意夸大宣传的经营方式，几乎把单螺杆压缩机引入了绝境，大有“压城欲摧”之势，尽管单螺杆压缩机在理论上性能完美。
（2） 最新推广的单螺杆喷液悬浮啮合技术和消除星轮液击技术，能够彻底消除传统单螺杆的星轮磨损、轮齿损毁和轴承失效窜动问题，保证压缩机主机至少3万小时以上的安全、可靠、恒定流量和无故障运行。由此来开发低成本的高压单螺杆，水润滑单螺杆机型，将独占鳌头。上述系列技术已经在西安交大思源科技股份公司、柳工压缩机公司和好米动力设备公司投入产品开发和应用，运行考验结果令人振奋。
（3）单螺杆的最新加工装备和技术将保证高精度、高效率，使单螺杆压缩机的螺杆和星轮的加工成本降低60%以上。这些技术保证单螺杆压缩机命运的大转折。
参考文献：
[1] 郑家强，陈向东，赵跃进.新国家标准《一般用喷油单螺杆空气压缩机》分析[J].压缩机世界，2010，（6）.
[2] 陈蔚风.单螺杆压缩机的发展历程与展望[J].制冷与空调，2010，（8）
[3] 査谦，邓谦，等.单螺杆压缩机的新进展[J].压缩机技术，2002，（2）.
[4] 郑雷飞，夏振鹏.我国单螺杆压缩机的发展历程与进展[J].压缩机技术，2006，（2）.
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Profile in a Single Screw Compressor[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A：Journal of Power and Energy，2015，229（2）：139-150.
[6] 吴伟烽，冯全科，黄锐，李健.单螺杆压缩机星轮齿理论型面的研究[J].压缩机技术，2011，（06）：1-5.
[7] Li Ting，Wang ZL，Huang R，et al.Theoretical Analysis of Loads on the Gate Rotor Bearings in the Single Screw
Compressor [C].In：8th International Conference on Com pressors and their Systemsat in London，2013：9-10.
[8] 冯全科，吴伟烽，赵忖，等.一种用于加工单螺杆压缩机转子的铣床[P].中国，ZL 200810150033.9.2008.
[9] 黄锐，赵忖，李健，吴伟锋，余小玲，冯全科.一种单螺杆压缩机星轮加工机床[P].
[10] 冯全科，黄锐，刘飞龙，余小玲，吴伟锋.用于喷液冷却式单螺杆压缩机的防液击装置[P].
作者简介：
冯全科（1953-），男，陕西凤翔人，现任西安交通大学能动学院教授，博士学位，研究方向为制冷及低温设备的优化设计与可靠性研究；冷中子源和超冷中子源的热物理工作过程与设计理论
研究；新一代单螺杆压缩机啮合型线设计，制造装备与工艺技术研究；压缩机的管路振动与气流脉动，曲轴扭振理论研究；舰艇用高压缩机设计技术研究；大型高压迷宫压缩机密封磁悬浮技术研究。E-mail：qkfeng@mail.xjtu.edu.cn
公众号：ysjjs_1963
