離心壓縮機(jī)和各種螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子都用什么材料制造？有什么講究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，螺桿壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子材料現(xiàn)今有了很大進(jìn)步和變化，作者對(duì)此做過(guò)一些研究試驗(yàn)，此文略談一二。

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子多用不銹鋼制作，但在氫電池汽車上的離心空壓機(jī)卻有人采用鋁合金制作轉(zhuǎn)子，而與此接近的汽車增壓器卻普遍用不銹鋼制作轉(zhuǎn)子。

由于氫電池汽車上的離心空壓機(jī)體積要求更小，轉(zhuǎn)速要求更高，人們覺得使用高強(qiáng)度鋁合金制作轉(zhuǎn)子更為合適。

對(duì)這種離心壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，減小轉(zhuǎn)子振動(dòng)是非常重要的，這種壓縮機(jī)的最大轉(zhuǎn)速高達(dá)14.4萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘或16萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘。用鋁合金制作的轉(zhuǎn)子，由于不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，與相同尺寸的不銹鋼制作轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力比較會(huì)減小2倍，也就是用鋁合金制作的轉(zhuǎn)子由于相同不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力只有相同尺寸不銹鋼轉(zhuǎn)子離心力的三分之一，由此產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)大大減輕。這是鋁合金轉(zhuǎn)子優(yōu)于其它材料轉(zhuǎn)子難得的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于小型離心空壓機(jī)來(lái)說(shuō)，這種鋁合金轉(zhuǎn)子具有彈性好、重量輕、易加工和成本低的優(yōu)勢(shì)。

雙螺桿壓縮機(jī)發(fā)展初期，外國(guó)人主要用易切削鋼制作噴油雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)中國(guó)人大量買進(jìn)英國(guó)的螺桿轉(zhuǎn)子專用銑床后，覺得中國(guó)的球墨鑄鐵不論是切削性能，還是加工量都優(yōu)于易切削鋼轉(zhuǎn)子，而且成本較低，因而國(guó)內(nèi)噴油螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)而多普遍采用球墨鑄鐵制作。由于我國(guó)稀土元素豐富，稀土球墨鑄鐵技術(shù)成熟，球墨鑄鐵轉(zhuǎn)子就成為中國(guó)特色的螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。

噴油雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在油氣兩相物混合狀態(tài)下工作。在工作中，由于氣力和液力聯(lián)合作用，油氣被均勻的噴射到壓縮機(jī)各基元容積的同時(shí)，也噴撒到轉(zhuǎn)子和機(jī)體表面，形成保護(hù)層，并且高速流動(dòng)的空氣和潤(rùn)滑油又把轉(zhuǎn)子表面的微小粒子沖刷干凈。雖然球墨鑄鐵表面不如鋼制轉(zhuǎn)子表面細(xì)密，但仍能勝任轉(zhuǎn)子的功能。

螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子工作的可靠性程度是由軸承的精度保證的，現(xiàn)在看來(lái)，鋼制轉(zhuǎn)子和球墨鑄鐵轉(zhuǎn)子幾乎沒有很大差別。

對(duì)于大型螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子，人們還是傾向于用鋼制轉(zhuǎn)子，覺得鋼制轉(zhuǎn)子的可靠性還是好一些。

由于人們需要更可靠更干凈的壓縮氣體，而噴油螺桿壓縮機(jī)加上壓縮氣體精密過(guò)濾的做法仍不能完全取代干壓縮機(jī)。后來(lái)，由于可靠性和維修期的差異，人們從不放棄到部分恢復(fù)各類干壓縮機(jī)。

干螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和噴油壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子又有不同，由于干螺桿壓縮機(jī)的價(jià)格高，轉(zhuǎn)速高，壓縮介質(zhì)復(fù)雜，因而普遍用不銹鋼制作干壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。

為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的抗磨和抗腐蝕，不同的干壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子表面有不同的防腐涂層或鍍層。以期增加其抗磨性和防腐性能。隨著防腐涂層技術(shù)的不斷進(jìn)步，防腐涂層的性能也得到進(jìn)一步強(qiáng)化，不同的壓縮機(jī)制造商采用了不同的涂層或鍍層。

涂層有化學(xué)涂層和燒結(jié)涂層兩種，而真空鍍鈦是更為先進(jìn)的鍍層工藝。

鍍層雖然很薄，但仍需要拋光。不同的制造商采用不同的拋光工藝，大多數(shù)應(yīng)用人工輔助機(jī)械拋光，加工中心拋光，化學(xué)物理拋光性能更佳，也有用靜電拋光的，大批量的零件則采用先進(jìn)的熱處理拋光工藝。

目前推出的水潤(rùn)滑雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子材料多數(shù)為不銹鋼，沒有發(fā)現(xiàn)其它材料的水潤(rùn)滑雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)然機(jī)體也是不銹鋼材質(zhì)。

不同的單螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子材料不同。

國(guó)內(nèi)噴油單螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子普遍用易切削鋼和球墨鑄鐵制作，星輪片用碳素纖維強(qiáng)化的聚醚醚酮制作。

近年來(lái)，水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)較廣泛的用于制藥、食品、飲料、紡織等行業(yè)。不同的制造商出于不同的考慮，采用不銹鋼和銅合金制作轉(zhuǎn)子，由于水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)價(jià)格較高，制造商采用哪種材料的轉(zhuǎn)子都會(huì)取得好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然不同材料的轉(zhuǎn)子適配一定配方的星輪片主要為強(qiáng)化的聚醚醚酮材料，水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)的星輪片材料與噴油單螺桿壓縮機(jī)不同。

水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)的機(jī)體和轉(zhuǎn)子材料是匹配的，轉(zhuǎn)子材料硬度較高，機(jī)體材料的鑄造流動(dòng)性更好一些。

對(duì)螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)體溫度的分析，利于對(duì)螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子材料有較全面的認(rèn)識(shí)。作為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子材料易切削鋼、球墨鑄鐵、不銹鋼、銅合金等可以用部分其它材料替代。

高強(qiáng)度鋁合金油氣筒的材料強(qiáng)度可以做到不低于優(yōu)質(zhì)碳素鋼。零件的加工表面光潔，螺紋孔光亮圓滑，比球墨鑄鐵好得多。

以上分析不難看出高強(qiáng)度鋁合金有某些方面的優(yōu)越性，難怪高檔汽車發(fā)動(dòng)機(jī)演變?yōu)槿X發(fā)動(dòng)機(jī)，從而也就容易理解螺桿壓縮機(jī)使用鋁合金轉(zhuǎn)子的可能性。

由于轉(zhuǎn)子受力與機(jī)體不同，各點(diǎn)溫度不同，因而壓縮機(jī)制作轉(zhuǎn)子的鋁合金材料應(yīng)與制作機(jī)體的鋁合金材料正確匹配，鋁合金的牌號(hào)（成分）和熱處理也不同；轉(zhuǎn)子的鋁合金硬度應(yīng)較高，綜合強(qiáng)度也較高。

作者在雙螺桿空氣壓縮機(jī)上，開發(fā)過(guò)鋁合金油氣筒。2002年前，德國(guó)有一家公司生產(chǎn)2m3/min的鐵路車輛制動(dòng)用螺桿空壓機(jī)，其油氣筒是鋁合金材質(zhì)。而國(guó)內(nèi)一家公司生產(chǎn)2.4～3m3/min的鐵路車輛制動(dòng)用螺桿空壓機(jī)缺乏鋁合金油氣筒材料和工藝，而油氣筒是鋼焊接件。鋼焊接件油氣筒重量大，易生銹，不太適合鐵路車輛配套，在無(wú)可取代的情況下，勉強(qiáng)使用罷了。

作者在該公司發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象后，建議領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)研制鋁合金油氣筒借以替代鋼制油氣筒。經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)研究批準(zhǔn)后，作者選用一種特殊高強(qiáng)度鋁合金作為油氣筒的材料。從設(shè)計(jì)上，為充分體現(xiàn)鋁合金油氣筒的優(yōu)點(diǎn)，作者與其他工程師一起用有限元方法對(duì)油氣筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低應(yīng)力集中，幾經(jīng)反復(fù)，完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后，經(jīng)批準(zhǔn)投入樣品試制。

在樣品試制的基礎(chǔ)上，對(duì)鋁合金油氣筒樣品進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，作者做到在4倍工作壓力水壓試驗(yàn)下，油氣筒完好無(wú)損，無(wú)泄漏現(xiàn)象（壓力容器一般要求進(jìn)行2倍工作壓力水壓試驗(yàn)）。

當(dāng)時(shí)，鐵道部電動(dòng)機(jī)車引進(jìn)專家組組長(zhǎng)汪仕章老先生（老先生參與過(guò)我國(guó)最早引進(jìn)4臺(tái)阿爾斯通電動(dòng)機(jī)車，在寶成鐵路寶雞至風(fēng)州段往返，以運(yùn)行替代兩臺(tái)或三臺(tái)蒸汽機(jī)車）看到試壓情況后，較感欣慰，經(jīng)他們研究，認(rèn)為可以裝車試驗(yàn)。裝車試驗(yàn)告一段落后，經(jīng)確認(rèn)，又批準(zhǔn)進(jìn)行中試。在中試基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入正式配套。

在此基礎(chǔ)上，作者為該公司開發(fā)了動(dòng)車、輕軌、地鐵專用的鋁合金油氣筒螺桿空壓機(jī)，該公司至今一直在使用作者研發(fā)的產(chǎn)品。