一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法

本发明属于润滑性能测试方法技术领域，涉及一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法。

背景技术：

对于单螺杆压缩机和单螺杆膨胀机而言，其核心部件均为一个螺杆和两个与螺杆啮合的星轮(一个螺杆和一个星轮通常被称为一对啮合副)，如图1及图2所示。为了保证螺杆的运行寿命，星轮在选材时，其材料的耐磨损性能往往低于螺杆转子，因此星轮相对较易磨损。为了改善星轮齿的耐磨损性能，科研工作者相继开发出单直线型线，单直线二次包络型线、单圆柱(圆台)型线、单圆柱(圆台)二次包络型线、多直线型线、多圆柱型线、多圆柱非等长包络型线等各种啮合副型线。但由于单螺杆压缩机中的螺杆螺槽为螺旋槽结构，且一根螺杆上往往布置多个螺槽(4～8个)，而实际压缩机中星轮齿厚度较薄(6～10mm)，螺槽壁面和星轮齿壁面均无空间安装可测量啮合间隙内润滑液压力的压力测量装置。因此，现有技术中无法对螺杆与星轮啮合的润滑性能进行测试。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法，解决了现有技术中存在的无法对螺杆与星轮啮合的润滑性能进行测试的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法，将润滑流体注入测试装置进行测试，包括以下步骤：

步骤1、将实际星轮齿面每个几何形态特征点s1(x1，y1，z1)转换为试验星轮齿面几何形态特征点s2(x2，y2，z2)，且转换前后星轮与螺杆啮合间隙几何形态相同；

步骤2、根据试验星轮齿面几何形态特征点s2(x2，y2，z2)加工得到星轮；

步骤3、将步骤2得到的星轮安装在测试装置上进行润滑性能测试，在测试过程中，使星轮与螺杆啮合间隙内润滑流体的雷诺数与实际星轮与螺杆啮合间隙内润滑流体的雷诺数相同，同时通过调节液体流量、气体流量得到与实际星轮与螺杆啮合间隙内气体体积含气率一致的润滑流体。

本发明的特点还在于：

步骤1中将实际星轮齿面每个几何形态特征点s1(x1，y1，z1)转换为试验星轮齿面几何形态特征点s2(x2，y2，z2)的方式如下：

上式中，为坐标系s1和坐标系s2之间的x轴夹角，当转换星轮齿前侧的几何形态时：当转换星轮齿后侧的几何形态时：

星轮齿前侧螺槽偏角αf的表达式如下：

上式中，n1为螺杆头数，n2为星轮齿数，rf1为星轮齿前侧啮合点至螺杆回转轴线距离，rf2为星轮齿前侧啮合点至星轮回转轴线距离；

星轮齿后侧螺槽偏角αb的表达式如下：

上式中，rb1为星轮齿后侧啮合点至螺杆回转轴线距离，rb2为星轮齿后侧啮合点至星轮回转轴线距离。

测试装置包括电机，电机通过联轴器连接有用于固定螺杆的转子轴，转子轴上套接有第一密封盖体、第二密封盖体，螺杆位于第一密封盖体、第二密封盖体之间，螺杆外套接有密封壳，密封壳两端分别与第一密封盖体、第二密封盖体连接，密封壳内壁设有密封板，密封板伸入螺杆螺槽内将其分隔；密封壳开设有安装孔，螺杆上设置有压力传感器；星轮通过星轮轴活动连接在星轮支架上，星轮轴上套接用于锁紧星轮的锁紧机构，星轮轴上方还设置有角位移传感器，星轮齿伸入安装孔与螺杆啮合，星轮上表面与密封板之间的密封壳上设置有进液孔，星轮下表面与密封板之间设置有回液孔。

供液回液系统包括供液箱、低压气罐、液气分离器，供液箱出口依次连接有液泵、第一调节阀、第一流量计、混合器，低压气罐出口依次连接有压缩机、减压阀、第二调节阀、第二流量计、单向阀，单向阀出口与混合器连通，混合器出口与进液孔连通；回液孔与液气分离器进口连通，液气分离器出口分别与供液箱、低压气罐进口连通。

第一密封盖体包括依次套接在转子轴上的前密封盖、轴承座，前密封盖与转子轴之间设置有第一骨架密封，轴承座与转子轴之间设置有第一深沟球轴承，第一深沟球轴承靠近第一骨架密封一侧设置有第一轴承锁紧件；第二密封盖体包括依次套接在转子轴上的定位轴承座、后密封盖，定位轴承座与转子轴之间设置有双列角接触轴承，双列角接触轴承靠近后密封盖一侧设置有第二轴承锁紧件，后密封盖与转子轴之间设置有第二骨架密封；密封壳两端分别与轴承座、定位轴承座连接。

锁紧机构包括自下而上依次套接在星轮轴上的压盖、锁紧螺母，压盖与星轮紧密接触。

星轮支架包括支撑架，支撑架上连接有第一挂环、第二挂环，星轮轴两端分别活动连接在第一挂环、第二挂环内。

星轮轴下端与第二挂环之间自上而下依次设置有四点角接触轴承、第二深沟球轴承，第二深沟球轴承通过下轴承端盖与第二挂环固定；星轮轴上端与第一挂环之间设置有第三深沟球轴承，第三深沟球轴承通过上轴承端盖与第一挂环固定。

步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、启动液泵、压缩机、电机，增压后的润滑液和气体在混合器内混合，通过第一调节阀、第二调节阀分别调节液体流量、气体流量形成与实际星轮与螺杆啮合间隙内气体体积含气率一致的高压气液混合物；

步骤3.2、高压气液混合物通过进液孔进入高压密封腔，控制电机转速使星轮与螺杆啮合间隙内流体的雷诺数与实际星轮与螺杆啮合间隙内流体的雷诺数相同；

步骤3.3、压力传感器测量高压气液混合物从星轮齿上表面泄入星轮齿下表面的压力分布值；同时通过角位移传感器测量星轮的偏转角度，得到星轮与螺杆啮合的润滑性能；然后低压密封腔内的气液混合物通过回液孔进入液气分离器，分离后的液体、气体分别返回供液箱、低压气罐。

步骤3.1中液体流量、气体流量与混合器与进液孔之间管路中气体体积含气率λ的关系如下：

上式中，pm为混合器出口管路压力，tm为混合器出口管路温度，rg为气体常数，β为混合器与进液孔之间管路中质量含气率，ρ1为液相密度；

上式中，mg为气体质量流量，m1为液体质量流量；

m1＝ρ1q1(5)；

上式中，q1为液体体积流量；

上式中，qg为气体体积流量，pg为气体压力，tg为气体温度。

本发明的有益效果是：

本发明一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法，通过第一密封盖体、第二密封盖体及密封壳为螺杆与星轮啮合提供密封环境，测量润滑液从星轮齿上表面泄入星轮齿下表面的压力分布值，同时测量星轮的偏转角度，通过压力分布值及偏转角度得出星轮齿与螺槽壁面的润滑状态；能实现对不同润滑介质、不同压缩工质、及不同型线的单螺杆压缩机/膨胀机啮合副润滑状态进行测试。

附图说明

图1是单螺杆压缩机的结构示意图；

图2是实际螺杆与星轮啮合状态图；

图3是本发明一种啮合副的润滑性能测试装置的结构示意图；

图4是本发明一种啮合副的润滑性能测试装置的主剖视图；

图5是本发明一种啮合副的润滑性能测试装置的侧剖图；

图6是本发明一种啮合副的润滑性能测试装置内供液回液系统的结构示意图；

图7是实际星轮与本发明中试验星轮的对比图；

图8是实际螺杆与本发明中试验螺杆的对比图；

图9是本发明一种啮合副的润滑性能测试装置内啮合副的结构示意图；

图10是本发明一种啮合副的润滑性能测试装置内星轮齿的结构示意图。

图中：1.电机，2.联轴器，3.转子轴，4.螺杆，401.第一螺杆，402.第二螺杆，5.密封壳，6.密封板，7.安装孔，8.压力传感器，9.星轮轴，10.星轮支架，101.支撑架，102.第一挂环，103.第二挂环，11.星轮，12.角位移传感器，13.进液孔，14.第一测压装置安装座，15.回液孔，16.第二测压装置安装座，17.前密封盖，18.轴承座，19.第一骨架密封，20.第一深沟球轴承，21.定位轴承座，22.后密封盖，23.双列角接触轴承，24.第二骨架密封，25.压盖，26.锁紧螺母，27.四点角接触轴承，28.第二深沟球轴承，29.下轴承端盖，30.第三深沟球轴承，31.上轴承端盖，32.传感器支座，33.供液箱，34.低压气罐，35.液气分离器，36.液泵，37.第一调节阀，38.第一流量计，39.混合器，40.压缩机，41.减压阀，42.第二调节阀，43.第二流量计，44.单向阀，45.底座，46.电机支架，47.转子支座，48.弹性垫块，49.密封压板，50.密封垫，51.第一止动垫圈，52.轴承垫圈，53.定位轴承垫圈，54.第二止动垫圈，55.引线固定卡，56.集流环，57.轴承内压圈，58.轴承外压圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法，将润滑流体注入测试装置进行测试，如图3-5所示，测试装置包括用于固定星轮11的星轮轴9，包括电机1，电机1通过联轴器2连接有用于固定螺杆4的转子轴3，为了方便安装密封壳5，将螺杆4分为第一螺杆401、第二螺杆402，待第一螺杆401与密封壳5安装完成后，再将第二螺杆402与第一螺杆401通过螺栓紧固在一起。转子轴3上套接有第一密封盖体、第二密封盖体，螺杆4位于第一密封盖体、第二密封盖体之间，螺杆4外套接有密封壳5，螺杆4与密封壳5间留有0.03～0.1mm的间隙。密封壳5两端分别与第一密封盖体、第二密封盖体连接，密封壳5内壁设有密封板6，密封板6伸入螺杆4螺槽内将其分隔；密封壳5开设有安装孔7，安装孔7的尺寸略大于星轮11齿的尺寸；沿螺杆4两侧壁径向设置有3-10个压力传感器8，采用引线固定卡55将信号线分别固定在第一螺杆401、第二螺杆402外壁上，防止其信号线与转子轴3、密封壳5、第一密封盖体、第二密封盖体发生缠绕和摩擦损坏。星轮轴9活动连接在星轮支架10上，星轮轴9上套接用于锁紧星轮11的锁紧机构，星轮轴9上方还设置有角位移传感器12，星轮11齿伸入安装孔7与螺杆4啮合，由于星轮11齿两侧表面均有润滑液通过，因此两侧表面均受到润滑膜的作用力，在润滑膜的作用力下，星轮11齿朝向受力较小的一侧发生偏转。星轮11上表面与密封板6之间的密封壳5上设置有进液孔13、第一测压装置安装座14，星轮11上表面与密封板6、螺杆4内壁形成高压密封腔，星轮11下表面与密封板6之间设置有回液孔15、第二测压装置安装座16，第一测压装置安装座14、第二测压装置安装座16用于安装测压表或压力传感器；星轮11下表面与密封板6、螺杆4内壁形成低压密封腔，当电机带动螺杆转动时，在螺杆4螺槽内壁对润滑液的带动作用及星轮11齿上下表面压差的作用下，高压气液混合物沿着星轮11与螺杆4的间隙从高压密封腔泄入低压密封腔。星轮11齿根套接有密封压板49，密封压板49固定在密封壳5上，且密封压板49与密封壳5之间设置有密封垫50。密封垫50可选用软橡胶，防止安装孔7四周存在泄漏间隙。防止高压油气沿安装孔7四周间隙向外侧泄漏。进液孔13、回液孔15、和图6中的供回液系统形成闭合回路。

转子轴3末端还设置有集流环56，压力传感器8的信号线连接在集流环56上。集流环56内圈随转子轴3一起转动，集流环56外圈静止并与压力传感器8信号输出线相连，集流环56内圈外圈通过滑动触头进行信号传输，最终将采集到数据输出到采集系统中。

第一密封盖体包括依次套接在转子轴3上的前密封盖17、轴承座18，前密封盖17与转子轴3之间设置有第一骨架密封19，轴承座18与转子轴3之间设置有第一深沟球轴承20，第一深沟球轴承20靠近第一骨架密封19一侧设置有第一轴承锁紧件，第一轴承锁紧件包括第一止动垫圈51、轴承垫圈52，轴承垫圈52位于第一深沟球轴承20与第一止动垫圈51之间；第二密封盖体包括依次套接在转子轴3上的定位轴承座21、后密封盖22，定位轴承座21与转子轴3之间设置有双列角接触轴承23，双列角接触轴承23靠近后密封盖22一侧设置有第二轴承锁紧件，后密封盖22与转子轴3之间设置有第二骨架密封24；密封壳5两端分别与轴承座18、定位轴承座21连接；第二轴承锁紧件包括定位轴承垫圈53，第二止动垫圈54，定位轴承垫圈53位于第二止动垫圈54与双列角接触轴承23之间。第一深沟球轴承20、双列角接触轴承23用于承受螺杆4的径向力和轴向力。第一骨架密封19、第二骨架密封24用于防止润滑液沿螺杆4轴向泄漏。

锁紧机构包括自下而上依次套接在星轮轴9上的压盖25、锁紧螺母26，压盖25与星轮11紧密接触。

星轮支架10包括支撑架101，支撑架101上连接有第一挂环102、第二挂环103，星轮轴9两端分别活动连接在第一挂环102、第二挂环103内。

星轮轴9下端与第二挂环103之间自上而下依次设置有四点角接触轴承27、第二深沟球轴承28，第二深沟球轴承28通过下轴承端盖29与第二挂环103固定，四点角接触轴承27、第二深沟球轴承28之间设有轴承内压圈57和轴承外压圈58；星轮轴9上端与第一挂环102之间设置有第三深沟球轴承30，第三深沟球轴承30通过上轴承端盖31与第一挂环102固定。

星轮支架10上设置有传感器支座32，角位移传感器12安装在传感器支座32上。

还包括有底座45，底座45上设置有电机支架46、转子支座47，电机支架46与电机1之间设置有弹性垫块48，转子支座47位于螺杆4下方。

供液回液系统包括供液箱33、低压气罐34、液气分离器35，供液箱33出口依次连接有液泵36、第一调节阀37、第一流量计38、混合器39，低压气罐34出口依次连接有压缩机40、减压阀41、第二调节阀42、第二流量计43、单向阀44，单向阀44出口与混合器39连通，混合器39出口与进液孔13连通；第二流量计43与混合器39之间的管路上设置有测压装置、测温装置，混合器39与进液孔13之间的管路上设置有测压装置、测温装置；回液孔15与液气分离器35进口连通，液气分离器35出口分别与供液箱33、低压气罐34进口连通。

具体包括以下步骤：

步骤1、通过公式(1)将实际星轮齿面每个几何形态特征点s1(x1，y1，z1)转换为试验星轮齿面几何形态特征点s2(x2，y2，z2)，且转换前后星轮与螺杆啮合间隙几何形态相同；

上式中，为坐标系s1和坐标系s2之间的x轴夹角，当转换星轮齿前侧的几何形态时：当转换星轮齿后侧的几何形态时：

星轮齿前侧螺槽偏角αf的表达式如下：

上式中，n1为螺杆头数，n2为星轮齿数，rf1为星轮齿前侧啮合点至螺杆回转轴线距离，rf2为星轮齿前侧啮合点至星轮回转轴线距离；

星轮齿后侧螺槽偏角αb的表达式如下：

上式中，rb1为星轮齿后侧啮合点至螺杆回转轴线距离，rb2为星轮齿后侧啮合点至星轮回转轴线距离。

步骤2、根据试验星轮齿面几何形态特征点s2(x2，y2，z2)加工得到星轮；

步骤3、将步骤2得到的星轮安装在测试装置上进行润滑性能测试，在测试过程中，使星轮与螺杆啮合间隙内润滑流体的雷诺数与实际星轮与螺杆啮合间隙内润滑流体的雷诺数相同，同时通过调节液体流量、气体流量得到与实际星轮与螺杆啮合间隙内气体体积含气率一致的润滑流体。

步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、启动液泵36对供液箱33流出的润滑液进行增压，启动压缩机40对低压气罐34流出的气体进行增压，同时启动电机1，增压后的润滑液和气体在混合器39内混合，通过第一调节阀37、第二调节阀42分别调节液体流量、气体流量形成与实际星轮与螺杆啮合间隙内气体体积含气率一致的高压气液混合物；

液体流量、气体流量与实际星轮与螺杆啮合间隙内气体体积含气率的关系如下：

根据第二流量计43与混合器39之间的测压装置、测温装置测得气体压力pg、气体温度tg，并结合第二流量计43测得的气体体积流量qg，根据下式计算得到气体质量流量mg：

上式中，qg为气体体积流量，pg为气体压力，tg为气体温度，rg为气体常数，j/(kg·k)；

根据第一流量计38测得的液体体积流量q1，可换算得出液体质量流量m1：

m1＝ρ1q1(5)；

上式中，ρ1为液相密度，q1为液体体积流量；

利用质量守恒定律计算出混合器39与进液孔13之间的质量含气率β：

根据混合器39与进液孔13之间的测压装置测得的压力pm、测温装置测得的tm及混合器39与进液孔13之间的质量含气率β，得出混合器中的体积含气率：

上式中，pm为混合器(39)出口管路压力，tm为混合器(39)出口管路温度；

步骤3.2、高压气液混合物通过进液孔13进入高压密封腔，控制电机1转速使星轮与螺杆啮合间隙内流体的雷诺数与实际星轮与螺杆啮合间隙内流体的雷诺数相同；

步骤3.3、当高压气液混合物沿着星轮11与螺杆4的间隙从高压密封腔泄入低压密封腔时，压力传感器8测量高压气液混合物从星轮11齿上表面泄入星轮11齿下表面的压力分布值；同时通过角位移传感器12测量星轮11的偏转角度，得到星轮与螺杆啮合的润滑性能；低压密封腔内的气液混合物通过回液孔15进入液气分离器35，分离后的液体、气体分别返回供液箱33、低压气罐34。

压力分布值的高压区面积越大及高压区压力峰值越高，说明润滑膜承载能力越大，则代表该星轮齿与螺槽壁面的润滑状态优良，反之则润滑状态不佳。偏转角度越小，说明星轮齿两侧表面受力越均衡，偏转角度越大，说明星轮齿背离偏转方向侧的润滑膜承载能力较大，而与偏转方向同侧的润滑膜承载能力较小。润滑膜承载能力小则表明星轮齿侧面润滑状态不良，易于发生磨损。

通过以上方式，本发明一种螺杆与星轮啮合的润滑性能的测试方法，通过第一密封盖体、第二密封盖体及密封壳为螺杆与星轮啮合提供密封环境，测量润滑液从星轮齿上表面泄入星轮齿下表面的压力分布值，同时测量星轮的偏转角度，通过压力分布值及偏转角度得出星轮齿与螺槽壁面的润滑状态；能实现对不同润滑介质、不同压缩工质、及不同型线的单螺杆压缩机/膨胀机啮合副润滑状态进行测试。