单螺杆压缩机具有结构简单，螺杆轴向及径向上的气体合力都为零，无余隙容积，相比同型号其他容积式压缩机振动、噪声更低等优点。因此被国内外学者和制造商认为是一种理想的流体机械装置。然而，由于其螺杆星轮啮合齿普遍采用容易磨损的单直线或者单圆柱啮合型线，至今仍未成为主流产品。近年来提出的多圆柱包络啮合型线能够有效提高螺杆星轮啮合副的耐磨性，但仍存在一些缺陷。没有对星轮齿两侧包络圆柱的相对位置关系以及参与啮合的星轮齿齿侧周向受力平衡进行协同考虑，无法在齿侧形成良好的流体动力润滑，导致星轮周向受力失衡，造成啮合副磨损；没有对不同尺寸啮合副进行协同考虑，各型号啮合副不具有相似或相近的啮合摩擦状态，无法形成通用性设计准则。
本文在多圆柱包络啮合副啮合原理的基础上，将星轮齿侧周向受力平衡分析同星轮齿两侧包络圆柱相对位置关系相结合，进一步研究啮合副型面的设计规律；发展通用的啮合副型面协同构造方法和加工方法。主要研究内容和研究结论如下：　
1）根据啮合副运动关系以及型面数学模型对几种典型型面特点进行了分析。针对多圆柱包络型面设计方法缺陷，将星轮齿两侧圆柱相对位置的标准化和星轮齿侧受力平衡进行协同考虑，提出了单螺杆压缩机啮合副型面协同构造设计理论，建立了齿侧包络圆柱直径选取及位置排布准则。通过啮合副型面协同构造方法所得不同尺寸的啮合副具有相似和相近的啮合状态和摩擦润滑状态。针对不同规格啮合副所建立的通用性设计准则能够有效应用于单螺杆压缩机啮合副的型线设计中。
2）对采用协同构造型面的喷油单螺杆空气压缩机泄漏特性进行了研究。建立了啮合副型面方程以及啮合副间隙的气液混合流动模型。对整机的泄漏量计算方法进行了优化分析。计算结果表明协同构造型面齿侧泄漏要小于多圆柱包络型面齿侧泄漏，且其齿侧型面泄漏量占总泄漏量的3.6%，仅引起容积效率0.51%下降。协同构造型面泄漏量计算方法可应用于啮合副密封性能的预测和分析。
3）本文对螺杆齿槽及星轮齿侧型面的加工方法进行了研究。以啮合副型面协同构造设计理论为基础，提出了协同构造啮合副加工方法，建立了啮合副三维设计参数同专用加工机床实际加工坐标之间的转换机制，并编制了对应的数控加工程序。分别使用相应的加工方法对采用新型面的单螺杆喷油空压机（排气量为9　m3·min-1）螺杆和星轮盘进行加工，加工结果符合设计精度要求，证明了螺杆和星轮盘专用机床的加工精度满足设计要求及其对应加工方法的优越性。该加工方法同样可以适用于单圆柱包络和多圆柱包络型面的螺杆齿槽和星轮齿测型面加工。
4）分别建立了不同材料螺杆（灰铸铁、不锈钢、铜）和星轮盘（PEEK和球墨铸铁）在运行过程中的受热受力变形模型。数值模拟结果表明，螺杆轴向变形量远大于其他变形，从0.083　mm到0.105　mm随螺杆尺寸增大而增加。在压缩机运行工况下，螺杆槽底和星轮齿顶法向变形、螺杆轴向变形以及螺杆齿槽和星轮齿侧面变形都会导致啮合副间隙减小量大于设计间隙值，造成啮合副磨损，且螺杆轴向变形引起的啮合副磨损无法通过合理改变设计间隙得到解决。提出了一种对螺杆进行升温加工的方法；通过数值模拟优化分析，建立了其温度选取准则。解决了实际工作过程中，因热力变形引起的啮合副间隙减小对单螺杆压缩机性能的损耗和影响。热力变形后啮合副齿侧泄漏特性的研究表明，虽然热力变形会使齿侧不同位置处泄漏量出现增加或减少，但齿侧的总泄漏量会增大。
5）使用啮合副型面协同构造设计方法及其加工方法，研制了排气量为9　m3·min-1的单螺杆喷油空气压缩机样机。样机2000小时性能试验结果表明，在2000小时的持续运行过程中，样机排气量保持稳定在8.07　m3·min-1，容积效率约90.4%，整个机组能效等级达到二级能效并接近一级能效。样机现已作为产品应用于石化炼厂，在实际工作运行中具有可靠、稳定和高效的性能。
综上所述，本文提出了啮合副型面协同构造设计理论，建立了齿侧圆柱直径选取及位置排布准则，解决了多圆柱包络型面设计方法中存在的缺陷；新的啮合副型面加工方法能够有效应用于协同构造型面及单圆柱包络和多圆柱包络型面加工；结合数值模拟得到了啮合副热变形规律，以及热变形后的齿侧泄漏规律，提出了螺杆升温加工方法及其温度选取准则，解决了热力变形对整机性能的损耗和影响；样机试验结果表明，协同构造啮合副单螺杆压缩机在实际运行中具有优良的工作性能。