CN102635549B - 一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法 - Google Patents

Abstract

一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法，属于螺杆式无油真空泵技术领域，对于任意一种指定结构的单头等螺距螺杆转子，首先计算出转子端面型线所包围图形的截面面积以及该图形形心的极坐标位置；按转子总长度与其导程关系的两种不同情况选择，计算确定螺杆转子在铸造毛坯时预留去除质量体的空穴的参数，铸造时在转子体内部沿中心轴线开设通孔并在两端预留转子轴配合区，然后按上述参数在转子体内部去除质量体空穴，从而实现螺杆转子的动平衡，本发明方法简单、高效，便于于机械设计人员操作。

Description

一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法

技术领域

本发明涉及螺杆式无油真空泵技术领域，特别涉及一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法。

背景技术

无油螺杆真空泵具有抽速范围宽、结构简单紧凑、抽气腔元件无摩擦、寿命长、能耗低、无油污染等特点，广泛应用于半导体、医药、食品、化工等工业领域。螺杆转子是螺杆真空泵中最关键的抽气部件，直接决定着泵的工作性能和使用寿命，其加工制造成本约占整个螺杆真空泵总成本近一半。其中单头等螺距的螺杆转子，因其内部无压缩的排气方式，特别适用于在医药、化工等行业中抽除或输送易燃、易爆及可凝性气体，并且具有易于加工制造和装配等特点，因此在无油螺杆真空泵中得到广泛应用。

尽管单头等螺距螺杆转子的型线结构多种多样，但其共同特征是其端面型线的形心并不处于其回转轴线之上。作为一个高速旋转的机械部件，运转时所产生的不平衡惯性力将在运动副中引起附加的动压力。因此，在螺杆转子的设计、制造过程中，必须认真解决其动、静平衡问题。

质量去除(或添加)法是实现转子动、静平衡的常用方法，通过在转子体的合适部位去除(或添加)一部分补偿质量，改变转子体的质量分布，从而使转子满足动静平衡条件。鉴于无油螺杆真空泵中螺杆转子主要齿形面必须保持其完整性，以便保证抽气过程中的连续啮合与密封，因此通常选择在转子体两端端面或转子体内部去除质量。其中选择在转子内部去除质量，从而形成空心转子体的结构形式，尤其受到青睐。此种螺杆转子转轴强度高，运行稳定，所有表面都完整光滑，排气时残余有害空间更小，而不像采用两侧端面挖空的螺杆转子那样，预留的动平衡空穴会会成为残余有害空间，并极容易在其内积留下有害物质。转子体的总重量得以减轻，特别适合于大尺寸的螺杆泵。

空心转子动平衡设计的主要任务就是确定去除质量体空穴的形状大小和位置分布。在Busch S.A.公司的瑞士专利公报3487/95中描述了一种平衡螺杆的方法：使螺杆长度比螺距的3/2倍大螺距的整数倍。为了补偿剩下的静态不平衡和动态不平衡，可采用在吸入侧改变螺杆部分或在螺杆端面侧挖平衡穴或采用外附加质量。在ULRICH BECHER所申请的瑞典专利WO1098/11351中通过用多个单个的部分在转子内部形成空穴以及通过相应的材料选择而达到不均匀的质量分布，该质量分布与螺杆长度与螺距之比配合，产生静态平衡和动态平衡。

上述资料提供了一些行之有效的平衡设计方法。但是，作为螺杆转子设计制造中最关键的技术诀窍之一，目前公开发表的相关文献都没有对螺杆转子动平衡的计算方法、过程和结果给出详细的论述。这使得后续的相关机械设计人员无法直接采用或借鉴，而只能通过试验法盲目地摸索。

发明内容

为克服现有螺杆平衡方法的不足，本发明提供一种适用于整数倍导程和半整数倍导程的单头等螺距空心分体式螺杆转子的动平衡设计方法，通过在转子体内部对称开设2个或4个偏心空穴，实现转子的动静平衡，并提供上述空穴结构参数的确定方法，使动平衡设计简单、高效，便于采用。

本发明提供的单头等螺距空心分体式螺杆转子的动平衡设计方法，所述螺杆转子为分体式结构，由转子体、转子轴、连接构件和密封构件组成，其中转子体沿中心轴线开设用于装配转子轴的通孔，通过在转子体内部对称开设2个或4个形状均为等截面螺旋展开体的偏心空穴实现转子的动静平衡，包括以下步骤：

步骤1：对于任意一种指定型线结构的单头等螺距螺杆转子，首先在转子端面上以轴心为原点建立极坐标系，计算出转子端面型线所包围图形的截面面积A₀以及该图形形心的极坐标位置(r₀,θ₀)；

步骤2：确定螺杆去除质量体的结构参数，按以下两种不同情况选择其一进行：

第一种情况：当螺杆转子的总长度L₀等于其螺旋导程p的n+0.5倍且整数n≥3，即L₀＝(2n+1)p/2，n＝3,4,5...时，在转子体内部开设2个去除质量体空穴，这2个空穴的形状相同，均为固定形状截面绕转子轴线的螺旋展开体，其螺旋导程等于转子螺旋导程。其固定形状截面为转子体端面型线所包围区域内的一部分，该部分与转子体中心轴孔相通且与转子体端面型线不发生干涉，确定转子内部的两个去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂，起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)和空穴的轴向起始和终止位置L₁、L₂及L₃、L₄；

所述转子内部去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂，公式如下：

A₁＝A₂

所述空穴起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)，(r₂,θ₂)，公式如下：

r₁＝r₂

θ₁＝θ₂＝θ₀

A₁r₁＝A₂r₂＝A₀r₀/2

所述空穴的轴向起始和终止位置L₁、L₂及L₃、L₄，公式如下：

L₁＝p

L₂＝1.5p

L₃＝(n-1)p

L₄＝(n-0.5)p

第二种情况：当螺杆转子的总长度L₀等于其导程p的n倍且整数n≥3，即L₀＝np，n＝3,4,5...时，在转子体内部开设4个去除质量体空穴，这4个空穴的形状均为固定形状截面绕转子轴线的螺旋展开体，其螺旋导程等于转子螺旋导程。其固定形状截面为转子体端面型线所包围区域内的一部分，该部分与转子体中心轴孔相通且与转子体端面型线不发生干涉，确定转子体内部去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂、A₃、A₄，起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)、(r₃,θ₃)、(r₄,θ₄)和空穴的轴向起始和终止位置L₁和L₂、L₃和L₄、L₅和L₆、L₇和L₈需满足下列关系：

$\frac{A_0{r}_0}{A_1{r}_1}n-[2n-5]-\frac{A_3{r}_3}{A_1{r}_1}[2n-1-4\frac{\mathrm{\δ}}{p}]=0$

其中，δ为A₃空穴起始端面与转子侧端面的距离；

所述转子内部去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂、A₃、A₄，公式如下：

A₁＝A₂

A₃＝A₄

所述空穴起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)、(r₃,θ₃)、(r₄,θ₄)，公式如下：

r₁＝r₂

θ₁＝θ₂＝θ₀

r₃＝r₄

θ₃＝θ₄＝θ₀

所述空穴的轴向起始和终止位置L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈，公式如下：

L₁＝p

L₂＝1.5p

L₃＝(n-1.5)p

L₄＝(n-1)p

L₅＝δ

L₆＝0.5p+δ

L₇＝np-0.5p-δ

L₈＝np-δ

步骤3：按步骤2的参数，在铸造分体空心转子体毛坯时预留去除质量体的空穴，实现螺杆转子的动平衡，具体方法为：在转子体内部沿中心轴线开设通孔并在两端预留转子轴配合区，然后在转子体内部去除质量体空穴，所述空穴的形状为等截面螺旋体；所述等截面螺旋体的确定方法为：在转子体起始位置截面处端面型线所包围的区域内，划取一块面积大小和形心位置满足步骤2中任一条件，与中心轴孔相通且与转子端面型线不发生干涉的图形；以此图形为基础，绕螺杆转子的回转轴做等螺距螺旋扫描，形成其导程与转子导程相同并具有指定轴向长度的等截面螺旋体。

本发明的有益效果是：本发明提供一种单头等螺距分体空心螺杆转子动平衡设计的通用方法，适合于任意结构型线的转子，具有普适性；该计算方法简单易行，便于机械设计人员使用；所述分体式结构的转子，转子轴可采用不同于转子体的高强度材料制成，具有比普通整体式转子更高的刚度和强度，能够在更高的转速下稳定运行。

附图说明

图1为一种单头等螺距空心螺杆转子的非对称结构端面型线示意图；

图2为一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法应用于图1所示型线具有4.5个导程长度的螺杆转子体的立体结构图；

图3为图2所示空心螺杆转子沿YZ面的轴向剖面图；

图4为一种单头等螺距空心螺杆转子的对称结构端面型线示意图；

图5一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法应用于图4所示型线具有6个导程长度的螺杆转子体的立体结构图；

图6为图5所示空心螺杆转子的沿YZ面的轴向剖面图；

图中：1.齿顶圆；2.摆线；3.齿根圆；4.渐开线；5.端面图形的形心；6.去除质量体的横截面图形轮廓线；7.去除质量体的横截面图形形心；8.外摆线；9.内摆线；10.通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

一种单头等螺距空心螺杆转子的端面型线如图1所示，由齿顶圆1、摆线2、齿根圆3和渐开线4组成，属于非对称性型线。某型号这种螺杆转子的结构参数如下：齿顶圆直径D＝185.8mm；齿根圆直径d＝62mm；转子导程p＝120mm；转子工作部分长度L₀＝540mm，即转子导程数为n＝L₀/p＝4.5，采用本发明所述的单头等螺距螺杆转子的动平衡设计方法，实现螺杆转子平衡，步骤如下：

步骤1：在图1所示坐标中，该转子端面型线的截面面积A₀＝13150.486528mm²，截面形心5的极坐标位置为r₀＝31.0135862mm，θ₀＝0；

步骤2：由于L₀＝4.5p，为保证螺杆转子实现动平衡，设计在转子内部去除2个等截面螺旋体，去除质量体的横截面形状为：图1中由去除质量体的横截面图形轮廓线6所围成的对称图形，去除质量体的横截面图形形心7的位置为(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)，其截面形状应满足前述的条件，即去除截面形状的面积与形心半径的乘积A₁r₁＝A₂r₂＝A₀r₀/2＝203936.879578mm³；具体化为面积A₁＝A₂＝5308.624457mm²，形心半径r₁＝r₂＝38.416144mm，形心角度位置为θ₁＝θ₂＝θ₀＝0；去除质量起始及终止位置L₁＝120mm、L₂＝180mm、L₃＝360mm、L₄＝420mm。

步骤3：按步骤2的参数在铸造转子体毛坯时预留去除质量体的空穴，实现螺杆转子的动平衡，去除质量体后的螺杆转子的立体结构如图2所示，轴向剖面图如图3所示。

实施例2：

一种单头等螺距螺杆转子的端面型线如图4所示，由齿顶圆1、齿根圆3、外摆线8和内摆线9组成，属于对称性型线。某型号这种螺杆转子的结构参数如下：齿顶圆直径D＝188mm；齿根圆直径d＝60mm；转子导程p＝160mm；转子工作部分长度L₀＝960mm，即转子导程数为L₀/p＝6，采用本发明所述的单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法，实现螺杆转子平衡，步骤如下：

步骤1：在图4所示坐标中，转子端面型线的截面面积A₀＝14504.10654mm²，截面形心5的极坐标位置为r₀＝36.465817mm，θ₀＝0；

步骤2：由于L₀＝6p，为保证螺杆转子实现动平衡，设计在转子内部去除4个等截面螺旋体。去除质量体的横截面形状为：图4中由去除质量体的横截面图形轮廓线6所围成的对称图形，去除质量体的横截面图形形心7的位置为(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)、(r₃,θ₃)、(r₄,θ₄)，此处取δ＝2p＝320mm以保证转子端面有足够的强度，为便于计算取A₁r₁＝A₂r₂＝A₃r₃＝A₄r₄，则由公式可得出A₁r₁＝A₂r₂＝A₃r₃＝A₄r₄＝3A₀r₀/5。其截面形状应满足前述的条件，即去除截面形状的面积与形心半径的乘积A₁r₁＝A₂r₂＝A₃r₃＝A₄r₄＝3A₀r₀/5＝317350.347957mm³；具体化为面积A₁＝A₂＝A₃＝A₄＝7618.667161mm²，形心半径r₁＝r₂＝r₃＝r₄＝41.654298mm，形心角度位置θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ₀＝0；去除质量起始及终止位置L₁＝160mm、L₂＝240mm、L₃＝720mm、L₄＝800mm、L₅＝320mm、L₆＝400mm、L₇＝560mm、L₈＝640mm；

步骤3：按步骤2的参数在铸造转子毛坯时预留去除质量体的空穴，实现螺杆转子的动平衡，去除质量体后的螺杆转子的立体结构如图5所示，轴向剖面图如图6所示。

Claims (1)

1.一种单头等螺距空心螺杆转子的动平衡设计方法，其特征在于：所述螺杆转子为分体式结构，由转子体、转子轴、连接构件和密封构件组成，其中转子体沿中心轴线开设用于装配转子轴的通孔，通过在转子体内部对称开设2个或4个形状均为等截面螺旋展开体的偏心空穴实现转子的动静平衡，包括以下步骤：

步骤1：对于任意一种指定型线结构的单头等螺距螺杆转子，首先在转子端面上以轴心为原点建立极坐标系，计算出转子端面型线所包围图形的截面面积A₀以及该图形形心的极坐标位置(r₀,θ₀)；

步骤2：确定螺杆去除质量体的结构参数，按以下两种不同情况选择其一进行：

第一种情况：当螺杆转子的总长度L₀等于其螺旋导程p的n+0.5倍且整数n≥3，即L₀＝(2n+1)p/2，n＝3,4,5...时，在转子体内部开设2个去除质量体空穴，这2个空穴的形状相同，均为固定形状截面绕转子轴线的螺旋展开体，其螺旋导程等于转子螺旋导程，其固定形状截面为转子体端面型线所包围区域内的一部分，该部分与转子体中心轴孔相通且与转子体端面型线不发生干涉，确定转子内部的两个去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂，起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)和空穴的轴向起始和终止位置L₁、L₂及L₃、L₄；

所述转子内部去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂，公式如下：

A₁＝A₂

所述空穴起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)，(r₂,θ₂)，公式如下：

r₁＝r₂

θ₁＝θ₂＝θ₀

A₁r₁＝A₂r₂＝A₀r₀/2

所述空穴的轴向起始和终止位置L₁、L₂及L₃、L₄，公式如下：

L₁＝p

L₂＝1.5p

L₃＝(n-1)p

L₄＝(n-0.5)p

第二种情况：当螺杆转子的总长度L₀等于其导程p的n倍且整数n≥3，即L₀＝np，n＝3,4,5...时，需在转子体的内部开设4个去除质量体空穴，这4个空穴的形状均为固定形状截面绕转子轴线的螺旋展开体，其螺旋导程等于转子螺旋导程，其固定形状截面为转子体端面型线所包围区域内的一部分，该部分与转子体中心轴孔相通且与转子体端面型线不发生干涉，确定转子体内部去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂、A₃、A₄，起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)、(r₃,θ₃)、(r₄,θ₄)和空穴的轴向起始和终止位置L₁和L₂、L₃和L₄、L₅和L₆、L₇和L₈需满足下列关系：

$\frac{A_0{r}_0}{A_1{r}_1}n-[2n-5]-\frac{A_3{r}_3}{A_1{r}_1}[2n-1-4\frac{\mathrm{\δ}}{p}]=0$

其中，δ为A₃空穴起始端面与转子侧端面的距离；

所述转子内部去除质量体空穴的截面面积A₁、A₂、A₃、A₄，公式如下：

A₁＝A₂

A₃＝A₄

所述空穴起始截面的形心位置坐标(r₁,θ₁)、(r₂,θ₂)、(r₃,θ₃)、(r₄,θ₄)，公式如下：

r₁＝r₂

θ₁＝θ₂＝θ₀

r₃＝r₄

θ₃＝θ₄＝θ₀

所述空穴的轴向起始和终止位置L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈，公式如下：

L₁＝p

L₂＝1.5p

L₃＝(n-1.5)p

L₄＝(n-1)p

L₅＝δ

L₆＝0.5p+δ

L₇＝np-0.5p-δ

L₈＝np-δ

步骤3：按步骤2的参数，在铸造分体空心转子体毛坯时预留去除质量体的空穴，实现螺杆转子的动平衡，具体方法为：在转子体内部沿中心轴线开设通孔并在两端预留转子轴配合区，然后在转子体内部去除质量体空穴，所述空穴的形状为等截面螺旋体；所述等截面螺旋体的确定方法为：在转子体起始位置截面处端面型线所包围的区域内，划取一块面积大小和形心位置满足步骤2中任一条件，与中心轴孔相通且与转子端面型线不发生干涉的图形；以此图形为基础，绕螺杆转子的回转轴做等螺距螺旋扫描，形成其导程与转子导程相同并具有指定轴向长度的等截面螺旋体。