CN102937094B - 一种干式螺杆真空泵变螺距螺杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，属于干式真空泵技术领域，用于干式螺杆真空泵和≥3的缠绕圈数。螺距(p)根据包缠角(α)变化，螺距在吸气端即第一局部范围(T1)最大，在一圈之后到达第二局部范围(T2)，第一局部范围螺距小范围逐渐变化或保持不变，在第二局部范围，螺距在较大范围内逐渐变化小，在一圈之后到达第三局部范围(T3)，其螺距小范围逐渐变化或保持不变。包缠曲线的变化规律由f_i(t)控制，保证相邻曲面过渡平顺，对应的变螺距由f′_i(t)控制。采用这种变螺距螺杆转子的螺杆真空泵对于减小能量需求、降低噪声、降低工作温度、缩小结构空间以及降低制造成本提供了最佳的选择，该类螺杆真空泵应用领域广泛。

Description

一种干式螺杆真空泵变螺距螺杆

技术领域

本发明涉及一种干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，该转子应用于干式螺杆真空泵。

背景技术

等螺距螺杆真空泵具有无油、结构简单、没有易损件、维修工作量小、寿命长等优点，但存在消耗功率大、排气脉动大、排气量及压缩比相同的情况下体积大等缺点，因此等螺距型线较难用于高真空度和大排量的螺杆真空泵，而采用变螺距螺杆的真空泵，存在内部压缩，可以减低能耗，减小结构，减低噪声，减低内部工作温度，提高运行安全性。

专利文献DE19745615A1描述的螺杆真空泵，通过修改螺杆转子齿顶圆直径尺寸，分成两极，起到内部压缩的作用，降低能耗，但制造成本高。

专利文献WO01/18399A1修改型线参数尺寸，实现螺距的变化，起到内部压缩，减低能耗，但因该型线有效利用面积不高，螺旋圈数多，制造成本明显提升。

专利文献US2002031439A1，US2004247465A由螺距不等的两级以上等螺距螺杆在轴向方向串联而成，这种结构起到内部压缩的作用，因为由于分级结构产生损伤空间和旋涡区，轴向长度太长，制造成本高，与单极的变螺距螺杆转子相比效率降低。

专利文献WO2004/074689A1描述了一种螺距螺杆真空，其中螺杆的螺距从最大到最小部分连续变化，从螺距描述的形状变化规律为线性变化，实现内部压缩，降低能耗，但其压缩能力有限，且螺旋圈数多，制造成本高。

专利文献WO02/08609A1描述了一种变螺距双螺杆转子，型线保持不变，螺距从最小到最大，再到最小，最后保持不变，描述偏向于螺杆转子最大螺距与最小螺距以及螺杆的动态平衡，而且螺杆开始部分螺距设计成最小，虽然减低了动态平衡的设计难度，但一定程度上减低了排气效率、提升了能量需求。

发明内容

本发明目的就是提供一种干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，螺距曲线缠绕圈数≥3，应用于干式螺杆真空泵。螺距(p)根据包缠角(α)变化，螺距在吸气端即第一局部范围(T1)最大，在一圈之后到达第二局部范围(T2)，第一局部范围螺距小范围逐渐变化或保持不变，在第二局部范围(T2)，螺距在较大范围内逐渐变化小，在一圈之后到达第三局部范围(T3)，其螺距小范围逐渐变化或保持不变。包缠曲线变化规律，由螺距的变化规律由f_i(t)控制，保证了三个局部区域曲面过渡平顺。对应的螺距的变化规律由f′_i(t)控制。

为达到上述目的，本发明通过分配每个变化范围内螺距的最大值和最小值，以及分配包缠角度的比率，确定包缠曲线的变化规律，从而确定螺旋线的变化规律。

采用这种变螺距螺杆转子的螺杆真空泵对于减小能量需求、降低噪声、降低内部工作温度、缩小结构空间以及降低制造费用提供了最佳的选择，该类螺杆真空泵应用领域广泛。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的前视图；

图2为图1中的成对螺杆转子的端面视图；

图3为图2中左旋螺杆转子的A-A纵向截面图；

图4为图1中的左旋螺杆转子1的前视图以及包缠的螺旋曲线的展开图，该展开图表示出轴向位置(W)与包缠角(α)的关系；

图5为轴向位置(W')与包缠角(α)的关系变化，动态螺距f′_i(t)与包缠角(α)规律地变化；

图6为按照本发明的缠绕圈数k＝4的左旋螺杆转子1，以及不变的端面型线随着圆柱螺旋曲线3旋转的示意图；

图7为按照本发明的成对螺杆转子的第二个实施例的前视图；

图8为图7中的成对螺杆转子的端面视图；

图9为图7实施例中的左旋螺杆转子前视图以及包缠的螺旋曲线的展开图，该展开图表示出轴向位置(W)与包缠角(α)的关系；

图10为图7实施例中的轴向位置(W')与包缠角(α)的关系变化，动态螺距f′_i(t)与包缠角(α)规律地变化。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

首先给出计算所需的符号，对应的单位在方括弧中给出，括号内文字是说明。

k＝缠绕圈数[-]

R＝齿顶圆柱面5的半径[mm]

L＝螺杆的总长度[mm]

p＝平均螺距设计长度[mm]

此处k＝4，L由泵的排气能力决定。

pi＝每圈螺距的总长度(i＝1，2，…，k)[mm]

d＝范围T1的开始处的螺距相对于平均螺距的比率[-]

c＝范围T1的末尾处的螺距相对于平均螺距的比率[-]

b＝范围T3的开始处的螺距相对于平均螺距的比率[-]

a＝范围T3的末尾处的螺距相对于平均螺距的比率[-]

m＝范围T2的W向变化范围相对于平均螺距的比率(b≤m≤c)[-]

α＝螺旋线的包缠角(从0到k·360变化)[度]

U，V，W＝直角坐标系[mm，mm，mm]

U-轴＝基准方向

W-轴＝螺杆的几何中心线旋转轴

W’-轴＝假设的变化螺距几何中心轴

为了计算与表述方便引入函数f_i(t)表示包缠螺旋线W向的变化规律(i＝1，2，3)。

f₁(t)表示范围(T1)的包缠螺旋线W向的变化规律

f₂(t)表示范围(T2)的包缠螺旋线W向的变化规律

f₃(t)表示范围(T3)的包缠螺旋线W向的变化规律

为了使得曲线的光滑过渡，三段包缠曲线必须满足：

f₁(t₁)＝f₂(t₁)，f'₁(t₁)＝f¹ ₂(t₁)，f₂(t₂)＝f₃(t₂)，f₂'(t₂)＝f₃'(t₂)(1a)

为了得到更好的曲线质量可以进一步满足：

f″₁(t₁)＝f″₂(t₁)，f″₂(t₂)＝f″₃(t₂)(1b)

此处t1、t2是三段包缠曲线的交点。

下面的给出了满足曲线光滑过渡条件螺距变化规律：

第一局部变化范围(T1)，在圆柱曲面上展开的包缠曲线轴向的变化规律为

$f_1\left(t\right)=-\frac{(d-c){\mathrm{pt}}^2}{2}+\mathrm{dpt},0\≤t\≤1,$ 该部分缠绕1圈。

第二个局部范围(T2)螺距的非线性变化，在圆柱曲面上展开的包缠曲线轴向的变化规律为

该部分缠绕1圈。

第三个局部范围(T3)，在圆柱曲面上展开的包缠曲线轴向的变化规律为

$f_3\left(t\right)=-\frac{(b-a){\mathrm{pt}}^2}{4}+(2b-a)\mathrm{pt}+(\frac{d+c}{2}+m+a-3b)p,2\≤t\≤k.$ 该部分缠绕圈数大于等于1。

对应的f′_i(t)表示每个局部范围变螺距的变化规律(i＝1，2，3)。

图1是变螺距螺杆转子1和1’的第一实施例的前视图，其中轴线2和2’位于图纸平面上，两个转子1和1’为圆柱形并具有螺纹螺旋3和3’，螺纹螺旋确定一个不变的外径，外径通过齿顶面5和5’来界定，成对转子以这种方式平行地安装，使螺纹螺旋梳式地相互啮合。在旋转时描述为两个平行相切圆柱表面的转子齿顶面5和5’相邻地在外壳10上运动(在图2中表示)。在外壳10内部，螺旋面6，螺旋面6’，齿根圆柱面4，齿顶圆柱面5’与外壳壁11间确定一个空腔序列，空腔序列在转子相向转动时从轴向一端移动到另一端，其中空腔容积根据螺距曲线而变化；在吸入状态容积为口为最大值，然后在压缩状态容积减小并最终在空腔打开之后在挤出状态容积减小至零。转子端部在吸入端用8和8’，在排出端用7和7’表示。第一实施例至少满足条件(1a)。

图2是成对转子在挤出端的端面视图(在图1中从上方往下看)。视图表示两个相切平行圆柱体的投影。2和2’表示转子1和l’的平行轴线。螺旋面用6、6’和9、9’表示，而8和8’是相邻的端面，该端面在纵轴方向界定转子。3和3’是转子的齿根圆柱面，该齿根圆柱面具有不变的直径。为了避免直接接触，两个转子之间，转子与外壳10的内壁11之间留有间隙，间隙厚度大约0.1mm。平面A-A为截面，该截面确定了图3的左旋转子纵向截面。

图3为图2中平面A-A的纵向截面图。螺杆转子分成T1、T2和T3三部分，三个部分的轴线变化由包缠曲线决定，而包缠曲线分别由函数f₁(t)、f₂(t)、f₃(t)在来控制变化规律。

图4以对应于图1中左边转子的正视图所示的左旋螺杆转子1，以及所属的螺旋曲线3的展开图，该展开图表示出轴向位置(W)与包缠角(α)的关系。由于螺杆转子型线形状保持不变而与螺旋螺距无关，所以转子型线形状在转子的整个长度上只通过与U轴的角度位置α来区分。缠绕线由函数f_i(t)规律控制。

图5表示型线曲线上各个点的变化螺距随包缠角(α)的变化曲线，螺距与包缠角(α)变化规律由函数f′_i(t)控制，在这里可以看出对于i＝1的范围T1，包缠角从0゜到360゜变化，而螺距是线性变化，斜率为-(d-c)；i＝2的范围T2，包缠角从360゜到720゜变化，而螺距是非线性变化，螺距变化规律

$\begin{array}{c}{f_2}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{cp}-2(d-c)p(t-1)+3(m-2c+d)p{(t-1)}^2+3(b-3m+3c-d)p{(t-1)}^2(t-2)\\ +(b-3m+3c-d)p{(t-1)}^3+3(\frac{a-7b}{2}+6m-4c+d)p{(t-1)}^2{(t-2)}^2\\ +2(\frac{a-7b}{2}+6m-4c+d)p{(t-1)}^3(t-2)\end{array};$

i＝3的范围T3，包缠角从720゜到1140゜变化，而螺距是线性变化，斜率为

图6以对应于图4展开图的立体图示出按照本发明的圈数k＝4的左旋螺杆转子圆柱螺旋曲线3，以及不变的端面型线随着螺旋曲线3旋转的示意图。

图7是按照本发明的成对螺杆转子的第二个实施例的前视图，在该实施例的中，d与c相等，a与b相等，同时满足条件(1a)和(1b)。螺杆范围T1和T3变成等螺距，范围T2螺距非线性变化。

图8为图7中的成对螺杆转子的端面视图。端面型线同样不变。

图9为图7实施例中的左旋螺杆转子前视图以及包缠的螺旋曲线的展开图，该展开图表示出轴向位置(W)与包缠角(α)的关系，包缠曲线由函数f_i(t)控制规律地变化。f₁(t)＝cpt，0≤t≤1

f₂(t)＝cp+cp(t-1)+(m-c)p(t-1)³+(b-3m+2c)p(t-1)³(t-2)

+(-3a+6m-3c)p(t-1)³(t-2)²，1≤t≤2

f₃(t)＝apt+(c+m-2a)p，2≤t≤k。

图10为图7实施例中的轴向位置(W')与包缠角(α)的关系变化，动态螺距f′_i(t)与包缠角(α)规律地变化。范围T1的螺距固定为cp，范围T3的螺距固定为ap，中间范围T2螺距非线性变化，规律为

f₂'(t)＝cp+3(m-c)p(t-1)²+3(b-3m+2c)p(t-1)²(t-2)+(b-3m+2c)p(t-1)³

+3(-3a+6m-3c)p(t-1)²(t-2)²+2(-a+6m-3c)p(t-1)³(t-2)。

Claims (6)

1.一种干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，缠绕圈数≥3，用于干式螺杆真空泵，螺距(L)根据包缠角(α)变化，螺距在吸气端即第一局部范围(T1)最大，在一圈之后到达第二局部范围(T2)，第一局部范围(T1)的螺距线性变小，在第二局部范围(T2)，螺距非线性变小，在一圈之后到达第三局部范围(T3)，其螺距线性变小，三个局部范围圆柱包缠曲线由函数控制规律地变化，相邻的曲线平滑过渡，相邻的螺旋曲面平滑过渡。

2.根据权利要求1所述的干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，其特征在于，螺杆的总长度由排气能力决定。

3.根据权利要求1所述的干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，其特征在于，螺距的变化规律由a、b、c、d、m的数值决定，a为第三局部范围(T3)的末尾处的螺距相对于平均螺距的比率，b为第三局部范围(T3)的开始处的螺距相对于平均螺距的比率，c为第一局部范围(T1)的末尾处的螺距相对于平均螺距的比率，d为第一局部范围(T1)的开始处的螺距相对于平均螺距的比率，m为第二局部范围(T2)的螺杆中心线方向的变化范围相对于平均螺距的比率，在第一局部范围(T1)螺距是线性变化的，螺距斜率为-(d-c)，在圆柱曲面上展开的包缠曲线轴向的变化规律为该部分缠绕1圈，p为平均螺距设计长度，t为变化的包缠角(α)相对于1周包缠角度的比率。

4.根据权利要求3所述的干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，其特征在于，在第二局部范围(T2)螺距是非线性变化的，在圆柱曲面上展开的包缠曲线轴向的变化规律为 $\begin{array}{c}{f}_2\left(t\right)=\frac{\left(d+c\right)p}{2}+cp\left(t-1\right)-d\left(d-c\right)p{\left(t-1\right)}^2+\left(m-2c+d\right)p{\left(t-1\right)}^3+\left(b-3m+3c-d\right)p{\left(t-1\right)}^3\left(t-2\right)\\ +(\frac{a-7b}{2}+6m-4c+d)p{(t-1)}^3{(t-2)}^2\end{array}$ 该部分缠绕1圈。

5.根据权利要求3所述的干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，其特征在于，在第三局部范围(T3)螺距是线性变化的，螺距斜率为在圆柱曲面上展开的包缠曲线轴向的变化规律为 $f_3\left(t\right)=-\frac{(b-a){\mathrm{pt}}^2}{4}+(2b-a)pt+(\frac{d+c}{2}+m+a-3b)p,$ 该部分缠绕圈数≥1。

6.根据权利要求1所述的干式螺杆真空泵变螺距螺杆转子，其特征在于，端面型线形状不变。