CN105822548B - 一种全光滑的爪式转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光滑的爪式转子，其转子型线由9段曲线组成：前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE、短幅外摆线的等距曲线EF、节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI和爪底圆弧IA；相邻曲线之间的连接全部为光滑连接，不存在不光滑连接点或尖点，有效避免了容易产生磨损、变形以及应力集中的区域；2个作同步异向双回转运动的爪式转子能够实现正确啮合，能够有效地提高爪式转子的密封性能、力学性能、啮合性能；减小了余隙容积，并且在混合过程中不会产生局部高压，能够有效降低爪式真空泵的功耗，显著提高爪式真空泵的工作效率，对爪式真空泵的发展具有重要的意义。

Description

一种全光滑的爪式转子
技术领域
本发明涉及爪式真空泵，适用于爪式真空泵的一种全光滑的爪式转子。
背景技术
爪式真空泵属于容积式真空泵中的一种，具有干式无油、结构简单紧凑、抽速大等优点。爪式转子是爪式真空泵的关键部件；在工作中，通过2个形状相同且相互啮合的爪式转子的同步异向双回转运动，使工作腔的容积发生周期性的变化，完成对气体的吸入、压缩和排出过程。
转子型线的啮合特性直接决定着爪式转子的工作性能，常用的爪式转子型线由3段摆线和3段圆弧构成，为了提高其工作性能，中国专利(专利号：ZL201110308963.4)提出了一种新的爪式转子，该爪式转子的型线由5段圆弧和3段摆线的等距曲线构成，实现了爪尖圆弧与摆线等距曲线的啮合，以及爪尖圆弧与摆线和爪顶圆弧的光滑连接，然而仍然存在以下缺点：①在爪背EF与节圆圆弧FG连接处以及摆线GH与节圆圆弧FG连接处都存在尖点或不光滑连接点，并且在尖点处很容易产生应力集中和变形；②左侧转子爪背EF和右侧转子爪背ef在工作过程中并不参与啮合，导致密封性较差，会产生较大的泄漏，大大降低爪式真空泵的工作效率。中国专利(公开号：CN104929942A)提出了一种全啮合的爪式转子，该爪式转子的型线由5段圆弧、2段摆线的等距曲线、1段直线段和1段直线段的包络线组成，实现了2个作同步异向双回转运动的爪式转子之间的正确啮合；但是该爪式转子并没有实现其转子型线之间的全部光滑连接，仍然存在不光滑连接点，线段的包络线GH与摆线的等距曲线HI的连接点H为不光滑连接点。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种全光滑的爪式转子，在爪背处，采用短幅外摆线的等距曲线EF将节圆圆弧FG与后爪尖圆弧DE进行光滑连接；在爪尖处，采用底爪尖圆弧GH将后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI与节圆圆弧FG进行光滑连接；同时使得短幅外摆线的等距曲线EF、底爪尖圆弧GH都能实现正确啮合，由此得到了一种能够实现正确啮合的、全光滑的爪式转子。所提出的一种全光滑的爪式转子消除了现有爪式转子存在尖点或不光滑点的缺陷，避免了易发生磨损和易产生应力集中的区域，有效地提高了爪式转子的力学性能、啮合性能和密封性能。
一种全光滑的爪式转子，其型线包括9段曲线，依次为：节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、爪底圆弧IA、前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF，相邻曲线之间全部光滑连接，不存在不光滑连接点；同时2个全光滑爪式转子(501)和(502)的型线完全相同，且在工作中能够实现正确啮合，全光滑爪式转子(501)中的前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE、短幅外摆线的等距曲线EF、节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、爪底圆弧IA，分别与全光滑爪式转子(502)中的前爪尖圆弧bc、前爪臂长幅外摆线的等距曲线ab、爪底圆弧ia、后爪臂长幅外摆线的等距曲线hi、底爪尖圆弧gh、节圆圆弧fg、短幅外摆线的等距曲线ef、后爪尖圆弧de、爪顶圆弧cd能够实现正确啮合。
一种全光滑的爪式转子，其转子型线的生成方法如下：
①按以下方程生成爪顶圆(1)、节圆(2)、爪底圆(3)、长幅外摆线(4)和短幅外摆线(5)，各曲线的方程为：
爪顶圆(1)的方程：
节圆(2)的方程：
爪底圆(3)的方程：
长幅外摆线(4)的方程：
短幅外摆线(5)的方程：
②将长幅外摆线(4)向外侧等距偏移R4，偏移后的曲线绕原点O顺时针旋转γ角度，得到前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)，前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)与爪底圆(3)相切，其切点为A；将长幅外摆线(4)向外侧等距偏移2R4，偏移后的曲线绕原点O顺时针旋转γ角度，与以原点O为圆心、半径为R1-R4的圆相交，以其交点为圆心作半径为R4的前爪尖圆(7)，前爪尖圆(7)同时与前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)和爪顶圆(1)相切，其切点分别为：B、C，得到前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB和前爪尖圆弧BC；
③前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)绕原点O顺时针旋转α角度，得到后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)，后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)与爪底圆(3)相切，其切点为I点；将后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)向外侧等距偏移R5，偏移后的曲线与以原点O为圆心、半径为R2-R5的圆相交，以其交点为圆心作半径为R5的底爪尖圆(9)，底爪尖圆(9)同时与后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)和节圆(2)相切，其切点分别为：G、H，得到底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI和爪底圆弧IA；
④将短幅外摆线(5)向内侧等距偏移R4，偏移后的曲线绕原点O逆时针旋转α+β+γ角度得到短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)，短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)与爪顶圆(1)相切，其切点为F，得到节圆圆弧FG；将前爪尖圆(7)逆时针旋转α角度得到后爪尖圆(11)，后爪尖圆(11)同时与短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)和爪顶圆(1)相切，其切点分别为：E、D，得到爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF；
以上：t—角度参数，rad；R1—爪顶圆弧半径，mm；R2—节圆圆弧半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；R4—前后爪尖圆弧半径，mm；R5—底爪尖圆弧半径，mm；α，β，γ—为角度，rad。
一种爪式真空泵，采用所提出的一种全光滑的爪式转子。
一种爪式压缩机，采用所提出的一种全光滑的爪式转子。
一种爪式膨胀机，采用所提出的一种全光滑的爪式转子。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
爪式转子在工作中作同步异向双回转运动，根据型线的共轭啮合原理，确定在该运动方式下与圆弧相啮合的摆线的等距曲线及其相对位置，实现圆弧与圆弧的光滑连接、圆弧与摆线的等距曲线的光滑连接，得到全光滑爪式转子的型线，且在工作中能够实现转子型线之间的正确啮合，从而提高了爪式转子的综合性能。
一种全光滑的爪式转子型线由6段圆弧和3段摆线的等距曲线构成，从节圆开始按逆时针方向依次为：节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、爪底圆弧IA、前爪臂摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF；短幅外摆线(5)的等距曲线以原点O为旋转中心，逆时针旋转α+β+γ角度得到短幅外摆线的等距曲线EF，长幅外摆线(4)的等距曲线以原点O为旋转中心，顺时针旋转γ角度后得到后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI；使得爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE、短幅外摆线的等距曲线EF、与节圆圆弧FG之间光滑连接；使得节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI之间光滑连接；实现爪式转子型线之间的全部光滑连接，不存在不光滑连接点。
本发明的有益效果为：
所提出的一种全光滑的爪式转子的相邻曲线之间的连接全部为光滑连接，不存在不光滑的连接点或尖点；避免了容易产生磨损、变形以及应力集中的区域；2个作同步异向双回转的爪式转子的型线之间能够实现正确啮合，有效地提高了爪式转子的力学性能、啮合性能、密封性能；减小了爪式转子的余隙容积，并且在混合过程中不会产生局部高压，能够有效降低爪式真空泵的功耗，显著提高爪式真空泵的工作效率，对爪式真空泵的发展具有重要的意义。
附图说明
图1是现有的爪式转子型线图。
图2是现有的2个爪式转子的工作啮合图。
图3是所提出的一种全光滑的爪式转子的型线图。
图4是所提出的一种全光滑的爪式转子的型线的生成图。
图5是所提出的一种全光滑的爪式转子之间的啮合图。
图6是所提出的一种全光滑的爪式转子之间在不同角度时的啮合图。
图中：R1—爪顶圆弧半径；R2—节圆圆弧半径；R3—爪底圆弧半径；R4—前后爪尖圆弧半径；R5—底爪尖圆弧半径；201、202—现有的爪式转子；501、502—新提出的爪式转子；1—爪顶圆；2—节圆；3—爪底圆；4—长幅外摆线、5—短幅外摆线；6—前爪臂长幅外摆线的等距曲线、8—后爪臂长幅外摆线的等距曲线、10—短幅外摆线的等距曲线；7—前爪尖圆、9—底爪尖圆、11—后爪尖圆；α、β、γ—角度。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，现有的爪式转子型线由5段圆弧和3段摆线的等距曲线构成，从摆线的等距曲线开始按逆时针方向依次为：摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE、摆线的等距曲线EF、节圆圆弧FG、摆线的等距曲线GH、爪底圆弧HA；其中节圆圆弧FG与摆线的等距曲线EF和GH的2个连接点F点和G点为不光滑点，即尖点。
如图2所示，为现有的2个爪式转子的工作啮合图；2个爪式转子的型线构建完全相同，相对旋转错开一定角度的2个转子进行同步异向双回转运动，实现转子型线之间的正确啮合。(a)图中(201)的摆线的等距曲线AB、爪底圆弧HA、摆线的等距曲线GH分别与(202)的前爪尖圆弧bc、爪顶圆弧cd、后爪尖圆弧de相啮合；(b)图中(201)的前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE分别与(202)的摆线的等距曲线ab、爪底圆弧ha、摆线的等距曲线gh相啮合；但是爪式转子(201)中的摆线的等距曲线EF与爪式转子(202)中的尖点g并不参与啮合。
如图3所示，为所提出的一种全光滑的爪式转子的型线图，其型线包括9段曲线，依次为：节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、爪底圆弧IA、前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF，相邻曲线之间全部光滑连接，不存在不光滑连接点；提高了爪式转子的综合性能。
如图4所示，为所提出的一种全光滑的爪式转子的型线的生成图，其转子型线的生成方法如下：
①如图4(a)所示，按以下方程生成爪顶圆(1)、节圆(2)、爪底圆(3)、长幅外摆线(4)和短幅外摆线(5)，各曲线的方程为：
爪顶圆(1)的方程：
节圆(2)的方程：
爪底圆(3)的方程：
长幅外摆线(4)的方程：
短幅外摆线(5)的方程：
②如图4(b)所示，将长幅外摆线(4)向外侧等距偏移R4，偏移后的曲线绕原点O顺时针旋转γ角度，得到前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)，前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)与爪底圆(3)相切，其切点为A；将长幅外摆线(4)向外侧等距偏移2R4，偏移后的曲线绕原点O顺时针旋转γ角度，与以原点O为圆心、半径为R1-R4的圆相交，以其交点为圆心作半径为R4的前爪尖圆(7)，前爪尖圆(7)同时与前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)和爪顶圆(1)相切，其切点分别为：B、C，得到前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB和前爪尖圆弧BC；
③如图4(b)所示，前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)绕原点O顺时针旋转α角度，得到后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)，后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)与爪底圆(3)相切，其切点为I点；将后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)向外侧等距偏移R5，偏移后的曲线与以原点O为圆心、半径为R2-R5的圆相交，以其交点为圆心作半径为R5的底爪尖圆(9)，底爪尖圆(9)同时与后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)和节圆(2)相切，其切点分别为：G、H，得到底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI和爪底圆弧IA；
④如图4(b)所示，将短幅外摆线(5)向内侧等距偏移R4，偏移后的曲线绕原点O逆时针旋转α+β+γ角度得到短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)，短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)与爪顶圆(1)相切，其切点为F，得到节圆圆弧FG；将前爪尖圆(7)逆时针旋转α角度得到后爪尖圆(11)，后爪尖圆(11)同时与短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)和爪顶圆(1)相切，其切点分别为：E、D，得到爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF；
以上：t—角度参数，rad；R1—爪顶圆弧半径，mm；R2—节圆圆弧半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；R4—前后爪尖圆弧半径，mm；R5—底爪尖圆弧半径，mm；α，β，γ—为角度，rad。
如图5所示，为所提出的一种全光滑的爪式转子之间的啮合图；2个爪式转子型线构建完全相同，相对旋转错开一定角度的2个转子进行同步异向双回转运动，实现转子型线之间的完全啮合。(a)图中(501)的前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、爪底圆弧IA、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、底爪尖圆弧GH分别与(502)的前爪尖圆弧bc、爪顶圆弧cd、后爪尖圆弧de、短幅外摆线的等距曲线ef相啮合；(b)图中(501)的前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE、短幅外摆线的等距曲线EF分别与(502)的前爪臂长幅外摆线的等距曲线ab、爪底圆弧ia、后爪臂长幅外摆线的等距曲线hi、底爪尖圆弧gh相啮合；图中各段型线之间实现了正确啮合。
如图6所示，为所提出的一种全光滑的爪式转子之间在不同角度时的啮合图，(a)～(i)图中各相邻图所对应的主轴转角相错10°；即(a)图到(b)图左侧转子顺时针旋转10°，右侧转子逆时针旋转10°；(b)图到(c)图左侧转子顺时针旋转10°，右侧转子逆时针旋转10°；以此类推；在(a)图中，左侧转子节圆圆弧FG与右侧转子节圆圆弧fg相互啮合；(b)图中，左侧转子的底爪尖圆弧GH与右侧转子的短幅外摆线的等距曲线ef相互啮合；在(c)和(d)图中，左侧转子的前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB与右侧转子的前爪尖圆弧bc相啮合，左侧转子的底爪尖圆弧GH与右侧转子的短幅外摆线的等距曲线ef相互啮合；在(e)和(f)图中，左侧转子的前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB与右侧转子的前爪尖圆弧bc相啮合，左侧转子的爪底圆弧AI与右侧转子的爪顶圆弧cd相啮合，左侧转子的后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI与右侧转子的后爪尖圆弧de相啮合，左侧转子的底爪尖圆弧GH与右侧转子的短幅外摆线的等距曲线ef相互啮合；在(g)图中，左侧转子的短幅外摆线的等距曲线EF与右侧转子的底爪尖圆弧gh相啮合，左侧转子的底爪尖圆弧GH与右侧转子的短幅外摆线的等距曲线ef相互啮合；在(h)和(i)图中，左侧转子的短幅外摆线的等距曲线EF与右侧转子的底爪尖圆弧gh相啮合，左侧转子的后爪尖圆弧DE与右侧转子的后爪臂长幅外摆线的等距曲线hi相啮合，左侧转子的爪顶圆弧CD与右侧转子的爪底圆弧ai相啮合，左侧转子的前爪尖圆弧BC与右侧转子的前爪臂长幅外摆线的等距曲线ab相啮合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种全光滑的爪式转子，其型线包括9段曲线，依次为：节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、爪底圆弧IA、前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF，相邻曲线之间全部光滑连接，不存在不光滑连接点；其特征是：左全光滑爪式转子(501)和右全光滑爪式转子(502)的型线完全相同，且在工作中能够实现正确啮合，左全光滑爪式转子(501)中的前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB、前爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE、短幅外摆线的等距曲线EF、节圆圆弧FG、底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI、爪底圆弧IA，分别与右全光滑爪式转子(502)中的前爪尖圆弧bc、前爪臂长幅外摆线的等距曲线ab、爪底圆弧ia、后爪臂长幅外摆线的等距曲线hi、底爪尖圆弧gh、节圆圆弧fg、短幅外摆线的等距曲线ef、后爪尖圆弧de、爪顶圆弧cd能够实现正确啮合；
左全光滑爪式转子(501)的转子型线的生成方法如下：
①按以下方程生成爪顶圆(1)、节圆(2)、爪底圆(3)、长幅外摆线(4)和短幅外摆线(5)，各曲线的方程为：
爪顶圆(1)的方程：
节圆(2)的方程：
爪底圆(3)的方程：
长幅外摆线(4)的方程：
短幅外摆线(5)的方程：
②将长幅外摆线(4)向外侧等距偏移R4，偏移后的曲线绕原点O顺时针旋转γ角度，得到前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)，前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)与爪底圆(3)相切，其切点为A；将长幅外摆线(4)向外侧等距偏移2R4，偏移后的曲线绕原点O顺时针旋转γ角度，与以原点O为圆心、半径为R1-R4的圆相交，以其交点为圆心作半径为R4的前爪尖圆(7)，前爪尖圆(7)同时与前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)和爪顶圆(1)相切，其切点分别为：B、C，得到前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB和前爪尖圆弧BC；
③前爪臂长幅外摆线的等距曲线AB的所在曲线(6)绕原点O顺时针旋转α角度，得到后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)，后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)与爪底圆(3)相切，其切点为I点；将后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)向外侧等距偏移R5，偏移后的曲线与以原点O为圆心、半径为R2-R5的圆相交，以其交点为圆心作半径为R5的底爪尖圆(9)，底爪尖圆(9)同时与后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI的所在曲线(8)和节圆(2)相切，其切点分别为：G、H，得到底爪尖圆弧GH、后爪臂长幅外摆线的等距曲线HI和爪底圆弧IA；
④将短幅外摆线(5)向内侧等距偏移R4，偏移后的曲线绕原点O逆时针旋转α+β+γ角度得到短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)，短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)与爪顶圆(1)相切，其切点为F，得到节圆圆弧FG；将前爪尖圆(7)逆时针旋转α角度得到后爪尖圆(11)，后爪尖圆(11)同时与短幅外摆线的等距曲线EF的所在曲线(10)和爪顶圆(1)相切，其切点分别为：E、D，得到爪顶圆弧CD、后爪尖圆弧DE和短幅外摆线的等距曲线EF；
以上：t—角度参数，rad；R1—爪顶圆弧半径，mm；R2—节圆圆弧半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；R4—前后爪尖圆弧半径，mm；R5—底爪尖圆弧半径，mm；α，β，γ—为角度，rad。
2.一种爪式真空泵，其特征是：使用如权利要求1所述的一种全光滑的爪式转子。
3.一种爪式压缩机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种全光滑的爪式转子。
4.一种爪式膨胀机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种全光滑的爪式转子。
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