CN106948863B - 一种全光滑的不对称双爪转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光滑的不对称双爪转子；其左爪式转子(101)的组成型线包括：4段摆线的等距曲线、8段圆弧、2段线段、2段椭圆弧；右爪式转子(102)的组成型线包括：4段摆线的等距曲线、8段圆弧、2段线段的包络线、2段椭圆弧的包络线；左爪式转子(101)和右爪式转子(102)都是全光滑的，且都关于其回转中心点呈中心对称；在其同步异向双回转运动中，2个爪式转子能够实现完全正确的啮合，提高了爪式转子的啮合密封性和吸气量，降低了爪式转子的应力集中、受力变形和相对余隙容积，提高了爪式流体机械的工作效率、工作性能和爪式转子的使用寿命。

Description

一种全光滑的不对称双爪转子
技术领域
本发明涉及一种全光滑的不对称双爪转子，用于爪式流体机械，尤其是适用于吸气量大、转子转速高、密封性要求高的场合。
背景技术
爪式流体机械是一种在生产中广泛使用的新型干式流体机械，可作为真空泵、压缩机和膨胀机使用，其设计的关键是爪式转子的型线设计；爪式转子由一对能够实现共轭啮合的转子组成，通过同步齿轮实现转子的同步异向双回转运动，使工作腔容积发生周期性变化，完成气体的吸入、压缩和排出过程。
爪式转子的形状及其型线的啮合特性直接决定着爪式流体机械的工作性能，现有的爪式转子的组成型线类型包括：圆弧、圆弧的包络线、摆线、摆线的等距曲线、线段、线段的包络线。中国专利(专利号：CN03237695.2)提出了一种非对称爪型干式真空泵的爪式转子，由圆弧、摆线、线段和它们的包络线组成，实现了共轭转子曲线的正确的啮合；但该爪式转子型线存在着以下缺点：①爪式转子与泵腔之间的接触是点与线的接触，在高压段，容易造成压缩腔气体泄漏增加，降低了爪式流体机械的使用性能；②左转子和右转子各存在2处尖点，尖点处易造成泄漏加剧、磨损增加、应力集中和受力变形等问题，降低了爪式转子的使用寿命和运转稳定性。
中国专利(专利号：CN201610257182.X)提出了一种特殊爪式转子型线，由圆弧、圆弧的包络线、线段、线段的包络线、摆线的等距曲线组成的不对称双爪转子，实现了转子型线的全光滑连接，但该爪式转子型线存在以下缺点：①转子与泵腔之间的密封性能仍较差；②爪臂处较为细长，转子在高温高压下运转，爪臂处的力学性能较差，容易失效。
发明内容
为了解决爪式转子啮合过程中，点与线的啮合易产生较大泄漏，且尖点处力学性能较差的缺点，为了得到全光滑的爪式转子，同时为了丰富爪式转子的型线类型，本发明采用椭圆弧与椭圆弧的包络线作为爪式转子型线，提出了一种全光滑的不对称双爪转子和构建方法；对左爪式转子(101)，在爪顶处采用1段爪顶圆弧，在爪背处采用1段摆线的等距曲线，提高了爪式转子的啮合密封性；采用1段椭圆弧，提高了爪式转子运动中的稳定性和爪式流体机械的吸气量、内容积比和容积利用率；对右爪式转子(102)，在第三爪尖处采用1段爪尖圆弧，在第四爪尖处采用1段爪尖圆弧，提高了转子的啮合密封性，减小了转子的磨损；该爪式转子实现了转子型线的全光滑连接，消除了爪式转子与泵腔的点与线的啮合，能够有效地减小尖点处的应力集中、受力变形和磨损泄漏，提高了爪式转子的力学性能和啮合密封性，使得该爪式转子能够适用于更高转速、更高压力和更高温度的使用场合，提高了转子的使用性能和寿命；对于丰富爪式转子型线类型和促进爪式真空泵、爪式压缩机和爪式膨胀机的发展都具有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全光滑的不对称双爪转子，其特征是：包括左爪式转子(101)和右爪式转子(102)；左爪式转子(101)的组成型线包括：4段摆线的等距曲线、8段圆弧、2段线段和2段椭圆弧，且相邻型线全部能够实现光滑连接；左爪式转子(101)关于其回转中心点O1中心对称，即左爪式转子(101)以其回转中心点O1为中心旋转180°后，与未旋转的左爪式转子(101)完全重合，点O1是左爪式转子(101)的对称中心；左爪式转子(101)的组成型线的二分之一按逆时针方向依次为：第一摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、第二摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、椭圆弧HI；右爪式转子(102)与左爪式转子(101)的形状和组成型线种类不完全相同；右爪式转子(102)的组成型线包括：4段摆线的等距曲线、8段圆弧、2段线段的包络线、2段椭圆弧的包络线，且相邻型线全部能够实现光滑连接；右爪式转子(102)关于其回转中心点O2中心对称，即右爪式转子(102)以其回转中心点O2为中心旋转180°后，与未旋转的右爪式转子(102)完全重合，点O2是右爪式转子(102)的对称中心；右爪式转子(102)的组成型线的二分之一按顺时针方向依次为：第三爪尖圆弧ab、第三摆线的等距曲线bc、爪底圆弧cd、第四摆线的等距曲线de、第四爪尖圆弧ef、线段的包络线fg、节圆圆弧gh、椭圆弧的包络线hi。
一种全光滑的不对称双爪转子，其特征是：在同步异向双回转运动下，左爪式转子(101)和右爪式转子(102)的组成型线能够实现完全正确的啮合；左爪式转子(101)的第一摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、第二摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、椭圆弧HI，分别与右爪式转子(102)的第三爪尖圆弧ab、第三摆线的等距曲线bc、爪底圆弧cd、第四摆线的等距曲线de、第四爪尖圆弧ef、线段的包络线fg、节圆圆弧gh、椭圆弧的包络线hi能够实现正确的啮合；其对称部分也能够实现正确的啮合。
一种全光滑的不对称双爪转子，其特征是：
①左爪式转子(101)的爪顶圆弧CD和右爪式转子(102)的爪底圆弧cd对应的圆心角相等，为α；左爪式转子(101)的节圆圆弧GH和右爪式转子(102)的节圆圆弧gh对应的圆心角相等，为π/2－α－β－γ；
角度β由以下公式确定：
Figure BDA0001303458770000031
②摆线的等距曲线方程可以通过摆线方程进行等距变换得到：
摆线的方程为：
Figure BDA0001303458770000032
摆线的等距曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000033
其中，a表示等距偏移距离；
③左爪式转子(101)的AB段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
rAB＝r2，其中L＝R1－R6，a＝R6；
④左爪式转子(101)的EF段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000034
其中a＝－R7，
Figure BDA0001303458770000035
角度γ由以下公式确定：
Figure BDA0001303458770000036
其中，坐标(x0,y0)是圆弧x2+y2＝(R1-R4)2和曲线AB的等距曲线
Figure BDA0001303458770000037
的交点，
Figure BDA0001303458770000038
中，L＝R1－R6，a＝R4+R6；
角度ζ由以下公式确定：
Figure BDA0001303458770000039
其中，坐标(x1,y1)是曲线de的等距曲线
Figure BDA00013034587700000310
和曲线fg的等距曲线
Figure BDA00013034587700000311
的交点；
其中，
Figure BDA00013034587700000312
L＝R1－R5，a＝(R5+R7)；
Figure BDA0001303458770000041
⑤左爪式转子(101)的HI段为椭圆弧，曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000042
⑥右爪式转子(102)的bc段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000043
其中L＝R1－R4，a＝R4；
⑦右爪式转子(102)的de段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000044
其中L＝R1－R5，a＝R5；
⑧右爪式转子(102)的fg段为线段的包络线，曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000045
⑨右爪式转子(102)的hi段为椭圆弧的包络线，曲线方程为：
Figure BDA0001303458770000046
其中，
Figure BDA0001303458770000047
⑩将第一摆线的等距曲线AB向外等距偏移R4，得到的等距曲线与圆心为O1，半径为R1-R4的圆的交点，就是第一爪尖圆弧BC的圆心(XBC,YBC)，以该点为圆心，作半径为R4的圆，同时与第一摆线的等距曲线AB和爪顶圆弧CD相切，切点分别是：B点和C点，得到第一爪尖圆弧BC；第二爪尖圆弧DE的圆心(XDE,YDE)位于圆心为O1，半径为R1-R5的圆上，且圆心(XDE,YDE)与圆心O1的连线，与x正半轴的夹角为α+γ，以该点为圆心，作半径为R5的圆，同时与爪顶圆弧CD和第二摆线的等距曲线EF相切，切点分别是：D点和E点，得到第二爪尖圆弧DE；将第三摆线的等距曲线bc向外等距偏移R6，得到的等距曲线与圆心为O2，半径为R1-R6的圆的交点，就是第三爪尖圆弧ab的圆心(Xab,Yab)，以该点为圆心，作半径为R6的圆，同时与第三摆线的等距曲线bc和椭圆弧的包络线h′i′相切，切点分别是：b点和a点，得到第三爪尖圆弧ab；将第四摆线的等距曲线de向外等距偏移R7，将线段的包络线fg向内等距偏移R7，两条曲线的交点，就是第四爪尖圆弧ef的圆心(Xef,Yef)，以该点为圆心，作半径为R7的圆，同时与第四摆线的等距曲线de和线段的包络线fg相切，切点分别是：e点和f点；其对称部分也按照上述方法生成。
以上：t—角度参数，rad；R2—节圆半径，mm；R1—爪顶圆弧半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；且2R2＝R1+R3；R4、R5、R6、R7—爪尖圆弧半径，mm；且R4＝R6；Ra—椭圆弧长半轴，mm；Rb—椭圆弧短半轴，mm；且Ra＝R3，Rb＝R2；α、β、γ、ζ—角度，rad。
一种爪式真空泵，其特征是：使用所述的一种全光滑的不对称双爪转子。
一种爪式压缩机，其特征是：使用所述的一种全光滑的不对称双爪转子。
一种爪式膨胀机，其特征是：使用所述的一种全光滑的不对称双爪转子。
本发明的有益效果为：
①首次采用椭圆弧及其包络线作为爪式转子型线，椭圆弧及其包络线有利于在更大范围内开设排气口，从而提高爪式流体机械的内容积比和综合性能，同时减小了其相对余隙容积，降低了使用功耗和产生的噪声，提高了工作效率；
②与单爪转子爪式流体机械相比，全光滑的不对称双爪转子爪式流体机械每转的吸气量提高20％～30％，容积利用系数提高5％～15％，显著地提高了爪式流体机械的吸气效率；
③该爪式转子实现了组成型线的全光滑连接，不存在不光滑点，改善了爪式转子爪尖处的力学性能，提高了爪式转子的使用寿命；
④爪式转子爪顶处增加1段爪顶圆弧，提高了爪式流体机械的啮合密封性，减少了气体的泄漏，提高了爪式转子的使用性能；
附图说明
图1是一种全光滑的不对称双爪转子型线图。
图2是一种全光滑的不对称双爪转子的左爪式转子(101)的型线图。
图3是一种全光滑的不对称双爪转子的右爪式转子(102)的型线图。
图4是一种全光滑的不对称双爪转子在工作中各型线的啮合图。
图中：AB、A′B′为第一摆线的等距曲线，BC、B′C′为第一爪尖圆弧，CD、C′D′为爪顶圆弧，DE、D′E′为第二爪尖圆弧，EF、E′F′为第二摆线的等距曲线，FG、F′G′为线段，GH、G′H′为节圆圆弧，HI、H′I′为椭圆弧；ab、a′b′为第三爪尖圆弧，bc、b′c′为第三摆线的等距曲线，cd、c′d′为爪底圆弧，de、d′e′为第四摆线的等距曲线，ef、e′f′为第四爪尖圆弧，fg、f′g′为线段的包络线，gh、g′h′为节圆圆弧，hi、h′i′为椭圆弧的包络线；101—左爪式转子；102—右爪式转子。
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，为所提出的一种全光滑的不对称双爪转子，左爪式转子(101)包括：4段摆线的等距曲线(AB、EF、A′B′、E′F′)、8段圆弧(BC、CD、DE、GH、B′C′、C′D′、D′E′、G′H′)、2段线段(FG、F′G′)、2段椭圆弧(HI、H′I′)；右爪式转子(102)包括：4段摆线的等距曲线(bc、de、b′c′、d′e′)、8段圆弧(ab、cd、ef、gh、a′b′、c′d′、e′f′、g′h′)、2段线段的包络线(fg、f′g′)、2段椭圆弧的包络线(hi、h′i′)。
如图2所示，为所提出的一种全光滑的不对称双爪转子的左爪式转子(101)，按逆时针方向，转子型线依次为：第一摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、第二摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、椭圆弧HI、第一摆线的等距曲线A′B′、第一爪尖圆弧B′C′、爪顶圆弧C′D′、第二爪尖圆弧D′E′、第二摆线的等距曲线E′F′、线段F′G′、节圆圆弧G′H′、椭圆弧H′I′，所组成的爪式转子的全部型线都是光滑连接的。
如图3所示，为所提出的一种全光滑的不对称双爪转子的右爪式转子(102)，按顺时针方向，转子型线依次为：第三爪尖圆弧ab、第三摆线的等距曲线bc、爪底圆弧cd、第四摆线的等距曲线de、第四爪尖圆弧ef、线段的包络线fg、节圆圆弧gh、椭圆弧的包络线hi、第三爪尖圆弧a′b′、第三摆线的等距曲线b′c′、爪底圆弧c′d′、第四摆线的等距曲线d′e′、第四爪尖圆弧e′f′、线段的包络线f′g′、节圆圆弧g′h′、椭圆弧的包络线h′i′，所组成的爪式转子的全部型线都是光滑连接的。
如图4所示，为所提出的一种全光滑的不对称双爪转子在工作中各型线的啮合图，(a)～(j)图中各相邻图所对应的主轴转角相错20°；即(a)图到(b)图左爪式转子(101)逆时针旋转20°，右爪式转子(102)顺时针旋转20°；(b)图到(c)图左爪式转子(101)逆时针旋转20°，右爪式转子(102)顺时针旋转20°；以此类推。在图(a)～(e)中，左爪式转子(101)的椭圆弧H′I′与右爪式转子(102)的椭圆弧的包络线h′i′相互啮合；在图(f)中，左爪式转子(101)的节圆圆弧G′H′与右爪式转子(102)的节圆圆弧g′h′相互啮合；在图(g)中，左爪式转子(101)的线段F′G′与右爪式转子(102)的线段的包络线f′g′相互啮合；在图(h)中，左爪式转子(101)的线段F′G′与右爪式转子(102)的线段的包络线f′g′相互啮合，左爪式转子(101)的第一爪尖圆弧B′C′与右爪式转子(102)的第三摆线的等距曲线b′c′相互啮合；在图(i)中，左爪式转子(101)的第二摆线的等距曲线E′F′与右爪式转子(102)的第四爪尖圆弧e′f′相互啮合，左爪式转子(101)的爪顶圆弧C′D′与右爪式转子(102)的爪底圆弧c′d′相互啮合，左爪式转子(101)的第一爪尖圆弧B′C′与右爪式转子(102)的第三摆线的等距曲线b′c′相互啮合；在图(j)中，左爪式转子(101)的第一摆线的等距曲线A′B′与右爪式转子(102)的第三爪尖圆弧a′b′相互啮合。
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 (5)

1.一种全光滑的不对称双爪转子，其特征是：包括左爪式转子(101)和右爪式转子(102)；左爪式转子(101)的组成型线包括：4段摆线的等距曲线、8段圆弧、2段线段和2段椭圆弧，且相邻型线全部能够实现光滑连接；左爪式转子(101)关于其回转中心点O1中心对称，即左爪式转子(101)以其回转中心点O1为中心旋转180°后，与未旋转的左爪式转子(101)完全重合，点O1是左爪式转子(101)的对称中心；左爪式转子(101)的组成型线的二分之一按逆时针方向依次为：第一摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、第二摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、椭圆弧HI；右爪式转子(102)与左爪式转子(101)的形状和组成型线种类不完全相同；右爪式转子(102)的组成型线包括：4段摆线的等距曲线、8段圆弧、2段线段的包络线、2段椭圆弧的包络线，且相邻型线全部能够实现光滑连接；右爪式转子(102)关于其回转中心点O2中心对称，即右爪式转子(102)以其回转中心点O2为中心旋转180°后，与未旋转的右爪式转子(102)完全重合，点O2是右爪式转子(102)的对称中心；右爪式转子(102)的组成型线的二分之一按顺时针方向依次为：第三爪尖圆弧ab、第三摆线的等距曲线bc、爪底圆弧cd、第四摆线的等距曲线de、第四爪尖圆弧ef、线段的包络线fg、节圆圆弧gh、椭圆弧的包络线hi；
所述的一种全光滑的不对称双爪转子：
①左爪式转子(101)的爪顶圆弧CD和右爪式转子(102)的爪底圆弧cd对应的圆心角相等，为α；左爪式转子(101)的节圆圆弧GH和右爪式转子(102)的节圆圆弧gh对应的圆心角相等，为π/2－α－β－γ；
角度β由以下公式确定：
Figure FDA0003591069970000011
②摆线的等距曲线方程可以通过摆线方程进行等距变换得到：
摆线的方程为：
Figure FDA0003591069970000012
摆线的等距曲线方程为：
Figure FDA0003591069970000013
其中，a表示等距偏移距离；
③左爪式转子(101)的AB段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
rAB＝r2，其中L＝R1－R6，a＝R6；
④左爪式转子(101)的EF段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
Figure FDA0003591069970000021
其中a＝－R7，
Figure FDA0003591069970000022
角度γ由以下公式确定：
Figure FDA0003591069970000023
其中，坐标(x0,y0)是圆弧x2+y2＝(R1-R4)2和曲线AB的等距曲线
Figure FDA0003591069970000024
的交点，
Figure FDA0003591069970000025
中，L＝R1－R6，a＝R4+R6；
角度ζ由以下公式确定：
Figure FDA0003591069970000026
其中，坐标(x1,y1)是曲线de的等距曲线
Figure FDA0003591069970000027
和曲线fg的等距曲线
Figure FDA0003591069970000028
的交点；
其中，
Figure FDA0003591069970000029
L＝R1－R5，a＝(R5+R7)；
Figure FDA00035910699700000210
⑤左爪式转子(101)的HI段为椭圆弧，曲线方程为：
Figure FDA00035910699700000211
⑥右爪式转子(102)的bc段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
Figure FDA00035910699700000212
其中L＝R1－R4，a＝R4；
⑦右爪式转子(102)的de段为摆线的等距曲线，曲线方程为：
Figure FDA0003591069970000031
其中L＝R1－R5，a＝R5；
⑧右爪式转子(102)的fg段为线段的包络线，曲线方程为：
Figure FDA0003591069970000032
⑨右爪式转子(102)的hi段为椭圆弧的包络线，曲线方程为：
Figure FDA0003591069970000033
其中，
Figure FDA0003591069970000034
⑩将第一摆线的等距曲线AB向外等距偏移R4，得到的等距曲线与圆心为O1，半径为R1-R4的圆的交点，就是第一爪尖圆弧BC的圆心(XBC,YBC)，以该点为圆心，作半径为R4的圆，同时与第一摆线的等距曲线AB和爪顶圆弧CD相切，切点分别是：B点和C点，得到第一爪尖圆弧BC；第二爪尖圆弧DE的圆心(XDE,YDE)位于圆心为O1，半径为R1-R5的圆上，且圆心(XDE,YDE)与圆心O1的连线，与x正半轴的夹角为α+γ，以该点为圆心，作半径为R5的圆，同时与爪顶圆弧CD和第二摆线的等距曲线EF相切，切点分别是：D点和E点，得到第二爪尖圆弧DE；将第三摆线的等距曲线bc向外等距偏移R6，得到的等距曲线与圆心为O2，半径为R1-R6的圆的交点，就是第三爪尖圆弧ab的圆心(Xab,Yab)，以该点为圆心，作半径为R6的圆，同时与第三摆线的等距曲线bc和椭圆弧的包络线h′i′相切，切点分别是：b点和a点，得到第三爪尖圆弧ab；将第四摆线的等距曲线de向外等距偏移R7，将线段的包络线fg向内等距偏移R7，两条曲线的交点，就是第四爪尖圆弧ef的圆心(Xef,Yef)，以该点为圆心，作半径为R7的圆，同时与第四摆线的等距曲线de和线段的包络线fg相切，切点分别是：e点和f点；其对称部分也按照上述方法生成；
以上：t—角度参数，rad；R2—节圆半径，mm；R1—爪顶圆弧半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；且2R2＝R1+R3；R4、R5、R6、R7—爪尖圆弧半径，mm；且R4＝R6；Ra—椭圆弧长半轴，mm；Rb—椭圆弧短半轴，mm；且Ra＝R3，Rb＝R2；α、β、γ、ζ—角度，rad。
2.根据权利要求1所述的一种全光滑的不对称双爪转子，其特征是：在同步异向双回转运动下，左爪式转子(101)和右爪式转子(102)的组成型线能够实现完全正确的啮合；左爪式转子(101)的第一摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、第二摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、椭圆弧HI，分别与右爪式转子(102)的第三爪尖圆弧ab、第三摆线的等距曲线bc、爪底圆弧cd、第四摆线的等距曲线de、第四爪尖圆弧ef、线段的包络线fg、节圆圆弧gh、椭圆弧的包络线hi能够实现正确的啮合；其对称部分也能够实现正确的啮合。
3.一种爪式真空泵，其特征是：使用如权利要求1所述的一种全光滑的不对称双爪转子。
4.一种爪式压缩机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种全光滑的不对称双爪转子。
5.一种爪式膨胀机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种全光滑的不对称双爪转子。
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