CN108050061A - 一种高效爪式转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效爪式转子，该转子的型线采用了渐开线和渐开线的包络线，渐开线与爪顶圆和节圆都相切，渐开线的包络线与爪底圆和节圆都相切，简化了爪式转子的型线组成，优化了爪式流体机械的混合过程，使得爪式流体机械在混合过程中气体只发生1次再压缩和1次膨胀过程，降低了爪式转子的工作能耗，同时减少了爪式转子工作过程中形成的余隙容积，提高了爪式转子的容积效率。

Description

一种高效爪式转子
技术领域
本发明涉及爪式转子，特别涉及适用于爪式流体机械的一种高效爪式转子。
背景技术
爪式流体机械是一种容积式流体机械，可作为真空泵和压缩机使用；爪式流体机械通过一对相互啮合的爪式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来实现气体的吸入、压缩和排出过程；具有结构简单、运行平稳、噪音低和干式无油的优点，在电子、石油化工行业有着广泛的应用。
爪式转子作为爪式流体机械的核心部件，其型线的设计好坏直接影响到爪式流体机械的性能，如密封性、面积利用率、工作效率和使用寿命。现有常用的爪式转子为曲爪转子，其型线由3段摆线和3段圆弧组成，根据文献(Wang J,Song Y,Jiang X,et al.Ananalytical model of claw rotor profiles and working process model with themixing process for claw vacuum pumps[J].Vacuum,2015,114:66-77.)对曲爪转子工作过程的研究可知，该爪式转子型线存在以下缺点：该爪式转子在排气结束后和吸气开始前存在一混合过程，该混合过程复杂，在混合过程中，多次出现：工作腔的分割和合并、以及工作腔的重新形成；工作腔中的气体发生2次再压缩和2次膨胀过程，在混合过程中工作腔内气体的反复再压缩和膨胀为不可逆过程，造成了较大的能耗损失，降低了爪式转子的工作效率；因而需要减少爪式转子在混合过程中的不可逆过程，减少再压缩和膨胀的次数，提高其工作效率。
发明内容
为了解决上述爪式转子的问题，同时为了丰富爪式转子的型线类型，本发明采用渐开线以及渐开线的包络线作为爪式转子的型线，提出了一种高效爪式转子；将爪式转子的节圆和爪顶圆弧用渐开线进行光滑连接，将爪式转子的节圆和爪底圆弧用渐开线的包络线进行光滑连接，使得爪式转子在混合过程中的气体只发生1次再压缩和1次膨胀过程，减少了爪式转子在混合过程中的不可逆过程，降低了混合过程中的耗功；同时减小了余隙容积，提高了爪式转子的工作效率，扩大了爪式转子适用范围，对促进爪式真空泵、爪式压缩机的发展都有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高效爪式转子，其组成型线包括3段圆弧、1段摆线、1段渐开线和1段渐开线的包络线；沿逆时针方向依次为摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线CD、节圆DE、渐开线的包络线EF和爪底圆弧FA；渐开线CD同时与爪顶圆弧BC和节圆DE相切，实现了从爪顶到节圆的光滑连接；渐开线的包络线EF同时与节圆DE和爪底圆弧FA相切，实现了从爪底到节圆的光滑连接；工作中2个形状完全相同的左侧转子(1)和右侧转子(2)做同步异向双回转运动，其组成型线全部能够实现正确的啮合，左侧转子(1)的点B、摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线CD、节圆DE、渐开线的包络线EF、爪底圆弧FA依次与右侧转子(2)的摆线ab、点b、爪底圆弧fa、渐开线的包络线ef、节圆de、渐开线cd、爪顶圆弧bc相啮合。
一种高效爪式转子，以回转中心点O为原点建立直角坐标系，其组成型线的方程如下：
(1)摆线AB的方程为：
(2)爪顶圆弧BC的方程为：
(3)渐开线CD由基圆圆心在原点的渐开线相对节圆圆心O偏移距离h并绕自身基圆圆心Ob旋转角度γ后得到的,渐开线CD的方程为：
渐开线基圆半径Rb、渐开线偏移距离h、渐开线绕基圆圆心Ob的旋转角度γ与爪顶圆弧半径R1、节圆半径R2、渐开线CD中心角θ的关系为：
(4)节圆DE的方程为：
(5)渐开线的包络线EF的方程为：
式中：
(6)爪底圆弧FA的方程为：
以上式中：t—角度参数，rad；R1—爪顶圆弧半径，mm；R2—节圆半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；Rb—渐开线基圆半径，mm；且2R2＝R1+R3；θ—渐开线CD的中心角，rad；h—渐开线CD的基圆圆心与节圆圆心距离，mm；γ—渐开线旋转角度，rad。
一种高效爪式转子，其组成型线包括3段圆弧、1段摆线、1段渐开线、1段渐开线的包络线，沿逆时针方向依次为摆线、爪顶圆弧、渐开线的包络线、节圆、渐开线、爪底圆弧。
一种高效爪式转子，其组成型线包括4段圆弧、1段摆线的等距曲线、1段渐开线、1段渐开线的包络线，沿逆时针方向依次为摆线的等距曲线、爪尖圆弧、爪顶圆弧、渐开线、节圆、渐开线的包络线、爪底圆弧。
一种爪式真空泵，使用所述的一种高效爪式转子。
本发明的有益效果为：
(1)采用渐开线和渐开线的包络线实现了爪顶圆弧和节圆以及爪底圆弧和节圆的光滑连接，简化了爪式转子型线的组成。
(2)提高了爪式转子的工作效率，爪式转子在混合过程中气体只发生1次再压缩和1次膨胀过程，降低了爪式转子的工作能耗。
(3)减少了爪式转子工作过程中形成的余隙容积，提高了爪式转子的容积效率。
附图说明
图1渐开线和节圆、爪顶圆构建关系图；
图2爪式转子方案1型线图；
图3爪式转子啮合关系图；
图4爪式转子工作过程图；
图5爪式转子方案2型线图；
图6爪式转子方案3型线图。
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所示为渐开线CD的构建过程，给定半径为R1的爪顶圆、半径为R2的节圆、光滑连接爪顶圆和节圆的渐开线的中心角θ,根据几何关系计算得出偏移距离h、渐开线基圆半径Rb、渐开线旋转角度γ。如图1中虚线所示以半径为Rb的基圆为基础作出渐开线，渐开线基圆中心与节圆中心重合；将渐开线和基圆相对节圆中心偏移距离h，然后将渐开线绕基圆中心Ob旋转角度γ得到与爪顶圆和节圆都相切的渐开线，切点分别为C、D，切点之间的中心角为θ。
如图2所示，为所提出的爪式转子方案1型线图，沿逆时针方向依次为摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线CD、节圆DE、渐开线的包络线EF、爪底圆弧FA，渐开线CD与爪顶圆弧BC和节圆DE都相切，实现了爪顶圆弧与节圆的光滑连接；渐开线的包络线EF与爪底圆弧FA和节圆DE都相切，实现了爪底圆弧和节圆的光滑连接。
如图3所示为两个转子的啮合关系图，两个转子的形状完全相同，工作时两个转子进行同步异向双回转运动；左侧转子(1)的点B、摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线CD、节圆DE、渐开线的包络线EF、爪底圆弧FA依次与右侧转子(2)的摆线ab、点b、爪底圆弧fa、渐开线的包络线ef、节圆de、渐开线cd、爪顶圆弧bc相啮合。
如图4所示为爪式转子工作过程图，图中左侧转子按顺时针方向转动，右侧转子按逆时针方向转动。图4(a)～4(j)所示的工作过程依次为：图4(a)～4(d)为吸气和排气过程,图4(d)为排气结束的临界时刻，此后未完全排出的气体进入混合过程，图4(d)～4(g)混合过程的工作腔Ⅰ逐渐减小直至消失，工作腔Ⅰ中的气体被压缩；图4(g)～4(j)工作腔Ⅱ形成直至增大到面积最大，工作腔Ⅱ中的气体发生膨胀，整个混合过程均只有一个工作腔发生气体的过压缩和气体的膨胀，图4(j)为混合过程结束的临界时刻，此后该转子将进入新的吸气过程。
如图5所示，为所提出的爪式转子方案2型线图，该图中用渐开线连接爪底圆弧与节圆，用渐开线的包络线连接爪顶圆弧与节圆，其型线沿逆时针方向依次为摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线的包络线CD、节圆DE、渐开线EF、爪底圆弧FA，渐开线的包络线CD同时与爪顶圆弧BC和节圆DE相切，实现了爪顶圆弧与节圆的光滑连接；渐开线EF同时与爪底圆弧FA和节圆DE相切，实现了爪底圆弧与节圆的光滑连接，该图中渐开线连接爪底圆弧和节圆的方法与渐开线连接爪顶圆弧和节圆的方法相同。
如图6所示，为所提出的爪式转子方案3型线图，沿逆时针方向依次为摆线的等距曲线AB、爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、渐开线DE、节圆EF、渐开线的包络线FG、爪底圆弧GA。
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)

1.一种高效爪式转子，其组成型线包括3段圆弧、1段摆线、1段渐开线和1段渐开线的包络线；其特征是：沿逆时针方向依次为摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线CD、节圆DE、渐开线的包络线EF和爪底圆弧FA；渐开线CD同时与爪顶圆弧BC和节圆DE相切，实现了从爪顶到节圆的光滑连接；渐开线的包络线EF同时与节圆DE和爪底圆弧FA相切，实现了从爪底到节圆的光滑连接；工作中2个形状完全相同的左侧转子(1)和右侧转子(2)做同步异向双回转运动，其组成型线全部能够实现正确的啮合，左侧转子(1)的点B、摆线AB、爪顶圆弧BC、渐开线CD、节圆DE、渐开线的包络线EF、爪底圆弧FA依次与右侧转子(2)的摆线ab、点b、爪底圆弧fa、渐开线的包络线ef、节圆de、渐开线cd、爪顶圆弧bc相啮合。
2.根据权利要求1所述的一种高效爪式转子，其特征为：以回转中心点O为原点建立直角坐标系，其组成型线的方程如下：
(1)摆线AB的方程为：
(2)爪顶圆弧BC的方程为：
(3)渐开线CD由基圆圆心在原点的渐开线相对节圆圆心O偏移距离h并绕自身基圆圆心Ob旋转角度γ后得到的,渐开线CD的方程为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>t</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>h</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>t</mi> <mi> </mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
渐开线基圆半径Rb、渐开线偏移距离h、渐开线绕基圆圆心Ob的旋转角度γ与爪顶圆弧半径R1、节圆半径R2、渐开线CD中心角θ的关系为：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mi>tan</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
(4)节圆DE的方程为：
(5)渐开线的包络线EF的方程为：
式中：
(6)爪底圆弧FA的方程为： <mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
以上式中：t—角度参数，rad；R1—爪顶圆弧半径，mm；R2—节圆半径，mm；R3—爪底圆弧半径，mm；Rb—渐开线基圆半径，mm；且2R2＝R1+R3；θ—渐开线CD的中心角，rad；h—渐开线CD的基圆圆心与节圆圆心距离，mm；γ—渐开线旋转角度，rad。
3.一种高效爪式转子，其组成型线包括3段圆弧、1段摆线、1段渐开线、1段渐开线的包络线，其特征是：沿逆时针方向依次为摆线、爪顶圆弧、渐开线的包络线、节圆、渐开线、爪底圆弧。
4.一种高效爪式转子，其组成型线包括4段圆弧、1段摆线的等距曲线、一段渐开线、一段渐开线的包络线，其特征是：沿逆时针方向依次为摆线的等距曲线、爪尖圆弧、爪顶圆弧、渐开线、节圆、渐开线的包络线、爪底圆弧。
5.一种爪式真空泵，其特征是：使用如权利要求1、权利要求3和权利要求4所述的一种高效爪式转子。
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