CN108443156A - 一种三腔滑片真空泵缸体及其型线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三腔滑片真空泵缸体及其型线设计方法，采用正弦螺旋线构成缸体型线，第一吸入段曲线、第二吸入段曲线和第三吸入段曲线，第一排出段曲线、第二排出段曲线和第三排出段曲线分别绕原点120°旋转对称，组成曲线之间完全光滑连接且二阶导数连续，第一吸入段曲线对应的圆心角的大小为α，第一排出段曲线对应的圆心角的大小为β，α<β且α+β＝120°；缸体和转子之间形成三个相同的不对称工作腔，减小了排气容积，有效增大了内容积比；本发明提出的三腔滑片真空泵缸体保证滑片顶端在与缸体内壁保持接触的滑动中不发生刚性冲击和柔性冲击，并且可通过改变曲线对应圆心角大小来增大滑片真空泵内容积比，使滑片真空泵具有较大的极限真空度。

Description

一种三腔滑片真空泵缸体及其型线设计方法

技术领域

本发明涉及滑片真空泵，特别涉及适用于一种三腔滑片真空泵缸体及其型线设计方法。

背景技术

滑片真空泵是一种容积式流体机械，旋转时靠离心力使滑片顶端与缸体内壁保持接触，转子带动滑片沿缸体内壁滑动，在上下端盖、滑片、转子和缸体间形成封闭的工作腔，实现气体的吸入，压缩和排出。具有抽速大、体积小、可抽除一定量的可凝性气体的优点，广泛应用于机械、电子、化工、汽车等行业。常见的滑片真空泵包括单腔、双腔和三腔滑片真空泵，为获得更好的工作性能，缸体型线的设计尤为重要。相关研究提出了多次函数型线、三角函数型线和多段组合曲线等，但对应缸体的各个工作腔均为对称结构，排气容积较大，导致内容积比小，压缩效率低。

发明内容

为了增大滑片真空泵内容积比，也为了丰富缸体型线的类型，本发明提出了一种三腔滑片真空泵缸体及其型线设计方法。采用正弦螺旋线构建缸体型线，改变吸入和排出段曲线对应圆心角的占比，达到缸体和转子之间形成三个相同的不对称工作腔，减小排气容积，增大内容积比的目的。缸体型线上所有曲线满足二阶导数连续，保证滑片顶端在与缸体内壁保持接触的滑动中不发生刚性冲击和柔性冲击。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三腔滑片真空泵缸体，缸体(1)内的型线按顺时针方向分布依次为：第一吸入段曲线AB、第一排出段曲线BC、第二吸入段曲线CD、第二排出段曲线DE、第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA，组成曲线之间完全光滑连接且二阶导数连续；A点、C点和E点为滑片能到达的最低点，位于以原点O为圆心，半径为底圆半径R₃的圆上；B点、D点和F点为滑片能到达的最高点，位于以原点O为圆心，半径为顶圆半径R₁的圆上；第一吸入段曲线AB对应的圆心角∠AOB的大小为α，第一排出段曲线BC对应的圆心角∠BOC的大小为β，α<β且α+β＝120°；将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC绕原点O顺时针旋转120°后得到的曲线与第二吸入段曲线CD和第二排出段曲线DE重合，将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC绕原点O顺时针旋转240°后得到的曲线与第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA重合；缸体(1)和转子(2)之间形成三个相同的不对称工作腔：第一工作腔(101)、第二工作腔(102)和第三工作腔(103)。

所述的一种三腔滑片真空泵缸体，第一吸入段曲线AB的方程为：

第一排出段曲线BC的方程为：

式中，表示初始第一排出段曲线的方程；M₁表示将初始第一排出段曲线沿横轴镜像的矩阵；M₂表示将镜像后的曲线绕原点O顺时针旋转2π/3角度的旋转矩阵；

同时第一吸入段曲线AB的曲率满足k_AB>0，

式中：t为参数。

所述的三腔滑片真空泵缸体的型线设计方法，包括以下步骤：

1)以原点O为圆心，分别作半径为顶圆半径R₁和底圆半径R₃的圆；

2)设缸体第一吸入段曲线AB对应的圆心角∠AOB的大小为α，第一排出段曲线BC对应的圆心角∠BOC的大小为β，α<β且α+β＝120°；

3)采用正弦螺线光滑连接顶圆和底圆，求解曲线方程；

4)检验第一吸入段曲线AB的曲率是否满足恒大于零，如不满足该条件，返回第二步，增大圆心角∠AOB的大小α，减小圆心角∠BOC的大小β，直至第一吸入段曲线AB的曲率满足该条件；

5)将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC同时顺时针绕原点O旋转120°，得到第二吸入段曲线CD和第二排出段曲线DE；

6)将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC同时顺时针绕原点O旋转240°，得到第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA，构成完整的缸体型线。

本发明的有益效果为：

1)不对称工作腔结构提高滑片真空泵的内容积比，使真空泵具有较大的极限真空度；

2)可实现通过改变曲线对应圆心角来调节滑片真空泵内容积比；

3)缸体组成曲线满足二阶导数连续，保证滑片顶端在与缸体内壁保持接触的滑动中不发生刚性冲击和柔性冲击；

4)丰富了三腔滑片真空泵缸体型线类型。

附图说明

图1为三腔滑片真空泵缸体型线图。

图2为曲线不同圆心角对应的缸体型线图。

图3为不对称工作腔图。

图4为工作腔吸气过程结束，压缩过程开始图。

图5为工作腔压缩过程结束，排气过程开始图。

图中：

R₁—顶圆半径；R₃—底圆半径；α—圆心角∠AOB的大小；β—圆心角∠BOC的大小；1—缸体；101—第一工作腔；102—第二工作腔；103—第三工作腔；2—转子；3—吸气口；4—排气口；5—第一滑片；6—第二滑片；S_in—最大吸气容积；S_out—最大排气容积；ω—旋转角速度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，缸体(1)内的型线按顺时针方向分布依次为：第一吸入段曲线AB、第一排出段曲线BC、第二吸入段曲线CD、第二排出段曲线DE、第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA，组成曲线之间完全光滑连接且二阶导数连续；A点、C点和E点为滑片能到达的最低点，位于以原点O为圆心，半径为底圆半径R₃的圆上；B点、D点和F点为滑片能到达的最高点，位于以原点O为圆心，半径为顶圆半径R₁的圆上；第一吸入段曲线AB对应的圆心角∠AOB的大小为α，第一排出段曲线BC对应的圆心角∠BOC的大小为β，α<β且α+β＝120°；将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC绕原点O顺时针旋转120°后得到的曲线与第二吸入段曲线CD和第二排出段曲线DE重合，将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC绕原点O顺时针旋转240°后得到的曲线与第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA重合；第一吸入段曲线AB的方程为：

第一排出段曲线BC的方程为：

式中，表示初始第一排出段曲线的方程；M₁表示将初始第一排出段曲线沿横轴镜像的矩阵；M₂表示将镜像后的曲线绕原点O顺时针旋转2π/3角度的旋转矩阵；

如图2所示，圆心角∠AOB的大小α和圆心角∠BOC的大小β可以在上述条件下调节；当圆心角∠AOB的大小α和圆心角∠BOC的大小β的差值过大，第一吸入段曲线AB在A点附近的曲线曲率小于零，曲线出现了内凸段，造成滑片与缸体内壁接触脱落，并且在该处滑片与缸体磨损严重，因此圆心角∠AOB的大小α和圆心角∠BOC的大小β要合理取值，保证第一吸入段曲线AB的曲率k_AB>0，

圆心角∠AOB的大小α和圆心角∠BOC的大小β的差值越大，第一吸入段曲线AB越陡峭，第一排出段曲线BC越平缓，滑片真空泵的内容积比越大；差值越小，第一吸入段曲线AB越平缓，第一排出段曲线BC越陡峭，滑片真空泵的内容积比越小，当α＝β时，如图中虚线所示，第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC关于∠AOC的角平分线对称。

如图3所示，缸体(1)和转子(2)之间形成三个相同的不对称工作腔：第一工作腔(101)、第二工作腔(102)和第三工作腔(103)，均不关于OM、ON和OQ对称。

如图4所示，转子(2)在当前位置时，第一滑片(5)位于吸气口(3)末端，工作腔吸气过程结束，压缩过程开始，缸体(1)、转子(2)、第一滑片(5)和第二滑片(6)之间形成如阴影部分所示的最大吸气容积S_in。

如图5所示，转子(2)顺时针转到当前位置时，第二滑片(6)位于排气口(4)初始端，工作腔压缩过程结束，排气过程开始，缸体(1)、转子(2)、第一滑片(5)和第二滑片(6)之间形成如阴影部分所示的最大排气容积Sout；图中虚线所示为常见具有对称工作腔的缸体型线，在相同排气口位置下不对称工作腔中的最大排气容积要明显小于对称工作腔，所以所提出的三腔滑片真空泵缸体内容积比S_in/S_out更大，内容积比提高8％以上。

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 (3)

1.一种三腔滑片真空泵缸体，其特征是：缸体(1)内的型线按顺时针方向分布依次为：第一吸入段曲线AB、第一排出段曲线BC、第二吸入段曲线CD、第二排出段曲线DE、第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA，组成曲线之间完全光滑连接且二阶导数连续；A点、C点和E点为滑片能到达的最低点，位于以原点O为圆心，半径为底圆半径R₃的圆上；B点、D点和F点为滑片能到达的最高点，位于以原点O为圆心，半径为顶圆半径R₁的圆上；第一吸入段曲线AB对应的圆心角∠AOB的大小为α，第一排出段曲线BC对应的圆心角∠BOC的大小为β，α<β且α+β＝120°；将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC绕原点O顺时针旋转120°后得到的曲线与第二吸入段曲线CD和第二排出段曲线DE重合，将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC绕原点O顺时针旋转240°后得到的曲线与第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA重合；缸体(1)和转子(2)之间形成三个相同的不对称工作腔：第一工作腔(101)、第二工作腔(102)和第三工作腔(103)。

2.如权利要求1所述的一种三腔滑片真空泵缸体，其特征是：

第一吸入段曲线AB的方程为：

第一排出段曲线BC的方程为：

式中，表示初始第一排出段曲线的方程；M₁表示将初始第一排出段曲线沿横轴镜像的矩阵；M₂表示将镜像后的曲线绕原点O顺时针旋转2π/3角度的旋转矩阵；

同时第一吸入段曲线AB的曲率满足k_AB>0，

式中：t为参数。

3.一种如权利要求1所述三腔滑片真空泵缸体的型线设计方法，其特征是：包括以下步骤：

1)以原点O为圆心，分别作半径为顶圆半径R₁和底圆半径R₃的圆；

2)设缸体第一吸入段曲线AB对应的圆心角∠AOB的大小为α，第一排出段曲线BC对应的圆心角∠BOC的大小为β，α<β且α+β＝120°；

3)采用正弦螺线光滑连接顶圆和底圆，求解曲线方程；

4)检验第一吸入段曲线AB的曲率是否满足恒大于零，如不满足该条件，返回第二步，增大圆心角∠AOB的大小α，减小圆心角∠BOC的大小β，直至第一吸入段曲线AB的曲率满足该条件；

5)将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC同时顺时针绕原点O旋转120°，得到第二吸入段曲线CD和第二排出段曲线DE；

6)将第一吸入段曲线AB和第一排出段曲线BC同时顺时针绕原点O旋转240°，得到第三吸入段曲线EF和第三排出段曲线FA，构成完整的缸体型线。