CN108678954B - 一种爪式真空泵的曲爪转子及其型线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爪式真空泵的曲爪转子及其型线设计方法，该转子由9段曲线组成：3段圆弧、3段椭圆弧和3段椭圆弧包络线；该转子在爪顶、爪尖、爪底处均采用椭圆弧与椭圆弧的包络线构建型线，相互啮合的2个转子完全相同且能够实现型线的正确啮合；相邻曲线之间均光滑连接，不存在不光滑的连接点，提高了曲爪转子的力学性能、啮合性能和密封性能；该转子具有更小的余隙容积，有效减小了压缩功耗，提高了爪式真空泵的压缩比；该转子爪顶处更加平坦，啮合范围大，啮合线长，进一步减小了磨损；该转子面积小，提高了真空泵的抽速和容积利用率；该转子丰富了爪式转子的型线类型，对爪式真空泵的发展具有重要的意义。

Description

一种爪式真空泵的曲爪转子及其型线设计方法

技术领域

本发明涉及爪式真空泵，特别涉及一种爪式真空泵的曲爪转子及其型线设计方法。

背景技术

爪式真空泵是一种在石化、医药、食品多领域中都有着广泛应用的干式真空泵，具有结构简单、运行平稳、噪音低的优点；爪式转子是爪式真空泵的核心部件，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，实现工作腔容积的周期性变化，完成气体的吸入、压缩和排出过程，达到不断抽真空的目的。

爪式转子的组成型线和啮合性能直接决定了爪式真空泵的使用性能，常见的曲爪转子型线由3段摆线和3段圆弧组成，该转子型线存在4处尖点，易导致在尖点处的磨损、变形以及应力集中，而点与摆线的啮合也会存在很大的泄漏隐患；为提高常见曲爪转子的性能，中国专利(专利号：ZL201610321238.3)提出了一种全光滑的爪式转子，该转子型线由6段圆弧、2段长幅外摆线的等距曲线和1段短幅外摆线的等距曲线组成，实现了所有曲线之间的光滑连接，不存在尖点，提高了转子的密封性能、力学性能和啮合性能；但是该对曲爪转子在相互啮合时，由于余隙容积的存在，降低了爪式真空泵的效率，同时，爪顶处虽然由后爪尖圆弧代替了尖点，但是啮合范围仍然不够平坦，啮合线较短，仍会导致一定程度的磨损。

发明内容

本发明为了进一步减小曲爪转子的余隙容积，减小爪顶处的磨损，同时为了提高曲爪转子的面积利用率，丰富曲爪转子的型线类型，提出了一种爪式真空泵的曲爪转子及其型线设计方法；本发明采用椭圆弧与椭圆弧的包络线构建曲爪转子型线，实现了所有曲线之间的光滑连接，不存在尖点，有效避免了产生磨损、变形和应力集中的区域，同时提高了转子的密封性能、力学性能和啮合性能；在爪顶处采用椭圆弧连接爪顶圆弧与节圆圆弧，相比圆弧连接，椭圆弧使得爪顶处更为平坦，且啮合范围大，啮合线更长，减小了爪顶处的磨损；采用椭圆弧和椭圆弧包络线连接爪顶圆弧与爪底圆弧，减小了转子的面积，提高了爪式真空泵的吸气量和容积利用率；爪底处同样采用椭圆弧与椭圆弧包络线连接爪底圆弧与节圆圆弧，有效减小了转子工作时产生的余隙容积，提高了爪式真空泵的压缩比；因此，该转子型线能够适用于更高转速、更高压力和更高温度的使用场合，提高了转子的性能和使用寿命；对于丰富爪式转子型线类型和促进爪式真空泵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：

一种爪式真空泵的曲爪转子，包括：左曲爪转子(1)和右曲爪转子(2)，左曲爪转子(1)的组成型线包括6段曲线，按逆时针方向依次为：左第一椭圆弧包络线AB、左第一椭圆弧BC、左爪顶圆弧CD、左第二椭圆弧DE、左第三椭圆弧包络线EF、左节圆圆弧FG、左第三椭圆弧GH、左第二椭圆弧包络线HI和左爪底圆弧IA；相邻曲线之间均光滑连接，不存在不光滑的连接点；左曲爪转子(1)的组成型线与右曲爪转子(2)的组成型线完全相同；在同步异向双回转运动的工作过程中，左曲爪转子(1)的组成型线与右曲爪转子(2)的组成型线能够实现正确的啮合，且啮合关系为：左曲爪转子(1)的组成型线中的左第一椭圆弧包络线AB、左第一椭圆弧BC、左爪顶圆弧CD、左第二椭圆弧DE、左第三椭圆弧包络线EF、左节圆圆弧FG、左第三椭圆弧GH、左第二椭圆弧包络线HI和左爪底圆弧IA，分别与右曲爪转子(2)的组成型线中的右第一椭圆弧bc、右第一椭圆弧包络线ab、右爪底圆弧ia、右第二椭圆弧包络线hi、右第三椭圆弧gh、右节圆圆弧fg、右第三椭圆弧包络线ef、右第二椭圆弧de和右爪顶圆弧cd相啮合。

所述的一种爪式真空泵的曲爪转子，左第一椭圆弧BC的方程为：

式中：M_BC为第一旋转变换矩阵，为第一初始椭圆弧，如下：

式中：R₁为爪顶圆弧半径，R₂为节圆半径，m₁为第一初始椭圆弧长半轴长度，n₁为第一初始椭圆弧短半轴长度，α为第一旋转角度；

左第一椭圆弧包络线AB的方程为：

式中：M_AB为第二旋转变换矩阵，为第一初始椭圆弧包络线，如下：

第一旋转角度α由如下方程确定：

式中：

左第二椭圆弧DE的方程为：

式中：M_DE为第三旋转变换矩阵，为第二初始椭圆弧，如下：

式中：m₂为第二初始椭圆弧长半轴长度，n₂为第二初始椭圆弧短半轴长度，β为爪顶圆弧角；

左第二椭圆弧包络线HI的方程为：

式中：M_HI为第四旋转变换矩阵，为第二初始椭圆弧包络线，如下：

式中：

左第三椭圆弧GH的方程为：

式中：M_GH为第五旋转变换矩阵，为第三初始椭圆弧，如下：

式中：m₃为第三初始椭圆弧长半轴长度，n₃为第三初始椭圆弧短半轴长度，γ为第二旋转角度；

左第三椭圆弧包络线EF的方程为：

式中：M_EF为第六旋转变换矩阵，为第三初始椭圆弧包络线，如下：

第二旋转角度γ由如下方程确定：

式中：

以上：t—角度参数，rad。

所述爪式真空泵的曲爪转子的型线设计方法，包括以下步骤：

1)以原点O为圆心，分别作半径为R₁的爪顶圆、半径为R₂的节圆和半径为R₃的爪底圆；

2)作第一初始椭圆弧

3)作第一初始椭圆弧包络线

4)求解第一旋转角度α，第一初始椭圆弧绕原点O逆时针旋转第一旋转角度α，第一初始椭圆弧包络线/>绕原点O顺时针旋转第一旋转角度α；

5)作第二初始椭圆弧

6)作第二初始椭圆弧包络线

7)给定爪顶圆弧角β，第二初始椭圆弧绕原点O逆时针旋转α+β，第二初始椭圆弧包络线/>绕原点O顺时针旋转α+β；

8)作第三初始椭圆弧

9)作第三初始椭圆弧包络线

10)求解第二旋转角度γ，第三初始椭圆弧绕原点O顺时针旋转α+β+γ，第三初始椭圆弧包络线/>绕原点O逆时针旋转α+β+γ。

本发明的有益效果为：

①所提出的曲爪转子在爪顶处采用椭圆弧作为转子型线，使得爪顶处更为平坦，且啮合范围大，啮合线长，在工作过程中能够有效减小爪顶处的磨损；

②所提出的曲爪转子采用1段椭圆弧包络线连接爪尖椭圆弧与爪底圆弧，减小了转子的面积，提高了爪式真空泵的抽速和容积利用率；

③所提出的曲爪转子在爪底处采用椭圆弧包络线连接爪底椭圆弧与爪底圆弧，有效减小了工作过程中两曲爪转子所形成的余隙容积；

④所提出的曲爪转子实现了所有曲线之间的光滑连接，不存在尖点，有效避免了磨损、变形和应力集中，同时提高了采用该曲爪转子的真空泵的密封性能、力学性能和啮合性能。

附图说明

图1是所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子的型线图。

图2是所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子的左转子的型线生成图。

图3是所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子的啮合图。

图4是与图3相错50°的所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子的啮合图。

图5是现有的一种全光滑的爪式转子的型线图。

图6是所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在工作过程中的余隙容积图。

图7是现有的一种全光滑的爪式转子在工作过程中的余隙容积图。

图8是所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在爪顶处的组成型线图。

图9是现有的一种全光滑的爪式转子在爪顶处的组成型线图。

图10是常见的曲爪转子的型线图。

图中：R₁为爪顶圆弧半径；R₂为节圆半径；R₃为爪底圆弧半径；m₁为第一初始椭圆弧长半轴长度；n₁为第一初始椭圆弧短半轴长度；m₂为第二初始椭圆弧长半轴长度；n₂为第二初始椭圆弧短半轴长度；m₃为第三初始椭圆弧长半轴长度；n₃为第三初始椭圆弧短半轴长度；α为第一旋转角度；β为爪顶圆弧角；γ为第二旋转角度；1、2为所提出的曲爪转子。

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，为所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子的型线图，按逆时针方向，转子型线依次为：第一椭圆弧包络线AB、第一椭圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二椭圆弧DE、第三椭圆弧包络线EF、节圆圆弧FG、第三椭圆弧GH、第二椭圆弧包络线HI和爪底圆弧IA；相邻曲线之间均光滑连接，不存在不光滑的连接点；提高了曲爪转子的力学性能、啮合性能和密封性能。

如图2所示，为所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子的左转子的型线生成图，其转子型线的生成方法如下：

1)以原点O为圆心，分别作半径为R₁的爪顶圆、半径为R₂的节圆和半径为R₃的爪底圆；

2)作第一初始椭圆弧方程为：

3)作第一初始椭圆弧包络线方程为：

式中：

4)求解第一旋转角度α，由如下方程确定：

第一初始椭圆弧绕原点O逆时针旋转第一旋转角度α得左第一椭圆弧BC，方程为：

式中：M_BC为第一旋转变换矩阵，如下：

第一初始椭圆弧包络线绕原点O顺时针旋转第一旋转角度α得左第一椭圆弧包络线AB，方程为：/>

式中：M_AB为第二旋转变换矩阵，如下：

5)作第二初始椭圆弧方程为：

6)作第二初始椭圆弧包络线方程为：

式中：

7)给定爪顶圆弧角β，第二初始椭圆弧绕原点O逆时针旋转α+β得左第二椭圆弧DE，方程为：

式中：M_DE为第三旋转变换矩阵，为第二初始椭圆弧，如下：

第二初始椭圆弧包络线绕原点O顺时针旋转α+β得左第二椭圆弧包络线HI，方程为：

式中：M_HI为第四旋转变换矩阵，如下：

8)作第三初始椭圆弧方程为

9)作第三初始椭圆弧包络线方程为

式中：

10)求解第二旋转角度γ，由如下方程确定：

第三初始椭圆弧绕原点O顺时针旋转α+β+γ得左第三椭圆弧GH，方程为：

式中：M_GH为第五旋转变换矩阵，如下：

第三初始椭圆弧包络线绕原点O逆时针旋转α+β+γ得左第三椭圆弧包络线EF，方程为：

式中：M_EF为第六旋转变换矩阵，如下：

以上：t—角度参数，rad。

如图3、图4所示，为所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在工作中各型线的啮合图，图3、图4所对应的主轴转角相错50°；即图3到图4，左曲爪转子(1)顺时针旋转50°，右曲爪转子(2)逆时针旋转50°；在图3中，左曲爪转子(1)的左第一椭圆弧包络线AB、左爪底圆弧IA、左第二椭圆弧包络线HI及左第三椭圆弧GH分别与右曲爪转子(2)的右第一椭圆弧bc、右爪顶圆弧cd、右第二椭圆弧de及右第三椭圆弧包络线ef相啮合，在图4中，左曲爪转子(1)的左第一椭圆弧BC、左爪顶圆弧CD、左第二椭圆弧DE及左第三椭圆弧包络线EF，分别与右曲爪转子(2)的右第一椭圆弧包络线ab、右爪底圆弧ia、右第二椭圆弧包络线hi及右第三椭圆弧gh相啮合；除图中所示，左曲爪转子(1)的左节圆圆弧FG与右曲爪转子(2)右节圆圆弧fg相啮合。

如图5所示，一种全光滑的爪式转子，其型线包括9段曲线，按逆时针方向依次为：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，相邻曲线之间实现了光滑连接，不存在不光滑连接点；同图1相比，在爪顶圆弧角β、爪顶圆弧半径R₁、节圆半径R₂和爪底圆弧半径R₃相同的情况下，所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子比一种全光滑的爪式转子的转子面积更小，若泵腔大小、转子厚度相同，则应用了所提出的曲爪转子的真空泵的转子容积更小，最大吸气容积更大，也就是容积利用率更大。

如图6、图7所示，分别为所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在工作过程中的余隙容积及一种全光滑的爪式转子在工作过程中的余隙容积；余隙容积的存在会导致排气腔中的一部分被压缩气体无法排除而留在余隙容积中，导致压缩功耗的浪费，降低了爪式真空泵的工作效率；由于图6中所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在工作过程中的余隙容积较图7中一种全光滑的爪式转子在工作过程中的余隙容积更小，所以，所提出的曲爪转子具有更小的压缩功耗、更高的工作效率及更大的压缩比。

如图8、图9所示，分别为所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在爪顶处的组成型线及一种全光滑的爪式转子在爪顶处的组成型线；由图可见，在爪顶圆弧角相同、椭圆弧长半轴m₂等于圆弧半径r₁的情况下，相比全光滑的爪式转子在爪顶处采用圆弧作为尖点的修正型线，所提出的曲爪转子由于在爪顶处采用椭圆弧作为尖点的修正型线，使得爪顶处更为平坦，参与啮合的型线范围大，啮合线更长，有效减小了爪顶处的磨损。

如图10所示，常见的曲爪转子型线由3段圆弧和3段摆线构成，按逆时针方向依次为：摆线AB、爪顶圆弧BC、摆线CD、节圆圆弧DE、摆线EF、爪底圆弧FA；其中连接点B点、C点、D点和E点为不光滑连接点，即尖点；尖点的存在易导致该区域产生磨损、变形、应力集中以及泄漏现象；由于所提出的一种爪式真空泵的曲爪转子在尖点处全部采用了椭圆弧修正，实现了所有曲线的全光滑连接，使常见曲爪转子中点与曲线的啮合变成了曲线与曲线的啮合，有效避免了尖点处磨损、变形、应力集中的出现，并且减小了泄漏量。

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 (2)

1.一种爪式真空泵的曲爪转子，包括：左曲爪转子(1)和右曲爪转子(2)，其特征是：左曲爪转子(1)的组成型线包括6段曲线，按逆时针方向依次为：左第一椭圆弧包络线AB、左第一椭圆弧BC、左爪顶圆弧CD、左第二椭圆弧DE、左第三椭圆弧包络线EF、左节圆圆弧FG、左第三椭圆弧GH、左第二椭圆弧包络线HI和左爪底圆弧IA；相邻曲线之间均光滑连接，不存在不光滑的连接点；左曲爪转子(1)的组成型线与右曲爪转子(2)的组成型线完全相同；在同步异向双回转运动的工作过程中，左曲爪转子(1)的组成型线与右曲爪转子(2)的组成型线能够实现正确的啮合，且啮合关系为：左曲爪转子(1)的组成型线中的左第一椭圆弧包络线AB、左第一椭圆弧BC、左爪顶圆弧CD、左第二椭圆弧DE、左第三椭圆弧包络线EF、左节圆圆弧FG、左第三椭圆弧GH、左第二椭圆弧包络线HI和左爪底圆弧IA，分别与右曲爪转子(2)的组成型线中的右第一椭圆弧bc、右第一椭圆弧包络线ab、右爪底圆弧ia、右第二椭圆弧包络线hi、右第三椭圆弧gh、右节圆圆弧fg、右第三椭圆弧包络线ef、右第二椭圆弧de和右爪顶圆弧cd相啮合；

一种爪式真空泵的曲爪转子，左第一椭圆弧BC的方程为：

式中：M_BC为第一旋转变换矩阵，为第一初始椭圆弧，如下：

式中：R₁为爪顶圆弧半径，R₂为节圆半径，m₁为第一初始椭圆弧长半轴长度，n₁为第一初始椭圆弧短半轴长度，α为第一旋转角度；

左第一椭圆弧包络线AB的方程为：

式中：M_AB为第二旋转变换矩阵，为第一初始椭圆弧包络线，如下：

第一旋转角度α由如下方程确定：

式中：

左第二椭圆弧DE的方程为：

式中：M_DE为第三旋转变换矩阵，为第二初始椭圆弧，如下：

式中：m₂为第二初始椭圆弧长半轴长度，n₂为第二初始椭圆弧短半轴长度，β为爪顶圆弧角；

左第二椭圆弧包络线HI的方程为：

式中：M_HI为第四旋转变换矩阵，为第二初始椭圆弧包络线，如下：

式中：

左第三椭圆弧GH的方程为：

式中：M_GH为第五旋转变换矩阵，为第三初始椭圆弧，如下：

式中：m₃为第三初始椭圆弧长半轴长度，n₃为第三初始椭圆弧短半轴长度，γ为第二旋转角度；

左第三椭圆弧包络线EF的方程为：

式中：M_EF为第六旋转变换矩阵，为第三初始椭圆弧包络线，如下：

第二旋转角度γ由如下方程确定：

式中：

以上：t—角度参数，rad。

2.一种如权利要求1所述爪式真空泵的曲爪转子的型线设计方法，其特征是：包括以下步骤：

1)以原点O为圆心，分别作半径为R₁的爪顶圆、半径为R₂的节圆和半径为R₃的爪底圆；

2)作第一初始椭圆弧

3)作第一初始椭圆弧包络线

4)求解第一旋转角度α，第一初始椭圆弧绕原点O逆时针旋转第一旋转角度α，第一初始椭圆弧包络线/>绕原点O顺时针旋转第一旋转角度α；

5)作第二初始椭圆弧

6)作第二初始椭圆弧包络线

7)给定爪顶圆弧角β，第二初始椭圆弧绕原点O逆时针旋转α+β，第二初始椭圆弧包络线/>绕原点O顺时针旋转α+β；

8)作第三初始椭圆弧

9)作第三初始椭圆弧包络线

10)求解第二旋转角度γ，第三初始椭圆弧绕原点O顺时针旋转α+β+γ，第三初始椭圆弧包络线/>绕原点O逆时针旋转α+β+γ。