CN108757439A - 一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子及其设计方法 - Google Patents

一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子及其设计方法，其左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)包括：4段圆弧、4段椭圆弧、4段椭圆弧包络线和4段渐开线，通过采用椭圆弧及其共轭曲线代替常用的点和摆线的啮合方式，并用一段渐开线连接椭圆弧与其共轭曲线，使得端面型线各段曲线光滑连接，得到全光滑的螺杆转子。两个转子完全相同，且能够实现正确的啮合，且型线简单，易于加工制造。

Description

一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子及其设计方法
技术领域
本发明涉及双螺杆液体泵，特别涉及适用于双螺杆液体泵的一种双头全光滑螺杆转子。
背景技术
双螺杆液体泵是一种容积式液体泵，通过两个螺杆转子的工作长度段来隔开吸入腔和排出腔，依靠一对同步齿轮传递扭矩，使密封腔连续的从吸入口移向排出口，实现液体的输送。常用的双螺杆液体泵端面型线是由点啮合摆线的啮合组成，所生成的螺杆转子存在不光滑的棱边，由此造成Ω型螺杆转子的力学特性差，转子容易发生磨损，降低泵的使用寿命，造成泄漏量的增大，从而破坏工作腔的密封性能，降低双螺杆泵的工作性能。
在螺杆泵的设计制造过程中，螺杆转子端面型线的设计对泵的性能有较大影响。为提高常用的双螺杆转子的性能，中国专利(专利号CN201720524780.9)提出了一种全光滑的双螺杆泵转子，该转子采用两段圆弧及其包络线代替常用的点啮合摆线，缓解了尖点处的磨损问题，实现构成曲线之间的光滑连接和完全正确地啮合，具有良好的密封性能、耐磨性能高、受力特性好等优点；但是该对双螺杆截面型线中存在曲率凸凹变化，对泵的运行稳定性存在一定影响，容积利用率有所降低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，同时为了丰富双螺杆液体泵螺杆转子端面型线类型，提出了一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子及其设计方法。本发明采用椭圆弧及其共轭曲线代替常用的点和摆线的啮合方式，并用一段渐开线连接椭圆弧与其共轭曲线，使得端面型线中各曲线段之间实现光滑连接，进而得到全光滑的螺杆转子。工作过程中，螺杆转子端面型线在同步异向双回转运动下能够实现正确啮合，端面型线之间的啮合由原来的点啮合变为线啮合，进而螺杆转子之间的啮合由原来的线啮合变为面啮合；提高了螺杆转子的密封性能，减少了转子之间的磨损，提高螺杆转子的使用寿命；且型线简单，易于加工制造，降低生产成本；对丰富双螺杆液体泵螺杆转子端面型线的类型和提高其工作性能具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子，包括左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)；左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)包括：4段圆弧、4段椭圆弧、4段椭圆弧包络线和4段渐开线，按逆时针方向依次为：左齿根圆弧UAB、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE、左齿顶圆弧EFG、右第一齿顶椭圆弧GH、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右齿根圆弧JKL、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧NP、左齿顶圆弧PQR、左第二齿顶椭圆弧RS、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧包络线TU；所述的左端面型线(101)是全光滑的，其相邻曲线间均光滑连接，不存在不光滑的连接点；所述的左端面型线(101)同时关于x轴和y轴对称；所述的左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)和右螺杆转子(Ⅱ)的右端面型线(102)完全相同。
所述的一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子，其左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)和右螺杆转子(Ⅱ)右端面型线(102)在同步异向双回转运动中能够实现正确啮合；左端面型线(101)中的左齿根圆弧UAB、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE、左齿顶圆弧EFG、右第一齿顶椭圆弧GH、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右齿根圆弧JKL、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧NP、左齿顶圆弧PQR、左第二齿顶椭圆弧RS、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧包络线TU分别与右端面型线(102)中的左齿顶圆弧pqr、右第二齿顶椭圆弧np、右第二渐开线mn、右第二齿顶椭圆弧包络线lm、右齿根圆弧jkl、右第一齿顶椭圆弧包络线ij、右第一渐开线hi、右第一齿顶椭圆弧gh、左齿顶圆弧efg、左第一齿顶椭圆弧de、左第一渐开线cd、左第一齿顶椭圆弧包络线bc、左齿根圆弧uab、左第二齿顶椭圆弧包络线tu、左第二渐开线st、左第二齿顶椭圆弧rs正确啮合。
所述的一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子的设计方法，左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)的设计方法包括以下步骤：
①建立坐标系O1xy，O1为原点；
②按以下方程生成齿根圆(1)、齿顶圆(2)、节圆(3)，其方程如下：
齿根圆(1)的方程为：
齿顶圆(2)的方程为：
节圆(3)的方程为：
以上：t—为角度参数，rad；R1—为齿顶圆半径，mm；R2—为节圆半径，mm；R3—为齿根圆半径，mm；且2R2＝R1+R3；
③按以下方程生成齿顶椭圆弧(4)、齿顶椭圆弧包络线(5)，其方程如下：
齿顶椭圆弧(4)的方程为：
齿顶椭圆弧包络线(5)的方程为：
以上：m1—齿顶椭圆弧(4)的长半轴；n1—齿顶椭圆弧(4)的短半轴；—为第一中间变量，由如下方程确定：
④按以下方程生成渐开线(6)，其方程如下：
渐开线(6)的方程为：
以上：L—为O1C的长度，由以下方法确定：
其中(x5(t0),y5(t0))为齿顶椭圆弧包络线(5)与其过原点的切线L的交点C的坐标；
t0由如下方程确定：
且得到切线L与y轴的夹角为：
⑤将齿顶椭圆弧(4)顺时针旋转角，得到左第一齿顶椭圆弧DE；将齿顶椭圆弧包络线(5)顺时针旋转角，得到左第一齿顶椭圆弧包络线BC；将渐开线(6)逆时针旋转角，得到左第一渐开线CD；
其中，α，β，γ为旋转角度；且(xv，yv)是节圆(3)与渐开线(6)两条曲线的交点V的坐标；旋转角度α＝β+γ；
⑥将所述的左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE关于y轴作镜像，再将得到的曲线关于x轴作镜像，并将左第一齿顶椭圆弧DE与右第一齿顶椭圆弧GH用齿顶圆(2)连接，将左第一齿顶椭圆弧包络线BC与左第二齿顶椭圆弧包络线TU用齿根圆(1)连接，将右第一齿顶椭圆弧包络线IJ和右第二齿顶椭圆弧包络线LM用齿根圆(1)连接，将右第二齿顶椭圆弧NP和左第二齿顶椭圆弧RS用齿顶圆(2)连接，得到左端面型线(101)；
⑦将所述的左端面型线(101)沿左螺旋线作轴向螺旋展开生成左螺杆转子(Ⅰ)；将得到的右端面型线(102)沿右螺旋线作轴向螺旋展开生成右螺杆转子(Ⅱ)；左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)上的螺旋齿面间能够实现全部光滑连接，形成全光滑的双螺杆液体泵螺杆转子。
本发明的有益效果为：
①采用椭圆弧与椭圆弧的共轭曲线的啮合方式，实现端面型线中各曲线段之间光滑连接，避免了尖点的磨损情况，改善螺杆转子的受力特性，提高了螺杆转子的使用寿命；
②采用一段渐开线光滑连接椭圆弧与其包络线，利用其包络线为自身的啮合特性，简化了型线的设计过程，易于加工。
③采用双头全光滑设计，其动平衡性要比传统单头双螺杆泵更好，理论流量也高于传统单头双螺杆泵。
④工作过程中，螺杆转子之间的啮合由原来的线啮合变为面啮合；提高了螺杆转子的耐磨性和密封性能，提高螺杆转子的使用寿命，减小了螺杆转子间的接触线长度，从而减小泄漏，提高泵的运行效率；
⑤丰富了双螺杆液体泵螺杆转子端面型线类型。
附图说明
图1为所提出的双螺杆液体泵的双头左螺杆转子的左端面型线图。
图2为所提出的双螺杆液体泵的双头左螺杆转子的左端面型线的生成过程图。
图3为2个全光滑的端面型线啮合图。
图4为2个全光滑的双螺杆液体泵螺杆转子的啮合图。
图中：R2—为节圆半径；R1—为齿顶圆半径；R3—为齿根圆半径；m1—齿顶椭圆弧(4)的长半轴；n1—齿顶椭圆弧(4)的短半轴；101—左端面型线；102—右端面型线；Ⅰ—左螺杆转子；Ⅱ—右螺杆转子；1—齿根圆；2—齿顶圆；3—节圆；4—齿顶椭圆弧；5—齿顶椭圆弧包络线；6—渐开线；α，β，γ—旋转角度。
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，为所提出的双螺杆液体泵的双头左螺杆转子的左端面型线图，左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)包括：4段圆弧、4段椭圆弧、4段椭圆弧包络线和4段渐开线，按逆时针方向依次为：左齿根圆弧UAB、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE、左齿顶圆弧EFG、右第一齿顶椭圆弧GH、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右齿根圆弧JKL、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧NP、左齿顶圆弧PQR、左第二齿顶椭圆弧RS、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧包络线TU；所述的左端面型线(101)是全光滑的端面型线，其相邻曲线间均光滑连接，不存在不光滑连接点；所述的左端面型线(101)同时关于x轴和y轴对称；所述的左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)和右螺杆转子(Ⅱ)的右端面型线(102)完全相同；
如图2所示，为所提出的双螺杆液体泵的双头左螺杆转子的左端面型线的生成过程图，步骤如下：
①建立坐标系O1xy，O1为原点；
②按以下方程生成齿根圆(1)、齿顶圆(2)、节圆(3)，其方程如下：
齿根圆(1)的方程为：
齿顶圆(2)的方程为：
节圆(3)的方程为：
以上：t—为角度参数，rad；R1—为齿顶圆半径，mm；R2—为节圆半径，mm；R3—为齿根圆半径，mm；且2R2＝R1+R3；
③按以下方程生成齿顶椭圆弧(4)、齿顶椭圆弧包络线(5)，其方程如下：
齿顶椭圆弧(4)的方程为：
齿顶椭圆弧包络线(5)的方程为：
以上：m1—齿顶椭圆弧(4)的长半轴；n1—齿顶椭圆弧(4)的短半轴；—为第一中间变量，由如下方程确定：
④按以下方程生成渐开线(6)，其方程如下：
渐开线(6)的方程为：
以上：L—为O1C的长度，由以下方法确定：
其中(x5(t0),y5(t0))为齿顶椭圆弧包络线(5)与其过原点的切线L的交点C的坐标；
t0由如下方程确定：
且得到切线L与y轴的夹角为：
⑤将齿顶椭圆弧(4)顺时针旋转角，得到左第一齿顶椭圆弧DE；将齿顶椭圆弧包络线(5)顺时针旋转角，得到左第一齿顶椭圆弧包络线BC；将渐开线(6)逆时针旋转角，得到左第一渐开线CD；
其中，α，β，γ为旋转角度；且(xv，yv)是节圆(3)与渐开线(6)两条曲线的交点V的坐标；旋转角度α＝β+γ；
⑥将所述的左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE关于y轴作镜像，再将得到的曲线关于x轴作镜像，并将左第一齿顶椭圆弧DE与右第一齿顶椭圆弧GH用齿顶圆(2)连接，将左第一齿顶椭圆弧包络线BC与左第二齿顶椭圆弧包络线TU用齿根圆(1)连接，将右第一齿顶椭圆弧包络线IJ和右第二齿顶椭圆弧包络线LM用齿根圆(1)连接，将右第二齿顶椭圆弧NP和左第二齿顶椭圆弧RS用齿顶圆(2)连接，得到左端面型线(101)；
如图3所示，为2个全光滑的端面型线啮合图，左端面型线(101)和右端面型线(102)在同步异向双回转运动中能够实现正确啮合，左端面型线(101)中的左齿根圆弧UAB、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE、左齿顶圆弧EFG、右第一齿顶椭圆弧GH、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右齿根圆弧JKL、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧NP、左齿顶圆弧PQR、左第二齿顶椭圆弧RS、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧包络线TU分别与右端面型线(102)中的左齿顶圆弧PQR、右第二齿顶椭圆弧NP、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右齿根圆弧JKL、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧GH、左齿顶圆弧EFG、左第一齿顶椭圆弧DE、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左齿根圆弧UAB、左第二齿顶椭圆弧包络线TU、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧RS正确啮合。
如图4所示，为2个全光滑的双螺杆液体泵螺杆转子的啮合图，左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)分别由各自对应的截面型线沿两个螺杆转子的轴线螺旋展开生成，相邻齿面之间完全光滑连接；在两个螺杆转子做同步异向双回转运动时，能满足对应齿面的完全啮合，不存在干涉或者未参与啮合的部分。
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)

1.一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子，包括左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)；其特征是：左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)包括：4段圆弧、4段椭圆弧、4段椭圆弧包络线和4段渐开线，按逆时针方向依次为：左齿根圆弧UAB、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE、左齿顶圆弧EFG、右第一齿顶椭圆弧GH、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右齿根圆弧JKL、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧NP、左齿顶圆弧PQR、左第二齿顶椭圆弧RS、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧包络线TU；所述的左端面型线(101)是全光滑的，其相邻曲线间均光滑连接，不存在不光滑的连接点；所述的左端面型线(101)同时关于x轴和y轴对称；所述的左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)和右螺杆转子(Ⅱ)的右端面型线(102)完全相同。
2.如权利要求1所述的一种双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子，其特征是：左螺杆转子(Ⅰ)的左端面型线(101)和右螺杆转子(Ⅱ)右端面型线(102)在同步异向双回转运动中能够实现正确啮合；左端面型线(101)中的左齿根圆弧UAB、左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE、左齿顶圆弧EFG、右第一齿顶椭圆弧GH、右第一渐开线HI、右第一齿顶椭圆弧包络线IJ、右齿根圆弧JKL、右第二齿顶椭圆弧包络线LM、右第二渐开线MN、右第二齿顶椭圆弧NP、左齿顶圆弧PQR、左第二齿顶椭圆弧RS、左第二渐开线ST、左第二齿顶椭圆弧包络线TU分别与右端面型线(102)中的左齿顶圆弧pqr、右第二齿顶椭圆弧np、右第二渐开线mn、右第二齿顶椭圆弧包络线lm、右齿根圆弧jkl、右第一齿顶椭圆弧包络线ij、右第一渐开线hi、右第一齿顶椭圆弧gh、左齿顶圆弧efg、左第一齿顶椭圆弧de、左第一渐开线cd、左第一齿顶椭圆弧包络线bc、左齿根圆弧uab、左第二齿顶椭圆弧包络线tu、左第二渐开线st、左第二齿顶椭圆弧rs正确啮合。
3.一种如权利要求1所述的双螺杆液体泵的双头全光滑螺杆转子的设计方法，其特征是：左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)的设计方法包括以下步骤：
1)建立坐标系O1xy，O1为原点；
2)按以下方程生成齿根圆(1)、齿顶圆(2)、节圆(3)，其方程如下：
齿根圆(1)的方程为：
齿顶圆(2)的方程为：
节圆(3)的方程为：
以上：t—为角度参数，rad；R1—为齿顶圆半径，mm；R2—为节圆半径，mm；R3—为齿根圆半径，mm；且2R2＝R1+R3；
3)按以下方程生成齿顶椭圆弧(4)、齿顶椭圆弧包络线(5)，其方程如下：
齿顶椭圆弧(4)的方程为：
齿顶椭圆弧包络线(5)的方程为：
以上：m1—齿顶椭圆弧(4)的长半轴；n1—齿顶椭圆弧(4)的短半轴；—为第一中间变量，由如下方程确定：
4)按以下方程生成渐开线(6)，其方程如下：
渐开线(6)的方程为：
以上：L—为O1C的长度，由以下方法确定：
其中(x5(t0),y5(t0))为齿顶椭圆弧包络线(5)与其过原点的切线L的交点C的坐标；
t0由如下方程确定：
且得到切线L与y轴的夹角为：
5)将齿顶椭圆弧(4)顺时针旋转角，得到左第一齿顶椭圆弧DE；将齿顶椭圆弧包络线(5)顺时针旋转角，得到左第一齿顶椭圆弧包络线BC；将渐开线(6)逆时针旋转角，得到左第一渐开线CD；
其中，α，β，γ为旋转角度；且(xv，yv)是节圆(3)与渐开线(6)两条曲线的交点V的坐标；旋转角度α＝β+γ；
6)将所述的左第一齿顶椭圆弧包络线BC、左第一渐开线CD、左第一齿顶椭圆弧DE关于y轴作镜像，再将得到的曲线关于x轴作镜像，并将左第一齿顶椭圆弧DE与右第一齿顶椭圆弧GH用齿顶圆(2)连接，将左第一齿顶椭圆弧包络线BC与左第二齿顶椭圆弧包络线TU用齿根圆(1)连接，将右第一齿顶椭圆弧包络线IJ和右第二齿顶椭圆弧包络线LM用齿根圆(1)连接，将右第二齿顶椭圆弧NP和左第二齿顶椭圆弧RS用齿顶圆(2)连接，得到左端面型线(101)；
7)将所述的左端面型线(101)沿左螺旋线作轴向螺旋展开生成左螺杆转子(Ⅰ)；将得到的右端面型线(102)沿右螺旋线作轴向螺旋展开生成右螺杆转子(Ⅱ)；左螺杆转子(Ⅰ)和右螺杆转子(Ⅱ)上的螺旋齿面间能够实现全部光滑连接，形成全光滑的双螺杆液体泵螺杆转子。
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