CN108930650B - 一种双头爪式泵转子及其型线 - Google Patents

Abstract

一种双头爪式泵转子及其型线，型线包括点啮合外摆线的等距曲线、修正圆弧段、齿顶圆弧段、中间连接圆弧段、圆弧共轭曲线段以及齿根圆弧段，两个转子均采用中心对称式结构，通过设置修正圆弧段，消除了尖点，避免在运行过程中转子出现严重磨损的现象。点啮合外摆线的等距曲线与修正圆弧段始终保持间隔距离，避免形成吸排气封闭容积，增加了转子型线的设计参数空间，降低了功耗，提高了泵效率。本发明的型线设计在双头爪式泵中时，相比其他常规泵型，具有易损件少、结构紧凑、抽气速率高、无喘振以及振动噪音小等优点。

Description

一种双头爪式泵转子及其型线

技术领域

本发明属于机械工程设计领域，具体涉及一种双头爪式泵转子及其型线。

背景技术

爪式泵是一种容积式回转泵，多用于获得干燥、低污染的高真空环境或者压缩洁净气体，在现代工业中有着广泛的应用。它继承了回转机械寿命长、运转可靠、振动小、噪音低、工作平稳以及无喘振现象等诸多优点，同时具有无气阀等易损件、强制吸排气、加工简单等特点，因此，近年来成为中小干式泵的首选泵型。爪式泵中的核心部件为两个转子，转子型线的选取决定了转子的结构，从而影响着泵的整体运行性能。

爪式泵型线按照齿数可分为单齿泵型线与双齿泵型线，其中，单齿泵型线可产生较大的压缩比，多用于较高压比情况。而双齿泵型线由于具有更加平稳的输气能力与良好的受力性能，多用于低压比情况。按照左右转子型线的是否完全相同，爪式泵型线又可以分为对称型线与非对称型线，其中，对称型线由于两转子结构完全相同，具有加工简单的优点，但由于对称型线无法设置较大的吸排气口，从而严重影响了其泵的整体工作性能。因此，对于低压比中小型干式泵而言，双齿非对称型爪式泵是市场的主流。

近年来，燃料电池汽车的兴起引发了人们对氢回流泵的关注，双齿非对称型爪式泵作为氢回流泵的首选泵型也备受瞩目。但是市场上已有的双齿非对称爪式泵型线存在型线设计参数空间不足、吸排气封闭容积无法消除、存在尖点从而磨损较大等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种双头爪式泵转子型线，能够应用于双齿非对称型爪式泵，扩展了爪式泵型线的设计参数空间，消除了吸排气封闭容积，避免了型线中尖点的出现，从而极大改善爪式泵的工作性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：其中一个转子的型线包括首尾依次相连的第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂、第一修正圆弧段t₂t₃、第一齿顶圆弧段t₃t₄、第一中间连接圆弧段t₄t₅、第一直线段t₅t₆、第一圆弧共轭曲线段t₆t₈、第一齿根圆弧段t₈t₁′、第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′、第二修正圆弧段t₂′t₃′、第二齿顶圆弧段t₃′t₄′、第二中间连接圆弧段t₄′t₅′、第二直线段t₅′t₆′、第二圆弧共轭曲线段t₆′t₈′以及第二齿根圆弧段t₈′t₁；

另一个转子的型线包括首尾依次相连的第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂、第一修正圆弧段j₂j₃、第一齿顶圆弧段j₃j₄、第一中间连接圆弧段j₄j₆、第一直线共轭曲线段j₆j₈、第一齿根圆弧段j₈j₁′、第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′、第二修正圆弧段j₂′j₃′、第二齿顶圆弧段j₃′j₄′、第二中间连接圆弧段j₄′j₆′、第二直线共轭曲线段j₆′j₈′、第二齿根圆弧段j₈′j₁；

所述的第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂与第一修正圆弧段j₂j₃始终保持间隔距离，第一修正圆弧段t₂t₃与第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂始终保持间隔距离，第一齿顶圆弧段t₃t₄与第二齿根圆弧段j₈′j₁相啮合，第一中间连接圆弧段t₄t₅及第一直线段t₅t₆与第二直线共轭曲线段j₆′j₈′相啮合，第一圆弧共轭曲线段t₆t₈与第二中间连接圆弧段j₄′j₆′相啮合，第二齿根圆弧段t₈′t₁与第二齿顶圆弧段j₃′j₄′相啮合，第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′与第二修正圆弧段j₂′j₃′始终保持间隔距离，第二修正圆弧段t₂′t₃′与第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′始终保持间隔距离，第二齿顶圆弧段j₃′j₄′与第一齿根圆弧段j₈j₁′相啮合，第二中间连接圆弧段t₄′t₅′及第二直线段t₅′t₆′与第一直线共轭曲线段j₆j₈相啮合，第二圆弧共轭曲线段t₆′t₈′与第一中间连接圆弧段j₄j₆相啮合，第二齿根圆弧段t₈′t₁与第一齿顶圆弧段j₃j₄相啮合。

两个转子所有齿顶圆弧段的半径为R_h，所有齿根圆弧段的半径为R_b，则节圆半径：

第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂与第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′的等距距离为r_r′，第一修正圆弧段j₂j₃与第二修正圆弧段j₂′j₃′的半径为r_r，二者满足r_r>r_r′；

第一修正圆弧段t₂t₃与第二修正圆弧段t₂′t₃′的半径为r_l，第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂与第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′的等距距离为r_l′，二者满足r_l>r_l′。

a.第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂满足下式：

其中，

第一修正圆弧段t₂t₃的参数方程为：

其中

θ₀,θ₁,θ₂按下式取得：

第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′、第二修正圆弧段t₂′t₃′的求取方式同上；

b.第一齿顶圆弧段t₃t₄的参数方程为：

式中的

按下式取得：

第二齿顶圆弧段t₃′t₄′的求取方式同上；

c.第一中间连接圆弧段t₄t₅的参数方程为：

其中

第二中间连接圆弧段t₄′t₅′的求取方式相同；

e.第一直线段t₅t₆的参数方程为：

其中，

第二直线段t₅′t₆′的求取方式相同；

上述范围参数均由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

第一圆弧共轭曲线段t₆t₈由圆弧共轭曲线t₆t₇和圆弧共轭曲线t₇t₈组成；第二圆弧共轭曲线段t₆′t₈′由圆弧共轭曲线t₆′t₇′和圆弧共轭曲线t₇′t₈′组成；圆弧共轭曲线t₆t₇的参数方程为：

圆弧共轭曲线t₇t₈的参数方程为：

第二圆弧共轭曲线段t₆′t₈′的求取方式同上；

第一齿根圆弧段t₈t₁′的参数方程为：

第二齿根圆弧段t₈′t₁的求取方式同上；

上述范围参数均由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

a.第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂满足下式：

其中，

第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′的求取方式同上；

b.第一修正圆弧段j₂j₃、第二修正圆弧段j₂′j₃′的参数方程为：

c.第一齿顶圆弧段j₃j₄的参数方程为：

第二齿顶圆弧段j₃′j₄′的求取方式相同；

上述范围参数均由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

第一中间连接圆弧段j₄j₆由中间连接圆弧j₄j₅与中间连接圆弧j₅j₆组成；

第二中间连接圆弧段j₄′j₆′由中间连接圆弧j₄′j₅′与中间连接圆弧j₅′j₆′组成；

中间连接圆弧j₄j₅的参数方程为：

中间连接圆弧j₅j₆的参数方程为：

其中r_o1满足r_o1>R_h，第二中间连接圆弧段j₄′j₆′的求取方式相同；

上述范围参数均由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

第一直线共轭曲线段j₆j₈由直线共轭曲线j₆j₇与圆弧共轭曲线j₇j₈组成；

第二直线共轭曲线段j₆′j₈′由直线共轭曲线j₆′j₇′与圆弧共轭曲线j₇′j₈′组成；

直线共轭曲线j₆j₇的参数方程为：

其中：

圆弧共轭曲线j₇j₈的参数方程为：

第二直线共轭曲线段j₆′j₈′的求取方式相同；

上述范围参数均由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

第一齿根圆弧段j₈j₁′的参数方程为：

第二齿根圆弧段j₈′j₁的求取方式相同；

上述范围参数均由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

本发明双头爪式泵转子型线能够制备成相应的转子。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：两个转子均采用中心对称式结构，通过设置修正圆弧段，消除了尖点，避免在运行过程中转子出现严重磨损的现象。点啮合外摆线的等距曲线与修正圆弧段始终保持间隔距离，避免形成吸排气封闭容积，增加了转子型线的设计参数空间，降低了功耗，提高了泵效率。本发明的型线设计在双头爪式泵中时，相比其他常规泵型，具有易损件少、结构紧凑、抽气速率高、无喘振以及振动噪音小等优点。

附图说明

图1原始转子型线示意图；

图2本发明左侧转子型线示意图；

图3本发明右侧转子型线示意图；

图4原始转子型线啮合运行示意图：(a)状态1；(b)状态2；

图5本发明转子型线啮合运行示意图：(a)状态1；(b)状态2；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，在原始转子型线设计中，左侧转子由摆线段t₁t₂，圆弧段t₂t₃，直线段t₃t₄，特殊曲线t₄t₁′，以及与曲线t₁t₂t₃t₄t₁′中心对称的曲线t₁′t₂′t₃′t₄′t₁组成。右侧转子由摆线段j₁j₂，特殊曲线t₄t₁′的共轭啮合曲线j₂j₃，直线段t₃t₄的共轭啮合曲线j₃j₄，圆弧段t₂t₃的共轭啮合曲线j₄j₁′以及与曲线j₁j₂j₃j₄j₁′中心对称的曲线j₁′j₂′j₃′j₄′j₁组成。其中，特殊曲线t₄t₁′的选取各有不同，只要满足曲线连续且一阶圆滑即可。该类型线由参数R_h、R_b、r_g与特殊曲线t₄t₁′唯一决定，独立参数较少。此类型线存在尖点t₂，导致在运行过程中转子会严重磨损。阴影表示的面积呈现封闭状态，气体无法从中流入与流出，从而造成该阴影形成空间内的气体压力非常小或非常大压力，形成吸排气封闭现象，严重影响转子动力与热力性能。

参见图2-3，本发明双头爪式泵转子型线能够解决原始转子型线设计中的以下问题：

(1)解决原始转子型线设计的独立参数较少的问题并增强转子密封性能；

将原始右转子型线共轭啮合线j₂j₃改为圆弧段j₄j₅与圆弧段j₅j₆的组合曲线j₄j₅j₆。将原始左转子型线中的t₂点改为圆弧段t₃t₄，该圆弧段以O点为中心，R_h为半径，可通过调节其中心转角的大小，调节齿宽与整体转子结构。同样的方法将原始右转子型线中的j₂点改为圆弧段j₃j₄，该圆弧段同样以O点为中心，R_h为半径。

(2)解决原始转子型线中的尖点问题；

将原始型线中尖点t₂、j₂分别改为圆弧段t₂t₃、j₂j₃。其中t₂t₃与t₃t₄在t₃点处一阶圆滑连接，与t₁t₂在t₂处一阶圆滑连接，j₂j₃与j₃j₄在j₃点处一阶圆滑连接，与j₁j₂在j₂处一阶圆滑连接。对应的，将图1中摆线段t₁t₂、j₁j₂分别改为图2-3中的等距曲线t₁t₂、j₁j₂。

(3)解决转子型线的吸排气封闭问题；

将上述左侧转子型线的圆弧段t₂t₃的半径r_l′设定为大于右侧等距摆线段j₁j₂的等距距离r_l，将上述右侧转子型线的圆弧段j₂j₃的半径r_r′设定为大于左侧等距摆线段t₁t₂的等距距离r_r。由图4(a)和图4(b)中的阴影所示，当r_l′＝r_l与r_r′＝r_r时，该型线仍会形成封闭容积。而当r_l′<r_l与r_r′<r_r时，如图5(a)和图5(b)所示，则会在转子啮合过程中形成一泄流通道，消除了封闭容积的现象。

本发明的双头爪式泵左侧转子型线是由首尾依次连接的点啮合外摆线的等距曲线，修正圆弧段，齿顶圆弧段，中间连接圆弧段，直线段，圆弧共轭曲线，齿根圆弧段，点啮合外摆线的等距曲线，修正圆弧段，齿顶圆弧段，中间连接圆弧段，直线段，圆弧共轭曲线，齿根圆弧段组成。本发明的双头爪式泵右侧转子型线是由首尾依次连接的点啮合外摆线的等距曲线，修正圆弧段，齿顶圆弧段，中间连接圆弧段，中间连接圆弧段，直线共轭曲线，圆弧共轭曲线，齿根圆弧段，点啮合外摆线的等距曲线，修正圆弧段，齿顶圆弧段，中间连接圆弧段，中间连接圆弧段，直线共轭曲线，圆弧共轭曲线，齿根圆弧段组成。

本发明的双头爪式泵在转动啮合过程中，左侧转子的点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂与右侧转子的修正圆弧段j₂j₃始终相隔一定距离，左侧转子的修正圆弧段t₂t₃与右侧转子的点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂始终相隔一定距离，左侧转子的齿顶圆弧段t₃t₄与右侧转子的齿根圆弧段j₈′j₁相啮合，左侧转子的中间连接圆弧段t₄t₅与右侧转子的圆弧共轭曲线j₇′j₈′相啮合，左侧转子的直线段t₅t₆与右侧转子的直线共轭曲线j₆′j₇′相啮合，左侧转子的圆弧共轭曲线t₆t₇、t₇t₈分别与右侧转子的中线连接圆弧段j₄′j₅′、j₅′j₆′相啮合，左侧转子的齿底圆弧段t₈t₁′与右侧转子的齿顶圆弧段j₃′j₄′相啮合，左侧转子的点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′与右侧转子的修正圆弧段j₂′j₃′始终相隔一定距离，左侧转子的修正圆弧段t₂′t₃′与右侧转子的点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′始终相隔一定距离，左侧转子的齿顶圆弧段t₃′t₄′与右侧转子的齿根圆弧段j₈j₁′相啮合，左侧转子的中间连接圆弧段t₄′t₅′与右侧转子的圆弧共轭曲线j₇j₈相啮合，左侧转子的直线段t₅′t₆′与右侧转子的直线共轭曲线j₆j₇相啮合，左侧转子的圆弧共轭曲线t₆′t₇′、t₇′t₈′分别与右侧转子的中线连接圆弧段j₄j₅、j₅j₆相啮合，左侧转子的齿底圆弧段t₈′t₁与右侧转子的齿顶圆弧段j₃j₄相啮合。

转子型线的齿顶圆半径为R_h，齿根圆半径为R_b，其节圆半径R_p为：

左转子型线的点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂在下的参数方程为：

其中，

左转子型线的修正圆弧段t₂t₃的参数方程为：

其中，

θ₀,θ₁,θ₂按如下方式取得：

左转子型线的齿顶圆弧段t₃t₄的参数方程为：

其中α_齿宽一般取为

中某值，由所需齿宽决定。

按如下方式取得：

左转子型线的中间连接圆弧段t₄t₅的参数方程为：

其中，

左转子型线的直线段t₅t₆的参数方程为：

其中，

上述范围参数都由线段接触点处连续与一阶连续的限定条件求出。

左转子型线的圆弧共轭曲线t₆t₇的参数方程为：

左转子型线的圆弧共轭曲线t₇t₈的参数方程为：

左转子型线的齿根圆弧段t₈t₁′的参数方程为：

其中，取值范围参数r_o1，

应满足在线段接触点处连续与一阶连续。

左转子型线的曲线t₁′t₂′t₃′t₄′t₅′t₆′t₇′t₈′t₁与上述曲线t₁t₂t₃t₄t₅t₆t₇t₈t₁′成以O点为中心的中心对称关系。

右转子型线的点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂在下的参数方程为：

其中，

右转子型线的修正圆弧段j₂j₃的参数方程为：

右转子型线的齿顶圆弧段j₃j₄的参数方程为：

其中α_齿底宽一般取为

中某值，由左侧转子所选去的齿底宽决定。右转子型线的中间连接圆弧段j₄j₅的参数方程为：

右转子型线的中间连接圆弧段j₅j₆的参数方程为：

其中，r_o1满足r_o1>R_h

右转子型线的直线共轭曲线j₆j₇的参数方程为：

其中：

右型线的圆弧共轭曲线j₇j₈的参数方程为：

右转子型线的齿根圆弧段j₈j₁′的参数方程为：

其中，取值范围参数r_o2，

θ₁，θ₂，

应满足在线段接触点处连续与一阶连续。

右转子型线的曲线j₁′j₂′j₃′j₄′j₅′j₆′j₇′j₈′j₁与上述曲线j₁j₂j₃j₄j₅j₆j₇j₈j₁′成以O点为中心的中心对称关系。结合以上所述，型线由齿宽参数α_齿宽，齿根宽参数α_齿根宽，右转子中间连接圆弧段j₅j₆的半径r_o1，齿顶圆半径R_h，齿根圆半径R_b，左转子修正圆弧段t₂t₃半径r_l，右转子修正圆弧段j₂j₃半径r_r,左转子等距点啮合摆线t₁t₂的等距距离r_r′，右转子等距点啮合摆线

j₁j₂的等距距离r_l′所唯一决定。其设计参数应满足：r_r>r_r′与r_l>r_l′。

本发明相对原始型线可以消除尖点，避免在运行过程中转子的严重磨损现象，避免了形成吸排气封闭容积，增加了转子型线的设计参数空间，降低了功耗，提高了泵效率。相比其他常规泵型，有易损件少，结构紧凑，抽气速率高，无喘振，振动噪音小等优点。

Claims (4)

1.一种双头爪式泵转子型线，其特征在于：其中一个转子的型线包括首尾依次相连的第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂、第一修正圆弧段t₂t₃、第一齿顶圆弧段t₃t₄、第一中间连接圆弧段t₄t₅、第一直线段t₅t₆、第一圆弧共轭曲线段t₆t₈、第一齿根圆弧段t₈t₁′、第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′、第二修正圆弧段t₂′t₃′、第二齿顶圆弧段t₃′t₄′、第二中间连接圆弧段t₄′t₅′、第二直线段t₅′t₆′、第二圆弧共轭曲线段t₆′t₈′以及第二齿根圆弧段t₈′t₁；

另一个转子的型线包括首尾依次相连的第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂、第一修正圆弧段j₂j₃、第一齿顶圆弧段j₃j₄、第一中间连接圆弧段j₄j₆、第一直线共轭曲线段j₆j₈、第一齿根圆弧段j₈j₁′、第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′、第二修正圆弧段j₂′j₃′、第二齿顶圆弧段j₃′j₄′、第二中间连接圆弧段j₄′j₆′、第二直线共轭曲线段j₆′j₈′、第二齿根圆弧段j₈′j₁；

所述的第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂与第一修正圆弧段j₂j₃始终保持间隔距离，第一修正圆弧段t₂t₃与第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂始终保持间隔距离，第一齿顶圆弧段t₃t₄与第二齿根圆弧段j₈′j₁相啮合，第一中间连接圆弧段t₄t₅及第一直线段t₅t₆与第二直线共轭曲线段j₆′j₈′相啮合，第一圆弧共轭曲线段t₆t₈与第二中间连接圆弧段j₄′j₆′相啮合，第二齿根圆弧段t₈′t₁与第二齿顶圆弧段j₃′j₄′相啮合，第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′与第二修正圆弧段j₂′j₃′始终保持间隔距离，第二修正圆弧段t₂′t₃′与第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′始终保持间隔距离，第二齿顶圆弧段j₃′j₄′与第一齿根圆弧段j₈j₁′相啮合，第二中间连接圆弧段t₄′t₅′及第二直线段t₅′t₆′与第一直线共轭曲线段j₆j₈相啮合，第二圆弧共轭曲线段t₆′t₈′与第一中间连接圆弧段j₄j₆相啮合，第二齿根圆弧段t₈′t₁与第一齿顶圆弧段j₃j₄相啮合。

2.根据权利要求1所述的双头爪式泵转子型线，其特征在于：两个转子所有齿顶圆弧段的半径为R_h，所有齿根圆弧段的半径为R_b，则节圆半径

。

3.根据权利要求2所述的双头爪式泵转子型线，其特征在于：

第一点啮合外摆线的等距曲线t₁t₂与第二点啮合外摆线的等距曲线t₁′t₂′的等距距离为r_r′，第一修正圆弧段j₂j₃与第二修正圆弧段j₂′j₃′的半径为r_r，二者满足r_r＞r_r′；

第一修正圆弧段t₂t₃与第二修正圆弧段t₂′t₃′的半径为r_l，第一点啮合外摆线的等距曲线j₁j₂与第二点啮合外摆线的等距曲线j₁′j₂′的等距距离为r_l′，二者满足r_l＞r_l′。

4.一种由权利要求1-3中任意一项所述双头爪式泵转子型线制备而成的转子。

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