CN1093228C - 螺杆转子组 - Google Patents

Abstract

已知结构形式的具有包角大于720°的单头螺纹螺杆转子以在螺纹端表上具有平衡穴的一体的铸造结构在平均转速(≈3000min^-1)下无不平衡地工作。要求将泵用在具有灵敏的清洁要求或维护要求或具有腐蚀性介质以及狭小的空间和质量要求的工艺中，产生转子构形和转子平衡的问题，这些问题通过本发明得到解决。此处通过用多个单个的部分在转子内部组装成转子和通过形成空穴和/或通过相应的材料选择而达到不均匀的质量分布，该质量分布与螺纹长度/螺距之比配合，产生静态平衡和动态平衡。如此构成的螺杆转子除了由于材料选择的灵活性和光滑的无凹穴的表面而引起的安装简单和结构紧凑、稳定的优点外，还可在食品工业、化学、药品、半导体制造的泵中提供很多的应用可能性。

Description

螺杆转子组

技术领域

本发明涉及用于平衡螺杆转子组的措施，该转子组沿轴向平行布置并具有反向运转的外轴啮合，并在单头螺纹结构时具有至少为720°的包角。

背景技术重心的中心线距离，端面和包角在此处确定了在具有单头螺纹牙型的螺杆中所产生的静态不平衡和动态不平衡的大小。

在日本的TaiKo公司的公报Sho 62(1987)-291486中描述了一种平衡螺杆的方法：首先通过按螺距的整数倍数规定螺纹长度而达到静平衡。通过在螺纹的两侧的端面侧的凹穴而做到动平衡，该穴做成空心的或在其中填以轻质材料。

当要求采用不能铸造的特殊材料时，这种平衡方法是行不通的。当采用特别的牙型几何形状时，这一方法也有其限度，这是因为，一方面，由于稳定性的原因，螺纹的壁厚不能随便减少，另一方面，由于螺旋形引起的平衡穴的过大的轴向伸长将产生重大的制造问题；用轻质材料充填凹穴使问题更加严重。

在瑞士的Busch S.A.公司的瑞士专利公报3487/95中描述了另一种平衡螺杆的方法：使螺纹长度(＝2W₂)比螺距的 倍大(2W₂＝5l/2，7l/2，9l/2……)螺距l(Steigung)的整数倍。

为了补偿剩下的静态不平衡和动态不平衡，可采用在吸入侧改变外从动螺纹部分和/或一个或更多的端面侧的平衡穴和/或采用外附加质量。

此方法一方面提供了采用特殊材料的可能性，另一方导致减少平衡穴，由此达到形状稳定性的提高。

将螺杆转子用于泵送一定的介质以及力图减少输出侧的螺纹端部的温度，就要求有小的、光滑的、无凹穴的螺纹表面，它不会被弄脏而且容易清洁。对维修、安装、备件贮存方面的减少费用的要求和对小型、紧凑的泵的要求使外附加质量的应用遇到困难。

发明内容

本发明的目的在于规定各种措施，用于平衡具有无凹穴的、光滑的表面的单头螺纹螺杆，而不必采用外附加质量。

此目的在一个用于沿轴向平行布置并具有反向运转的外轴向啮合、并在单头螺纹结构时具有至少为720°的包角、同时具有光滑的平行平面的转子端面的螺杆转子组中如此解决，即：每个螺杆转子由多个彼此刚性地连接的单独的部分组成，这些单独的部分具有共同的旋转轴线、可选择的重心的偏心位置和可选择的不同的材料密度：在转子内部的各个部分形成一偏心的、一直封闭到泵室的空穴即平衡穴。在转子内部调节各个部分的材料密度和几何形状将产生静平衡并影响动态不平衡；通过由计算确定螺纹长度/螺距之比＝a的值，使之略小于1/2的奇数倍，就可在对静态不平衡的反作用微不足道的情况下达到动平衡。

在预先给定螺纹的几何形状的范围内，构形的可能性将如从属权利要求中所描述的那样，在于选择旋转部分的数目、形状和材料以及平衡穴3的构形。

与制造中的额外费用相对的是下列由本发明得到的优点：

1.光滑的、无穴的、便于作业和维护的表面。

2.通过减少表面(面积)降低螺纹端部的温度。

3.对具有不同化学和力学负荷的各个部分优化材料选择。

4.安装、备件的购置和贮存都简单。

5.小型的、紧凑的和形状稳定的结构。

6.用螺杆体与不同的转子轴的组合的模块设计原理。

7.转子内部冷却的可能性。

附图说明

下面参考在附图中所示的实施例更详细地说明本发明：

图1示出了按照本发明的由各个部分组成的、做成单头螺纹结构的、用于螺杆泵的具有先导向齿轮驱动的螺杆转子组，它具有偏心的内部质量集中，并在轴向截面中具有螺纹长度/螺距之比＝2W2/l＜9/2。

图2示出了图1的右旋螺纹的端面牙型重心的螺旋形轨迹曲线。

图3示出了图1的螺杆转子组的一个转子的实施例，它在一第一变型中做成两件的结构，并在轴向剖面中具有分割成翼形的平衡穴。

图4示出了图3的转子沿与A-A线对应的剖面。

图5示出了端面牙型重心的螺旋形轨迹曲线图并用点划线示出了图3和4的分割成翼形的平衡穴的端截面重心的轨迹曲线分枝I、II、III、IV、V。

图6示出了具有重心和最大的允许内空穴的第一转子变型的端截面几何形状。

图7示出了平衡穴103的轴向位置W变化时的不同端截面轮廓。

图8示出了图1的螺杆转子组的一个转子的实施例，它在一第二变形中做成两件的结构并在轴向剖面中具有直的平衡穴。

图9示出了图8的转子沿与B-B线对应的剖面。

图10示出了端牙型重心的螺旋形轨迹曲线图并用点划线示出了图7和8的直线形平衡穴的重心轴线。

图11以带端侧转子轴的子变型示出了图8的转子实施例。

具体实施方式

在一个实施例中，螺杆转子101、201(图3、4、8、9)都各自由两部分形成，一部分是一圆柱形螺杆体，一部分是一共轴线的转子轴。螺杆体104、204(图3、8)具有一约9/2圈的螺纹和一共轴线的中心孔。在螺杆体104、204内，将中心孔106、206(图3、8)扩大成一称为平衡穴103、203(图3、8)的偏心空穴。在螺杆体104、204的中心孔106、206中，通过压配合固定转子轴105、205(图3、8)并以此向外封闭平衡穴103、203。一形状配合区总是保证在转子轴105、205和螺杆体104、204之间传递转矩。由于制造和强度的原因，螺杆体104、204和转子轴105、205用不同的金属材料制造。

设置在转子轴105、205中的槽107、207(图3、8)用于从相对泵送的介质密封的地方通风或冷却平衡穴103、203；此构形示出一在吸入侧引出的具有横向孔的中心孔，以用于在平衡穴的范围内通风。

计算过程：

在直角坐标系u、v、w中，在密度均匀的任意成形体在绕w轴旋转并有伸长p≤w≤q时，下列关系一般地适用： $P_u={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\underset{p}{\overset{q}{\&Integral;}}(g<w>)\&CenterDot;\cos (\mathrm{\&phi;}<w>)\mathrm{dw}.....\left(1\right)$ $P_v={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\underset{p}{\overset{q}{\&Integral;}}(g<w>)\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&phi;}<w>)\mathrm{dw}.....\left(2\right)$ $M_{v,w}={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\underset{p}{\overset{q}{\&Integral;}}(g<w>)\&CenterDot;w\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&phi;}<w>)\mathrm{dw}.....\left(3\right)$ $M_{uw}={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\underset{p}{\overset{q}{\&Integral;}}(g<w>)\&CenterDot;w\&CenterDot;\cos (\mathrm{\&phi;}<w>)\mathrm{dw}.....\left(4\right)$

式中：p，q＝积分极限                    〔cm〕

pu，pv＝分力                            〔g〕

Mu，w，Mv，w＝分力矩                    〔g·cm〕

ω＝2π/T＝转速                         〔Rad/sec〕

π＝圆周率＝3.1415……

T＝周期                                 〔sec〕

τ＝γ/b                                〔gsec²/cm⁴〕

γ＝比重                                〔g/cm³〕

b＝重力加速度＝981                      〔cm/sec²〕

g<w>＝f<w>·r<w>                        〔cm³〕

f<w>＝作为w的函数的端面积               〔cm²〕

r<w>＝作为w的函数的重心的中心线距离     〔cm〕

φ<w>＝作为w的函数的重心的位置角        〔Rad〕

对于在u，v w系统(图2)中的螺杆体，以其中间端截面位于u-v平面中，以其中间端截面的重心s₀位于u轴上，并具有恒定的螺距l，恒定的端面f₀和恒定的重心的中心线距离，则特别可得出下列情况：

g<w>＝g₀＝f₀·r₀＝constant           (5)

f<w>＝α＝(2π/l)·W                    (6)

由于对应于-α₂…+α₂的位置角的对称性伸长-W₂…+W₂，可进一步得出：

p＝-W₂(7)    q＝+W₂(8)    W₂＝α₂·(1/2π)  (6a)

对于不平衡的螺纹(实心螺纹)可以对称性直接得到下式：

P_v＝    (2a)            M_u，w＝  (4a)

其余各量可由下式得出：

由(1)、(5)、(6)、(6a)、(7)、(8)得到 $P_u={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_0\&CenterDot;g_0\&CenterDot;\underset{-W2}{\overset{+W2}{\&Integral;}}\cos (2\mathrm{\&pi;w}/l)\mathrm{dw}={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_0\&CenterDot;(g_0\&CenterDot;(l/\mathrm{\&pi;})\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2)...\left(1a\right)$

由(3)、(5)、(6)、(6a)、(7)、(8)得到 $M_{v,w}={\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_0\&CenterDot;g_0\&CenterDot;\underset{-W2}{\overset{+W2}{\&Integral;}}w\&CenterDot;\sin (2\mathrm{\&pi;w}/l)\mathrm{dw}$

＝ω²·τ₀·(g₀·(1/π)²·(sinα₂-α₂cosα₂)/2)    (3a)

式中：

τ₀＝γ₀/b                                   〔gsec²/cm⁴〕

γ₀＝螺杆体的比重                             〔g/cm³〕

l＝螺距                                        〔cm〕

r₀＝实心螺纹端面的重心的中心线距离            〔cm〕

f₀＝实心螺纹的端面积                          〔cm²〕

α₂＝＝1/2螺纹包角                            〔Rad〕

l与g₀通过螺纹的几何形状确定；ω为一与运行有关的量，ω＞φ；τ₀与材料有关，因而在一定条件下为一变量，τ₀＞φ；主变量为包角＝2α₂。

通过仅仅改变α₂，不能同时实现Pu＝φ和Mv，w＝φ(静平衡和动平衡)。在本专利申请中，不用外附加质量和不用端面侧的平衡穴就能在螺纹内部形成偏心的质量集中。

在此处所描述的实施例中，转子轴对不平衡没有影响；平衡穴在实心螺纹的内部形成，而且它在此处只提供静态不平衡与动态不平衡的补偿；由此可将问题减少至单纯的形状结构而不影响材料数据，也就是说，必须使实心螺纹与平衡穴的静力值与动力值一致，以使能满足下列4个方程式： $P_u/{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_0=g_0\&CenterDot;(l/\mathrm{\&pi;})\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2=\underset{p3}{\overset{q3}{\&Integral;}}(g_3<w>)\&CenterDot;\cos ({\mathrm{\&phi;}}_3<w>)\mathrm{dw}....\left(1b\right)$

此处，下标“3”总是指明属于平衡穴。

在实施例的第一变型(图3、4)中，所要求的螺纹深度t(图3)较大，相当于比较小的芯部直径c(图3)。有效的平衡穴103此处由三个沿轴向对齐的、等距离布置的、全等的、扭曲的翼108组成(图4)，它们等距离而且平行地沿着螺纹线的路径。图5用点划线示出了5个可能的翼的位置I-V；在此处实施的变型中，只配置中间位置II、III、IV(粗调)。

在如此形成的平衡穴103中可通过改变翼的大小和形状强烈地改变静力值，但很少改变动力值。在不平衡的螺纹中，则可与之相反，通过在半个螺距的奇数倍数的附近改变螺纹长度(＝2W₂)做到强烈地改变动力值，但较弱地改变静力值。

根据预先给定的螺纹端截面轮廓(图6)可首先根据有关的已知方法确定面积f₀和重心位置r₀、₂。得到

f₀＝91.189[cm²]；r₀＝2.869[cm]；₂＝84.178[≮°]

由此得到    g₀＝f₀·r₀＝261.636[cm³]

用(同样预先给定的)螺距l＝6.936〔cm〕，在改变α₂时，可对实心螺纹由(1b)和(3b)直接得到表1中示出的数值。

平衡穴的形状并不一定能由条件(2b)、(4b)、(1b)、(3b)导出；相反地，必须首先确定几何形状，对此要确定4个角的数据，然后修正几何形状，重新确定4个角的数据，等等，直至以足够的精度满足(2b)、(4b)、(1b)、(3b)。

平衡穴的膨胀极限通过由稳定性决定的最小壁厚给出。由于螺纹表面的变化的空间曲率，端截面中的极限线只可能由计算确定：端截面轮廓和螺距l对螺纹表面的每个点给出一个法向矢量，其大小等于最小壁厚。于是，矢量的终点将拧入一固定的平面(W＝常数)中并给出极限线的一个点。采用为此专门开发的、其子程序包含特别的牙型公式的计算机程序(EDV-programm)，可以算出在图6中用虚线示出的用于0.7〔cm〕的壁厚极限线的曲线数据。

由于复杂的扭曲的形状，可实现的函数g₃<w>和φ₃<w>只能特别费钱地用下面的积分((1b)～(4b))中的附加问题用数学表示；用计算机程序将最后的许多小的分量求和的连似法此处可以获得成功：

对此，可将平衡空间分割成N个沿轴向彼此错开地放置的具有同样厚度ΔW的盘。每个盘的端面轮廓分别通过许多单个的点定义并按此方式被贮存。

计算机分程序首先由此对每个盘算出g_n和φ_n的值，并将其贮存在场数据存贮器中。

另外一个计算机程序重新取出这些值并通过求和形成积分值： $P_v/{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_0=\mathrm{\&Delta;W}\&CenterDot;\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_n\&CenterDot;{\sin \mathrm{\&phi;}}_n\left[{\mathrm{cm}}^4\right]....\left(2c\right)$ $M_{u,w}/{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_0=\mathrm{\&Delta;W}\&CenterDot;\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_n\&CenterDot;{W_n\&CenterDot;\cos \mathrm{\&phi;}}_n\left[{\mathrm{cm}}^5\right]....\left(4c\right)$ $P_u/{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_0=\mathrm{\&Delta;W}\&CenterDot;\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_n\&CenterDot;{\cos \mathrm{\&phi;}}_n\left[{\mathrm{cm}}^4\right]....\left(1c\right)$ $M_{v,w}/{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_0=\mathrm{\&Delta;W}\&CenterDot;\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_n\&CenterDot;{W_n\&CenterDot;\sin \mathrm{\&phi;}}_n\left[{\mathrm{cm}}^5\right]....\left(3c\right)$

现在可在结构上在翼的中间区将盘的端截面轮廓优化地延伸至极限线(图6中的虚线)，同时使实心螺纹和平衡穴的重心角的位置108一致(图4)。

中间区(首先)经过一个数量m为变动的同样的盘延伸，端面区各自有5个轮廓逐步变小的盘(图7)。当ΔW＝0.108〔cm〕并变动m时，则对于3个翼的平衡穴可得到在表2中所示的值。

当值α₂＝806.8～806.9[＜°]和m＝10时可得到很好的近似。通过修正盘的几何形状可得到以后的精确的调整。螺纹长度/螺距之比的由计算确定的值此处为2W₂/l＝a＝4.4825＜9/2。

在实施例的第二变型(图8、9)中，所要求的螺纹深度t(图8)较小，相当于比较大的芯部直径c(图8)。有效的平衡穴203(图8)的走向为直线的，与轴线平行，具有在螺杆芯部区内部偏心的不变横截面(图9)，沿轴向布置(10)。

如此形成的平衡穴203对动态不平衡没有影响。在计算过程中，也是首先借助(3a)在9/2圈的附近确定精确值a₀＝螺纹长度/螺距，对于它，螺纹的动态不平衡同样等于“零”。此值a₀与牙型无关。对于不同的缠绕的某些值示于表3中。由此用(1a)直接得到螺纹的(与牙型有关的)静态不平衡值：

        P_u/ω²τ₀    ＝  g₀·(l/π)sinα₂

                                 α₂＝14.0662      [rad]

                                  l ＝5.390         [cm]

                                  g₀＝150.374      [cm³]

P_u/ω²τ₀    ＝  257.347                [cm⁴]此值将通过横截面与长度的调整而与平衡穴203的值相等。

e＝2.85[cm]    d＝1.6[cm]＝＞j＝20.3[cm]在一第二变形的子变型(图11中)，螺杆转子302悬臂地支承在单侧地在螺杆体上共轴线地固定的转子轴上。偏心平衡穴303可以螺杆转子的无轴的端面侧越过一大的共轴线的孔接近，因而可用多种方法制造。螺杆体与转子轴最好做成一体的单件，共轴线的孔和转子端面侧可任选地用一塞子309封闭。受单侧支承制约的螺旋体等的特殊的比例在同样的计算过程中导致平衡穴303的不同的比例e、d、j。

具有按照在图3、4、6、7、8、9中描述的比例的所述的实施例的两个变形的牙型几何形状的螺杆转子可以以理论为基础并借助计算机进行计算，并按1个长度单位(L.E)＝1cm实现并成功地实验。

表1：

α2[＜°]	Pu/ω2τ0[cm4]	Mv，w/ω2τ0[cm5]
			807.4807.3807.2807.1807.0806.9806.8806.7806.6	577.045576.998576.950576.900576.848576.794576.739576.682576.623	229.381213.715198.053182.394166.739151.087135.438119.793104.151

表2：

m	Pu/ω2τ0[cm4]	Mv.w/ω2τ0[cm5]	Pv/ω2τ0[cm4]	Mu，w/ω2τ0[cm5]
					13121110987	641.926619.980596.549571.692545.467517.937489.169	231.623199.530170.234143.681119.80398.51979.735	-3.902-4.081-4.251-4.410-4.559-4.697-4.824	3.9703.5743.1922.8242.4732.1401.827

表3：

a0=2W2/l=2α2/2π	2.459	3.471	4.477	5.481	6.484	7.486
							1/2的非簦数倍	5/2	7/2	9/2	11/2	13/2	15/2

                                                                 etc.

Claims (11)

1.用于螺杆泵的沿轴向平行布置的螺杆转子组，所述螺杆反向运转外轴向啮合、并在单头螺纹结构时具有至少720°的包角，同时具有光滑的平行平面的转子端面，其特征为，每个螺杆转子(1、2；101；201；301)由多个彼此刚性地连接的单独的部分组成，这些单独的部分具有共同的旋转轴线、可选择的重心的偏心位置和可选择的不同的材料密度；并且在转子内部的各个部分形成一偏心的、一直封闭到泵室的空穴即平衡穴(3、103、203、303)；在转子内部调节各个部分的材料密度和几何形状将产生静态平衡并影响动态不平衡；通过由计算确定螺纹长度/螺距之比＝a的值，使之略小于1/2的奇数倍数，就可在对静态不平衡的反作用微不足道的情况下达到动平衡。

2.如权利要求1的螺杆转子组，其特征为，每个螺杆转子(1、2；101；201)由一圆柱形螺杆体(104、204)和一共轴线的转子轴(105、205)形成，它在螺杆体的内部区形成一偏心的空穴即平衡穴(103、203)。

3.如权利要求1的螺杆转子组，其特征为，每个螺杆转子(1、2)由一圆柱形螺杆体和一共轴线的转子轴形成，它具有在螺旋体内部区偏心地错开的横截面，以及螺杆体与转子轴用不同密度的材料制成。

4.如权利要求1的螺杆转子组，其特征为，每个螺杆转子(1、2)由一圆柱形螺杆体和一共轴线的转子轴形成，它具有在螺旋体内部区偏心地错开的横截面，以及螺杆体与转子轴用不同密度的材料制成，在螺杆体的内部区形成一偏心的空穴即平衡穴(3)。

5.如权利要求1的螺杆转子组，其特征为，每个螺杆转子(1、2；301)由一具有单侧共轴线地安装的转子轴的圆柱形螺杆(304)形成，螺杆体在内部区有一偏心的空穴即平衡穴(303)，其从转子的无轴的端面侧的入口可有选择地用一塞子(309)封闭。

6.如权利要求2或4的螺杆转子组，其特征为，平衡穴(103)有多个侧面的翼形扩大部分(108)，它们平行的中心线沿着螺纹线的路径走向。

7.如权利要求2或4或5的螺杆转子组，其特征为，平衡穴(203)沿轴向按直线走向，具有不变的横截面，使其对动态不平衡的影响等于“零”。

8.如权利要求2或4的螺杆转子组，其特征为，平衡穴(103、203)通过一设在转子轴中的槽(107、207)通风或冷却。

9 如权利要求6的螺杆转子组，其特征为，平衡穴(103、203)通过一设在转子轴中的槽(107、207)通风或冷却。

10 如权利要求7的螺杆转子组，其特征为，平衡穴(103、203)通过一设在转子轴中的槽(107、207)通风或冷却。

11.具有如权利要求1至8中的任一项的螺杆转子组的螺杆泵。

Images