CN114593049B - 一种一体式内螺旋空心螺杆转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空无油螺杆泵技术领域，特别涉及一种一体式内螺旋空心螺杆转子。包括转轴及设置于转轴上的螺旋叶片；转轴上沿轴线方向设有中心孔；螺旋叶片为中空结构，并且通过转轴表面螺旋槽与中心孔连通；转轴的中心孔及螺旋叶片的中空结构整体满足任意截面的静平衡且质心均位于转轴的中心轴线上，通过封闭端面的非均匀设计使螺杆转子整体在静平衡的基础上满足动平衡要求。本发明因内螺旋空心结构，质量更轻、能耗更低、动平衡性能更高、抗振能力更强、噪声更小；因内螺旋空心结构可通入介质气体，具有良好的散热性能、减少了转子的热变形、增强了的抗疲劳强度及使用寿命。

Description

一种一体式内螺旋空心螺杆转子

技术领域

本发明涉及真空无油螺杆泵技术领域，特别涉及一种一体式内螺旋空心螺杆转子。

背景技术

螺杆转子作为螺杆真空泵的核心部件，其性能与特性直接影响着螺杆泵的抽气效率、极限真空度及疲劳寿命。因此螺杆转子的设计与制造则是整个螺杆泵生产中的关键技术之一，也是国内各企业开发、研制螺杆真空泵过程中所普遍面临的技术难题。

作为高速旋转部件，螺杆转子普遍存在质量分布不均匀、质心偏离旋转轴心的现象。这不仅会增加运动副中的摩擦和部件的内应力，降低机械效率和使用寿命，而且由于惯性力周期性变化，长期运转必将引起机械及其基础产生强迫振动，噪声和共振的产生将大大降低干式螺杆真空泵的机械效率与使用寿命。

质量去除法是目前实现螺杆转子动平衡的最为普遍的办法，其原理是通过对转子的适当部位进行局部质量除去，通过去除质量改变转子普遍存在的质量分布不均匀，质心偏离旋转轴心的现象，从而更满足动平衡条件。事实证明只有对螺杆端面或螺杆内部进行质量去除才能保证螺杆转子啮合过程中的齿形的完整性与气封密闭性。上述资料虽然提供了一些行之有效解决螺杆转子动平衡的方法，但对螺杆转子的重量、动平衡能、散热性的综合能力的提高还是做不到同步提高。这使得螺杆转子的高速回旋系统中运转受应力、结构、温度的影响持续增大，从而降低螺杆转子的极限真空度、动力学性能及疲劳寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种一体式内螺旋空心螺杆转子，该螺杆转子具有高动平衡性能、轻质量、低能耗、强抗振能力、低噪声、良好散热性能、长疲劳寿命、易制造、低成本等特性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种一体式内螺旋空心螺杆转子，包括转轴及设置于所述转轴上的螺旋叶片；

所述转轴上沿轴线方向设有中心孔；

所述螺旋叶片为中空结构，并且与所述中心孔连通；

所述转轴的中心孔及所述螺旋叶片的中空结构整体满足所述螺杆转子的任意截面的质心均位于所述转轴的中心轴线上，从而满足所述螺杆转子的静平衡。

所述中心孔为轴向盲孔，且外侧轴端为进气端。

所述螺旋叶片内的中空结构为沿轴向设置的内螺旋通道。

所述内螺旋通道靠近所述进气端的一端设有封闭端面，另一端为排气端口。

所述内螺旋通道的内壁上沿轴向设有多个螺旋导气槽。

多个所述螺旋导气槽相互平行且等间距设置。

所述封闭端面与所述转轴垂直；所述封闭端面、转轴及螺旋叶片的质量共同满足所述螺杆转子的动平衡要求。

所述转轴上沿轴向设有用于连通所述中心孔和所述内螺旋通道的螺旋槽。

所述螺旋槽和所述内螺旋通道的形状及旋向均与所述螺旋叶片的螺旋展开线的形状及旋向相同。

所述转轴和所述螺旋叶片为一体式结构；

所述一体式内螺旋空心螺杆转子的任意横截面在各象限内的横截面积及质心极坐标的质量半径均相等。

本发明的优点及有益效果是：本发明通过内部空心化及动平衡补偿，空心螺杆的质量得到大幅度降低，方便工作人员的拆装与更调。

本发明静平衡性能高，空心螺杆各截面所承受的径向不平衡载荷降低，增强整个螺杆转子的抗疲劳强度及使用寿命。

本发明动平衡性能高，空心螺杆通过降低因质量不均所引起的离心力，使螺杆转子的抗振能力更强、噪声更小。

本发明通过进气轴端对中心孔通入介质气体，介质气体通过中心轴上的螺旋开孔流入空心螺杆，最后由排气端口排出，该结构增大了螺杆与外界的接触面，带走了转子在高速回旋运动中产生的更多热量，减少了转子的热变形。

本发明通过内螺旋通道内壁上平行等距的螺旋导气槽，在转子高速旋转过程中，引导介质气体的流动，使其更容易从空心螺杆内腔排出，防止螺杆内部出现积气、死腔的现象。

本发明通过质量的大幅度降低及产生热量的减少的同时，会降低电机功率消耗，节约能源。

附图说明

图1为本发明实施例一中一体式内螺旋空心螺杆转子的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为本发明实施例一中一体式内螺旋空心螺杆转子的轴测图；

图4为图3的局部剖视图；

图5为本发明实施例二中一体式内螺旋空心螺杆转子的结构示意图；

图6为本发明实施例二中一体式内螺旋空心螺杆转子的轴测图；

图7为图6的局部剖视图。

图中：1为螺旋叶片，2为转轴，3为封闭端面，4为排气端口，5为内螺旋通道，6为螺旋导气槽，7为中心孔，9为螺旋槽，10为进气端，101为外型线Ⅰ，102为外型线Ⅱ，103为外型线Ⅲ，104为外型线Ⅳ，105为内型线Ⅰ，106为内型线Ⅱ，107为内型线Ⅲ，108为内型线Ⅳ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例一

如图1-4所示，本发明的实施例一提供了一种一体式内螺旋空心螺杆转子，该螺杆转子为单头等螺距螺杆转子，包括转轴2及设置于转轴2上的螺旋叶片1，其中螺旋叶片1是等螺距，且为中空结构，转轴2上沿轴线方向设有中心孔7，该中心孔7与螺旋叶片1的中空结构连通；转轴2的中心孔7及螺旋叶片1的中空结构整体满足螺杆转子的任意截面的质心均位于转轴2的中心轴线上，从而满足螺杆转子的静平衡。

如图1所示，本发明的实施例中，中心孔7的轴向为盲孔，且外侧轴端为进气端10；螺旋叶片1的中空结构的一端设有排气端口4，由进气端10向中心孔7内导入的介质气体，介质气体再进入螺旋叶片1的中空腔体内，并由排气端口4排出。

如图3-4所示，本发明的实施例中，螺旋叶片1内的中空结构为沿轴向设置的内螺旋通道5。内螺旋通道5靠近进气端10的一端设有封闭端面3，另一端为排气端口4，进入内螺旋通道5的内气体由排气端口4排出。

如图1所示，在上述实施例的基础上，在内螺旋通道5的内壁上沿轴向设有多个螺旋导气槽6，多个螺旋导气槽6相互平行且等间距设置。螺旋导气槽6作为气体引流通道，在螺杆转子高速旋转过程中，介质气体由于转子运动惯性力的作用沿内螺旋通道5流动，使其更容易从内螺旋通道5内排出，气体最终由排气端口4导出。介质气体的排出，会带走热量，减小热变形，同时防止积气、死腔的现象。螺旋导气槽6为在螺旋通道5内壁的螺旋槽形状，可分别采用凸、凹槽的结构设计。

具体地，如图1所示，封闭端面3垂直连接在螺旋叶片1的初始端，封闭端面3为薄壁端面，封闭端面3与转轴2和螺旋叶片1形成的空心螺杆共同满足螺杆转子的整体动平衡。封闭端面3作为整个螺杆转子的进气端面，且与空心螺杆一体成型，形成该一体式内螺旋空心螺杆转子。为使螺杆转子满足整体动平衡，可对封闭端面3的内部采用非均匀厚度尺寸设计，不仅保证了封闭端面3与空心螺杆的外形保持一致，同时满足整体动平衡要求。

如图1所示，本发明的实施例中，转轴2上沿轴向设有用于连通中心孔7和内螺旋通道5的螺旋槽9。具体地，螺旋槽9和内螺旋通道5的形状及旋向均与螺旋叶片1的螺旋展开线的形状及旋向相同。

本实施例中，转轴2与螺旋叶片1为一体式结构，以提高螺杆转子的整体强度。一体式内螺旋空心螺杆转子的任意横截面在各象限内的横截面积及质心极坐标的质量半径均相等。因为螺杆转子的静平衡性能高，空心螺杆转子各截面所承受的径向不平衡载荷降低，增强了整个螺杆转子的抗疲劳强度及使用寿命。

内螺旋通道5的设计方法如下：对选定的基础型线进行内部空心化及动平衡补偿，空心化及动平衡补偿的起始型线沿螺旋展开线进行拉伸，由空心化及动平衡补偿体积得到内部空心且呈内螺旋状的气体通道。因为由同一端面型线拉伸，因此螺杆转子各截面具有相同的截面形状，仅角度随螺旋升角及螺旋展开线而逐渐变化。如图2所示，等螺距螺杆转子各端面均具有相同的截面形状，其中外型线Ⅰ101、外型线Ⅱ102、外型线Ⅲ103及外型线Ⅳ104依次首尾相连形成密闭的转子基础型线，通过内部空心化及静平衡补偿法除去由内型线Ⅰ105、内型线Ⅱ106、内型线Ⅲ107及内型线Ⅳ108依次首尾相连围成的动平衡补偿面积A₀，获得阴影部分图形A₁，即为理论动平衡补偿后初始端面型线。

本实施例中，螺旋叶片1的内部为螺旋空心结构，即设有内螺旋通道5，内螺旋通道5的封闭端面3与转轴2的进气端面相连(外形与原螺杆螺旋展开线相同)，通过采用封闭端面3与空心螺杆相连作为一体式结构，不仅使整个转子具有较高的动平衡性能，同时防止了因漏气而影响转子的极限真空度。内螺旋通道5沿转轴2的外表面沿螺旋展开线分布。本实施例中，螺旋导气槽6的截面采用矩形且呈内凹槽的设计结构，螺旋导气槽6与螺杆叶片1的外形螺旋展开线形状相同；在转轴2的表面设有螺旋槽9，螺旋槽9与中心孔7是完全连通的；内螺旋通道5的排气端口4为开放式，与大气连通，利于排气。

如图4所示，螺旋槽9沿着螺旋展开线进行均匀分布，与各端面静平衡不发生冲突，它是端面静平衡补偿的一部分；转轴2的中心孔7轴向排气端为封闭结构，进入中心孔7的介质气体，因为中心孔7是轴向盲孔，介质气体达到一定压力时，就会从螺旋槽9进入内螺旋通道5内，气体的热运动及转子运动惯性力的作用加快了内螺旋通道5内气体排出，从而带走热量，大幅度降低了转子内部的热量累积；螺旋槽9为一个连续孔，随着螺旋展开线分布，中心孔7内的介质气体的分布较为均匀，因此将介质气体均匀送入空心螺杆的各个腔室。这样不仅有缓冲的效果，同时提高了转子内部的散热效率。

本实施例中，内螺旋通道5满足在各截面上可以根据结构需求呈现不同的形状。同时，内螺旋通道5内壁上的螺旋导气槽6及转轴2上的螺旋槽9除可沿着螺旋展开线平行分布，也可根据实际需求与螺杆转子轴线呈任意角度。

本实施例中，将等螺距螺杆转子内部掏空前后的性能进行对比：

以QT450-10材料为例：其密度为7000kg/mm^3,；

内部掏空前质量：25.427kg；内部掏空后质量：6.691kg；在密度相同的条件下质量比与体积比相同，因此质量降低了73.68％；

内部掏空前表面积：314912.705mm²；内部掏空后表面积663440.498mm²；表面积增加52.5％；

内部掏空前动平衡精度：在高转速下正常为G6.3等级；内部掏空后动平衡精度：高转速下可以达到G2.5-G1等级。

本发明提供了一种一体式内螺旋空心螺杆转子，即可由数控机加、精密铸造或3D打印等方式进行完全一体式制造，也可通过焊接、螺纹等紧固方式进行组装一体式制造。因螺杆转子的壁面相对较薄，在大幅度减轻了转子的重量的同时，降低了螺杆转子的运转能耗，削减了转子本身产生的热量；因设计时同时进行动、静平衡的优化方法，使转子整体具有较高的动平衡性能；封闭端面3除了修正整个转子的动平衡性能，同时避免了空心螺杆的漏气而影响极限真空度。因为动平衡性能高，空心螺杆转子通过降低因质量不均所引起的离心力，使空心螺杆转子的抗振能力更强、噪声更小。同时因空心螺杆转子的质量得到大幅度降低，方便工作人员的拆装与更调；通过质量的大幅度降低及产生热量的减少的同时，会降低电机功率消耗，节约能源。

实施例二

如图5-7所示，本发明的实施例二提供一种一体式内螺旋空心螺杆转子，该螺杆转子为单头变螺距螺杆转子，包括转轴2及设置于转轴2上的螺旋叶片1，其中螺旋叶片1是变螺距且为中空结构，转轴2上沿轴线方向设有中心孔7，该中心孔7与螺旋叶片1的中空结构连通；螺旋叶片1的中空结构满足螺杆转子的任意截面的质心均位于转轴2的中心轴线上，从而满足螺杆转子的静平衡。

本实施例中的单头变螺距螺杆转子与单头等螺距螺杆转子的区别仅在于螺旋叶片1的螺距变化，随着单头变螺距螺杆的螺距的逐渐增加，其内螺旋通道5和螺旋槽9均随着螺距的增长而发生自适应变化，保证了转子随着不同螺距做出变化时，整个系统仍满足各端面的静平衡与整体的动平衡，结构的自适应能力较强，可根据需求进行参数修改。

本发明可选取任意端面型线作为基础型线，对其进行内部空心化及静平衡补偿面积参数计算后沿螺旋展开线进行扭转拉伸，得到各截面均满足理论静平衡的内螺旋空心螺杆；用一个以基础型线为端面型线，外形和原螺旋展开线相同且与空心螺杆共同满足整体动平衡的薄壁端面与空心螺杆起始端面相连一体成型，形成一体式内螺旋空心螺杆转子，该螺杆转子可根据性能需求适用于单段型线或多段型线组合的结构。本发明因高动平衡性和内螺旋空心结构而具有强抗振能力、低噪声、长疲劳寿命、轻质量、良好散热性能、易制造、低能耗、低成本等特性。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种一体式内螺旋空心螺杆转子，其特征在于，包括转轴（2）及设置于所述转轴（2）上的螺旋叶片（1）；

所述转轴（2）上沿轴线方向设有中心孔（7）；所述中心孔（7）为轴向盲孔，且外侧轴端为进气端（10）；

所述螺旋叶片（1）为中空结构，并且与所述中心孔（7）连通；

所述转轴（2）的中心孔（7）及所述螺旋叶片（1）的中空结构整体满足所述螺杆转子的任意截面的质心均位于所述转轴（2）的中心轴线上，从而满足所述螺杆转子的静平衡；

所述螺旋叶片（1）内的中空结构为沿轴向设置的内螺旋通道（5）；所述内螺旋通道（5）靠近所述进气端（10）的一端设有封闭端面（3），另一端为排气端口（4）；所述内螺旋通道（5）的内壁上沿轴向设有多个螺旋导气槽（6）；多个所述螺旋导气槽（6）相互平行且等间距设置；

所述封闭端面（3）与所述转轴（2）垂直；所述封闭端面（3）、转轴（2）及螺旋叶片（1）的质量共同满足所述螺杆转子的动平衡要求；

所述转轴（2）上沿轴向设有用于连通所述中心孔（7）和所述内螺旋通道（5）的螺旋槽（9）；所述内螺旋通道（5）的形状及旋向与所述螺旋叶片（1）的螺旋展开线的形状及旋向相同；所述螺旋槽（9）的旋向与所述螺旋叶片（1）的螺旋展开线的旋向相同；

所述转轴（2）和所述螺旋叶片（1）为一体式结构；所述一体式内螺旋空心螺杆转子的任意横截面在各象限内的横截面积及质心极坐标的质量半径均相等。

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