CN114607603B - 一种螺杆真空干泵转子的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空泵领域，具体地说是一种螺杆真空干泵转子及其设计方法，转子型线包括多个弧段且角端形成ef平直段，并且所述ef平直段与相邻转子之间形成平行间隙，转子设计方法包括如下步骤：步骤一、根据泵所需要的抽速建立螺杆转子端面型线；步骤二、将齿顶圆弧ad段与摆线ab段交点a处进行倒角处理，形成平直段ef；步骤三、将步骤二中获得的图形沿着螺旋线进行扫描拉伸获得阴阳转子配合结构；步骤四、对转子间隙剖面视图放大确认相邻螺杆转子齿面之间形成平行间隙结构；步骤五、调整平直段ef的长度，进而调整螺杆转子间隙。本发明将螺杆转子间的间隙改为平行状态，降低转子泄露，且间隙设计可调。

Description

一种螺杆真空干泵转子的设计方法

技术领域

本发明涉及真空泵领域，具体地说是一种螺杆真空干泵转子的设计方法。

背景技术

螺杆泵作为容积式泵系列中的典型产品，因其具有结构简单、输送介质粘度范围广、液力脉动小等优越的工程适应性而广泛应用于航空、航天、海洋工程以及国民生产基础行业，由于螺杆泵转子的齿面构型复杂，使得螺杆泵的间隙控制相比其他类型容积式泵的间隙控制具有更大的不确定性和不均匀性，这将严重影响螺杆泵的容积效率和使用寿命，间隙过大会导致泵的内泄漏量增加，容积效率降低，间隙过小会导致运转部件间的摩擦增加，使用寿命降低，因此如何确定螺杆泵的转子间隙成为一个亟待解决的技术难题。

在现有技术中，对于间隙的控制和调节还没有较好的方法。目前普遍采用装配时进行调节，导致研发效率低，而且不同的泵进行装配时有不同的间隙，无法通过数学模型去控制螺杆泵转子之间的间隙，而螺杆泵间隙又是影响螺杆泵的泄露量的重要因素。目前还没有一种转子可以在模型上对螺杆泵的间隙进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺杆真空干泵转子的设计方法，将螺杆转子间的间隙改为平行状态，使螺杆转子在实际运转过程中间隙返流量得到降低，降低了转子的泄露，改善了螺杆泵的极限压力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种螺杆真空干泵转子，转子型线包括依次连接的fd弧段、dc弧段、cb弧段和be弧段，且所述fd弧段的f端和所述be弧段的e端之间形成ef平直段，并且所述ef平直段与相邻转子之间形成平行间隙。

一种根据所述螺杆真空干泵转子的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据泵所需要的抽速建立螺杆转子端面型线，转子端面型线包括齿根圆弧bc、渐开线段cd、齿顶圆弧ad以及摆线段ab；

步骤二、将齿顶圆弧ad段与摆线ab段交点a处进行倒角处理，形成平直段ef；

步骤三、将步骤二中获得的图形沿着螺旋线进行扫描拉伸获得阴阳转子配合结构；

步骤四、对转子间隙剖面视图进行展开放大，确认相邻螺杆转子齿面之间形成了平行间隙结构；

步骤五、调整所述平直段ef的长度，进而调整螺杆转子间隙。

步骤一中：

1)bc段齿根圆弧的确定：

上式中，θ的取值范围是

其中α₄为齿根圆弧所对应的弧度：

上式中,Rj＝(R+r)/2；

2)cd段为标准渐开线，但在型线生成过程中为了能实现正确的啮合，必须将标准渐开线旋转一定的角度

其中/>

为向量半径等于啮合圆半径时标准渐开线对应的渐开线极角，其中/>

表示为：

根据矢量变换的特点，所以cd段渐开线方程为：

上式中t为形式参数，t的取值范围是：

3)ad段齿顶圆弧的确定：

上式中，θ的取值范围是

其中α₃为齿顶圆弧对应的弧度：

4)ab段摆线方程为

式中t为形式参数，其取值范围是

步骤四中，如果螺杆转子间隙非平行结构，返回步骤二调整所述平直段ef的倒角角度，直至螺杆转子间隙为平行结构。

步骤五中，ef段越长两螺杆转子间隙越大，ef段越短两螺杆转子间隙越小。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明为了提高螺杆转子的密封性能，在间隙通道中考虑到间隙处压力分布以及泄露量的影响，将螺杆转子间的间隙改为平行状态，使螺杆转子在实际运转过程中间隙返流量得到降低，降低了转子的泄露，改善了螺杆泵的极限压力。

2、本发明提供了一种设计方法，能够根据螺杆转子端面型线的调节对螺杆转子间隙进行准确调节，并能够测量出间隙值，并依此来指导设计要求，减少研发成本。

附图说明

图1为本发明转子的主视图，

图2为图1中的A处放大图，

图3为等螺距螺杆转子的装配示意图，

图4为变螺距螺杆转子的装配示意图，

图5为螺杆转子间齿面间隙示意图，

图6为本发明转子与现有技术转子的齿面间隙对比云图，

图7为本发明转子与现有技术转子在不同压差下的质量流量对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～2所示，本发明的转子型线包括依次连接的fd弧段、dc弧段、cb弧段和be弧段，且所述fd弧段的f端和所述be弧段的e端之间形成ef平直段，如图5所示，本发明可以通过控制所述ef平直段的长度来控制模型转子间隙的大小，而通过螺杆泵的工作过程研究发现，该间隙位置的密封相当于对相邻的两个腔室进行分割，中间具有间隙通道，通过图5所示可以看出，由于本发明在该处为平行结构，所以此转子在相同间隙下此处有更好的压力分布以及更小的质量流率。

本发明转子的设计方法包括如下步骤：

步骤一、根据泵所需要的抽速建立螺杆转子端面型线，如图1～2所示，其中主要参数有齿顶圆半径R，齿根圆半径为r，啮合圆半径渐开线基圆半径r₀，渐开线型端面型线由四部分组成，包括齿根圆弧bc、渐开线段cd、齿顶圆弧ad以及摆线段ab，其中：

1)bc段齿根圆弧的确定：

上式中，θ的取值范围是

其中α₄为齿根圆弧所对应的弧度：

上式中,Rj＝(R+r)/2；

2)cd段为标准渐开线，但在型线生成过程中为了能实现正确的啮合，必须将标准渐开线旋转一定的角度

其中/>

为向量半径等于啮合圆半径时标准渐开线对应的渐开线极角，其中/>

表示为：

根据矢量变换的特点，所以cd段渐开线方程为：

上式中t为形式参数，t的取值范围是：

3)ad段齿顶圆弧的确定：

上式中，θ的取值范围是

其中α₃为齿顶圆弧对应的弧度：

4)ab段摆线方程为：

式中t为形式参数，其取值范围是

步骤二、将齿顶圆弧ad段与摆线ab段交点a处进行倒角处理，形成平直段ef。

步骤三、通过设计软件将步骤二中获得的图形沿着螺旋线进行扫描拉伸，最终获得如图3～4所示的一对阴阳转子相互配合结构，其中图3为单头等螺距螺杆转子模型，图4为单头变螺距螺杆转子模型。

步骤四、如图5所示，通过设计软件对转子间隙剖面视图进行展开放大，在图5中可以看出螺杆转子沿螺旋线扫描旋转后凹齿面形成了平行间隙结构，如果间隙非平行结构，可返回步骤二调整所述平直段ef的倒角角度。

步骤五、根据设计需要，返回步骤二调整所述平直段ef的长度，进而实现调整螺杆转子间隙的目的，其中ef段越长则两螺杆转子间隙越大，反之ef段越短两螺杆转子间隙越小。

本实施例中，所述设计软件为CFD软件，图6所示为基于CFD软件对间隙模型进行模拟对比，其中(a)为现有技术转子齿面不平行间隙情况时加以压差5-500pa后得到的模拟云图，(b)为本发明齿面平行间隙情况加以压差5-500pa后得的模拟云图。图7所示是基于fluent软件对间隙模型进行模拟分析，横坐标为入口压力，纵坐标为该处质量流量，case1线条为现有技术转子情况，case2线条为本发明转子情况，结果表明本发明转子的平行间隙较之于现有技术转子的不平行间隙在不同压差下拥有更小的质量流量，意味着泄露更小。

本发明提供了一种具有改善级间密封的螺杆真空泵转子，其设计理念符合通用机械设计原理，可通过对任一处间隙要求对端面型线进行调节，沿螺旋线扫描便可完成对单头螺杆的任意处间隙的设定且间隙形式与传统螺杆转子相比具有更好的压力分布和更小的泄露量，该理论的设计思路明确、设计方法操作简单的特性，便于机械设计人员进行理论研究。另外本发明同时使螺杆转子级间的泄露通道也同样得到了优化，提供了一种结构简单、各间隙完全可调设计、抗振能力强、疲劳寿命高、质量轻、散热效果好、更高运转速度、制造方便等特性的螺杆转子。

Claims (2)

1.一种螺杆真空干泵转子的设计方法，其特征在于：转子型线包括依次连接的fd弧段、dc弧段、cb弧段和be弧段，且所述fd弧段的f端和所述be弧段的e端之间形成ef平直段，并且所述ef平直段与相邻转子之间形成平行间隙,包括如下步骤：

步骤一、根据泵所需要的抽速建立螺杆转子端面型线，参数有齿顶圆半径R，齿根圆半径为r，啮合圆半径渐开线基圆半径r₀，而转子端面型线包括齿根圆弧bc、渐开线段cd、齿顶圆弧ad以及摆线段ab，其中：

1)bc段齿根圆弧的确定：

上式中，θ的取值范围是

其中α₄为齿根圆弧所对应的弧度：

上式中，Rj＝(R+r)/2；

2)cd段为标准渐开线，但在型线生成过程中为了能实现正确的啮合，必须将标准渐开线旋转一定的角度

其中/>

为向量半径等于啮合圆半径时标准渐开线对应的渐开线极角，其中/>

表示为：

根据矢量变换的特点，所以cd段渐开线方程为：

上式中t为形式参数，t的取值范围是：

3)ad段齿顶圆弧的确定：

上式中，θ的取值范围是

其中α₃为齿顶圆弧对应的弧度：

4)ab段摆线方程为

式中t为形式参数，其取值范围是

步骤二、将齿顶圆弧ad段与摆线ab段交点a处进行倒角处理，形成平直段ef；

步骤三、将步骤二中获得的图形沿着螺旋线进行扫描拉伸获得阴阳转子配合结构；

步骤四、对转子间隙剖面视图进行展开放大，确认相邻螺杆转子齿面之间形成了平行间隙结构；

步骤五、调整所述平直段ef的长度，进而调整螺杆转子间隙，具体为：ef段越长两螺杆转子间隙越大，ef段越短两螺杆转子间隙越小。

2.根据权利要求1所述的螺杆真空干泵转子的设计方法，其特征在于：步骤四中，如果螺杆转子间隙非平行结构，返回步骤二调整所述平直段ef的倒角角度，直至螺杆转子间隙为平行结构。

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