LWZ150雙頭螺桿型干式無油真空泵設計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設專用，答辯優(yōu)秀 本科畢業(yè)設計 (論文 ) 題目： LWZ-150 雙頭螺桿型干式無油真空泵的設計 系 別： 機電信息系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 2013 年 05 月 I LWG-150 雙頭螺桿型干式無油真空泵的設計 摘 要 干式雙螺桿真空泵是一種容積式 無油真空泵，具有結構緊湊，抽速大，真空度高，可直排大氣，使用壽命長，自吸能力強，無易損件，運轉可靠，維修維護方便，動平衡性好，振動小，無壓力脈動與噪音，可高速平穩(wěn)的一作，適應性強，還可用于多相混輸，無喘振現(xiàn)象，易于實現(xiàn)連續(xù)排氣等諸多優(yōu)點，因此廠泛的應用于冶金、電子、化學、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等工業(yè)生產(chǎn)部門。國外已發(fā)展出諸多此類真空泵產(chǎn)品，而在我國的發(fā)展卻相對落后。雖然我國對無油真空泵的需求日益增長，但是許多跨國公司的真空泵產(chǎn)品卻在我國的高端真空泵市場中占據(jù)了主導位置。因此，自行研究經(jīng)濟可行、運轉可靠的無油真空泵意義可見一斑。為了適應我國開發(fā)研究生產(chǎn)螺桿真空泵的需要，本文對雙螺桿真空泵的設計型線組成問題等內(nèi)容進行了的研究與探討。 關鍵詞 ：雙頭干式真空泵 ； 螺桿 ； 型線 II LWZ-150 Double-Headed Screw Type Dry Vacuum Pump Abstract The oil-free twin-screw vacuum pump is a new kind of rotational positive displacement pump.The structure of the pump is simple and liquids or solids are hard to accumulate when sucked with gas or are condensed or solidified in the pump. It is outstanding for its excellent efficiency, high vacuum, exhausting to the air directly, a long life, good sucking, reliable work, convenient maintenance, favorable dynamical balance, light vibration, no pressure fluctuate and noise, work placidly with high speed, strong adaptability, mufti-phase duties, no quiver, easy to continuous exhausting, etc. It is used widely in industrial territory of metallurgy, electron, chemistry, pharmacy, food and environment, and so on. At present, all over the world have been trying their best to develop oil-free vacuum pumps, but our country has been fallen behind other countries. Although the demand of the oil-free vacuum pumps has been experiencing a rapid growth, the products of many multinational companies take up the major market share of dry compression vacuum pumps and high vacuum pumps. Therefore it is very significant to develop economical, feasible and reliable dry-running vacuum pumps by us. For the sake of requirements of developing and researching in our country, the paper investigates the meshing theory of twin-screw pump, buildup of the rotors curve, and leaks. Keywords： dry(oil-free)vacuum；pump；screw III 目 錄 1 緒論 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 課題背景及研究意義 . 1 1.3 螺桿泵的應用及特點 . 3 1.4 螺桿真空泵在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 . 4 2 螺桿雙頭干式真空泵轉子型線的研究 . 6 2.1 常見轉子型線比較 . 6 2.2 多頭雙邊對稱圓弧型線 . 8 2.2.1 轉子型線要素 . 9 2.2.2 轉子型線設計原則 . 錯誤 !未定義書簽。 2.2.3 多頭雙邊對稱圓弧型線方程 . 11 3 螺桿雙頭干式真空泵工作原 理 . 14 3.1 吸氣過程 . 14 3.2 壓縮過程 . 15 3.3 排氣過程 . 15 4 螺桿雙頭干式真空泵設計計算 . 17 4.1 螺桿基本尺寸 . 17 4.2 排氣量 . 19 4.2.1 理論排氣量 . 19 4.2.2 實際排氣量 . 20 4.3 進排氣孔口 . 20 4.3.1 軸向進氣口 . 20 4.3.2 軸向排氣口 . 21 4.4 極限真空度、功率及冷卻水量 . 21 4.5 軸的強度計算 . 21 4.6 同步齒輪的設計計算 . 22 4.6.1 齒輪尺寸計算 . 22 4.6.2 齒輪強度校核 . 23 5 結論與展望 . 24 參考文獻 . 25 致謝 . 26 IV 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性 . 27 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 . 錯誤 !未定義書簽。 V VI VII 1 緒論 1 1 緒論 1.1 概述 1905年德國人沃爾夫崗 .蓋德發(fā)明了油封式旋片泵，從此各種以油為工作液、潤滑劑、密封液的真空泵如雨后春筍般迅速普及，統(tǒng)治了真空設備市場近百年。從真空工業(yè)的視角來看，如果說 20世紀是有油真空泵的世紀，那么 21世紀將是雙頭干式真空泵的世紀。因為，各種形式的有油真空泵在工作過程中不可避免的隨同排出的氣體一起排出了大量的油污，這些油污能夠嚴重的污染環(huán)境。隨著利學技術的發(fā)展，要求提供比較 清潔真空環(huán)境的真空工藝越來越多，甚至近于達到苛刻的要求，如微電子、化學、冶金、醫(yī)療、核聚變領域以及宇航、新材料的開發(fā)等技術領域 .都要求提供比較潔的內(nèi)真空環(huán)境 1。傳統(tǒng)的有油泵很難滿足這些要求，無油泵的概念便自然而然的在此基礎上提出。有些工業(yè)過程，如低壓氣相沉積，會產(chǎn)生一些微小顆粒，這些顆粒在工作液中難以排除，它們可以使泵油污染，同樣也會影響泵的抽氣系統(tǒng)性能及使用壽命。而有些工業(yè)過程在運轉中可能會使工作液冷凝成粘狀物質，這樣可能使泵卡住，甚至導致運轉失效。又如對于食品工業(yè)為代表的一些特殊行業(yè)，這種污染更是非 常不可取的。對于這些少數(shù)有著特殊需要的工業(yè)來說，就只能采用無油污的無油泵或水環(huán)式泵類 (濕式泵 )，但這類泵的真空度不高，耗水耗能嚴重，而且相應的工作時帶有大量的水汽，因此對于有雙頭干式要求的，又不得不采用繁瑣的物理、化學吸附，冷凝低溫手段，從而使成本變得極其昂貴。如 :膜式泵，真空度不高，抽速小 ；吸附泵，不僅抽速小，液氮的費用也很大。所以可以這樣說，在當時能直接排入大氣和高真空機紹相連接的泵類各有其缺憾，因此導致了雙頭干式泵不適宜大工業(yè)的應用。 1.2 課題背景及研究意義 雙頭干式螺桿真空泵是雙頭干式泵家族中的一 員。所謂雙頭干式真空泵，一般認為是能在大氣壓到 -210 Pa的壓力范圍內(nèi)工作 ；在泵的抽氣流道中，不能使用任何油類和液體，排氣口與大氣相通，能直接連續(xù)向大氣中排氣的泵，也稱無油真空泵。 雙頭干式真空泵在抽氣流道內(nèi)無任何液態(tài)工作介質或密封介質，從根本上解決了油封式真空泵引發(fā)的各種問題?？偟膩碚f是兩種不同的需求推動開發(fā)出兩種類型的干式泵。 畢業(yè)設計（論文） 2 一類是以半導體行業(yè)為代表，要求真空泵向被抽空間內(nèi)的返流為零，以保護工件免受污染。對半導體行業(yè)中應用的真空系統(tǒng)的要求大體分為三個等級 。 清潔條件下的抽氣，只抽干空氣或含少許水蒸汽的空氣； 中等條件下的抽氣，抽除工藝過程的反應氣體，但無固體顆粒物； 惡劣條件下的抽氣，抽除化學反應物（有毒甚至致癌）及固體顆粒物。 另一類是以石化行業(yè)為代表，要求真空泵能大量抽除可凝性氣體，或腐蝕性氣體，或有毒氣體，或含有微塵的氣體。傳統(tǒng)油封真空泵在石化領域所面對的難題人們往往通過選用水蒸汽噴射泵、水噴射泵、水環(huán)泵、水環(huán) -羅茨機組等途徑加以解決。但往往系統(tǒng)過于龐大，噪聲也很大，同時工作過程中會產(chǎn)生很多的廢水和其他的排放物，處理排出廢物的投資也很昂貴。 干泵的種 類很多，目前已開發(fā)出來的有羅茨泵、爪型泵、禍旋泵、往復活塞泵、螺旋泵等 .表是幾種典型的干式泵性能的比較 . 表 1.1 幾種典型的干泵性能的比較 泵型 一般級數(shù) 單級壓縮比 極限壓力 (Pa) 備注 大氣端 真空端 羅茨泵 3 6 2 5 30 0.5 易發(fā)熱，需冷卻 爪形 3 4 25 50 0.5 加工、裝配有難度 活塞型 4 15 25 15 20 1.3 怕抽帶顆粒的氣體 渦旋型 1 2 20 200 0.2 間隙小、難裝調 螺旋型 1 2 20 30 100 0.7 間隙小、轉速高 旋片型 2 15 20 10 15 0.07 怕抽帶顆粒的氣體 螺桿型 2 15 20 60 1.3 加工比較困難 渦輪型 多級串聯(lián) 20 3000 0.01 轉速高 螺桿式雙頭干式真空泵特點如下 : 可靠性高。螺桿式雙頭干式真空泵零部件少，沒有易損件，因此它運轉可靠，壽命長。 操作維護方便。 動力平衡性好。螺桿式雙頭干式真空泵沒有不平衡的慣性力，機器可平穩(wěn)地高速運行。 適應性強。螺桿式雙頭干式真空泵具有強制輸氣的特點，在寬廣的壓力范圍內(nèi)能保持較高的抽速，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響 . 多 相混輸。由于螺桿式雙頭干式真空泵轉子齒面間留有微小間隙，因而可抽除腐蝕性、有毒、含有粉塵、可凝性蒸汽等多種氣體。 盡管螺桿型雙頭干式真空泵具有這么多的優(yōu)點，然而，由于目前國內(nèi)一些公畢業(yè)設計（論文） 3 司正在使用的螺桿型雙頭干式真空泵均是從國外進口，價格非常昂貴，每臺螺桿泵價格要三、四十萬元人民幣，所以螺桿型真空泵在我國的使用并不廣泛。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于螺桿泵轉子型線較復雜，加工難度大，需用特制的刀具在專用機床上進行加工。另外，對螺桿型雙頭干式真空泵泵體的加工精度也有較高的要求，而國內(nèi)的加工水平目前還難以達到這個水平。 螺桿式雙頭干式真空泵廣泛應用于電子、核能、化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)等領域。在半導體工業(yè)中用于生產(chǎn)芯片、制造液晶顯示器、蝕刻、生產(chǎn) PLASMA的CVD制程。在核工業(yè)中用于核反應堆及核工業(yè)真空獲得 ；化工上用于真空蒸餾及溶劑萃取高效回收溶劑，在脂肪酸生產(chǎn)中用來消除水污染，清除噴射器中的阻塞物 ；醫(yī)藥工業(yè)中用于回收藥液及藥物中間體，為人造器官生產(chǎn)提供清潔無菌條件，回收氣體消毒劑 ；食品工業(yè)中用于香料、香精濃縮，食品包裝等 1 。應用范圍極為廣泛。 1.3 螺桿泵的應用及特點 常見的泵可以分為容積式泵和動力式泵兩大類。容積式泵包括往復泵、轉子泵和齒輪泵等，離心泵和軸流泵等則屬于動力式泵。本文所研究的雙螺桿泵屬于容積式泵，它與離心泵、往復泵、齒輪泵、滑片泵等相比較，在某些方面具有明顯的優(yōu)越性。 螺桿泵的適用范圍被泛的應用于海上平臺工程、石油化工、航運、電力、機械、液壓系統(tǒng)、食品、造紙、制糖、軍廠、醫(yī)藥、造船、機床、采礦、環(huán)保和污水處理等各種工業(yè)部門當中，發(fā)揮了巨大作用，具有很高的使用價值。螺桿泵特點是 :流量平穩(wěn)，壓力脈動小，能夠自吸，噪聲低，效率高，使用壽命高，工 作可靠。此外螺桿泵還具有結構簡單，零件少，體積緊湊，重量輕等一系列特點。而螺桿泵在工作時最為突出的優(yōu)點是輸送介質時不會形成渦流、可輸送粘度范圍寬的各種介質，對輸送介質不敏感，既可以輸送各種枯度的潤滑性或腐蝕性介質，也可以輸送各種粘度的非牛頓液體，特別是有的雙螺桿泵還可以輸送氣液棍合物，這對油田輸送成分復雜的原汕具有重要意義?？鋸埖恼f，螺桿泵可以輸送任何介質。目前在許多領域螺桿泵己經(jīng)逐步取代齒輪泵、離心泵等，產(chǎn)生了很高的價值，正是由于螺桿泵具有以上特點，人們才將其應用范圍進一步擴大到了真空產(chǎn)業(yè)。 螺桿 泵屬容積式轉子泵。無論是什么類型的螺桿泵，其輸液原理都是 :利用螺桿泵的轉子與轉子之間的和轉子與定子之間形成的密封腔，在泵運轉時使密封腔連續(xù)不斷地由入口向出口移動，從而排出流體。如果螺桿泵內(nèi)兩個相鄰密封腔間沒有理論泄漏通道，則被稱為嚴格密封型螺桿泵 ；反之，則為非嚴格密封型螺畢業(yè)設計（論文） 4 桿泵。一般所說的螺桿泵并一非干式螺桿泵，而是由油潤滑和密封的泵類。而干式螺桿泵也不是完全無油的，其同步齒輪仍需要采用油潤滑，但這井不影響其特性。 螺桿泵按螺桿數(shù)目通常分為單、雙、三三和五螺桿泵，各有優(yōu)缺點，在應用時必須根據(jù)所需要求進行合理的 選擇才能充分利用其各白特點，更好的實現(xiàn) I能、節(jié)材、增效益或滿足某種特殊應用要求。而通常所說的干式螺桿泵都是指雙螺桿泵，也有一部分干式螺桿泵產(chǎn)品為單螺桿泵。 1.4 螺桿真空泵在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 自從第一臺工業(yè)上可運行的雙頭干式泵 1984年在日本運行以來，許多無油真空泵如雨后養(yǎng)筍般迅速發(fā)展起來，其中以日本、美國、法國、德國最為先進。美國 Varian（瓦里奧 )公司生產(chǎn)的 DVP系列產(chǎn)品，其真空度可以達到 -210 Pa，這是目前報道的單級雙頭干式真空泵中真空度最 高的產(chǎn)品之一。而德國 Sterling SIHI公司在 1997年研制成功的 SIHIdry是世界上第一臺直正意義上的雙頭干式真空泵，它能滿足流程工業(yè)中最苛刻的要求，該產(chǎn)品榮獲德國 “1998年年度技術革新獎 ”。以上兩種真空泵均于沿轉子長度上填充聚四氟乙烯用作泵的密封以保持良好的密封性能，它們同時也是無油真空泵的典型產(chǎn)品。 雖然雙頭干式真空泵的種類越來越多，但是通常的機械真空泵如爪式泵，其抽速難以做大，而且制造難度也大，成本高 ；另外還有利用多葉級數(shù)進行串連的羅茨泵，其缺點與爪式泵相仿。在此種背景下誕生的雙頭干式螺桿 真空泵則具有了其前輩真空泵類所不具各的很多優(yōu)點，而這些優(yōu)點則保證了雙頭干式螺桿真空泵的先進性及在應用中的優(yōu)勢。 國外關于螺桿真空泵性能的研究有許多內(nèi)容。英國 Rietschle有限公司根據(jù)螺桿式壓縮機原理設計出一種雙螺桿雙頭干式真空泵，采用了許多新技術，并已形成批量生產(chǎn) ,該公司已成為世界低壓與真空技術中的領軍人物之一。美國 Tuthill真空設備有限公司手 2002年推出一款用于氣體處理的新型 Kinney雙頭干式螺桿真空泵，該 KDPH-120型螺桿泵采用可變嚙合設計，比其他類 TJ的真空泵耗能減少約 30%。普旭是 全球最有影響力的真空設備制造商之一，為客戶提供了數(shù)量眾多的真空泵及真空系統(tǒng)。普旭 BUSCH的無油螺桿真空泵系列于 2003年通過了應用材料公司美國實驗室測試。應用材料公司在美國實驗室將普旭 BUSCH的無油螺桿真空泵系列與其設備安裝在一起進行測試，經(jīng)過一年檢測，結果證明普旭真空泵系列與其設備結合測試的效果最好。之后普旭又于 2004年推出了表面經(jīng)特別強化的螺桿真空泵系列，可以抵抗日前己知的絕人多數(shù)活潑氣休的腐蝕。另外還有其他一些文獻對螺桿真空泵的性能等方面進行了較多的研究。 畢業(yè)設計（論文） 5 在國內(nèi)，有關雙頭干式螺桿真空泵的研究文 獻很少。只有上海博匯真空設備有限公司的周寶洪研制了一種雙頭干式真空泵 4 ，并申請了專利，但是并未見有成品報道。目前國內(nèi)外關于雙螺桿雙頭干式真空泵轉子型線設計方面的報道很少，主要內(nèi)容集中于對螺桿真空泵性能的預測與配套裝置、材料、加工方法和設備、螺桿泵的配件、密封條件等等內(nèi)容的改進。目前由于各國多對自己的螺桿泵技術進行保密和競爭，而我國在螺桿泵的設計方面仍然有很多具體的細節(jié)和技術難題還沒有解決，在螺桿泵的設計方面沒有達到世界一流水平。在具體的螺桿泵的加工制造上， 局限于我國的生產(chǎn)設備和加工條件，我國生產(chǎn)的螺桿泵自動化程度不高，精度也不高，在一些高檔的螺桿泵上仍不能獨立制造。因此中高檔的真空泵仍然主要依賴于進口。 對于所有類型的真空泵，人們都希望能夠將現(xiàn)有的真空泵的物理尺寸盡量減小。但是這一點與真空泵的抽氣速率相矛盾。因為真空泵的抽氣速率與真空泵的容積成正比，物理尺寸小意味著容積也小。當然還有一個影響真空泵抽氣速率的因素，那就是轉速。為了使小尺寸的真空泵與大尺寸的真空泵的抽氣速率相匹配，就需要提高其轉速。而想要提高真空泵的轉速可以采用變頻器來改變電源的頻率或者改變齒輪 箱的傳動比。前者可以提供一個閉環(huán)控制，但是在大負載的情況下容易引起扭矩的損失。而改變齒輪箱的傳動比是比較經(jīng)濟的一種方法，但是它只能提供不可控的單一轉速。國外目前開發(fā)較多的是高轉速的真空泵系列。 2 螺桿雙頭干式真空泵轉子型線的研究 6 2 螺桿雙頭干式真空泵轉子型線的研究 2.1 常見轉子型線比較 目前雙頭干式螺桿真空泵的主要生產(chǎn)廠家多采用單頭等螺距型線，其他還有多頭雙邊對稱圓弧型線、單頭變螺距梯形螺紋型線、單頭等螺距梯形螺紋型線和等螺距凹齒型線。 圖 2.1 雙邊對稱圓弧型線轉 子圖 經(jīng)過多年的理論分析和試驗研究，總結出螺桿真空泵轉子型線設計原則有如下幾點 : (1) 轉子型線應滿足嚙合要求。螺桿真空泵的嚙合轉子型線必須是滿足嚙合定律的共扼型線，即不論在任何位置，經(jīng)過型線接觸點的公法線必須通過節(jié)點。 (2) 轉子型線應形 成長度較短的連續(xù)接觸線。由接觸線的定義及其對螺桿泵性能的影響可得，轉子型線的設計應該保證能形成連續(xù)的接觸線。另外，在實際機器中，為保證轉子間的相對運動，齒面之間總保持有一定的間隙。因此，理論上的接觸線就成了實際中的問題等。為了盡可能的減少氣體通過間隙帶的泄漏，要求設法縮短轉子間的接觸線長度。 (3) 轉子型線應形成較小面積的泄漏三角形。為了盡可能的減少氣體通過泄漏三角形的泄漏，型線設計應該使轉子的泄漏三角形盡可能的變小。 (4) 轉子型線應使封閉容積較小。 大多數(shù)轉子型線都會形成吸氣封閉容積 ，導致螺桿真空泵功耗增加，效率降低，運轉不平穩(wěn)，噪聲增大。所以轉子型線應該盡可能使形成的封閉容積小一些。 (5) 轉子型線應使齒間面積盡量大。較大的齒間面積能夠使泄漏量占的份額相對減少，從而可以使效率得到有的提高。另外從制造、運轉角度考慮，還要求轉子型線便于加工制造，具有良好的嚙合特性，較小的氣體動力損失，以及在高溫和受力的情況下，具有較小的熱變形和彎曲變形等。值得指出的是，以上有些因索是相互制約的。例如，為了減小泄漏三角形，就不可避免的會使型線具有封畢業(yè)設計（論文） 7 閉容積和較長的接觸線 ；為了減少流體動力損失，使 型線流線型化，又會增大泄漏三角形等。鑒于要滿足以上種種要求，螺桿真空泵的轉子型線通常由多段曲線首尾相接而組成，這些曲線稱為組成齒曲線。常用的組成齒曲線主要有點、直線、擺線、圓弧、橢圓及拋物線、漸開線等。 螺桿真空泵性能的不斷提高及其市場份額的不斷擴大，是與轉子型線的發(fā)展密不可分的。為便于區(qū)別起見，可以將看過真空泵的轉子型線分為對稱型線和非對稱型線，以及單邊型線和雙邊型線。齒頂中心線兩邊的型線完全相同時，稱為對稱型線。反之，齒頂中心線兩邊的型線不同時，稱為部對稱型線。只有在轉子節(jié)圓內(nèi)部或外部一邊具有型 線，稱單邊型線。節(jié)圓的內(nèi)、外均有型線，稱雙邊型線。 螺桿真空泵型線由對稱型線發(fā)展為非對稱型線，而且非對稱型線由最初的點、直線和擺線進一步發(fā)展為不再包含有這些曲線，而是由圓弧、橢圓、拋物線等曲線組。這些改進可以使轉子齒面密封由 “線 ”密封改進為 “帶 ”密封，能夠明顯提高密封效果，還有利于形成潤滑油膜和減少齒面磨損。日前兒乎所有的螺桿機械采用的都是非對稱型線。當前國際上通用的性能優(yōu)越的型線主要有 GHH 型線、日立型線和 S RM-D 型線等。目前型線的研究趨向于僅使用圓弧和圓弧包絡線組成轉子型線，這樣可以在轉子之間完全實 現(xiàn) “曲面對曲面 ”的密封、有助于形成流體動力潤滑油膜，降低通過接觸線的橫向泄漏，提高真空泵的效率，使得嚙合更加平穩(wěn)，另外還改善了轉子的加工性能，具有更好的綜合性能。 國外的型線研究主要著重于不對稱型線，國內(nèi)也有學者進行這方面的研究并取得了一定的成果。日前對于螺桿泵的研究集中于用螺桿泵輸送流體介質及進行多相混輸，如國內(nèi)的西安交通大學在這方而的研究就取得了顯著的成果。相對而言，螺桿壓縮機的研究國內(nèi)國外都進行了很多，至今己經(jīng)形成了一些有著優(yōu)異性能的型線，這些型線也可以作為真空螺桿泵型線研究的有益參考。 單頭等螺距矩形螺紋轉子型線是最早出現(xiàn)的型線，由于有可能發(fā)生根切，即二級轉子級間出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，所以基本上已經(jīng)不再使用。取而代之的是改進型的單頭等螺距梯形螺紋轉子，其截面形狀由矩形改為梯形，解決了干涉問題，且加工方便，故為很過廠家廣泛采用。單頭變螺距梯形螺紋轉子和單頭等螺距凹面轉子是近年來出現(xiàn)的新型型線，它是在單頭等螺距梯形螺紋轉子的基礎之上改進而來的。單頭變螺距梯形螺紋轉子其主要特點為螺桿螺距從吸氣端到排氣端按變螺距系數(shù)變化，大導程一端對應于吸氣口。開始時吸氣量大，在轉子轉動過程中運動的封閉腔體越來越小， 氣體被壓縮，具有內(nèi)壓縮作用，即邊輸送邊壓縮，從而能夠降低整體的排氣壓縮功耗，并對發(fā)生在排氣口的喘振現(xiàn)象有抑制作用，是泵的工作更為平穩(wěn)，能夠降低噪音和排氣振動。頭等螺距凹面轉子進一步采用內(nèi)凹畢業(yè)設計（論文） 8 齒面法將嚙合齒面上可能發(fā)生干涉的部分全部去除，是齒面成為向內(nèi)凹曲的等螺距螺旋線共軛曲面。多頭雙邊對稱圓弧型線是最近幾年出現(xiàn)的一種新型型線，它是在雙螺桿壓縮機型線的基礎上發(fā)展而來的。一般陽轉子為四頭螺桿，陰螺桿為六頭螺桿。 上述各種型線各有優(yōu)缺點，要根據(jù)設計要求、加工制造能力、實際需求等多方面選擇。從適用性方面來講，多頭雙邊 對稱圓弧型線適用面最廣。由于該型線在一個導程內(nèi)就可以完成吸氣、壓縮和排氣的全過程并能達到一定的極限真空，這就能有效地減小泵的體積和質量，尤其適于大抽速要求的泵。單頭型線由于要多級才能達到一定的極限真空，不可避免要增加泵的體積，占用更大的空間，所以適用于中、小型泵。多頭螺桿型線的缺點是型線復雜，加工資用昂貴，需用特制的刀具在專用機床上加工；而單頭梯形齒型線由于各齒面在軸向剖面內(nèi)的交線都是直線，所以加工時使用直刃車刀即可，只是變螺距型線要在數(shù)控車床上加工以保證精度。單頭凹齒面型線的加工要比梯形齒型線稍復雜，但完 全能在通用的數(shù)控車床上完成，大批量生產(chǎn)時可以選用鑄造。另外，多頭螺稈型線和單頭變螺距型線由于在抽氣過程中有內(nèi)壓縮，不適合抽除可凝吐氣體，但減小了排氣口的喘振和噪音，也減小了功率的消耗。 綜合考慮各種型線的有缺點，本文決定選擇多頭雙邊對稱圓弧型線。 2.2 多頭雙邊對稱圓弧型線 螺桿式雙頭干式真空泵中最重要的部件就是陰、陽螺桿轉子。轉子的齒面與轉子軸線垂直面的截交線稱為轉子型線，如圖 2.1a 所示。轉子型線作螺旋運動就形成了轉子齒面，如圖 2.lb 所示。螺桿泵中的陰陽轉子可以看作是一對相互嚙合的斜齒輪。因此，螺桿 泵的陰陽轉子型線也要滿足嚙合定律，即不論在任何位置，經(jīng)過型線接觸點的公法線必須通過節(jié)點。所不同的是普通斜齒輪的任務是在兩根平行軸之間的任意傳動方向上，強制傳遞轉速、轉矩及功率。而在雙頭干式螺桿泵中陰陽轉子并不接觸，兩者之間的動力傳遞通過同步齒輪完成 . 畢業(yè)設計（論文） 9 圖 2.2 轉子型線、嚙合線、齒間面積、泄漏三角形和接觸線 (a) 型線、嚙合線、齒間面積、泄漏三角形 (b) 泄漏三角形和接觸線 1.陽轉子型線 2.陰轉子型線 3.嚙合線 4.泄漏三角形 5.陽轉子齒間面積 6.陰轉子齒間面積 7.陽轉子節(jié)圓 8.陰轉子節(jié)圓 9.接觸線 2.2.1轉子設計要素 對于螺桿泵轉子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因為這些齒間容積是實現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對螺桿泵性能有重大影響的轉子型線要素有接觸線，泄漏三角形，封閉容積和齒間面積等 . a. 接觸線 螺桿泵的陰陽轉子嚙合時，兩轉子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線 (圖 2. lb中 9)。接觸線一側的氣體處于壓力較高的壓縮和排氣過程，另一側的氣體則處于壓力較低的吸氣過程。如果轉子齒面間的接觸線不連續(xù)，則處于高壓力畢業(yè)設計（論文） 10 區(qū)的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓力區(qū)泄露。 b. 泄漏三角形 螺桿泵轉子型線的頂點，通常不能達到陰陽轉子氣缸孔的交線，在接觸線頂點和機殼的轉子氣缸孔之間，會形成一個空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形 (圖2.la中 4)。通過泄漏三角形，氣體將從壓力較高的齒間容積，泄漏至壓力較低的鄰近齒間容積。 c. 封閉容積 如果在齒間容積開始擴大時，不能立即開始吸氣過程，就會產(chǎn)生吸氣封閉容積。由于吸氣封閉容積的存在，使齒間容積在擴大的初期，其內(nèi)的氣體壓力低于吸氣口處的氣體壓力。在齒間容積與吸氣口連通時，其內(nèi)的氣體壓力會突然升高到吸氣壓力，然后才進行正常的吸氣過程。所以，吸 氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。值得指出的是吸氣封閉容積存在于非對稱型線中，而本文所論述的雙邊對稱圓弧型線沒有吸氣封閉容積。 d. 齒間面積 齒間面積是齒間容積在轉子端面上的投影。轉子型線的齒間面積越大，轉子的齒間容積就越大。 2.2.2 轉子設計原則 1.轉子型線應滿足嚙合要求。螺桿泵中的陰、陽轉子型線必須是滿足嚙合定律的共扼型線，即不論在任何位置經(jīng)過型線接觸點的公法線必須通過節(jié)點。 2.轉子型線應形成長度較短的連續(xù)接觸線。在實際機器中，為保證轉子間的相對運動，齒面間總保持有一定間隙。因此，理 論上的接觸線就轉化成實際中的間隙帶。為了盡可能減少氣體通過間隙帶的泄漏，要求設法縮短轉子間的接觸線長度。 3.轉子型線應形成較小面積的泄漏三角形。為減少氣體通過泄漏三角形的泄漏，型線設計應使轉子的泄漏三角形面積盡量小。 4.轉子型線應使封閉容積較小 .大多數(shù)非對稱轉子型線會形成嚙合時的吸氣封閉容積，導致泵耗功增加，功率降低，噪音增大。所以，轉子型線應使吸氣封閉容積盡可能地小。對稱型線并不存在這一問題。 5.轉子型線應使齒間面積盡可能大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少，效率得到提高。 另外，從制造、運轉 角度考慮，還要求轉子型線便于加工制造，具有良好的嚙合特性，較小的氣體動力損失，以及在高溫和受力的情況下，具有小的熱變形和彎曲變形等。值得指出的是，以上有些因素是相互制約的 .例如，為了減小泄漏三角形，就不可避免地會使型線具有封閉容積和較長的接觸線 ；為了減少流動畢業(yè)設計（論文） 11 氣體損失，使型線流線型化，又會增大泄漏三角形等。所以要根據(jù)實際要求，綜合考慮各個設計要素，確定最佳的設計方案。 通常滿足上述要求的轉子型線由多段曲線首尾相接組成，這些曲線稱為組成齒曲線。常用的組成齒曲線主要有點、直線、擺線、圓弧、橢圓及拋物線等。 2.2.3 多頭雙邊對稱圓弧型線 a. 轉子端面型線方程 雙邊對稱圈弧型線的組成齒曲線 ： 雙邊對稱圓弧型線的端面各段組成曲線性質如表 2.1所示 .端面型線如圖 2.2所示。應該指出，所謂對稱圓弧型線并非全由圓弧組成。圓弧齒曲線被限制在陰轉子節(jié)圓之內(nèi)，而陰轉子節(jié)圓之外的齒曲線 IJ和 KL卻是擺線。這是因為若 IJ和 KL 仍為圓弧，將引起陰陽轉子接觸線中斷，使螺桿泵的泄漏增大。所謂雙邊即在陰、陽轉子節(jié)圓外、內(nèi)增添了齒曲線 AB, BC, DE, EF, FG和 HI, LM, MN齒曲線，其中 AB, EF, HI, LM都是中心 在節(jié)圓，半徑為 R0的圓弧段 . 顯然，這 種雙邊對稱圓弧型線嚙合線的頂點距兩轉子齒頂圓的交點 w較遠，從而使通過泄漏三角形的泄漏嚴重。為了減少這種不利影響，通常把0R的取值限制在一定范圍之內(nèi)。這種雙邊對稱圓弧型線去除了原始對稱圓弧型線上的尖點，使齒曲線間光滑過渡，便于加工、儲運，也免除了應力集中，使轉子能承受更大的載荷。更為重要的是，保護了擺線 IJ和 KL的形成點 C和 D，有助于減少通過接觸線的泄漏。相對于非對稱型線來說，其設計、制造更為方便 。 表 2.1雙邊對稱圓弧 型線的組成齒曲線性質 陰轉子 陽轉子 齒曲線 曲線性質 齒曲線 曲線性質 AB 圓弧 HI 圓弧 BC 擺線 I 點 C 點 IJ 擺線 CD 圓弧 JK 圓弧 D 點 KL 擺線 DE 擺線 L 點 EF 圓弧 LM 圓弧 FG 圓弧 MN 圓弧 畢業(yè)設計（論文） 12 圖 2.3 雙邊對稱圓弧型線的組成齒曲線圖 b. 轉子螺旋齒面方程 畢業(yè)設計（論文） 13 圖 2.4 轉子螺旋曲面及其坐標系 一般曲面 S的直角坐標參數(shù)方程用下式表達 : ( , )( , )( , )x x ty y tz z t ， 或以矢量式 ( , )r r t vv 來表達 。 曲面的參數(shù)方程含有兩個參數(shù) (t, ),要確定該曲面的邊界，就必須知道這兩個參數(shù) (t, )的變化范圍。 螺桿式雙頭干式真空泵的轉子齒面是轉子端面型線作螺旋運動時形成的螺旋曲面。 如圖 2.3所示，轉子型線的某一組成齒曲線 c的參數(shù)方程為 : 0000()()x x ty y t平面曲線 c繞轉子軸線作螺旋運動，就形成與此組成齒曲線對應的轉子螺旋齒面。曲線 c繞 oz軸作螺旋運動到 c位置時，軸向前進距離是 z，并相對原始位置轉過 角。 c在坐標系00O x y z的位置，即等于 c在坐標系 Oxyz 位置，相應的右旋螺旋面 (陽轉子齒面 )方程為 00( ) c o s ( ) s i n( ) s i n ( ) c o sx x t y ty x t y tzp (2.1) 式中2Tp ， p是表征螺旋面的陡峭程度，稱為螺旋特性數(shù)。 T是形 成曲線 c繞 z軸旋轉一周 (2 )后軸向前進的距離，稱為軸節(jié)距或導程。還把形成曲線 c從轉子一個端面繞 z軸旋轉到另一個端面所轉過的角度z稱為扭轉角。假定轉子的有效工作段長度為 L，則 2z LT ，設計時取 o1 53 0 0 = 3z 同理可得左旋螺旋面 (陰轉子齒面 )的方程為 00( ) c o s + ( ) s i n( ) s i n ( ) c o sx x t y ty x t y tzp (2.2) 3 螺桿雙頭干式真空泵工作原理 14 3 螺桿雙頭干式真空泵工作原理 與螺桿式壓縮機類似，螺桿式雙頭干式真空泵的工作過程可分為吸氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉子的旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)，現(xiàn)在以其中一對齒來說明。 3.1 吸氣過程 圖 3.1示出了螺桿真空泵的吸氣過程。在圖 3.1中，陽轉子按逆時針方向旋轉，陰螺桿按順時針方向旋轉。圖中上方的轉子端面是吸氣斷面，下方的端面為排氣端面。 (a) 吸氣過程即將開始 (b) 吸氣過程中 (c) 吸氣過程結束 圖 3.1 螺桿式雙頭干式真空泵的吸氣過程 圖 3.1a示出吸氣過程即將開始時的轉子位置。在這一時刻，這一對齒前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣口連接。隨著轉子開始轉動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒間容積，這個齒間容積的擴大，在其內(nèi)部形成了一定的真空，而此齒間容積又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中。如圖 2.1b中陰影部分所示。在隨后的轉子旋轉過程中，陽轉子齒不斷從陰轉子齒的齒槽中脫離出來，齒間容積不斷擴大，并與吸氣孔口保持連通。 吸氣過程結束時的轉子位置如圖 2.1c所示，其最顯著的特點是齒間容積達到最大值。隨著轉子的旋轉，所研究的齒間容 積不會再增加。齒問容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結束。 畢業(yè)設計（論文） 15 3.2 壓縮過程 圖 3.2示出螺桿泵的壓縮過程。圖中的轉于端面是排氣端面。在這里，陽轉子沿順時針方向旋轉，陰轉于沿逆時針方向旋轉。圖中上方的轉子端面是吸氣斷面，下方的端面為排氣端面。 (a) 壓縮過程即將開始 (b) 壓縮過程中 (c) 壓縮過程結束，排氣過程即將開始 圖 3.2 螺桿式于式真空泵的壓縮過程 圖 3.2a示出螺桿泵壓縮過程即將開始時的轉子位置此時氣體被轉子齒和機殼包圍在一個封閉的空間中，齒間容積由于轉于齒的 嚙合就要開始減小。 隨著轉子的旋轉，齒間容積由于轉子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積中的氣體被占據(jù)體積也隨之減小，導致壓力升高，從而實現(xiàn)氣體的壓縮過程，如圖 2.2b所示壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。如圖2.2c所示。 3.3 排氣過程 圖 3.3 螺桿泵的排氣過程 圖 3.3示出螺桿泵的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出，畢業(yè)設計（論文） 16 如圖 2.3a所示。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合。此時，齒間容積內(nèi)的氣 體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積的體積變?yōu)榱恪?從上述工作原理可以看出，螺桿式雙頭干式真空泵是一種工作容積作回轉運動的容積式機械真空泵。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助螺桿泵的一對轉子在機殼內(nèi)作回轉運動來達到。它的工作客積在周期性擴大和縮小的同時，其空間位置也在變更。 4 螺桿雙頭干式真空泵設計計算 17 4 螺桿雙頭干式真空泵設計計算 4.1 螺桿基本尺寸 螺桿壓縮機轉子的推薦公稱直徑： 63、 80、 100、 125、 160、 200、 250、 315、400、 500、 630、 800mm。根據(jù)設計任務書的要求，容積流量 為 33m /min 。初選螺桿的公稱直徑0D=125mm。型線選擇雙邊對稱圓弧型線，陽轉子與陰轉子齒數(shù)比選 4： 6。 表 4.1 導程、長徑比及 及扭角 的關系 符號 短導程 長導程 導程 h 1 0 2 04 ,23h D h D1 0 2 01 . 8 , 2 . 7h D h D長徑比 l0.9 1.0 1.12 1.18 1.32 1.50 陽轉子扭角 1z243 270 302.4 236 264 300 陰轉子扭角 2z162 180 201.6 157.3 176 200 長徑比0llD 扭角 360z lh 指常用的齒數(shù)比為 4： 6時 按表 4.1選擇長導程 長徑比 l=1.50 陽轉子扭角 1z=300o 陰轉子扭角 2z=200o 中心距 00.8AD =0.8125=100mm 陽轉子工作長度 l = l 0D =1.5125=187.5mm 陽轉子節(jié)圓 100.64tDD =0.64125=80mm 陰轉子節(jié)圓 200.96tDD =0.96125=120mm 齒高半徑 r=0.205 0D =0.205125=25.625mm 陽轉子實際外徑 1D =1.05 0D =1.05125=131.25mm 陰轉子實際外徑 2D = 2tD =120mm畢業(yè)設計（論文 ） 18 根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)，繪制出螺桿的端面圖 圖 4.1以及轉子的三維圖 圖 4.2。 圖 4.1 螺桿端面型線 畢業(yè)設計