S-400螺桿真空泵設計--論文解析

1、目錄中文摘要1英文摘要21 緒論31.1 .課題背景及研究意義31.2 課題研究方向32螺桿干式真空泵的設計52.1 轉子的設計52.2 轉子尺寸計算72.3 腔體的設計82.4 齒輪的設計82.5 氣道的設計92.6 軸承的設計102.7 密封件的設計112.8 電機的選擇113參數計算133.1 排氣量13理論排氣量133.1.1 實際排氣量133.2 軸的強度計算143.3 極限真空度、功率及冷卻水量144轉子溫度場有限元分析164.1 ANSYS中有限元的計算方法164.2 轉子溫度場的有限元計算16建立數學模型164.2.1 實體幾何模型18網格劃分18總結22致謝23參考文獻23S

2、-400螺桿真空泵設計摘要：近年來，隨著科技的發(fā)展，干泵的需求越來越大。本文介紹的螺桿干式真空泵具有一系列的優(yōu)點。1,抽氣腔內無任何工作液，可輸送高粘度的物質；2,無油蒸汽排放，保證了外部環(huán)境的清潔；3,由于轉子之間留有間隙，所以能用于煙塵，侵蝕性，有害的氣體本次干式螺桿泵設計要點是轉子，氣道結構和密封系統(tǒng)口。關鍵詞：干式真空泵；螺桿；吸氣；排氣Abstract：Recently,thegrowingdemandfordrypumpwiththedevelopmentofscienceandtechnologyThisarticledescribesthescrewdryvacuumpumpw

3、ithaseriesofadvantages1,Thereisnooperatingfluidintheextractingchamber,itcandeliverhigh-viscositymaterial.2,Thereisnooilvapouroutlet,itcanguaranteeoutsideclean.3,Itcanextractgascontainingdust,corrosivity,andpoison,becauseithassmallgapbetweentoothfaceofmaleandfemalerotors.Themainfactorsforthisdryscrew

4、vacuumpumpdesignarerotors,airwaystuctureandsealingsystem.Keywords:dry(oil-free)vacuumpump；screw；inlet；outlet1緒論泵的發(fā)展有接近110年的歷史了，隨著科技的發(fā)展，泵的種類也在飛速多元化，從最初的旋片泵到具有抽高真空能力的羅茨泵，螺桿泵，仿佛一切都是來的那么突然又有條不紊。21世紀的今天，科學技術對真空泵的要求一步步的提高。比如抽真空能力的提高，對抽真空清潔度的要求更加苛刻，對抽氣速率要求逐漸提高。在科研領域，比如食品工業(yè)、醫(yī)療、化學等行業(yè)，傳統(tǒng)的有油泵很難滿足要求，因為有油真空泵會帶來污

5、染，很可能危害人體健康，而干泵具有可以實現零污染的優(yōu)點，因而干泵將占據著越來越重要的市場地位101.1課題背景及研究意義-2干式真空泵，一般認為是能在大氣壓到10Pa的壓力范圍內工作。干泵的排氣端直接與大氣接觸，工作時連續(xù)向外部排氣。對于被抽真空的對象不能含有任何液體環(huán)境。干泵的種類已經發(fā)展的比較繁多，本文是只對于螺桿式真空泵進行設計研究。據我查閱資料，整理總結出螺桿式泵特點如下：抽速高，在抽真空壓力范圍內保持較高的抽速。 零部件較少，而且?guī)缀鯖]有易損壞零件，因而可靠性較高。 適應性強，轉子留在兩齒表面之間的間隙小，從而可以抽腐蝕性，有毒，含有灰塵，冷凝的蒸汽和其他氣體。操作維護方便1.2課題

6、研究方向螺桿泵在國內依然停留在發(fā)展時期，主要原因有是國內很少有自主的大型螺桿泵企業(yè)，前景不甚明朗。而且國內企業(yè)的普遍特點是加工精度太低，難以達到標準，依靠進口才是一條好路子。但是在十二五建設的大洪流中，不少企業(yè)都在走科技創(chuàng)新的新路子，企業(yè)攻堅克難，做出國字號的轉子型線，應該很快會有自主研發(fā)的轉子投產。但是前進的道路上還存在不少技術難題，以冷卻最為棘手。大多數企業(yè)采用的辦法是在腔體高壓端開環(huán)形冷卻水槽，但是收效甚微，高溫影響依然不容忽視。另外，愛德華公司選擇采用在軸上開設冷卻水通道，弊病在于工藝復雜難以加工。通過查閱資料我了解到，等螺距螺桿泵功耗大，原因在于只排氣不進行壓縮；變螺距螺桿泵邊功耗大

7、大縮小，設計的成功之處在于可以邊壓縮邊排氣，排氣口溫度順理成章的變低了不少。所以氣冷極有可能發(fā)展為未來的主流。依照目前的科技發(fā)展實力，依然存在不少問題亟待解決。1,抽取腐蝕性氣體時涂層的防腐蝕技術。2,排氣溫度高，轉子利用率低的通病。3,抽取活潑氣體時，安全問題令人堪憂。2螺桿干式真空泵的設計2.1 轉子的設計目前干式螺桿真空泵的主要生產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。（a）單頭等螺距矩形螺紋轉子（b）單頭等螺距梯形螺紋轉子（c）單頭變螺距梯形螺紋轉子（d）單頭等螺距凹面轉子（e）雙邊對稱圓弧型線轉子圖2.

8、1螺距型線種類綜合考慮各種型線優(yōu)缺點，本次設計采用的是單頭對稱圓弧型線圖2.2單頭對稱圓弧型線轉子2.1.2螺桿泵工作原理螺桿式干式真空泵的工作過程可分為吸氣、壓縮和排氣三個過程5L1 .吸氣過程以齒間容積最小開始，兩螺桿反向旋轉，嚙合的兩齒逐漸脫離嚙合從而在其間形成了一定的真空空間，我們稱之為齒間容積。隨著螺桿的繼續(xù)旋轉，齒間容積步步增大。這部分空間只與吸氣口相連，進氣口的氣體在齒間容積的負壓下被倒吸入泵中。吸氣過程結束時，齒間容積達到最大值。2 .壓縮過程氣體被轉子齒和泵強密封在一個封閉的空間中，螺桿繼續(xù)旋轉，兩齒開始再次嚙合，齒間容積不斷減小。被上一過程吸進來的氣體一直停留在齒間容積中也

9、同時被壓縮，壓強同時升高。3,排氣過程由于螺桿的旋轉，齒間容積會在旋轉的過程中逐漸往排氣口平移，當齒間容積與排氣口相連時氣體與排氣口外部大氣連通，螺桿泵開始排氣。齒間容積進一步減小，氣體在泵腔里被螺桿擠出排氣口，同時齒間容積再次歸零，循環(huán)往復開始下一次吸氣過程。由以上三個過程可以看出螺桿式干式真空泵是容積式機械真空泵。轉子在泵腔內回轉導致齒間容積不斷變化，同時齒間容積的變化實現吸氣-壓縮-排氣的過程。這個個流程循環(huán)往復，具有周期性。2.2 轉子尺寸計算螺桿壓縮機轉子的推薦公稱直徑：800mm630mm500mm400mm315mm250mm200mm160mm125mm100mm80mm63m

10、m初選螺桿的公稱直徑D0=125mm型線選擇單頭對稱圓弧型線，陰轉子與陽轉子齒數比選6:4。表21同導程、長徑比及及扭角Z的關系長徑比工扭角指常用的齒數比為密6時.*'五符號短導程長導程導程h4瓦=hy2.7Dq長徑比人L01.121.131.321.50陽轉子扭角%243270302.4236264300陰轉子扭角小-A.162180201.6157.3176200按表2.1選擇長導程長徑比匕二1.50陽轉子扭角4廣300；陰轉子扭角5二中心距A=0.8DO=0.8Xl25=100mm陽轉子工作長度l=xD0=1.5Xl25=187.5mm陽轉子節(jié)圓D1t=0.64D0=0.64Xl

11、25=80mm陰轉子節(jié)圓D2t=0.96D0=0.96X125=120mm齒高半徑r=0.205D0=0.205義125=25.6mm陽轉子實際外徑D1=1.05D0=1.05X125=131.25mm陰轉子實際外徑D2=D2t=120mm腔體的設計圖2.3腔體腔體高壓端有環(huán)形冷卻液通道，上面的凹槽里安裝冷卻水管（含散熱板），通冷卻水以冷卻冷卻液，達到更好的冷卻效果。腔體端面采用O型圈密封2.3 齒輪的設計i齒輪設計計算中心距a=100mm模數m初步選為3齒數初定為z1=42,z2=63o螺旋角P=arccosmn(Z|")=10.14°2aPe8150滿足要求故模數確定為

12、m=3,齒數確定為4=42,Z2=63ii齒輪強度校核材料選用20Cr,熱處理是滲碳淬火，處理之后齒輪齒面硬度為59HRC查得仃Hlim1=%lim2=1500Mpa取安全系數Sh=1.2,貝U|._h=r-HJimL=1500/1.2=1250MPaSH齒輪按六級精度制造，載荷系數儂取為1.2,齒寬系數*選為0.2小齒輪上的轉矩T1=9.55106P=9.55且5=2.47104N.mmn2900驗算齒面接觸強度5(1.51)31.22.471041.50.21003二H二H=30=379.0MPaaH，安全圖2.4齒輪2.5 氣道的設計進氣口開在腔體上，通過一斜面打通到吸氣端面。排氣口開在

13、高壓段蓋板上，在排氣側裝消聲器。排氣壓力為大氣壓，極限壓力大約為1Pa,最大壓縮比為105圖2.5氣道結構圖2.6 軸承的設計2.6.1 軸承的選擇齒輪端（高壓端）由于要承受較大徑向力與軸向力，選用兩個深溝球軸承并排安裝。低壓端由于主要承受徑向力，選用圓柱滾子軸承。圖2.6深溝球軸承（左）和圓柱滾子軸承（右）2.6.2 軸承壽命計算：Lh=/電）n表示軸承轉速2900r/minC表示軸承基本額定動載荷，圓柱滾子軸承,C=80.2KN深溝球軸承，C=43.2KNP表小軸承載荷*為指數，對于球軸承，&=3對于滾子軸承，；=3.333計算得，深溝球軸承，Lh1=3707h（取載荷P=10KN

14、）圓柱滾子軸承，Lh1=5934h（取載荷P=10KN）經計算符合要求。2.7 密封件的設計采用骨架密封圈和卡環(huán)配合進行密封，然后連接擋油環(huán)。蓋板與腔體連接處使用O型圈進行密封。圖2.8骨架密封環(huán)（左）與擋油環(huán)（右）2.8 電機的選擇采用帶法蘭盤的電機，選用東元電機，AEVFX解歹I防爆電動機,額定功率7.5KW；轉速2900r/min。電壓（V）380頻率（Hz）50,60防護等級IP54冷卻方式IC411周溫-15C40C表2.9電機尺寸圖2.10BuschAC0400型干式螺桿真空泵表2.2參數表v婪AC2KKLLALBMNPSTMMA4P涯口EEQFGGA11ao11na+v&

15、l和11?QI165ISO#0©TS35iQ40ase1&.5?151>電gXJ4白小l««130aocia34型0aoi73ICKlLABW1斗耳.vraIB34021BBO±»i-*皂.2ttSO3A24I311才Mtf48，Q”。hlFi1ACa；!bcUw2flW*Qia鼻A事7卜門八T&BBB12-7£>IhFI嘈-<£1?0的1士CSB三3c33由10.34jBOSOto33*13Iff7Vfc七”“1百««4*二”-b-if：MC1*fi4flOa口aa&l

16、t;b1&20le>ICiGOtri43aq爭”N-111010bauaOnbSMO空g3boIB6bnoK>l*4>20151GOL334311N-T1VI*Q&H,B20344.&idQ2&Cie-b«4aIIOBO12：a/恤一h52016OMC33CHOTI1手ST13.5SO563.S3503DOwo185548HQSO1442.SEl.SX160IMA362第KE0mF3.B2Q5"百3503OCia.65的11。14151.51第三章參數計算排氣量3.1.1 理論排氣量(3.1)(3.1)23,Vth=CCng

17、Dom/min式中n1陽轉子轉速2900r/minDo陽轉子公稱直徑0.125ml陽轉子工作長度0.1875mCn面積利用率選取為0.521C中一一扭角系數。按表3.1選取C中=0.971表3.1扭角系數參考值3240fl270300C(p1.000.9890.971根據公式(3.1)計算理論排氣量2Vth=CCnn1lD0=0.971義0.521義2900X0.1875義0.125義0.125=4.30m3/min3.1.2實際排氣量V=Vth'm3/min(3.2)九的值與轉子型線、間隙值、轉子尺寸、轉速有無噴液等因素有關，氣值見表3.2表32不同城子型線的排氣系數上轉子型線無油螺

18、桿噴油螺桿對稱型線0,650.900H90不對稱型線0,700,950.80-0.95選取九二0.80則按式(3.2)實際排氣量V=Vth'=4.45X0.75=3.23m3/min3.2軸的強度計算螺桿式干式真空泵的陰陽螺桿所受彎矩不大，故可按扭轉強度條件計算。根據材料的成本問題和工藝規(guī)程，軸材料選取45鋼，熱處理方式是調制處理由表4.5查得其許用扭轉切應力【Tt】=40MPa按扭轉強度計算最小直徑(4.7),9.55106Pd-30.2l.tIn9.551067.50.24029009.551067.50.2402900=14.6mm為了給軸留有足夠的安全系數，計算之后對軸進行10

19、%15的加強，選取直徑為35mm=14.6mm為了給軸留有足夠的安全系數，計算之后對軸進行10%15的加強，選取直徑為35mm3.3極限真空度、功率及冷卻水量（表3.3是臺灣漢鐘PSL型技術參數表）機型DVS-23DVS-37DVS-42DVS-150單位抽氣速率223642146L/S80130150500nf/hr1333216725008750L/min表3.3臺灣漢鐘PSM型技術參數表極限壓力-3<7.5X10一一-4<7.5X10Torr_-2<1X10-3w1X10mbar<1<0.1Pa馬達功率4668HP2.984.474.475.96KW頻率50

20、/60HZ電壓220440V口徑冷卻水進氣口NW50ISO100排氣口流里NW4037NW4cL/min壓力24Kg/m2溫度接頭1830RC3/8°C氮氣壓力0.51Kg/m2稀釋流量060L/min密封流量連接020Swagelok1/4L/min尺寸LXWH814X380X663895X405X678920X425X650814X380X9083mm重量280300320450Kg噪音<70dB控制界面SEMIE73-0299真空泵最大漏率-51X10Mbar.l/s室溫操作范圍540°C最大操作濕度90%RH4轉子溫度場有限元分析4.1 ANSY。有限元的計算

21、方法有限元分析是利用數學近似的方法對真是真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬，利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。目前，工程領域內常用數值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限分法，就其廣泛性而言，主要還是有限單元法。4.2 轉子溫度場的有限元計算螺桿于泵正常運轉時，由于轉子封在泵腔內做告訴旋轉運動，無法直接測量得到轉子表面的溫度，而轉子的熱膨脹是影響泵腔內各密封間隙的重要因素，在各種因素中占到80%Z上，故將其作為本次分析主要分析對象61由于在螺桿泵正常運作時，其排氣口溫度可達到145C,以等溫邊界來處理顯然不合理。這次分析，

22、本人通過前期建立的轉子三維模型，對轉子的溫度場進行研究。4.2.1 建立數學模型4.2.1.1 熱傳導計算數學模型固定熱傳導遵循傅里葉定律(4.1)(4.1)q=_，|_gradT式中，qW/m2：熱流密度士.gradTC/m：溫度梯度?-W/(mL.C):材料導熱系數將傅里葉定律和能量守恒定律應用于笛卡爾坐標系下的溫度場的計算，就可得到導熱微分方程FTft九02T上力T上十丁L*<'rr門。2個2個2PCp<cxcyczJpcp(4.2)式中，T憶：物體的瞬態(tài)溫度tIs：過程進行的時間Pkg/m3：材料的密度cpJ/(kgUC):材料的定壓比熱dW/m3:材料的內熱源強度

23、無內熱源穩(wěn)態(tài)下的導熱方程，式(3.2)化簡為(4.3)(4.3).：2t；：2t?t十十二.2-2.2一x二y二z4.2.1.2 預處理ANSYS分析本質還是能量守恒原理，也就是：在封閉系統(tǒng)中：Q-W二,；.UKEPE式中：qJ：熱量wJ】：做功 u【j：封閉系統(tǒng)內能增量keJ：封閉系統(tǒng)動能增量 peJ：封閉系統(tǒng)勢能變化增量傳熱時：AKE=APE=0,若W=0,貝U：Q=AU；穩(wěn)態(tài)時，Q=ZkU=0,即系統(tǒng)的流入流出熱量相等；瞬態(tài)時，q=dU,內能變化和流入流出熱傳遞的dt速率相等。螺桿泵運行狀態(tài)平穩(wěn)時，由下表可以知道泵不同部位的溫度。大致來看，下表列出的泵體各部位溫度變化不大，因而可得出結論

24、：對于轉子的熱分析只要分析穩(wěn)定狀態(tài)即可。若系統(tǒng)處在熱平衡狀態(tài)，則有：Q充入+Q生成-Q流出=0系統(tǒng)中任意一節(jié)點溫度隨時間變化量忽略不計。表4.1螺桿干泵溫度檢測數據（C）間進氣口自由端蓋自由端木套進氣口螺桿外套艇體水套齒愴油箱環(huán)境溫度排氣口陽轉子陰轉子8:5。3N83943.44143755比831147.69303L838.437.442.S44,S36858.8311412103033.239.637.843.845.436.2583L6149.811:3033439.6效.246.647.436.259.812.415L-412:3034.438.83843.64123660.632.6

25、147.613:3035.642,64L444.646,2M657*633.6146-614:3034.542.84E644.446.440257.634150.415:3034442.841.644.646.239.657.832.6150.616:3035443.fi42.245.646.S4QA57.833.61475矩陣表示的系統(tǒng)能量守恒公式：I.KHt）=0式中：k】：傳導矩陣；含有導熱，對流和時間等系數；仃：節(jié)點溫度向量；q：節(jié)點熱流率向量；利用模型幾何參數、材料熱性能參數，在ANSYS下可以生成Ik、仃以及Q,以便下一步計算。4.2.2 實體幾何模型由上面所述，本次所用模型為PR

26、OE制作的,g型，PROEI成的模型通過ANSYS導入進行處理，根據表面實際情況進行網格的劃分。ANSYS單元庫有100多種單元類型，其中許多單元具有好幾種可選擇特性來勝任不同的功能。單元選擇十分重要。對于本設計采用三維實體單元。4.2.3 網格劃分選定單元類型并確定型函數之后，要確保單元格數量才能描述精度。一般來說，網格和節(jié)點數量與最后結果保持正相關。但是，如果網格劃分太過稠密，這會導致ANSYS算結果時時間太過冗長，而且不容易保持計算準確度。以下兩張是分別對陽，陰轉子進行網格劃分的結果。1圖4.1陽轉子網格圖圖4.2陰轉子網格圖4.2.4計算結果圖4.3陽轉子溫度場有限元分析TIM

27、3;-1TEMPB5Y5-D=T165MX=仃3目日gFile:DeflktQpWylnANSYSIJUN32013Hl：01圖4.4陰轉子溫度場有限元分析圖4.3、圖4.4分別為陽轉子和陰轉子關于熱力學溫度的非線性分布圖，圖中顏色的深淺表示溫度的高低。宏觀來看，從左到右（進氣口到排氣口）溫度逐漸升高，變化近似為線性的。分開來說，把轉子按照導程可以分為幾個部分：1,進氣端第一個導程轉子溫度由表面的43c遞增66C。原因是，在這個導程內處于吸氣狀態(tài)氣體由進氣口進入螺旋抽氣槽，轉子齒頂面與被抽氣體接觸，但在這一導程內只是近似等壓的吸氣過程，沒有做功，齒頂面與氣體溫度相同。此處轉子內部受排氣端高溫熱

28、傳導影響溫度升高；其后的兩個導程轉子溫度比較均勻，大約為105C,這是因為轉子處于泵壁冷水套提供的均勻溫度場內，溫度變化不打；而最末一個導程內轉子溫度變化顯著，由105c變化到排氣口的150C,其原因是：氣體傳輸到轉子末一導程時被壓縮排出，由于壓縮氣體做功導致轉子溫度急劇上升。隨著太陽能，半導體，液晶顯示器等行業(yè)的發(fā)展，干式真空泵將迅猛發(fā)展，占據也來越重要的市場份額。螺桿泵將在以后有很大的發(fā)展?jié)摿?，本文闡述了螺桿式干式真空泵的基本原理，對常見的型線進行了分析研究，并對螺桿式干式真空泵的關鍵數據進行了設計計算。得到以下結論：單頭對稱圓弧型線加工復雜，國內這類的機床較少，但該型線作出的轉子可以在一

29、個導程內完成吸氣、壓縮和排氣的過程，同時真空度也能滿足要求。這樣相較于其他類型的真空泵和其他型線來講可以減小泵的體積，這是一大優(yōu)勢。另外。溫度對于轉子結構的影響是明顯的，為防止螺桿真空泵的損壞、增加使用壽命，建議真空泵在使用至多8小時后暫停使用，等冷卻后再進行使用。致謝我的畢業(yè)設計是在朱仁勝老師的指導下完成的。在畢業(yè)設計期間，我考取了中國科大的研究生，朱老師對我的復試幫助非常大，在我的前進道路上影響深遠。朱老師每周開12次組會，態(tài)度非常認真，一直關心著我的進展。我有不懂得問題朱老師總是會耐心的給予解答，并幫我指出設計中的錯誤和不足。所以在朱老師的指導下，我個人感覺的我科研能力有了一定的提升，并對