螺桿真空泵雙頭對稱等螺距轉(zhuǎn)子型線分析

螺桿真空泵雙頭對稱等螺距轉(zhuǎn)子型線分析結(jié)合現(xiàn)有特殊爪型轉(zhuǎn)子型線與單頭螺桿轉(zhuǎn)子型線特征，提出了一種雙頭對稱爪型等螺距螺桿真空泵轉(zhuǎn)子型線。通過理論推導(dǎo)得到了該型線完整的端面方程，導(dǎo)出了該型線的面積利用系數(shù)和抽速的公式，列出了這種型線的特點(diǎn)。使用Solidworks三維軟件繪制出了這種轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體模型，模擬擬合驗(yàn)證了端面型線的正確性。分析得到螺桿轉(zhuǎn)子端面型線關(guān)于中心對稱且兩轉(zhuǎn)子完全相同，與特殊爪型轉(zhuǎn)子型線相比易加工、節(jié)省工時，與單頭螺桿轉(zhuǎn)子相比具有較好的動平衡性，可為國內(nèi)外從事真空泵設(shè)計(jì)和研發(fā)人員提供參考。

干式真空泵屬于容積式泵，其工作循環(huán)可分吸氣、壓縮和排氣三個過程。真空泵的核心元件是用作抽氣作用的一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的端面型線設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)，不同的端面型線直接決定了真空泵的極限真空度、抽速、容積效率、振動等參數(shù)的技術(shù)性能。近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了一種高真空直排大氣干式泵，只需一臺真空泵就可以實(shí)現(xiàn)從高真空到大氣的全部抽氣過程，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。螺桿式真空泵是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種比較理想的干泵，它具有較大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，在真空泵市場中占有很重要的地位。干式螺桿真空泵利用一對螺桿在泵殼中作同步高速反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生吸氣和排氣原理，其主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造緊湊、無需潤滑、抽速大、真空度高、極限壓力高等，可適應(yīng)惡劣工況，具有抽取可凝性、含顆粒物氣體的能力，主要應(yīng)用于清潔的真空工藝過程，特別適應(yīng)于電子、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域。

特殊爪型真空泵的一對轉(zhuǎn)子的形狀不相同，轉(zhuǎn)子是雙頭的，如圖1所示，因此具有較好的動平衡性。但由于轉(zhuǎn)子型線組成的多樣性，兩個共軛轉(zhuǎn)子的型線不相同，相比兩個相同共軛轉(zhuǎn)子的加工工序更加繁瑣。同時，共軛曲線的計(jì)算求解較復(fù)雜，給設(shè)計(jì)工作帶來諸多不便，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為影響了其推廣應(yīng)用和工作性能的提高。

雙頭特殊爪型轉(zhuǎn)子具有動平衡性能好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)有了較廣泛的研究與應(yīng)用。目前，單頭螺桿轉(zhuǎn)子螺桿真空泵的技術(shù)較為成熟，但針對雙頭乃至多頭螺桿轉(zhuǎn)子真空泵，至今極少見到其理論研究和實(shí)際產(chǎn)品的公開報(bào)道。因此，結(jié)合雙頭爪型轉(zhuǎn)子和螺桿式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種雙頭對稱爪型等螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線。通過分析計(jì)算，此型線面積利用率、抽速、加工工藝性等得到了提高。

圖1特殊爪型轉(zhuǎn)子型線1、雙頭對稱爪型螺桿轉(zhuǎn)子型線

真空泵轉(zhuǎn)子的理論型線是一對相互嚙合的型線，為保證螺桿真空泵的氣密性，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時螺桿轉(zhuǎn)子之間要有安全間隙且要保持定值。留有間隙的轉(zhuǎn)子型線為實(shí)際型線。兩轉(zhuǎn)子之間的安全嚙合間隙即實(shí)際型線之間應(yīng)保持定值，而轉(zhuǎn)子的實(shí)際型線是在理論型線的根底上沿嚙合點(diǎn)法線方向減去間隙值的一半生成的輪廓線。為了保證二轉(zhuǎn)子不發(fā)生干預(yù)，國內(nèi)的張世偉等學(xué)者提出了平移齒面法和內(nèi)凹齒面法兩種解決方法。為了設(shè)計(jì)計(jì)算方便，文中理論型線與實(shí)際型線相同，即間隙為零。文中設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子是雙頭的，端面型線是中心對稱的，而且這種轉(zhuǎn)子的形狀參數(shù)相同，稱之為雙頭對稱爪型螺桿轉(zhuǎn)子型線。兩個螺桿轉(zhuǎn)子參數(shù)完全相同，僅旋向相反，便于加工制造。

1.1、端面型線的組成及嚙合關(guān)系

轉(zhuǎn)子端面型線是轉(zhuǎn)子齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線。若令端面型線繞z軸勻速轉(zhuǎn)動，同時又沿著z軸做勻速移動，這樣端面型線在空間上形成的曲面就是螺桿轉(zhuǎn)子齒面。圖2為雙頭對稱螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線輪廓圖，其主要參數(shù)有齒頂圓半徑Rt，齒根圓半徑Rr，嚙合圓半徑r，兩轉(zhuǎn)子中心距a。如圖2所示，右側(cè)轉(zhuǎn)子端面軸心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，向右為正方向，y軸垂直于x軸，方向向上，建立直角坐標(biāo)系。

圖2雙頭對稱螺桿轉(zhuǎn)子型線輪廓2、雙頭轉(zhuǎn)子型線特點(diǎn)

雙頭對稱爪型等螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線是一種新型型線，具有以下特點(diǎn):

(1)相嚙合的兩轉(zhuǎn)子型線參數(shù)完全相同，僅旋向相反，且型線為中心對稱圖形，因此可以大大減少許多設(shè)計(jì)、加工等方面的工作量。

(2)該端面型線由擺線、輪廓線和轉(zhuǎn)子內(nèi)外圓等曲線連續(xù)而光滑的連接組成，這種型線與其嚙合線不會出現(xiàn)干預(yù)，該型線可以實(shí)現(xiàn)完全封，密封線短。這種型線也有泄漏三角形，但級間泄漏較小。

(3)該螺桿轉(zhuǎn)子是雙頭對稱的，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，其上每個微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力相互抵消，減少了震動和噪聲。因此，其動平衡性能要優(yōu)于單頭螺桿轉(zhuǎn)子。

(4)該轉(zhuǎn)子的齒形構(gòu)造相對較簡單，除了凹齒面外，其他齒面均為直齒面，便于加工制造。整個轉(zhuǎn)子齒面較難加工的位置是凹齒面部分，它要求要有較高的形狀精度和位置精度，從而才能保證泵的抽氣性能。3、三維實(shí)體建模

螺桿轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體較為復(fù)雜，為了方便地繪制出實(shí)體模型，需要借助螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線方程先在Solidworks繪圖軟件中畫出螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線。對于型線中的擺線等非常見的曲線，可在Solidworks中采用樣條曲線的參數(shù)曲線功能得到，修剪曲線得到所需要的型線輪廓。將所得型線按照一定的導(dǎo)程旋轉(zhuǎn)掃描生成三維實(shí)體，得到單螺桿和雙螺桿嚙合時的三維模型，可方便地對其性能開展分析研究。生成的單個螺桿轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型如圖4所示。

圖4螺桿轉(zhuǎn)子三維模型

通過在標(biāo)準(zhǔn)中心距下對其干預(yù)現(xiàn)象開展檢查得出并無干預(yù)，添加運(yùn)動算列分析螺桿嚙合轉(zhuǎn)動情況，理論建模條件下發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動良好，無干預(yù)和間隙，且運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)。但還應(yīng)考慮生產(chǎn)實(shí)際中安全運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在標(biāo)準(zhǔn)中心距下轉(zhuǎn)子齒面會發(fā)生干預(yù)現(xiàn)象，這種干預(yù)是由裝配誤差造成的。由于這種誤差不可防止，兩轉(zhuǎn)子間需要留有一定間隙。裝配時間隙是可調(diào)的，通過調(diào)整間隙，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不干預(yù)。4、結(jié)論

本文分析了特殊爪型型線和螺桿轉(zhuǎn)子型線的特點(diǎn)，提出了對稱爪型螺桿轉(zhuǎn)子型線，列出了完整的端面型線方程和相關(guān)參數(shù)。該型線是10段曲線構(gòu)成的中心對稱圖形，兩轉(zhuǎn)子完全相同僅旋向相反。這種雙頭對稱螺桿轉(zhuǎn)子相比單頭螺桿轉(zhuǎn)子具有良好的動平衡性，型線的設(shè)計(jì)、加工便利性要優(yōu)于以往爪型型線，加工制造相對容易，比較適合目前我國的制造加工業(yè)水平。

此型線是一