分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析

1、分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析 動葉輪作為分子泵的關(guān)鍵部件，與芯軸過盈裝配，要求在高速狀態(tài)下仍保持一定的過盈量。本文計算了動葉輪在高速轉(zhuǎn)動時的徑向變形、過盈裝配時的初始應(yīng)力狀態(tài)和轉(zhuǎn)動時應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)徑向變形量的差異和應(yīng)力優(yōu)化了裝配過盈量，既保證了動葉輪轉(zhuǎn)子強(qiáng)度又使過盈聯(lián)接可靠。 分子泵作為獲得潔凈真空環(huán)境的重要設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，高速、小型化是其發(fā)展方向之一，最高轉(zhuǎn)速到達(dá)90000 rpm1。分子泵的動葉輪通常與芯軸過盈聯(lián)接，并要求在任何狀態(tài)下保持一定的過盈量。如果初始過盈量太小，在高速轉(zhuǎn)動時，動葉輪內(nèi)圈的徑向變形量大于轉(zhuǎn)子的徑向變形量，當(dāng)二者的差值大于初始過盈量時，兩

2、者會發(fā)生相對滑動而發(fā)生破壞。但如果過盈量太大，裝配產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力會造成動葉輪開裂。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http:/)認(rèn)為設(shè)計合理的裝配過盈量，對于保證構(gòu)造的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。 1、動葉輪和芯軸徑向變形計算 分子泵葉輪構(gòu)造如圖1 所示，葉輪共有六級，傾角分別為40(1 片)、30(2 片)、20(3 片)，它們通過過盈裝配的方式與芯軸聯(lián)接。動葉輪材料為鋁合金，彈性模量E=70 GPa，泊松比=0.33，密度=2770 kg/m3。芯軸材料為不銹鋼，彈性模量E=193 GPa，泊松比=0.31，密度=7750kg/m3。 圖1 分子泵葉輪構(gòu)造示意圖 計算單個零件在最大設(shè)計轉(zhuǎn)速30000 r/

3、min下的變形情況2。20 度葉輪的徑向變形如圖2 所示，其內(nèi)圈的徑向伸長量約為8m。30葉輪和40葉輪的徑向伸長量分別為6m和5m。芯軸的徑向變形如圖3 所示，其與20葉輪聯(lián)接部分的徑向伸長量約為0.6m，與30葉輪和40葉輪聯(lián)接部分的徑向伸長量約為2.3m。可見，20、30和40動葉輪與芯軸的徑向變形差分別為7.6m、3.7m、2.7m。 圖2 20葉輪的徑向變形圖3 芯軸的徑向變形 2、動葉輪和芯軸的裝配應(yīng)力計算 根據(jù)上述計算結(jié)果，20、30、40葉輪的單邊過盈量分別取10m、6m、5m。計算在該過盈量下葉輪轉(zhuǎn)子構(gòu)造的裝配應(yīng)力3，結(jié)果如圖4 所示。 圖4 動葉輪的裝配應(yīng)力 20葉輪的最大

4、等效應(yīng)力約為62.8 MPa;30葉輪的最大等效應(yīng)力約為33.6 MPa;40葉輪的最大等效應(yīng)力約為25.7 MPa;轉(zhuǎn)子的最大等效應(yīng)力約為23.6 MPa。最大應(yīng)力均產(chǎn)生于動葉輪與芯軸的聯(lián)接處，而葉片上應(yīng)力很小。 3、離心力與裝配應(yīng)力合成效果分析 分子泵葉輪轉(zhuǎn)動時離心力會使構(gòu)造產(chǎn)生應(yīng)力和變形。在最高轉(zhuǎn)速下，裝配預(yù)應(yīng)力和離心力的共同作用使構(gòu)造產(chǎn)生如圖5 所示的等效應(yīng)力狀態(tài)。20葉輪的最大等效應(yīng)力約為61.8 MPa;30葉輪的最大等效應(yīng)力約為40.1 MPa;40葉輪的最大等效應(yīng)力約為31.1 MPa;轉(zhuǎn)子與葉輪連接面上的最大等效應(yīng)力約為37.7 MPa。 圖5 裝配應(yīng)力和離心力共同作用的等效應(yīng)力 葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力一方面會使構(gòu)造產(chǎn)生應(yīng)力，另一方面會使動葉輪產(chǎn)生大于芯軸的徑向變形而減小接觸應(yīng)力，二者的綜合作用使構(gòu)造在最高設(shè)計轉(zhuǎn)速內(nèi)各部件的等效應(yīng)力沒有隨著轉(zhuǎn)速增加而顯著增大。該結(jié)論可從圖6 等效應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系中得到印證。設(shè)計的裝配過盈量一方面保證了構(gòu)造的可靠連接，另一方面沒有使構(gòu)造的等效應(yīng)力顯著增加，是較為合理的。 圖6 等效應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系 4、結(jié)語 計算了分子泵動葉輪和芯軸轉(zhuǎn)動