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。使用Solidworks三維軟件繪制出了這種轉(zhuǎn)子的三維實體模型，模擬擬合驗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現(xiàn)從高真空到大氣的全部抽氣過程，并實現(xiàn)了商業(yè)化，已應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。螺桿式真空泵是20世紀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，共軛曲線的計算求解較復(fù)雜，給設(shè)計工作帶來諸多不便，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認為影響了其推廣應(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特優(yōu)點，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際產(chǎn)品的公開報道。因此，結(jié)合雙頭爪型轉(zhuǎn)子和螺桿式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點，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，實際運轉(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)子型線為實際型線。兩轉(zhuǎn)子之間的安全嚙合間隙即實際型線之間應(yīng)保持定值，而轉(zhuǎn)子的實際型線是在理論型線的根底上沿嚙合點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)計計算方便，文中理論型線與實際型線相同，即間隙為零。文中設(shè)計的轉(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，水平方向為x軸，向右為正方向，y軸垂直于x軸，方向向上，建立直角坐標系。

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

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:

(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、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、三維實體建模

螺桿轉(zhuǎn)子的三維實體較為復(fù)雜，為了方便地繪制出實體模型，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)子三維實體模型如圖4所示。

圖4螺桿轉(zhuǎn)子三維模型

通過在標準中心距下對其干預(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，且運轉(zhuǎn)較平穩(wěn)。但還應(yīng)考慮生產(chǎn)實際中安全運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)情況，在標準中心距下轉(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，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子運轉(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，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、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