LG70干式螺杆真空泵设计论文

目录中文摘要.1英文摘要.21 绪论.31.1 螺杆真空泵介绍.31.2 国内外发展状况.32 螺杆泵的设计与计算.52.1 转子型线选择.52.2 电机及联轴器的选择.102.3 螺杆几何参数的计算.122.4 传动齿轮设计.132.5 阳转子阶梯轴设计.152.6 轴承选择.162.7 机械密封结构设计.192.8 进气口及排气口设计.202.9 泵腔结构设计.202.10 吸气端盖结构设计.212.11 排气端盖结构设计.223 Pro/E 三维建模及干涉分析.233.1 螺杆转子建模.233.2 螺杆泵三维装配.243.3 螺杆转子运动仿真及干涉分析.254 ADAMS 转子动平衡分析及优化.26结论.29致谢.30参考文献.311LG-70 干式螺杆真空泵设计摘 要：本文设计了一种单头等螺距凹齿面干式螺杆真空泵。根据螺杆啮合原理，采用内凹齿面型线的转子，有效地解决了螺杆泵运行过程中转子之间发生齿面干涉的问题，同时也实现了完全密封，最大限度地降低了吸气腔前后级之间的泄漏。使用弹性套柱销联轴器，在缓冲减震的同时提高电机轴与螺杆的对中性。在排气端盖和泵腔之间采用机械密封，防止了排气端盖中的润滑油进入到泵腔中而污染真空环境。为了降低泵排气口温度，在泵腔上改善冷却水通道的同时也在其临近排气端的一侧开设冷却气体通道，从而达到双重冷却效果。最后利用三维软件对本次设计结构进行整体建模并检查干涉，在分析软件中对单个转子进行动平衡分析，经过反复修改模型，在泵的降噪减震方面取得优化，缩短了实际中产品的生产周期。关键字：干式螺杆真空泵；凹齿面型线；机械密封；双重冷却；动平衡分析2Abstract: This article designed a kind of single thread and fixed pitch screw vacuum pump. Based on principle of screw meshing, concave tooth surface profile of the rotor is used. It can effectively remove the interference between the tooth surface of the two rotors when they are working. Also it can actualize to airproof completely so that the leakage between two stages of the pump is reduced farthest. Due to pin coupling with elastic sleeves is used, the shock absorption and the centering between the rotor and the motor shaft are both improved. At the same time, mechanical seal is used for preventing the oil which is in the exhaust end cap to enter into the vacuum environment. In order to reduce the temperature of the gas in the exhaust port, cooling gas passage near the discharge end side of the pump chamber is opened while improving cooling water passage on the pump chamber, so as to achieve a double cooling effect. Finally, through using the three-dimensional software, the overall model for this design of the structure is got, and it is checked for the interference. By using the analysis software, the dynamic balance analysis on the single rotor is done，after repeatedly modify the model, the noise damping achieved optimization, and reducing the production cycle in actual products.Keywords: dry screw vacuum pump; concave tooth profile; mechanical seal; double cooling; dynamic balance analysis31 绪论1.1 螺杆真空泵简介螺杆真空泵能够进行抽排气的原理是其通过一对螺杆转子在泵腔中进行同步反向高速旋转，将气体从进气口输送到排气口。因此在螺杆真空泵中，转子的作用就显得尤为重要。通常螺杆泵在进行装配时都要经过转子的动平衡校正后再装进泵腔中，且其两端由轴承来支撑。转配时转子与转子之间要预留一定的间隙，使在泵运转过程中既不会发生干涉也不会有过大的泄漏,也正如此所以螺杆泵在运转平稳，保证真空环境清洁方面相较于油封式真空泵有很大的优势。泵的整体性能、运行的平稳及制造成本是直接由螺杆转子型线决定的。其中单头等螺距梯形内凹型线为最常用的型线之一，其拥有优秀地综合性能，良好的密封性能以及较大的容积利用系数，并且有效地解决了转子的齿面干涉问题 1。美国、德国、日本、中国台湾都是较早对螺杆真空泵进行研制工作的国家和地区，其研究的最初是为了将螺杆真空泵应用于液晶显示器制造业和半导体工业。而现在，干式螺杆真空泵已经广泛应用于核能、电子、医药、化工、食品工业等领域。在核工业中用于核工业及核反应堆的真空获得；在半导体工业中可用于制造液晶显示器、生产芯片、蚀刻、生产 PLASMA 的 CVD 制程；在医药工业中用于回收药液及药物中间体，为人造器官生产提供清洁无菌条件，回收气体消毒剂；在化工上用于溶剂萃取及真空蒸馏以高效回收溶剂，在肪酸生产中用于消除水污染，清除喷射器中的阻塞物；在食品工业中用于香精、香料浓缩、食品包装等 2。1.2 国内外发展状况在国外有很多关于螺杆真空泵的研究，例如日本 T.Ohbayashi 等人通过对螺杆泵的抽速、漏率及流量的分析找出对应的平衡点，以此确立一种预先评估螺杆真空泵性能的方法 3。日本 DIAVAC 公司开拓了增压螺杆真空泵的应用前景。英国Rietschle 有限公司根据螺杆压缩机原理设计出了一种双螺杆干式真空泵，采用了许多新技术，并已用于批量生产。2002 年美国 Tuthill 真空设备有限公司推出一款用于气体处理的新型干式螺杆真空泵，该型号螺杆泵采用了可变啮合设计，相比4与其他种类的真空泵降低约为 30%耗能。2003 年普旭的无油螺杆真空泵系列通过了应用材料公司在美国实验室的测试。之后于 2004 普旭年推出了表面经过特别强化的螺杆真空泵 4。在国外，对螺杆干式真空泵的生产有很多家厂商，如德国的莱宝和普旭公司、Sterling 公司、英国 Rietschle Thomas 公司、爱德华公司等，其所生产的螺杆泵已大量投放市场，并广泛用于电子半导体，中央空调，医药，石油化工等各种行业。国内从事干式螺杆真空泵研究的有南通威特真空设备有限公司，东北大学，长沙鼓风机厂等单位，这些单位都对干式螺杆真空泵进行过研究,但均未投入规模生产中。由于各国都对自己的螺杆泵技术保密，我国在螺杆泵的设计方面依然有很多技术难题没有解决。在实际的螺杆泵加工制造上，依然局限于我国的生产设备落后及加工条件不满足要求，生产的螺杆泵精度不高 。本文的目的为对螺杆真空泵的整体进行设计，实现螺杆泵各个零件的优化选择，改进目前市场上国产螺杆泵存在的一些不足，例如噪声大、振动大等。提高泵性能的同时节约成本，扩大国产螺杆真空泵在国内市场所占份额。52 螺杆泵的设计与计算2.1 转子型线选择 2.1.1 转子型线要素(1)型线方程转子型线方程为一定的坐标系中，转子各点坐标的数学表达式。对于多齿型线，其又分为螺旋齿面和端面型线，转子轴线垂直面与转子齿面的截交线称为转子端面型线，且端面型线作螺旋运动就会形成螺旋齿面。而单齿型线一般情况下直接给出齿面方程。(2)面积利用系数转子型线的面积利用系数是用来表征转子最大直径范围内总面积利用程度的参数，通常用符号 K 表示。面积利用系数可由转子端面型线方程通过相应数学运算得到。面积利用系数越大，表示在相同的转子直径条件下，该型线端面用于抽气的面积越大，型线也就更优良。(3)几何抽速转子型线的几何抽速指泵在按额定转数转动时，单位时间所排除的几何容积，以符号 表示。转子型线的几何抽速可用式 2-1 表示=2Kvzn/60 (2-1)式中 K转子型线面积利用系数；v阴阳螺杆一对齿的齿间容积(L)；z转子齿数；n转子转速(r/min)几何抽速是评价转子型线优劣的重要因素，在相同的参数下，几何抽速越大，就表示泵的抽气能力越高。(4)泄漏三角形多齿转子端面型线的顶点，通常不与泵腔内壁接触，因此在转子顶点和泵腔的内壁之间，会形成一个空间曲边三角形，于是便将其称为泄漏三角形。对于单齿型线，其泄漏三角形主要存在于主从动转子导程之间的齿侧。气体一般通过泄漏三角6形从压力较高的齿间容积，泄漏到压力较低的邻近齿间容积，若要减小气体的泄漏就要尽量减小泄漏三角形的面积。2.1.2 转子型线设计原则(1) 转子型线应满足啮合要求。螺杆泵中阴、阳转子的型线必须为满足啮合定律的共扼曲线，使其不论在任何位置经过型线接触点的公法线也必须经过节点。(2) 转子型线的面积利用系数应尽可能大。因为较大的面积利用系数会使泄漏量占的份额相对减少，从而抽气效率得到提高。(3) 转子型线所形成的泄漏三角形面积应较小。型线设计时应使转子的泄漏三角形面积尽量小从而减少气体泄漏。(4) 转子型线形成的连续接触线长度应较短。所谓接触线,是指阴阳转子啮合时，两转子齿面相互接触而形成的空间曲线。泵在实际运行中，为保证转子间无摩擦，齿面之间保持一定的间隙。因此，理论上的接触线便转化为实际中的间隙带。为了减少气体通过间隙带的泄漏量，则要求缩短转子间的接触线长度。从制造加工和运转角度考虑，则要求转子型线便于加工，具有良好的啮合特性以及较小的气体动力损失。且在高温和受力情况下，应具有较小的热变形和弯曲变形。值得指出的是，以上一些因素是相互制约的。如，减小泄漏三角形面积的同时，就会加长型线的接触线；减少流动气体损失，就会增大泄漏三角形的面积等。因此应根据实际要求，综合考虑各个型线的设计要素，从而确定最佳的设计方案。2.1.3 常见转子型线比较(1)双边对称圆弧型线双边对称圆弧型线其端面组成曲线各性质如表 1 所示，端面型线如图 2.1 所示。其中阴阳转子齿数比为 6:4，此种型线的优点为抽气效率高，压缩比大，可以满足高抽速的要求。其各段曲线的方程可参考文献 5。然而多头螺杆型线的缺点是齿型线复杂，加工费用昂贵，需使用特制的刀具在专用机床上加工。表 1 双边对称原话型线的组成齿曲线性质阴转子齿曲线 AB BC C CD D DE EF FG曲线性质 圆弧 摆线 点 圆弧 点 摆线 圆弧 圆弧阳转子齿曲线 HI I IJ JK KL L KM MN曲线性质 圆弧 点 摆线 圆弧 摆线 点 圆弧 圆弧7(2)单头变螺距梯形齿转子型线单头变螺距梯形齿螺杆如图2.2所示。其导程的变化由变螺距系数控制。导程大的一端为吸气口，在转子转动过程中封闭腔体积越来越小，对气体进行压缩使其达到一定压力并排出。变螺距螺旋部分是由一个曲边三角形在圆柱上沿螺旋线扫描得到的，其上齿面曲线是一条由零为起点的二次抛物线所生成的变螺距螺旋线。具体齿面方程可参考文献 6。转子型线采用变螺距，其优点为被抽气体在螺杆输送过程中有内压缩作用，从而可降低整体的排气压缩功耗，并且对发生在排气口的喘振现象有抑制作用，使泵在工作过程中趋于平稳，减小噪声。但是其缺点也很明显，由于转子为变螺距，其加工难度明显要高于等螺距转子。 图 2.1 双边对称圆弧型线端面型线图 2.2 单头变螺距梯形齿螺杆啮合示意图8(3)单头等螺距梯形齿螺杆转子型线单头等螺距梯形齿的螺杆转子型线是一种工作性能和加工难度均可为使用单位和制造厂家所接受的型线，已被国内外多种型号的螺杆真空泵采用。如图 2.3 所示，具体齿面方程见文献 7。由于齿根圆周的螺旋升角大于螺杆齿顶圆的螺旋升角，所以在螺杆级齿相互啮合的区域中，一个螺杆的齿跟部分要比另一个螺杆的齿顶部分上升（或下降）得快，从而可能发生根切，使两转子级齿间出现干涉现象。其干涉深度计算公式见文献。(4)单头等螺距内凹转子型线为解决梯形齿螺杆啮合发生干涉的问题，提出了内凹转子型线。如图2.4所示。其消除齿面干涉的原理为：两螺杆转子相互啮合的齿面均采用齿面倾角=0的平齿面，并且保持各自齿顶圆啮合线为等螺