三叶设计当今全球在化干泵上发展很快这种性能好优点多值得研究开

第一章引言我们参考了的化干泵和的株式真空泵，并结合如今市场的需200L/S设计中对三叶罗茨泵的原理作了简要概述转子型线是罗茨泵的本第二章罗茨泵概述、运转费用低100000m3h以上第三章四级三叶直排大气式罗茨泵设计3－1泵腔内两转子对称平行放置，朝彼此相反的方向旋转，由轴端齿轮驱动同步转动两转子之间无接触转子与泵腔壁触转子与转子转子与泵腔间的间隙靠气体对流来密封。罗茨泵工作时，被抽气体由进气口进入转子与泵体之间，这时一个转子叶和泵体把气体与进气口隔开，被隔开的气体(如图所示)在转子连续不断地旋转2V0，V0空间处在封闭状态，因此没有压缩和膨胀。但当转子的峰部转到冷却气体返流口时，从排气口排出并经冷却的气体就会从返流口处扩散到V0V0另一转子的两个叶和泵体之间封闭了V0的气体；旋转到和下一转子又封闭了V0V0部分的气体还是比排气口处的压力低，为了使相连体积内压力均匀，排气口处的气体就会扩散到V0区域，其扩散方向与转子旋转方向相反。转子再转动时，把V0V0气体叶开始排出。如此往复从而达到了抽气的目的。这种工作过程相当于转子空间由某一最小值增加到某一最大值，然后再由最大值减小到最小值。这就是罗茨泵的容积作用原理。罗茨泵在压力很低的情况下工作时由于转子转速很高(2900r/n)，转子表面的线速度接近于分子的热运动速度，这时碰撞到转子上的气体分子被转子携带到压力较高的排气口，释放排出。这就是罗茨泵的分子作用原理。图 三叶罗茨泵抽气过程示意由泵的工作原理图可知在每一腔中转子每旋转一周向出口侧排送6体积的气体6V0)。从泵的工作原理可以看出，这种泵有冷却作用、冷凝作用、和罗茨泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的，主动这时从动转子的扭矩由电机端齿轮直接传递，所以主动转子轴的扭转变形小，转子与转子间的间隙不会因主动转子轴扭转变形较大而改变，故间隙在运转时图 罗茨泵的传动形主动轴外伸部分的动密封多采端面摩擦式机械密封和戴加强环的线圈在真空下起弧，电机电源电压应小于50伏。有的使用电机，无外伸轴本泵是在参考的化干泵和的株式化干泵的基础上设计的。1(4)、在泵腔那采用统一的机械间隙，部件间不会相互碰撞。多孔清除和热交换器可调，允许抽取有侵蚀性化学物质和物质的气34（1）（2）（3）5这种泵在阀被关闭时能正常工作而不会损坏，闷转性能好；处理质和灰尘能力强，在续气流情况下，一分钟可吞噬1/4克的液体；节能运转，故障率小，费用低，不需额外的停机时间来更换密封油及润滑液。15第四章泵的总体设计200L/s（5a直排大气，在泵的排气口处无需增加防止泵过载的旁通管路和压差阀。3－1b并用螺栓连接在泵一侧的电机架上，整个泵体通过泵底座连接在地基上或泵架上4－112、O34567第五 泵的参数设计计如图5－1所示,转子节圆以内的齿谷齿形(如1的内圆弧A1B1C1和转子2H2D2J2)为内圆弧,该内圆弧的圆心恰好在节圆圆周上,圆弧半径为r。转子节圆以外的齿峰型线可分成三段,靠近齿顶部分的型线为外圆弧(如转子1的齿顶外圆弧H1D1J1和转子2的齿顶外圆弧A2B2C2)。该外圆弧的圆心也的对称线同时转到连心线O1O252的齿内圆弧H2D2J2)与另一转子的齿顶外圆弧(转子1的齿顶外圆弧H1D1J1)正好在全长上完全。图 内外圆弧加摆线型的型在齿顶外圆弧与节圆之间的曲线为摆线(如转子1的摆线C1H1和 ,2的摆线C2H21上的摆线C1H1就是当两节圆作纯滚动时,转子2齿谷内圆弧的端点H2相对于转子1的相对轨迹。设中心距为a,rrrHO2O1O2O1C130HO2F2F2Hrr2rsin151X1Y1r(Xrcos60)2(Yrsin60)2(rr1HDJXr)2Y2r)2111 C1H1是当两节圆作纯滚动时,转子2齿谷内圆弧的端点H2相对于转子1的相对轨迹。为了求摆线C1H112度,然后将转子1、转子2及机架三者固结,最后将整个机构绕点O1逆时针转回12O1O26图 转子型线方程的计P2H21摆线C1H1上的某点接触。于是,由图6可知,点H2在转子1的坐标系X1Y1上的轨迹,即摆线C1H1的X2rcosrcos(18030)Y2rsinrsin(180上两式就是以1C1H1C1H10～30°设计中选择泵的理论抽速(几何抽速)sth

Ls；电机转速初选n2900rmin4k00.5；考虑泵的结构、外观等因素，L2R1~2，选取L2R1.5（R为转子顶圆半径。现在，我们直从图 三叶罗茨泵抽气过程示意图中容易得出泵的理论抽速计算 n 60

R3

kL

2R2

0

106(L/20023.141.2R

0.52900

R103.1710设转子的节圆半径为rRr103.171068.2438取r70罗茨泵转子采用的是内外圆弧加摆线型的型线，所以转子的内、外圆弧半径rr2rsin15270sin1536.2347取rr Rrrr7036106D2R2106212CAXA求得转子的端面面积为s16781.427mm2，泵腔的端面面积S35455.623mm2，k35455.62316781.427 1.2，L1

L1:L2:L3:L45:4:3:L2120

L390

L460

2R2

0

2

23.14

15029000.5267

L/有泵的理论抽速公式（5－1）可知，各级泵的长度之比即为各级泵的理sth1:sth2:sth3:sth45:4:3:sth1

L/

sth2

L/sth3

L/

sth4

L/1、1图 特征间隙1与隙22、2转子与转子间的间图 特征间隙2的取值较大3、3轴活动端（齿轮端）转子侧面与泵壁端盖间的间图 特征间隙4、4轴固定端（电机端）与泵体端盖间的间

432<1。各间隙的取值一般1610416104212 尽量提高泵的抽气能力，间隙的选择应尽可能小，所以取11 2210.12 3210.12 40.810.10.8 FL(21)(2R2r)( 1F150103(0.121030.21031(2106.2347140)103(0.20.08)158.7 m234F146.7106m2F134.7106m2F122.7106m234F，气流流导为U，则116FU116F200F由《真空获得设备》式(6－10)，罗茨泵有效抽气量Qeff

pAsthU(

pA)srpApVsr关闭进气口，使有效抽气量QeffpVsthUpA sr设泵的零流量压缩比为k0，0k0

sth srksthUU4

200122.7106 mksth41

U4 U4p4A0p4

101325 P3V，根据等温变化曲线，可以得出P3VL3P4A0

18723 第三级出口压力为12482Pa3000PaU3

200 m3ksth313U

所以第三 处的极限压p3

12482

3177690 第二级的出口压力为1332Pa1500PaU2

116 m2ksth212U

所以第二 处的极限压p2

PP

A 第一级出口压力为77.6Pa1500Pa为U1

116 m1ksth111

184104

所以第一 处的极限压力，亦即泵的极限压力P

77.6

{inta=5,b=4,c=3,d=2; intL;int /*第一级泵长度int /*第一级泵长度int /*第一级泵长度int /*第一级泵长度double /*第四级泵返流截面积double /*第三级泵返流截面积double /*第二级泵返流截面积doubleF1=0.00; floatSth=0.00;float /*第四级泵理论抽速/*第三级泵理论抽速/*第二级泵理论抽速/*第一级泵理论抽速/*第四级泵压缩比/*第三级泵压缩比/*第二级泵压缩比/*第一级泵压缩比/*第四级泵极限压力/*第三级泵极限压力/*第二级泵极限压力/*第一级 极限压力，即极限真空度/*calculation /*计算第二级泵理论抽速 /*计算第三级泵理论抽速 /*计算第二级泵腔长度 /*计算第三级泵腔长度 /*showalltheresultwith3diagram Sth1=%6.4f Sth2=%6.4f Sth3=%6.4fSth4=%6.4f\n",Sth1,Sth2,Sth3,Sth4); L4=%6d\n",L1,L2,L3,L4); F1=%6.7f F2=%6.7f F3=%6.7fF4=%6.7f\n",F1,F2,F3,F4); U1=%6.4f U2=%6.4f U3=%6.4fU4=%6.4f\n",U1,U2,U3,U4); K1=%6.4f K2=%6.4f K3=%6.4fK4=%6.4f\n",K1,K2,K3,K4); P10=%6.4f P20=%6.4f P30=%6.4fP40=%6.4f\n",P10,P20,P30,P40);}1Ni。SthLs)，Pa)，气体排气过程为a-b-c-d-e,该过程为一个压缩循环a-b-c-d-e-P1A0-PairS率N1。由于纵坐标所对应的压力为罗茨泵各级和出口的极限压力，所以该N1S，我们采用分步求法。5－6设等温曲线e-d、d-c、c-bS1、S2、S3，积分解S1

S

th S2

Sth2Sth2P2A0S S3

Sth3Sth3P3 Sth 设直线段Pair-aS4S4(P4VP4A0)Sth4 设直线段P1A0-e和横坐标所夹的矩形面积为S5，解S5P1A0Sth15270.6SS1S2S3S4S5 Ni N'1-2-3-4S，解得 S0(P4V1A0)Ni NM失。对于该设计多级罗茨泵M0.8。Ni和M数值代入（3-7）N9kW11.25kW2取齿轮啮合效率1=0.97（8）滚动轴承效率2=0.99联轴器效率3则传动总效率

4

0.97 23P23P

11.25kWY(IP44)Y160L-2P018.5kW，效率为/0.882，经计算可得P

18.50.88216.317kW12.32kW1面硬度250~280HBS，斜齿轮，右旋。从动齿轮材料2选用ZG310-570，正火处162~185HBS，斜齿轮，左旋。主从齿轮传动比i1。N1N10n1jLhN

4.1761

ZN1ZN21.0（允许一定点蚀。ZX1ZX21.0。SHmin1.0取ZW1.0ZLVR0.92250HBS162HBS，Hlim1690N/mm2，Hlim2440N/Hlim1SH Hlim2

N1Z

X1Z

Z

6901.01.00.92634.8N/4401.01.01.00.92404.8N/H

H

N2X2

H H因 ，计算中取 H H2

9.55106

9.55106

根据泵主、从动转子的设计，齿轮中心距a140mm

m(0.007~0.02)a(0.007~0.02)140(1.4~取标准模数m213uz2/z1

2acosm(u

2140cos1368.212(11)z2uz1z2z168实际传动比i

z2

681，传动比误差ii理ii理i

修正螺旋角arccosm(z1 13ZHZ可不修正。

dm dm

268 268

圆周速度v608

3.1414060

5－63KA1.08

21.256814.45

齿宽baa0.4140b

K取b

7K1.2KKAKVK计算重合度、

1.01.451.041.21.81aa

14021.02aa

arctgtg

db1d1cosdb2d2cos

arccosarccosda2

arccos131.1arccos131.1

111

(tg

tg

)

(tg

tgt168(tg24.437tg20.54)68(tg24.437 bsin

50sin13.7293.1411重合度系数Z11

Z

barctg(tgcost)arctg(tg13.729cos20.54)2coscost2coscostsin

22cos20.54sinHZH

ZEZZ

2.44189.80.5410.987bd1uu21.659624042bd1uu21.659624042501Hz1z2F F按主动齿轮1材料40Cr钢，调质处理，动齿轮材料2为ZG310-570，正火处理，得 290N/mm2， F FYN1YN2由于m25mm,取YX1YX2

2.0,SFminFlim1YSTSF

N1YX

29021.01.0414N/FNXFlim2FNXSF

15221.01.0217N/

cos3 cos3

cos3cos3

74.1874.18得YFa1YFa22.31，Ysa1Ysa2因

1.891.0,

1

1113.7290.75cos2Y0.25 b0.25

0.75cos2

2KT1

YY

21.659624042.311.730.891 bd1

Fa1sa1

5014034.71N/mm2

34.712.311.7334.71N/mm2 F F1

FFa15

m/cos2/cos13.729dm dm

268 268

aaaa

14021.02adfa

2(hc

df

2(hc

aa1a 齿宽b2b1

d

)1(140140)140mm12n=2900r/min效率/0.882，齿轮啮合效率η1=0.97，滚动轴承效率013PP/18.5kW0.8820.9901331n0初估主动轴直径d/131n0

19.5mm332Mz0T主动轴切变模量G7.741010Nm2，许用扭转角[]0.25P由 P

Tmax

/ 式 G：切变模IPIP

D

1807.3502

/

G D

35103m

L117.3502

(35103)4

109

/

40103m

L227.3502

(40103)4

109

/

45103m

L337.3502

(45103)4

109

/

50103m

L447.3502

(50103)4

109

/

55103m

L557.3502

(55103)4

109

/

60103m

L667.3502

(60103)4

109

/

55103m

L777.3502

(55103)4

/

50103m

L887.3502

(50103)4

/

45103m

L997.3502

(45103)4

/3齿轮分度圆直径d1140mm，则对齿轮受力分析得F

262404Nmm1 1

Fttg

891.49FaFttg891.49由MB0RBYL1FtL1L20

FtL1L2 由Y0

RBY

由MB0，得RAZL1FrL2Fa

20

FrL2Fa

2334.0248217.8452由Z0，得RBZRAZFr334.0251.63垂直面弯矩MYBMBYRAYL159.7671642788.16N水平面弯矩MZBMBZRAZL151.6371636967.08N合成弯矩MMM42788.162MM42788.162

56545.48NTT

d891.494520058.53N Mca0.6，则得B 2T 2T2BB56545.482(0.6

57812.07ND

M2

)2T0.620058.5312035.12N 由图a、g可见，B点弯矩值最大，D、E点轴径最小，所以该轴的断面是BD点和EE45B650

mm2，

60

mm2bb3330.1

50mm，3330.1

5%，dD12.6210.05)35mm，k

1.825，

1.625

1.97，

Dd40352.5，r20.06， 1.7435，

TWmaxTWT

20058.532.3

a

2

2.31.152

45钢机械性能得：

268

mm2，

155

mm211

0.88，

0.81

0.920.92

0.34

0.21SS

K

1.15aa 0.92取S1.5~1.8SS，所以Ⅰ剖面安全Dd50452.5，r20.04，

Ⅶ MBL756545.4870955992.66NⅦL1 L1TⅦT20058.53N

MW

0.1

a

6.14

mm2 mm

0.2

2

1.102

0.55

0.88，

0.810.92，

0.92 K aaS Kaa

SSSS2S 19.362SS1.5~1.81、为保证泵长期运转，轴承选用角接触球轴承46110型和深沟球轴承2.轴承计9－5按电机端第一个轴承计算，轴向载荷A＝Fa＝217.8N,A/C0＝0.013,e=0.38,A/R>e当量动载荷P＝fm（XR+YA）fm――力矩载荷系数取fm＝1.5;计算轴承，取温度系数06fC

0n 300810Y＝282400/300×8＝117所以，足够1h8mmL63mmb10mm，采用圆头普通平键。轴径2由式

[ 式 l：键的工作长度，lLb6310 []：许用挤压应力，查得[110N

462.404 358

16.8N/

2[pp第七章罗茨泵冷却系统的研究(专题部分如转子与转子之间转子和泵体之间的间隙都比较小般在0.1～0.25之图 罗茨泵冷却系统示意在转子将的下腔30冷却水套内部形成这部分在冷却水套内基本不循环温度愈来愈高，气体温度20C，出口气体温度80C；冷却水温度15C，出口温度55C80C；冷却水温度均为15C，出口温度均为55C。依此我们先简单的计

s4108.3L/sE4s4Cv108.310358.31(802Q4P4E48946135假设水冷夹层的温度等于气 到出口的平均温度，

20C80C2S2(12160

4

3047W/m24.82102(80冷却 平均温度 15C55C 10t62.65102W/mK

35C0.732106m2/Pr ff当tw50Cw406.1106Kg/wr4，4r2704r4可算德

3047225.910362.65102

2(12190l 2

1(2r)07 0.027Re08Pr1/3(f)0 w

Nu 080.027Pr1/3

f)014 w001/ 0雷诺数大于104

Re

dRefd

358300.732106225.9

0.5m/Hv/ s200L/s

E

T20010358.31(8020)2QPE9067249假设水冷夹层的温度等于气 到出口的平均温度， 20C80C S2(1216070)401064.82102

2(1216070)901065.7102m24图7－2 1

y432

y16

9zx2x112z

yds(

y1120)160y160sin

0S3240140220

160sin

)16018384mm21.8102 S 7.510

2(1216070)1201067.7102m24图7－3 1

y16152

y3221

7zx2x112z

yds(

y120)160y160sinS22

5140256388mm25.6102 S 13.310

2(124图7－4 1

y2

y3227

zx2x112z

yds(

y130)160y160sinS121510272012mm27.2102 S 17.910 SS1S2 338W/m243.5102(80冷却 平均温度 15C55C 10t62.6