I 本科畢業設計 (論文 ) 題目： LZG-30 單頭螺桿型干式真空泵的建模與仿真 系 別： 機電信息系 專 業： 機械設計制造及其自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 導 師 ： 2013 年 05 月 06 日 II LZG-30 單頭 螺桿干式真空泵的建模與仿真 摘要 本文的研究對象 ,螺桿型干式真空泵 ,吸入腔沒有任何工作液 ,保證了空間用泵無污染 ；沒有油蒸汽排放 ,保證清潔的外部環境。由于轉子齒面之間有間隙 ,因而可以抽除含有灰塵或腐蝕性的有毒氣體。本課題主要集中在以下幾個方面 :基本原理的干式螺桿真空泵 ,陰陽轉子螺桿型線的研究 ,螺旋型面線是單邊等螺距型線 ,演繹數學的計算 ,建立幾何模型面型線方程推導 ,然后螺旋齒面方程推導。幾何特征研究等。 設計完成后應用 solidworks 軟件做運動仿真對真空泵轉子做三維建模 ,并且模擬轉子運動展示其工作過程 . 關鍵詞 :干式螺桿真空泵 轉子 型線 三維建模 運動仿真 III Modeling and Simulation of LGZ-30 single screw dry vacuum pump Abstract The research object of this paper, Dry screw vacuum pump, The suction chamber with no working fluid, ensure the space is pumped from pollution； No oil vapor emissions, guarantee the clean of the external environment. Due to the gaps between the rotor tooth surface of Yin and Yang, thus it can be pumped in addition to containing dust, or corrosive, poisonous gases. The author studies mainly focus on the following aspects: the basic principles of dry screw vacuum pump. Yin and Yang screw type line of research. Screw type face line made bilateral symmetric circular arc line, deduce the mathematical expressions of meshing principle, establish geometric model face type line equation is deduced, and then screw tooth surface equation is deduced. Geometric characteristics research, etc. After the design is completed using SolidWorks software to do motion simulation to do 3D modeling of vacuum pump rotor. And the simulation of rotor motion display their works. Keywords: dry screw vacuum pump rotor type line Three-dimensional modeling Motion simulation IV 目 錄 緒 論 . 1 1 螺桿型干式真空泵的概述 . 2 1.1 課題背景及研究意義 . 2 1.2 螺桿真空泵在國內外的研究現狀與發展方向 . 4 1.3 論文包括 的主要內容 . 5 1.4 論文的組織結構 . 6 2 螺桿干式真空泵轉子型線的研究 . 7 2.1 常見轉子型線比較 . 7 2.2 單頭等螺距矩形螺紋轉子型線 . 8 2.2.1 轉子型線要素 . 8 2.2.2 轉子型線設計原則 . 9 2.2.3 轉子螺旋齒面方程 . 10 3 螺桿干式真空泵工作原理 . 12 3.1 吸氣過程 . 12 3.2 壓縮過程 . 12 3.3 排氣過程 . 13 4 螺桿干式真空泵設計計算 . 14 4.1 螺桿基本尺寸 . 14 4.2 排氣量 . 16 4.2.1 理論排氣量 . 16 4.2.2 實際排氣量 . 17 4.3 進排氣孔口 . 18 V 4.3.1 軸向進氣口 . 18 4.3.2 軸向排氣口 . 19 4.4 極限真空度、功率及冷卻水量 . 19 4.5 軸的強度計算 . 20 4.6 同步齒輪的設計計算 . 20 4.6.1 齒輪尺寸計算 . 21 4.6.2 齒輪強度校核 . 21 5 單頭螺桿干式真空泵的應用 . 22 5.1 應用范圍 . 22 5.2 抽氣原理與結構 . 22 6 三維建模與運動仿真 . 23 6.1 SolidWorks 介紹 . 23 6.2 轉子三維建模 . 24 6.3 轉子運動仿真 . 26 結 論 . 27 參考文獻 . 28 致 謝 . 29 緒 論 1 緒 論 1 緒 論 1 緒 論 1 緒 論 1 緒 論 1905 年德國人沃爾夫崗 .蓋德發明了油封式旋片泵，從此各種以油為工作液、潤滑劑、密封液的真空泵如雨后春筍般迅速普及，統治了真空設備市場近百緒 論 1 年。從真空工業的視角來看，如果說 20 世紀是有油真空泵的世紀，那么 21 世紀將是干式真空泵的世紀。因為，各種形式的 有油真空泵在工作過程中不可避免的隨同排出的氣體一起排出了大量的油污，這些油污能夠嚴重的污染環境。隨著利學技術的發展，要求提供比較清潔真空環境的真空工藝越來越多，甚至近于達到苛刻的要求，如微電子、化學、冶金、醫療、核聚變領域以及宇航、新材料的開發等技術領域 .都要求提供比較潔的內真空環境。傳統的有油泵很難滿足這些要求，無油泵的概念便自然而然的在此基礎上提出。有些工業過程，如低壓氣相沉積，會產生一些微小顆粒，這些顆粒在工作液中難以排除，它們可以使泵油污染，同樣也會影響泵的抽氣系統性能及使用壽命。而有些工業過程在運 轉中可能會使工作液冷凝成粘狀物質，這樣可能使泵卡住，甚至導致運轉失效。又如對于食品工業為代表的一些特殊行業，這種污染更是非常不可取的。對于這些少數有著特殊需要的工業來說，就只能采用無油污的無油泵或水環式泵類 (濕式泵 )，但這類泵的真空度不高，耗水耗能嚴重，而且相應的工作時帶有大量的水汽，因此對于有干式要求的，又不得不采用繁瑣的物理、化學吸附，冷凝低溫手段，從而使成本變得極其昂貴。如 :膜式泵，真空度不高，抽速小 ；吸附泵，不僅抽速小，液氮的費用也很大。所以可以這樣說，在當時能直接排入大氣和高真空機紹相連接的泵類各 有其缺憾，因此導致了干式泵不適宜大工業的應用。 1 螺桿型干式真空泵的概述 2 1 螺桿型干式真空泵的概述 1.1 課題背景及研究意義 干式螺桿真空泵是干式泵家族中的一員。所謂干式真空泵，一般認為是能在大氣壓到 10Pa 的壓力范圍內工作 ；在泵的抽氣流道中，不能使用任何油類和液體，排氣口與大氣相通，能直接連續向大氣中排氣的泵，也稱無油真空泵。 干式真空泵在抽氣流道內無任何液態工作介質或密封介質，從根本上解決了油封式真空泵引發的各種問題?？偟膩碚f是兩種不同的需求推動開發出兩種類型的干泵 1 。 一類是以半導體行業為代表，要求真空泵向被抽空間內的返流為零，以保護工件免受污染。對半導體行業中應用的真空系統的要求大體分為三個等級。清潔條件下的抽氣，只抽干空氣或含少許水蒸汽的空氣；中等條件下的抽氣，抽除工藝過程的反應氣體，但無固體顆粒物；惡劣條件下的抽氣，抽除化學反應物（有毒甚至致癌）及固體顆粒物。 另一類是以石化行業為代表，要求真空泵能大量抽除可凝性氣體，或腐蝕性氣體，或有毒氣體，或含有微塵的氣體。傳統油封真空泵在石化領域所面對的難題人們往往通過選用水蒸汽噴射泵、水噴射泵、水環泵、水環 -羅茨機組等途徑加以解決。但往往系統過于龐大，噪聲也很大，同時工作過程中會產生很多的廢水和其他的排放物，處理排出廢物的投資也很昂貴。 干泵的種類很多，目前已開發出來的有羅茨泵、爪型泵、禍旋泵、往復活塞泵、螺旋泵等 .表 1.1 是幾種典型的干泵性能的比較 . 畢業設計（論文） 3 表 1.1 幾種典型的干泵性能的比較 泵型 一般級數 單級壓縮比 極限壓力 （ Pa） 備注 大氣端 真空端 羅茨泵 3 6 2 5 30 0.5 易發熱，需冷卻 爪形 3 4 25 50 0.5 加工、裝配有難度 活塞型 4 15 25 15 20 1.3 怕抽帶顆粒的氣體 渦旋型 1 2 20 200 0.2 間隙小、難裝調 螺旋型 1 2 20 30 100 0.7 間隙小、轉速高 旋片型 2 15 20 10 15 0.07 怕抽帶顆粒的氣體 螺桿型 2 15 20 60 1.3 加工比較困難 渦輪型 多級串聯 20 3000 0.01 轉速高 螺桿式干式真空泵特點如下 : 可靠性高。螺桿式干式真空泵零部件少，沒有易損件，因此它運轉可靠，壽命長。 操作維護方便。 動力平衡性好。螺桿式干式真空泵沒有不平衡的慣性力，機器可平穩地高速運行。 適應性強。螺桿式干式真空泵具有強制輸氣的特點，在寬廣的壓力范圍內能保持較高的抽速，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響 . 多相混輸。由于螺桿式干式真空泵轉子齒面間留有微小間隙，因而可抽除腐蝕性、有毒、含有粉塵、可凝性蒸汽等多種氣體。 盡管螺桿型干式真空泵具有這么多的優點，然而，由于目前國內一些公司正在使用的螺桿型干式真空泵均是從國外進口，價格非常昂貴，每臺螺桿泵價格要三、四十萬元人民幣，所以螺桿型真空泵在我國的使用并不廣泛。造成這一現象的主要原因是由于螺桿泵轉子型線較復雜，加工難度大，需用特制的刀具在 專用機床上進行加工。另外，對螺桿型干式真空泵泵體的加工精度也有較高的要求，而國內的加工水平目前還難以達到這個水平。 螺桿干式真空泵廣泛應用于電子、核能、化工、醫藥、食品工業等領域。在半導體工業中用于生產芯片、制造液晶顯示器、蝕刻、生產 PLASMA 的 CVD制程。在核工業中用于核反應堆及核工業真空獲得化工上用于真空蒸餾及溶劑萃取高效回收溶劑，在脂肪酸生產中用來消除水污染，清除噴射器中的阻塞物 ；醫藥工業中用于回收藥液及藥物中間體，為人造器官生產提供清潔無菌條件，回畢業設計（論文） 4 收氣體消毒劑 ；食品工業中用于香料、香精濃縮，食品 包裝等。應用范圍廣泛。 1.2 螺桿真空泵在國內外的研究現狀與發展方向 自從第一臺工業上可運行的干式泵 1984 年在日本運行以來，許多無油真空泵如雨后養筍般迅速發展起來，其中以日本、美國、法國、德國最為先進。美國Varian（瓦里奧 )公司生產的 DVP 系列產品，其真空度可以達到 -210 Pa，這是目前報道的單級干式真空泵中真空度最高的產品之一。而德國 Sterling SIHI 公司在1997 年研制成功的 SIHIdry 是世界上第一臺直正意義上的干式真空泵，它能滿足流程工業 中最苛刻的要求，該產品榮獲德國“ 1998 年年度技術革新獎”。以上兩種真空泵均于沿轉子長度上填充聚四氟乙烯用作泵的密封以保持良好的密封性能，它們同時也是無油真空泵的典型產品 3 。 雖然干式真空泵的種類越來越多，但是通常的機械真空泵如爪式泵，其抽速難以做大，而且制造難度也大，成本高 ；另外還有利用多葉級數進行串連的羅茨泵，其缺點與爪式泵相仿。在此種背景下誕生的干式螺桿真空泵則具有了其前輩真空泵類所不具各的很多優點，而這些優點則保證了干式螺桿真空泵的先進性及在應用中 的優勢。 國外關于螺桿真空泵性能的研究有許多內容。英國 Rietschle 有限公司根據螺桿式壓縮機原理設計出一種雙螺桿干式真空泵，采用了許多新技術，并已形成批量生產 ,該公司已成為世界低壓與真空技術中的領軍人物之一。美國 Tuthill真空設備有限公司手 2002 年推出一款用于氣體處理的新型 Kinney 干式螺桿真空泵，該 KDPH-120 型螺桿泵采用可變嚙合設計，比其他類 TJ 的真空泵耗能減少約 30%。普旭是全球最有影響力的真空設備制造商之一，為客戶提供了數量眾多的真空泵及真空系統。普旭 BUSCH 的無油螺桿真空泵系列 于 2003 年通過了應用材料公司美國實驗室測試。應用材料公司在美國實驗室將普旭 BUSCH 的無油螺桿真空泵系列與其設備安裝在一起進行測試，經過一年檢測，結果證明普旭真空泵系列與其設備結合測試的效果最好。之后普旭又于 2004 年推出了表面經特別強化的螺桿真空泵系列，可以抵抗日前己知的絕人多數活潑氣休的腐蝕。另外還有其他一些文獻對螺桿真空泵的性能等方面進行了較多的研究。 在國內，有關干式螺桿真空泵的研究文獻很少。只有上海博匯真空設備有限公司的周寶洪研制了一種干式真空泵，并申請了專利，但是并未見有成品報道。目前國內外關 于雙螺桿干式真空泵轉子型線設計方面的報道很少，主要內容集中于對螺桿真空泵性能的預測與配套裝置、材料、加工方法和設備、螺桿泵的配件、密封條件等等內容的改進。目前由于各國多對自己的螺桿泵技術進行保密和競畢業設計（論文） 5 爭，而我國在螺桿泵的設計方面仍然有很多具體的細節和技術難題還沒有解決，在螺桿泵的設計方面沒有達到世界一流水平。在具體的螺桿泵的加工制造上，局限于我國的生產設備和加工條件，我國生產的螺桿泵自動化程度不高，精度也不高，在一些高檔的螺桿泵上仍不能獨立制造。因此中高檔的真空泵仍然主要依賴于進口。 對于所有類型的真空泵， 人們都希望能夠將現有的真空泵的物理尺寸盡量減小。但是這一點與真空泵的抽氣速率相矛盾。因為真空泵的抽氣速率與真空泵的容積成正比，物理尺寸小意味著容積也小。當然還有一個影響真空泵抽氣速率的因素，那就是轉速。為了使小尺寸的真空泵與大尺寸的真空泵的抽氣速率相匹配，就需要提高其轉速。而想要提高真空泵的轉速可以采用變頻器來改變電源的頻率或者改變齒輪箱的傳動比。前者可以提供一個閉環控制，但是在大負載的情況下容易引起扭矩的損失。而改變齒輪箱的傳動比是比較經濟的一種方法，但是它只能提供不可控的單一轉速。國外目前開發較多的是高 轉速的真空泵系列。 隨著科學技術的發展，真空技術越來越廣泛的應用在國民經濟的各個領域之中。真空技術的應用，必須以性能優良的真空泵為前提。隨著高新技術尤其是IT 行業的飛速發展，給真空行業也拓展了更為寬闊的發展空間。同時對清潔的、環保的、無油的真空獲得設備需求越來越大，無油真空泵的市場前景也越來越好。國外無油螺桿泵以被廣泛應用，國內還處于研制階段，因此國內無油螺桿真空泵具有廣泛的發展潛力和市場。 總體來說，通過本論文我們可以對螺桿型真空泵的設計、發展趨勢以及各種相關的基本原則做出更詳細的分析和判斷。 1.3 論文 題包括的主要內容 a 確定 單頭螺桿轉子 參數，計算 轉子 尺寸，計算 轉子 在工作循環中各階段的壓力、流量和功率使用值。 b 擬定 整體裝配 圖。 c 根據上述問題提出多種可能的設計方案，對各方案進行評價優選獲得最佳設計方案。結合設計方案，進行相關分析、計算，包括關鍵零件或結構的計算、校核，確定主要零部件的結構；繪制出裝配圖，根據裝配圖，拆畫主要零件的零件圖。 d. 繪制陰陽轉子三維圖，進行轉子運動仿真 畢業設計（論文） 6 1.4 論文的組織結構 本論文的組織結構如下： 第一章：介紹關于 單頭螺桿干式真空泵 的開發背景、開發意義以及課題包 括的主要內容。 第二章： 單頭螺桿干式真空泵轉子型線的研究 第三章： 單頭螺桿干式真空泵的工作原理 第四章： 螺桿干式真空泵設計計算 第五章： 真空泵的應用 。 第六章： 總結 2 螺桿干式真空泵轉子型線的研究 7 2 螺桿干式真空泵轉子型線的研究 2.1 常見轉子型線比較 目前干式螺桿真空泵的主要生產廠家多采用單頭等螺距型線，其他還有多頭雙邊對稱圓弧型線、單頭變螺距梯形螺紋型線、單頭等螺距梯形螺紋型線和等螺距凹齒型線。 （ a）單頭等螺距矩形螺紋轉子 （ b）單頭等螺距梯形螺紋轉子 （ c）單頭變螺距梯形螺紋轉子 （ d）單頭等螺距凹面轉子 （ e）雙邊對稱圓弧型線轉子 圖 2.1 幾種螺桿轉子型線的三維造型畢業設計（論文） 8 單頭等螺距矩形螺紋轉子型線是最早出現的型線，由于有可能發生根切，即二級轉子級間出現干涉現象，所以基本上已經不再使用。取而代之的是改進型的單頭等螺距梯形螺紋轉子，其截面形狀由矩形改為梯形，解決了干涉問題，且加工方便，故為很過廠家廣泛采用。單頭變螺距梯形螺紋轉子和單頭等螺距凹面轉子是近年來出現的新型型線，它是在單頭等螺距梯形螺紋轉子的基礎之上改進而來的。單頭變螺距梯形螺紋轉子其主要特點為螺桿螺距從吸氣端到排氣端按變螺距系 數變化，大導程一端對應于吸氣口。開始時吸氣量大，在轉子轉動過程中運動的封閉腔體越來越小，氣體被壓縮，具有內壓縮作用，即邊輸送邊壓縮，從而能夠降低整體的排氣壓縮功耗，并對發生在排氣口的喘振現象有抑制作用，是泵的工作更為平穩，能夠降低噪音和排氣振動。頭等螺距凹面轉子進一步采用內凹齒面法將嚙合齒面上可能發生干涉的部分全部去除，是齒面成為向內凹曲的等螺距螺旋線共軛曲面。多頭雙邊對稱圓弧型線是最近幾年出現的一種新型型線，它是在雙螺桿壓縮機型線的基礎上發展而來的。一般陽轉子為四頭螺桿，陰螺桿為六頭螺桿。 上述各種型線各 有優缺點，要根據設計要求、加工制造能力、實際需求等多方面選擇。從適用性方面來講，單頭等螺距型線適用面最廣。由于該型線在一個導程內就可以完成吸氣、壓縮和排氣的全過程并能達到一定的極限真空，這就能有效地減小泵的體積和質量，尤其適于大抽速要求的泵。單頭型線由于要多級才能達到一定的極限真空，不可避免要增加泵的體積，占用更大的空間，所以適用于中、小型泵。多頭螺桿型線的缺點是型線復雜，加工資用昂貴，需用特制的刀具在專用機床上加工；而單頭梯形齒型線由于各齒面在軸向剖面內的交線都是直線，所以加工時使用直刃車刀即可，只是變螺 距型線要在數控車床上加工以保證精度。單頭凹齒面型線的加工要比梯形齒型線稍復雜，但完全能在通用的數控車床上完成，大批量生產時可以選用鑄造。另外，多頭螺稈型線和單頭變螺距型線由于在抽氣過程中有內壓縮，不適合抽除可凝吐氣體，但減小了排氣口的喘振和噪音，也減小了功率的消耗。 綜合考慮各種型線的有缺點，本文決定選擇多頭雙邊對稱圓弧型線。 2.2 單頭等螺距矩形螺紋轉子型線 2.2.1 轉子型線要素 對于螺桿泵轉子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優越的密封性能，因畢業設計（論文） 9 為這些齒間容積是實現氣體壓縮的工作腔。對螺桿泵性能有重 大影響的轉子型線要素有接觸線，泄漏三角形，封閉容積和齒間面積等 . 1 接觸線 螺桿泵的陰陽轉子嚙合時，兩轉子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線 (圖 2. lb 中 9)。接觸線一側的氣體處于壓力較高的壓縮和排氣過程，另一側的氣體則處于壓力較低的吸氣過程。如果轉子齒面間的接觸線不連續，則處于高壓力區的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓力區泄露。 2 泄漏三角形 螺桿泵轉子型線的頂點，通常不能達到陰陽轉子氣缸孔的交線，在接觸線頂點和機殼的轉子氣缸孔之間，會形成一個空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形 (圖2.la 中 4)。 通過泄漏三角形，氣體將從壓力較高的齒間容積，泄漏至壓力較低的鄰近齒間容積。 3 封閉容積 如果在齒間容積開始擴大時，不能立即開始吸氣過程，就會產生吸氣封閉容積。由于吸氣封閉容積的存在，使齒間容積在擴大的初期，其內的氣體壓力低于吸氣口處的氣體壓力。在齒間容積與吸氣口連通時，其內的氣體壓力會突然升高到吸氣壓力，然后才進行正常的吸氣過程。所以，吸氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。值得指出的是吸氣封閉容積存在于非對稱型線中，而本文所論述的雙邊對稱圓弧型線沒有吸氣封閉容積。 4 齒間面積 齒間面積是齒間容積 在轉子端面上的投影。轉子型線的齒間面積越大，轉子的齒間容積就越大。 2.2.2 轉子型線設計原則 1 轉子型線應滿足嚙合要求 。螺桿泵中的陰、陽轉子型線必須是滿足嚙合定律的共扼型線，即不論在任何位置經過型線接觸點的公法線必須通過節點。 2 轉子型線應形成長度較短的連續接觸線 。在實際機器中，為保證轉子間的相對運動，齒面間總保持有一定間隙。因此，理論上的接觸線就轉化成實際中的間隙帶。為了盡可能減少氣體通過間隙帶的泄漏，要求設法縮短轉子間的接觸線長度。 3 轉子型線應形成較小面積的泄漏三角形 。為減少氣體通過泄漏三角形 的泄漏，型線設計應使轉子的泄漏三角形面積盡量小。 4 轉子型線應使封閉容積較小 。大多數非對稱轉子型線會形成嚙合時的吸氣封畢業設計（論文） 10 閉容積，導致泵耗功增加，功率降低，噪音增大。所以，轉子型線應使吸氣封閉容積盡可能地小。對稱型線并不存在這一問題。 5 轉子型線應使齒間面積盡可能大 。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少，效率得到提高。 另外，從制造、運轉角度考慮，還要求轉子型線便于加工制造，具有良好的嚙合特性，較小的氣體動力損失，以及在高溫和受力的情況下，具有小的熱變形和彎曲變形等。值得指出的是，以上有些因素是相互制約 的 .例如，為了減小泄漏三角形，就不可避免地會使型線具有封閉容積和較長的接觸線 ；為了減少流動氣體損失，使型線流線型化，又會增大泄漏三角形等。所以要根據實際要求，綜合考慮各個設計要素，確定最佳的設計方案。 通常滿足上述要求的轉子型線由多段曲線首尾相接組成，這些曲線稱為組成齒曲線。常用的組成齒曲線主要有點、直線、擺線、圓弧、橢圓及拋物線等。 2.2.3 轉子螺旋齒面方程 圖 2.1 轉子螺旋曲面及其坐標系 一般曲面 S 的直角坐標參數方程用下式表達畢業設計（論文） 11 ( , )( , )( , )x x ty y tz z t ，或以矢量式 ( , )r r t 來表達。 曲面的參數方程含有兩個參數 (t, ),要確定該曲面的邊界，就必須知道這兩個參數 (t, )的變化范圍。 螺桿式干式真空泵的轉子齒面是轉子端面型線作螺旋運動時形成的螺旋曲面。 如圖 2.1 所示，轉子型線的某一組成齒曲線 c 的參數方程為 : 0000()()x x ty y t 平面曲線 c 繞轉子軸線作螺旋運動，就形成與此組成齒曲線對應的 轉子螺旋齒面。曲線 c 繞 oz軸作螺旋運動到 c位置時，軸向前進距離是 z，并相對原始位置轉過 角。 c在坐標系 00O x y z 的位置，即等于 c 在坐標系 Oxyz 位置，相應的右旋螺旋面 (陽轉子齒面 )方程為 00( ) c o s ( ) s i n( ) s i n ( ) c o sx x t y ty x t y tzp （ 2.1） 式中 2Tp ， p 是表征螺旋面的陡峭程度，稱為螺旋特性數。 T 是形成曲線c 繞 z 軸旋轉一周 (2 )后軸向前進的距離，稱為軸節距或導程。還把形成曲線 c從轉子一個端面繞 z 軸旋轉到另一個端面所轉過的角度 z 稱為扭轉角。假定轉子的有效工作段長度為 L，則 2z LT ，設計時取 o1 53 0 0 = 3z 同理可得左旋螺旋面 (陰轉子齒面 )的方程為 00( ) c o s + ( ) s i n( ) s i n ( ) c o sx x t y ty x t y tzp （ 2.2）3 螺桿干式真空泵工作原理 12 3 螺桿干式真空泵工作原理 與螺桿式壓縮機類似，螺桿式干式真空泵的工作過程可分為吸氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉子的旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環，現在以其中一對齒來說明。 圖 3.1 等螺距矩形陰陽轉子示意圖 3.1 吸氣過程 螺桿真空泵的吸氣過程。陽轉子逆時針方向旋轉，陰轉子按順時針方向旋轉。下方轉子端面是吸氣端面，上為排氣端面。吸氣過程即將開始的轉子位置。在這一刻，這一對轉子前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣口連接。隨著轉子開始轉動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合形成了齒間容積，這個齒間容積 又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中。在隨后的轉子旋轉過程中，陽轉子齒的齒槽中脫離出來，齒間容積不斷擴大，并與吸氣孔保持連通。吸氣過程結束時，其最顯著的特點是齒間容積達到最大值。隨著轉子的旋轉，所研究的齒間容積不會再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結束。 3.2 壓縮過程 螺桿泵的壓縮過程。轉子于端面是排氣端面。在這里，陽轉子沿順時針方向畢業設計（論文） 13 旋轉，陰轉子沿逆時針方向旋轉。下方端面為吸氣端面，上方為排氣端面。 螺桿泵壓縮過程即將開始時的轉子位置。此時氣體被轉子齒和機殼包圍在一個封閉的空 間中，齒間容積由于轉子齒的嚙合就要開始減小。 隨著轉子的旋轉，齒間容積由于轉子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積的氣體被占據體積也隨之減小，導致壓力升高，從而實現氣體的壓縮過程，壓縮過程可一直持續到齒間容積即將于排氣孔口連通之前。 3.3 排氣過程 螺桿泵的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出。這個過程一直持續到齒末端的型線完全嚙合，此時，齒間容積內的氣體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積的體積變為零。 從上述工作原理可看 出，螺桿型干式真空泵是一種工作容積作用回轉運動的容積式機械真空泵。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現，而容積的變化又是借助螺桿泵的一對轉子在機殼內做回轉運動來達到的。他的工作容積在周期性擴大和縮小的同時，其空間位置也在變更。4 螺桿干式真空泵設計計算 14 4 螺桿干式真空泵設計計算 4.1 螺桿基本尺寸 螺桿真空泵轉子的推薦公稱直徑： 63、 80、 100、 125、 160、 200、 250、 315、400、 500、 630、 800mm。根據設計任務書的要求，容積流量為 30L/S。初選螺桿的公稱直徑 0D =125mm。型線選擇單頭等螺距矩形型線，陽轉子與陰轉子齒數比選 1： 1。 表 4.1 導程、長徑比及及扭角的關系 符號 短導程 長導程 導程 h 1 0 2 04 ,23h D h D 1 0 2 01 . 8 , 2 . 7h D h D 長徑比 l 0.9 1.0 1.12 1.18 1.32 1.50 陽轉子扭角 1z 243 270 302.4 236 264 300 陰轉子扭角 2z 162 180 201.6 157.3 176 200 長徑比 0llD 扭角 360z lh 指常用的齒數比為 1： 1 時 按表 4.1 選擇長導程 長徑比 l =1.50 陽轉子扭角 1z =300 陰轉子扭角 2z =200 中心距 00.8AD =0.8 125=90mm 陽轉子工作長度 l = l 0D =1.5 125=360mm 陽轉子節圓 100.64tDD =0.64 125=120mm 陰轉子節圓 200.96tDD =0.96 125=120mm 齒高半徑 r=0.205 0D =0.205 125=25.625mm畢業設計 （論文） 15 陽轉子實際外徑 1D =1.05 0D =1.05 114=120mm 陰轉子實際外徑 2D = 2tD =120mm 根據以上計算數據，繪制出螺桿的端面圖 圖 4.1 以及轉子的三維圖和兩轉子的運動仿真 圖 4.2 圖 4.3 圖 4.4(動態截圖 ) 圖 4.1 螺桿端面型線 圖 4.2 螺桿轉子三維圖 (主動轉子 )畢業設計 （論文） 16 圖 4.3 轉子三維圖 (從動轉子 ) 圖 4.4 轉子仿真 (動態截圖 ) 4.2 排氣量 4.2.1 理論排氣量 2th 1 0V = C nC n lD 3/minm (4.1) 式 中畢業設計 （論文） 17 1n 陽轉子轉速 3000 /minr 0D 陽轉子公稱直徑 0.120m l 陽轉子工作長度 0.360m nC 面積利用系數選取為 0.521 C 扭角系數表示扭角較大時，排氣端基元容積內的一對嚙合齒 未完全脫開，而在進氣端該基元容積已開始脫離進氣口所引起的進氣不足程度。按表4.2 選取 C =0.971 表 4.2 扭角系數參考值 1z 240 270 300 C 1.00 0.989 0.971 根據公式 (4.1)計算理論排氣量 2th 1 0V = C nC n lD =0.971 0.521 3000 0.360 0.120 0.120 =7.87 3 / minm 4.2.2 實際排氣量 thVV 3/minm (4.2) 的值與轉子型線、間隙值、轉子尺寸、轉速有無噴液等因素有關，氣值見表 4.3 表 4.3 不同轉子型線的排氣 系數 轉子型線 無油螺桿 噴油螺桿 對稱型線 0.55 0.80 0.75 0.90 不對稱型線 0.60 0.85 0.65 0.95 選取 =0.809 則按式 (4.2)實際排氣畢業設計 （論文） 18 thVV =0.809 7.87=6.4 3 / minm 4.3 進排氣孔口 4.3.1 軸向進氣口 4.3.1.1 陽轉子軸向進氣口 0111111 8 0 122zsa m （ 4.3） 式中 1m 陽轉子齒數 1z 陽轉子扭角 01 陽轉子基元容積的前方齒的齒頂中心線在 H 點與兩個轉子軸心連線間的夾角 將 1m =4 1z =300 01 =35帶入式（ 4.3）計算得 0111111 8 0 122zsa m =267.5 4.3.1.2 陰轉子軸向進氣口 2 1 2s s sa a i a （ 4.4） 式中 2sa 陰轉子的軸向端面進氣口 i 傳動比 2sa 因扭角較大引起的進氣不足的修正，取 2sa =20 30 由式（ 4.4）計算得 2 1 2s s sa a i a =22 6 7 .5 2 23 =200畢業設計 （論文） 19 4.3.2 軸向排氣口 由軸向及徑向兩部分組成，壓力比較高時可不設徑向排氣口。本機壓力比較高，故僅有軸向排氣口。 4.3.2.1 陽轉子軸向排 1 p 0 1 1 1zc （ 4.5） 01 陰轉子齒寬前面頂點在 H 點與兩轉子軸心連線間的夾角 陰轉子齒寬背面頂點 e 與齒谷中心線間的夾角 由式（ 4.5）計算的 1 p 0 1 1 1zc =35+300-196.7=138 4.3.2.2 陰轉子軸向排氣口 2 p 2 0 2 2( 2 )zcr （ 4.6） =200+（ 25+12+39） -131=125 4.4 極限真空度、功率及冷卻水量 表 4.4 是韓國 Kowel Precision 公司 NEOVAC 系列螺桿式干式真空泵的參 數表。參考表 4.4 選取電機功率 7.5Kw，冷卻水量 7L/Min,極限真空度為 2.66pa。 表 4.4 NEOVAC 系列螺桿式干式真空泵參數 型號 SS50 SS120 SS200 SS300 SS600W SS1200W 抽速 L/s 12 22 35 66 140 230 極限真空 Pa 2.66 2.66 2.66 2.66 0.06 0.06 水冷量 L/Min 3 3 3 7 5 5 電機功率 Kw 3 4 5.5 7.5 8 8 畢業設計 （論文） 20 電機選取 Y 系列三相異步電機 Y 132S200 型。額定功 率 7.5kw， 2 級，同步轉速 3000r/min，滿載轉速 2900r/min，質量 70Kg 4.5 軸的強度計算 螺桿式干式真空泵的陰陽螺桿所受彎矩不大，故可按扭轉強度條件計算。 考慮到材料的成本及工藝要求，軸材料選取 45 鋼，調制處理。由表 4.4 查得其許用扭轉切應力 t =40MPa。 按扭轉強度估算軸的最小直徑 63 9 .5 5 1 00 .2tPdn （ 4.7） =63 9 .5 5 1 0 7 .50 .2 4 0 2 9 0 0 =14.6mm 對于直徑 d 小于等于 100 的軸，有一個鍵槽時，軸的直徑增大 5 7，有兩個鍵槽時，應增大 10 15 ,即最小直徑應大于 15.1mm。故取軸的最小直徑為 30mm完全可以滿足軸的強度要求，且留有足夠的安全系數。 4.6 同步齒輪的設計計算 同步齒輪副通常采用斜齒圓柱齒輪。原因如下： 1）在多數情況下，當傳動比和中心距給定時，選取標準齒型的直齒副是困難的，因為傳動比和中心距都是由選定的轉子齒數和流通部分尺寸決定的。 2）通常同步齒輪副在高轉速區內工作，為此推薦采用斜齒傳動。 3）直齒齒輪副對安裝和制造的誤差特別敏 感，因為齒側表面在其整個長度上每一瞬間都以同一齒廓點工作。 4）斜齒輪的重疊系數比直齒輪大得多。 故本設計采用斜齒圓柱齒輪。畢業設計 （論文） 21 4.6.1 齒輪尺寸計算 中心距 a=100 傳動比 i =3： 2 模數 nm 初步選為 3 齒數初定為 1z =26， 2z =39。 螺旋角 12()= a r c c o s 2nm z za （ 4.8） = 3 ( 2 6 3 9 )a r c c o s 2 1 0 0 =12 50 20 8 15故模數確定為 nm =3，齒數確定為 1z =26， 2z =39。 4.6.2 齒輪強度校核 齒輪材料采用 20Cr 滲碳淬火，齒面硬度 59HRC，查得lim1H = lim2H =1500Mpa， 取安全系數 HS =1.2，則 lim 1HHHS =1500/1.2=1250 MPa 齒輪按六級精度制造，取載荷系數 K=1.2，齒寬系數 a =0.2。 小齒輪上的轉矩 641 7 . 59 . 5 5 1 0 9 . 5 5 2 . 4 7 1 0 .2900PT N m mn 驗算齒面接觸強度 3 13( 1 )305Hai K Tia =343(1 . 5 1 ) 1 . 2 2 . 4 7 1 03051 . 5 0 . 2 1 0 0 =379.0MPa H ，安全。5 真空泵的應用 22 5 單頭螺桿干式 真空泵的應用 5.1 應用范圍 單頭螺桿干式真空泵，可以廣泛用于冰箱、空調機、燈泡、日光燈、瓶膽生產和電子、冶金、醫藥、化工、濾油機、印刷機械、包裝機等工業，可作為擴散泵、羅茨泵、分子泵等的前級泵，供電子儀器、醫療儀器等配套和實驗研究應用。由于直聯泵沒有皮帶摩擦的粉塵的污染，體積小、重量輕、材料節約、功能日趨完善，更被廣泛推廣應用。 5.2 抽氣原理與結 構 旋片泵，它有偏心地裝在定子腔內的轉子及轉子槽內的兩個或數個旋片，轉子與泵殼內表面或相切或相交，轉子帶動旋片旋轉時，旋片借離心力 (有的還有彈簧力 )緊貼缸壁，把進排氣口分割開來，并使進氣腔容器周期性擴大而吸氣，排氣腔容積則周期性地縮小而壓縮氣體，借氣體和油的壓力推開排氣閥排氣，從而獲得真空。見圖一。雙級泵由二個單級串聯而成，進氣壓力高時，一般大中型泵，二級可同時排氣，進氣壓力低時，氣體由高級排人低級，然后再排出泵外。 由于泵是利用吸氣容積的變化來抽吸氣體的，其名義抽速可按吸氣的幾何容積來設計計算。6 三維建模與運動仿真 23 6 三維 建模與運動仿真 6.1 SolidWorks 介紹 SolidWorks 軟件是世界上第一個基于 Windows 開發的三維 CAD 系統，由于技術創新符合 CAD 技術的發展潮流和趨勢， SolidWorks 公司于兩年間成為CAD/CAM 產業中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得 SolidWorks每年都有數十乃至數百項的技術創新，公司也獲得了很多榮譽。該系統在1995-1999 年獲得全球微機平臺 CAD 系統評比第一名；從 1995 年至今，已經累計獲得十七項國際大獎，其中僅從 1999 年起，美國權威的 CAD 專業雜志 CADENCE連續 4 年授予 SolidWorks 最佳編輯獎，以表彰 SolidWorks 的創新、活力和簡明。至此， SolidWorks 所遵循的易用、穩定和創新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大的縮短了設計時間，產品快速、高效地投向了市場。 Solidworks 軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學易用和技術創新是 SolidWorks 的三大特點，使得 SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD 解決方案。 SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及 提高產品質量。 SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。對于熟悉微軟的 Windows 系統的用戶，基本上就可以用 SolidWorks 來搞設計了。 SolidWorks 獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內完成大型裝配設計。 SolidWorks 資源管理器是同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。使 SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內完成更多的工作，能夠更快地將高質量的產品投放市場。 畢業設計（論文） 24 6.2 轉子三維建模 利用 CAD2 維制圖軟件繪制完成轉子零件圖后，我選擇使用用 Solidworks 三維制圖軟件進行三維建模。繪制過程如下： 圖 6.1 主動轉子軸的繪制。 畢業設計（論文） 25 圖 6.2 從動轉子軸的繪制。 為了下一步進行的運動仿真，使得運動仿真更真實，所以繪制軸座三維圖 （簡易圖） 圖 6.3 軸座簡單示意圖 畢業設計（論文） 26 6.3 轉子運動仿真 使用 solidworks 軟件實現運動仿真應用 6.1 中繪制的素材進行轉子運動仿真。 拼裝 轉子和軸座： 圖 6.4 轉子和軸座的拼裝 拼裝完成后進行運動仿真 G:LZG-30 單頭螺桿真空泵的建模與仿真 轉子動態仿真 運動仿真 1.avi緒 論 27 結 論 本次設計的主要內容為 LGZ-30 單頭螺桿干式真空泵的建模和仿真