螺杆干式真空泵的设计

目录第一章 绪论 .41.1 课题背景及研究意义 .41.2 螺杆真空泵在国内外的研究现状与发展方向 .6第二章 螺杆干式真空泵转子型线的研究 .82.1 常见转子型线比较 .82.2 多头双边对称圆弧型线 .92.2.1 转子型线要素 .102.2.3 多头双边对称圆弧型线方程 .12第三章 螺杆干式真空泵工作原理 .16第四章 螺杆干式真空泵设计计算 .194.1 螺杆基本尺寸 .194.2 排气量 .214.2.1 理论排气量 .214.2.1 实际排气量 .214.3 进排气孔口 .224.3.1 轴向进气口 .224.3.2 轴向排气口 .234.4 极限真空度、功率及冷却水量 .234.5 轴的强度计算 .244.6 同步齿轮的设计计算 .244.6.1 齿轮尺寸计算 .244.6.1 齿轮强度校核 .25参考文献： .26螺杆式干式真空泵摘 要：近年来在半导体工业和液晶显示器制造等工艺中，对清洁真空环境的要求越来越高。如在半导体的等离子增强气相沉淀(PECVD)和反应离子刻蚀(RIE)工艺中，在液晶生产上使用的蚀刻制程和生产 TFT 荧幕电浆(PLASMA)的 CVD 制程中，不但要求环境清洁，而且还需要抽除大量含有微小颗粒及粉尘的反应生成气体。这些问题都不是传统的有油泵所能解决的。本文的研究对象螺杆式干式真空泵，抽气腔内无任何工作液，保证了被抽空间不受污染;无油蒸汽排放，保证了外部环境的清洁。由于阴阳转子齿面间留有间隙，因而可以抽除含有粉尘，或有腐蚀性，有毒的气体。作者主要着重于以下几个方面的研究：干式螺杆真空泵的基本原理。阴阳螺杆的型线研究。螺杆端面型线采用双边对称圆弧型线，推导出啮合原理的数学表达式，建立几何模型推导出端面型线方程，继而推导出螺旋齿面方程。几何特性的研究等。关键词：干式真空泵 螺杆 型线Abstract: Recently，in the semiconductor process of plasma enhanced chemical vapor deposition (PEVCD) and reactive ion etching (RIE)，in the liquid crystal display device manufacture process of etching and PLASMA CVD production, it has not only high demand of vacuum environment cleanliness, but also need to extract a huge amount of reaction-gas containing particle and dust. The conventional oil pump cant solve the problems mentioned above. The research object in this paper-dry screw vacuum pump has no operating fluid in the extracting chamber. It can guarantee space extracted and out side clean. It can extract gas containing mill dust ,corrosivity ,and poison ,because it has small gap between tooth face of male and female rotors .I have focused on there search as following .The profile research of male and female screws . The end face profile is double sides and symmetrical circles. Deduce the mathematic expression of meshing principle; establish the geometric model and deduce the equations of end face profile, then the Equations of helical tooth face .The research of geometrical properties，etc.Keywords：dry(oil-free)vacuum pump screw第一章 绪论1905年德国人沃尔夫岗.盖德发明了油封式旋片泵，从此各种以油为工作液、润滑剂、密封液的真空泵如雨后春笋般迅速普及，统治了真空设备市场近百年。从真空工业的视角来看，如果说20世纪是有油真空泵的世纪，那么21世纪将是干式真空泵的世纪。因为，各种形式的有油真空泵在工作过程中不可避免的随同排出的气体一起排出了大量的油污，这些油污能够严重的污染环境。随着利学技术的发展，要求提供比较清洁真空环境的真空工艺越来越多，甚至近于达到苛刻的要求，如微电子、化学、冶金、医疗、核聚变领域以及宇航、新材料的开发等技术领域.都要求提供比较洁的内真空环境。传统的有油泵很难满足这些要求，无油泵的概念便自然而然的在此基础上提出。有些工业过程，如低压气相沉积，会产生一些微小颗粒，这些颗粒在工作液中难以排除，它们可以使泵油污染，同样也会影响泵的抽气系统性能及使用寿命。而有些工业过程在运转中可能会使工作液冷凝成粘状物质，这样可能使泵卡住，甚至导致运转失效。又如对于食品工业为代表的一些特殊行业，这种污染更是非常不可取的。对于这些少数有着特殊需要的工业来说，就只能采用无油污的无油泵或水环式泵类(湿式泵)，但这类泵的真空度不高，耗水耗能严重，而且相应的工作时带有大量的水汽，因此对于有干式要求的，又不得不采用繁琐的物理、化学吸附，冷凝低温手段，从而使成本变得极其昂贵。如:膜式泵，真空度不高，抽速小;吸附泵，不仅抽速小，液氮的费用也很大。所以可以这样说，在当时能直接排入大气和高真空机绍相连接的泵类各有其缺憾，因此导致了干式泵不适宜大工业的应用。1.1 课题背景及研究意义干式螺杆真空泵是干式泵家族中的一员。所谓干式真空泵，一般认为是能在大气压到 Pa的压力范围内工作;在泵的抽气流道中，不能使用任何油类和-210液体，排气口与大气相通，能直接连续向大气中排气的泵，也称无油真空泵。干式真空泵在抽气流道内无任何液态工作介质或密封介质，从根本上解决了油封式真空泵引发的各种问题。总的来说是两种不同的需求推动开发出两种类型的干泵 。1 一类是以半导体行业为代表，要求真空泵向被抽空间内的返流为零，以保护工件免受污染。对半导体行业中应用的真空系统的要求大体分为三个等级。清洁条件下的抽气，只抽干空气或含少许水蒸汽的空气；中等条件下的抽气，抽除工艺过程的反应气体，但无固体颗粒物；恶劣条件下的抽气，抽除化学反应物（有毒甚至致癌）及固体颗粒物。另一类是以石化行业为代表，要求真空泵能大量抽除可凝性气体，或腐蚀性气体，或有毒气体，或含有微尘的气体。传统油封真空泵在石化领域所面对的难题人们往往通过选用水蒸汽喷射泵、水喷射泵、水环泵、水环-罗茨机组等途径加以解决。但往往系统过于庞大，噪声也很大，同时工作过程中会产生很多的废水和其他的排放物，处理排出废物的投资也很昂贵。干泵的种类很多，目前已开发出来的有罗茨泵、爪型泵、祸旋泵、往复活塞泵、螺旋泵等.表 是几种典型的干泵性能的比较.21表 1.1 几种典型的干泵性能的比较单级压缩比泵型 一般级数大气端 真空端极限压力（Pa）备注罗茨泵 36 25 30 0.5 易发热，需冷却爪形 34 25 50 0.5 加工、装配有难度活塞型 4 1525 1520 1.3 怕抽带颗粒的气体涡旋型 12 20 200 0.2 间隙小、难装调螺旋型 12 20 30100 0.7 间隙小、转速高旋片型 2 1520 1015 0.07 怕抽带颗粒的气体螺杆型 2 15 2060 1.3 加工比较困难涡轮型 多级串联 20 3000 0.01 转速高螺杆式干式真空泵特点如下:可靠性高。螺杆式干式真空泵零部件少，没有易损件，因此它运转可靠，寿命长。操作维护方便。动力平衡性好。螺杆式干式真空泵没有不平衡的惯性力，机器可平稳地高速运行。适应性强。螺杆式干式真空泵具有强制输气的特点，在宽广的压力范围内能保持较高的抽速，排气量几乎不受排气压力的影响.多相混输。由于螺杆式干式真空泵转子齿面间留有微小间隙，因而可抽除腐蚀性、有毒、含有粉尘、可凝性蒸汽等多种气体。尽管螺杆型干式真空泵具有这么多的优点，然而，由于目前国内一些公司正在使用的螺杆型干式真空泵均是从国外进口，价格非常昂贵，每台螺杆泵价格要三、四十万元人民币，所以螺杆型真空泵在我国的使用并不广泛。造成这一现象的主要原因是由于螺杆泵转子型线较复杂，加工难度大，需用特制的刀具在专用机床上进行加工。另外，对螺杆型干式真空泵泵体的加工精度也有较高的要求，而国内的加工水平目前还难以达到这个水平。螺杆式干式真空泵广泛应用于电子、核能、化工、医药、食品工业等领域。在半导体工业中用于生产芯片、制造液晶显示器、蚀刻、生产PLASMA的CVD制程。在核工业中用于核反应堆及核工业真空获得;化工上用于真空蒸馏及溶剂萃取高效回收溶剂，在脂肪酸生产中用来消除水污染，清除喷射器中的阻塞物;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;食品工业中用于香料、香精浓缩，食品包装等 。应用范围极为广1 泛。1.2 螺杆真空泵在国内外的研究现状与发展方向自从第一台工业上可运行的干式泵1984年在日本运行以来，许多无油真空泵如雨后养笋般迅速发展起来，其中以日本、美国、法国、德国最为先进。美国Varian（瓦里奥)公司生产的DVP系列产品，其真空度可以达到 Pa，这是-210目前报道的单级干式真空泵中真空度最高的产品之一。而德国Sterling SIHI公司在1997年研制成功的SIHIdry是世界上第一台直正意义上的干式真空泵，它能满足流程工业中最苛刻的要求，该产品荣获德国“1998年年度技术革新奖”。以上两种真空泵均于沿转子长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，它们同时也是无油真空泵的典型产品 。3 虽然干式真空泵的种类越来越多，但是通常的机械真空泵如爪式泵，其抽速难以做大，而且制造难度也大，成本高;另外还有利用多叶级数进行串连的罗茨泵，其缺点与爪式泵相仿。在此种背景下诞生的干式螺杆真空泵则具有了其前辈真空泵类所不具各的很多优点，而这些优点则保证了干式螺杆真空泵的先进性及在应用中的优势。国外关于螺杆真空泵性能的研究有许多内容。英国Rietschle有限公司根据螺杆式压缩机原理设计出一种双螺杆干式真空泵，采用了许多新技术，并已形成批量生产,该公司已成为世界低压与真空技术中的领军人物之一。美国Tuthill真空设备有限公司手2002年推出一款用于气体处理的新型Kinney干式螺杆真空泵，该KDPH-120型螺杆泵采用可变啮合设计，比其他类TJ的真空泵耗能减少约30%。普旭是全球最有影响力的真空设备制造商之一，为客户提供了数量众多的真空泵及真空系统。普旭BUSCH的无油螺杆真空泵系列于2003年通过了应用材料公司美国实验室测试。应用材料公司在美国实验室将普旭BUSCH的无油螺杆真空泵系列与其设备安装在一起进行测试，经过一年检测，结果证明普旭真空泵系列与其设备结合测试的效果最好。之后普旭又于2004年推出了表面经特别强化的螺杆真空泵系列，可以抵抗日前己知的绝人多数活泼气休的腐蚀。另外还有其他一些文献对螺杆真空泵的性能等方面进行了较多的研究。在国内，有关干式螺杆真空泵的研究文献很少。只有上海博汇真空设备有限公司的周宝洪研制了一种干式真空泵 ，并申请了专利，但是并未见有成品4 报道。目前国内外关于双螺杆干式真空泵转子型线设计方面的报道很少，主要内容集中于对螺杆真空泵性能的预测与配套装置、材料、加工方法和设备、螺杆泵的配件、密封条件等等内容的改进。目前由于各国多对自己的螺杆泵技术进行保密和竞争，而我国在螺杆泵的设计方面仍然有很多具体的细节和技术难题还没有解决，在螺杆泵的设计方面没有达到世界一流水平。在具体的螺杆泵的加工制造上，局限于我国的生产设备和加工条件，我国生产的螺杆泵自动化程度不高，精度也不高，在一些高档的螺杆泵上仍不能独立制造。因此中高档的真空泵仍然主要依赖于进口。对于所有类型的真空泵，人们都希望能够将现有的真空泵的物理尺寸尽量减小。但是这一点与真空泵的抽气速率相矛盾。因为真空泵的抽气速率与真空泵的容积成正比，物理尺寸小意味着容积也小。当然还有一个影响真空泵抽气速率的因素，那就是转速。为了使小尺寸的真空泵与大尺寸的真空泵的抽气速率相匹配，就需要提高其转速。而想要提高真空泵的转速可以采用变频器来改变电源的频率或者改变齿轮箱的传动比。前者可以提供一个闭环控制，但是在大负载的情况下容易引起扭矩的损失。而改变齿轮箱的传动比是比较经济的一种方法，但是它只能提供不可控的单一转速。国外目前开发较多的是高转速的真空泵系列。第二章 螺杆干式真空泵转子型线的研究2.1 常见转子型线比较目前干式螺杆真空泵的主要生产厂家多采用单头等螺距型线，其他还有多头双边对称圆弧型线、单头变螺距梯形螺纹型线、单头等螺距梯形螺纹型线和等螺距凹齿型线。（a）单头等螺距矩形螺纹转子 （b）单头等螺距梯形螺纹转子 （c）单头变螺距梯形螺纹转子 （d）单头等螺距凹面转子 （e）双边对称圆弧型线转子图 2.1 几种螺杆转子型线的三维造型单头等螺距矩形螺纹转子型线是最早出现的型线，由于有可能发生根切，即二级转子级间出现干涉现象，所以基本上已经不再使用。取而代之的是改进型的单头等螺距梯形螺纹转子，其截面形状由矩形改为梯形，解决了干涉问题，且加工方便，故为很过厂家广泛采用。单头变螺距梯形螺纹转子和单头等螺距凹面转子是近年来出现的新型型线，它是在单头等螺距梯形螺纹转子的基础之上改进而来的。单头变螺距梯形螺纹转子其主要特点为螺杆螺距从吸气端到排气端按变螺距系数变化，大导程一端对应于吸气口。开始时吸气量大，在转子转动过程中运动的封闭腔体越来越小，气体被压缩，具有内压缩作用，即边输送边压缩，从而能够降低整体的排气压缩功耗，并对发生在排气口的喘振现象有抑制作用，是泵的工作更为平稳，能够降低噪音和排气振动。头等螺距凹面转子进一步采用内凹齿面法将啮合齿面上可能发生干涉的部分全部去除，是齿面成为向内凹曲的等螺距螺旋线共轭曲面。多头双边对称圆弧型线是最近几年出现的一种新型型线，它是在双螺杆压缩机型线的基础上发展而来的。一般阳转子为四头螺杆，阴螺杆为六头螺杆。上述各种型线各有优缺点，要根据设计要求、加工制造能力、实际需求等多方面选择。从适用性方面来讲，多头双边对称圆弧型线适用面最广。由于该型线在一个导程内就可以完成吸气、压缩和排气的全过程并能达到一定的极限真空，这就能有效地减小泵的体积和质量，尤其适于大抽速要求的泵。单头型线由于要多级才能达到一定的极限真空，不可避免要增加泵的体积，占用更大的空间，所以适用于中、小型泵。多头螺杆型线的缺点是型线复杂，加工资用昂贵，需用特制的刀具在专用机床上加工；而单头梯形齿型线由于各齿面在轴向剖面内的交线都是直线，所以加工时使用直刃车刀即可，只是变螺距型线要在数控车床上加工以保证精度。单头凹齿面型线的加工要比梯形齿型线稍复杂，但完全能在通用的数控车床上完成，大批量生产时可以选用铸造。另外，多头螺秆型线和单头变螺距型线由于在抽气过程中有内压缩，不适合抽除可凝吐气体，但减小了排气口的喘振和噪音，也减小了功率的消耗。综合考虑各种型线的有缺点，本文决定选择多头双边对称圆弧型线。2.2 多头双边对称圆弧型线螺杆式干式真空泵中最重要的部件就是阴、阳螺杆转子。转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线，如图 2.1a 所示。转子型线作螺旋运动就形成了转子齿面，如图 2.lb 所示。螺杆泵中的阴阳转子可以看作是一对相互啮合的斜齿轮。因此，螺杆泵的阴阳转子型线也要满足啮合定律，即不论在任何位置，经过型线接触点的公法线必须通过节点。所不同的是普通斜齿轮的任务是在两根平行轴之间的任意传动方向上，强制传递转速、转矩及功率。而在干式螺杆泵中阴阳转子并不接触，两者之间的动力传递通过同步齿轮完成. a)型线、啮合线、齿间面积、泄漏三角形 b)泄漏三角形和接触线1 一阳转子型线 2-阴转子型线 3 一啮合线 4-泄漏三角形 5-阳转子齿间面积6-阴转子齿间面积 7 一阳转子节圆 8 一阴转子节圆 9 一接触线图 2.1 转子型线、啮合线、齿间面积、泄漏三角形和接触线2.2.1转子型线要素对于螺杆泵转子型线的要求，主要是在齿间容积之间有优越的密封性能，因为这些齿间容积是实现气体压缩的工作腔。对螺杆泵性能有重大影响的转子型线要素有接触线，泄漏三角形，封闭容积和齿间面积等.1.接触线螺杆泵的阴阳转子啮合时，两转子齿面相互接触而形成的空间曲线称为接触线(图2. lb中9)。接触线一侧的气体处于压力较高的压缩和排气过程，另一侧的气体则处于压力较低的吸气过程。如果转子齿面间的接触线不连续，则处于高压力区的气体将通过接触线中断缺口，向低压力区泄露。2.泄漏三角形螺杆泵转子型线的顶点，通常不能达到阴阳转子气缸孔的交线，在接触线顶点和机壳的转子气缸孔之间，会形成一个空间曲边三角形，称为泄漏三角形(图2.la中4)。通过泄漏三角形，气体将从压力较高的齿间容积，泄漏至压力较低的邻近齿间容积。3.封闭容积如果在齿间容积开始扩大时，不能立即开始吸气过程，就会产生吸气封闭容积。由于吸气封闭容积的存在，使齿间容积在扩大的初期，其内的气体压力低于吸气口处的气体压力。在齿间容积与吸气口连通时，其内的气体压力会突然升高到吸气压力，然后才进行正常的吸气过程。所以，吸气封闭容积的存在，影响了齿间容积的正常充气。值得指出的是吸气封闭容积存在于非对称型线中，而本文所论述的双边对称圆弧型线没有吸气封闭容积。4.齿间面积齿间面积是齿间容积在转子端面上的投影(图2.la 中5、6)。转子型线的齿间面积越大，转子的齿间容积就越大。2.2.2转子型线设计原则1.转子型线应满足啮合要求。螺杆泵中的阴、阳转子型线必须是满足啮合定律的共扼型线，即不论在任何位置经过型线接触点的公法线必须通过节点。2转子型线应形成长度较短的连续接触线。在实际机器中，为保证转子间的相对运动，齿面间总保持有一定间隙。因此，理论上的接触线就转化成实际中的间隙带。为了尽可能减少气体通过间隙带的泄漏，要求设法缩短转子间的接触线长度。3.转子型线应形成较小面积的泄漏三角形。为减少气体通过泄漏三角形的泄漏，型线设计应使转子的泄漏三角形面积尽量小。4.转子型线应使封闭容积较小.大多数非对称转子型线会形成啮合时的吸气封闭容积，导致泵耗功增加，功率降低，噪音增大。所以，转子型线应使吸气封闭容积尽可能地小。对称型线并不存在这一问题。5转子型线应使齿间面积尽可能大。较大的齿间面积使泄漏量占的份额相对减少，效率得到提高。另外，从制造、运转角度考虑，还要求转子型线便于加工制造，具有良好的啮合特性，较小的气体动力损失，以及在高温和受力的情况下，具有小的热变形和弯曲变形等。值得指出的是，以上有些因素是相互制约的.例如，为了减小泄漏三角形，就不可避免地会使型线具有封闭容积和较长的接触线;为了减少流动气体损失，使型线流线型化，又会增大泄漏三角形等。所以要根据实际要求，综合考虑各个设计要素，确定最佳的设计方案。通常满足上述要求的转子型线由多段曲线首尾相接组成，这些曲线称为组成齿曲线。常用的组成齿曲线主要有点、直线、摆线、圆弧、椭圆及抛物线等。2.2.3 多头双边对称圆弧型线方程2.2.3.1转子端面型线方程1.双边对称圈弧型线的组成齿曲线双边对称圆弧型线的端面各段组成曲线性质如表2.1所示.端面型线如图2.2所示。应该指出，所谓对称圆弧型线并非全由圆弧组成。圆弧齿曲线被限制在阴转子节圆之内，而阴转子节圆之外的齿曲线IJ和KL却是摆线。这是因为若IJ和KL仍为圆弧，将引起阴阳转子接触线中断，使螺杆泵的泄漏增大。所谓双边即在阴、阳转子节圆外、内增添了齿曲线AB, BC, DE, EF, FG和HI, LM, MN齿曲线，其中AB, EF, HI, LM都是中心在节圆，半径为 的圆弧段.0R显然，这 种双边对称圆弧型线啮合线的顶点距两转子齿顶圆的交点w较远，从而使通过泄漏三角形的泄漏严重。为了减少这种不利影响，通常把 的取值0限制在一定范围之内。这种双边对称圆弧型线去除了原始对称圆弧型线上的尖点，使齿曲线间光滑过渡，便于加工、储运，也免除了应力集中，使转子能承受更大的载荷。更为重要的是，保护了摆线IJ和KL的形成点C和D，有助于减少通过接触线的泄漏。相对于非对称型线来说，其设计、制造更为方便.表 2. 1 双边对称圆弧型线的组成齿曲线性质阴转子 阳转子齿曲线 曲线性质 齿曲线 曲线性质AB 圆弧 HI 圆弧BC 摆线 I 点C 点 IJ 摆线CD 圆弧 JK 圆弧D 点 KL 摆线DE 摆线 L 点EF 圆弧 LM 圆弧FG 圆弧 MN 圆弧图2.2 双边对称圆弧型线的组成齿曲线图2.2.3.2转子螺旋齿面方程图 2.3转子螺旋曲面及其坐标系一般曲面S的直角坐标参数方程用下式表达:，或以矢量式 来表达。(,),xtyzt(,)rt曲面的参数方程含有两个参数(t, ),要确定该曲面的边界，就必须知道这两个参数(t, )的变化范围。螺杆式干式真空泵的转子齿面是转子端面型线作螺旋运动时形成的螺旋曲面。如图2.3所示，转子型线的某一组成齿曲线c的参数方程为: 0()xty平面曲线c绕转子轴线作螺旋运动，就形成与此组成齿曲线对应的转子螺旋齿面。曲线c绕oz轴作螺旋运动到c位置时，轴向前进距离是z，并相对原始位置转过 角。c在坐标系 的位置，即等于 c在坐标系 位置，相应的0OxyzOxyz右旋螺旋面(阳转子齿面)方程为00()cos()inicsxtytyzp（2.1）式中 ，p是表征螺旋面的陡峭程度，称为螺旋特性数。T是形成曲线2c绕z轴旋转一周( )后轴向前进的距离，称为轴节距或导程。还把形成曲线c从转子一个端面绕z轴旋转到另一个端面所转过的角度 称为扭转角。假定转子z的有效工作段长度为L，则，设计时取2zTo1530=z同理可得左旋螺旋面(阴转子齿面)的方程为 00()cos+()inicosxtytyzp（2.2）第三章 螺杆干式真空泵工作原理与螺杆式压缩机类似，螺杆式干式真空泵的工作过程可分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转子的旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，现在以其中一对齿来说明。1.吸气过程图3.1示出了螺杆真空泵的吸气过程。在图3.1中，阳转子按逆时针方向旋转，阴螺杆按顺时针方向旋转。图中上方的转子端面是吸气断面，下方的端面为排气端面。a）吸气过程即将开始 b） 吸气过程中 c) 吸气过程结束图31螺杆式干式真空泵的吸气过程图31a示出吸气过程即将开始时的转子位置。在这一时刻，这一对齿前端的型线完全啮合，且即将与吸气口连接。随着转子开始转动，由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积，这个齿间容积的扩大，在其内部形成了一定的真空，而此齿间容积又仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中。如图21b中阴影部分所示。在随后的转子旋转过程中，阳转子齿不断从阴转子齿的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔口保持连通。吸气过程结束时的转子位置如图21c所示，其最显著的特点是齿间容积达到最大值。随着转子的旋转，所研究的齿间容积不会再增加。齿问容积在此位置与吸气孔口断开，吸气过程结束。2压缩过程图32示出螺杆泵的压缩过程。图中的转于端面是排气端面。在这里，阳转子沿顺时针方向旋转，阴转于沿逆时针方向旋转。图中上方的转子端面是吸气断面，下方的端面为排气端面。a）压缩过程即将开始 b） 压缩过程中 c) 压缩过程结束，排气过程即将开始图3.2螺杆式于式真空泵的压缩过程图3.2a示出螺杆泵压缩过程即将开始时的转子位置此时气体被转子齿和机壳包围在一个封闭的空间中，齿间容积由于转于齿的啮合就要开始减小。随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减小。被密封在齿间容积中的气体被占据体积也随之减小，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程，如图22b所示压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气孔口连通之前。如图22c所示。3排气过程a）排气过程中 b）排气过程结束图3.3 螺杆式干式真空泵的排气过程图33示出螺杆泵的排气过程。齿间容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。随着齿间容积的不断缩小，具有排气压力的气体逐渐通过排气孔口被排出，如图23a所示。这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合。此时，齿间容积内的气体通过排气孔口被完全排出，封闭的齿间容积的体积变为零。从上述工作原理可以看出，螺杆式干式真空泵是一种工作容积作回转运动的容积式机械真空泵。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助螺杆泵的一对转子在机壳内作回转运动来达到。它的工作客积在周期性扩大和缩小的同时，其空间位置也在变更。第四章 螺杆干式真空泵设计计算4.1螺杆基本尺寸螺杆压缩机转子的推荐公称直径：63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800mm。根据设计任务书的要求，容积流量为 。初选螺杆的公称直径 =125mm。型线选3m/in0D择双边对称圆弧型线，阳转子与阴转子齿数比选4：6。表4.1 导程、长径比及及扭角的关系符号 短导程 长导程导程 h 10204,3Dh1020.8,.7hD长径比 l0.9 1.0 1.12 1.18 1.32 1.50阳转子扭角 1z243 270 302.4 236 264 300阴转子扭角 2162 180 201.6 157.3 176 200 长径比 扭角 指常用的齿数比为4：6时0lD30zlh按表4.1选择长导程长径比 =1.50 l阳转子扭角 = 1z30阴转子扭角 =2中心距 =0.8125=100mm0.8AD阳转子工作长度 = =1.5125=187.5mml阳转子节圆 =0.64125=80mm10.64t阴转子节圆 =0.96125=120mm29t齿高半径 r=0.205 =0.205125=25.625mm0阳转子实际外径 =1.05 =1.05125=131.25mm1D阴转子实际外径 = =120mm2t根据以上计算数据，绘制出螺杆的端面图 图4.1 以及转子的三维图 图4.2图4.1螺杆端面型线图4.2螺杆转子三维图4.2排气量4.2.1理论排气量(4.1)2th10V=CnlD3/min式中 阳转子转速 30001 /ir阳转子公称直径 0.125m0阳转子工作长度 0.1875ml面积利用系数选取为0.521nC扭角系数表示扭角较大时，排气端基元容积内的一对啮合齿未完全脱开，而在进气端该基元容积已开始脱离进气口所引起的进气不足程度。按表4.2选取 =0.971表4.2扭角系数参考值1z24027030C1.00 0.989 0.971根据公式(4.1)计算理论排气量 2th10V=nlD=0.9710.52130000.18750.1250.125=4.45 3/min4.2.1实际排气量(4.2)thV3/in的值与转子型线、间隙值、转子尺寸、转速有无喷液等因素有关，气值见表4.3表4.3不同转子型线的排气系数 转子型线 无油螺杆 喷油螺杆对称型线 0.650.90 0.750.90不对称型线 0.700.95 0.800.95选取 =0.809则按式(4.2)实际排气量=0.8094.45=3.6thV3/min4.3进排气孔口4.3.1轴向进气口4.3.1.1阳转子轴向进气口 0111802zsam（4.3）式中 阳转子齿数1阳转子扭角z阳转子基元容积的前方齿的齿顶中心线在H点与两个转子轴心01连线间的夹角将 =4 =300 =35带入式（4.3）计算得1mz01=267.5182zsa4.3.1.1阴转子轴向进气口212ssi（4.4）式中 阴转子的轴向端面进气口2sa传动比i因扭角较大引起的进气不足的修正，取 =20302s 2sa由式（4.4）计算得= =200212ssai67.5234.3.2轴向排气口由轴向及径向两部分组成，压力比较高时可不设径向排气口。本机压力比较高，故仅有轴向排气口。4.3.2.1阳转子轴向排气口1p01zc（4.5）阴转子齿宽前面顶点在H点与两转子轴心连线间的夹角01阴转子齿宽背面顶点e与齿谷中心线间的夹角由式（4.5）计算的=35+300-196.7=1381p01zc4.3.2.2阴转子轴向排气口2p02()z cr（4.6）=200+（25+12+39）-131=1254.4极限真空度、功率及冷却水量表4.4是韩国Kowel Precision 公司NEOVAC系列螺杆式干式真空泵的参数表。参考表4.4 选取电机功率7.5Kw，冷却水量7L/Min,极限真空度为2.66pa。表4.4 NEOVAC系列螺杆式干式真空泵参数型号 SS50 SS120 SS200 SS300 SS600W SS1200W抽速L/s 12 22 35 66 140 230极限真空 Pa 2.66 2.66 2.66 2.66 0.06 0.06水冷量 L/Min 3 3 3 7 5 5电机功率 Kw 3 4 5.5 7.5 8 8电机选取 Y系列三相异步电机Y 132S2-2型。额定功率7.5kw，2级，同步转速3000r/min，满载转速2900r/min，质量70Kg4.5轴的强度计算螺杆式干式真空泵的阴阳螺杆所受弯矩不大，故可按扭转强度条件计算。考虑到材料的成本及工艺要求，轴材料选取45钢，调制处理。由表4.5查得其许用扭转切应力 =40MPa。t按扭转强度估算轴的最小直径639.5102tPdn（4.7）=639.5107.24=14.6mm对于直径d小于等于100的轴，有一个键槽时，轴的直径增大57，有两个键槽时，应增大1015,即最小直径应大于15.1mm。故取轴的最小直径为30mm完全可以满足轴的强度要求，且留有足够的安全系数。4.6同步齿轮的设计计算同步齿轮副通常采用斜齿圆柱齿轮。原因如下：1）在多数情况下，当传动比和中心距给定时，选取标准齿型的直齿副是困难的，因为传动比和中心距都是由选定的转子齿数和流通部分尺寸决定的。2）通常同步齿轮副在高转速区内工作，为此推荐采用斜齿传动。3）直齿齿轮副对安装和制造的误差特别敏感，因为齿侧表面在其整个长度上每一瞬间都以同一齿廓点