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目 录 第一章 绪论 4 1.1 课题背景及研究意义 4 1.2 螺杆真空泵在国内外的研究现状与发展方向 5 第二章 螺杆干式真空泵转子型线的研究 7 2.1 常见转子型线比较 7 2.2 多头双边对称圆弧型线 8 2.2.1 转子型线要素. 9 2.2.2 转子型线设计原则. 10 2.2.3 多头双边对称圆弧型线方程 11 第三章 螺杆干式真空泵工作原理 13 第四章 螺杆干式真空泵设计计算 15 4.1 整体结构设计 15 4.2 电机的选择. 16 4.3 螺杆基本尺寸. 16 4.4 泵腔体设计. 17 4.4.1 理论排气量. 18 4.4.2 实际排气量. 18 4.4.3 进排气孔口 19 4.4.3.1 轴向进气口 19 4.4.3.2 轴向排气口 20 4.4.3 泵腔体三维模型. 20 4.5 同步齿轮的设计计算. 20 4.5.1 齿轮尺寸计算. 21 4.5.1 齿轮强度校核. 21 4.6 轴的强度计算. 21 4.7 轴承的选用与校核. 22 4.7.1 轴承的选用. 22 4.7.1 轴承的校核计算. 22 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.8 键联接的设计和强度校核. 23 4.8.1 许用挤压应力. 23 4.8.2校核联联轴器与轴连接的键 23 4.8.3校核联接阳极转子轴与小齿轮连接的键 23 4.8.4校核联接大齿轮和阴极转子轴的键 23 4.9 齿轮箱体的三维设计. 24 4.10 底座的三维设计. 24 4.11 螺杆干式真空泵三维装配 . 25 第五章 螺杆干式真空泵保养与维修 26 5.1 螺杆干式真空泵保养. 26 5.1.1 运行检查. 26 5.1.2 定期检查. 26 5.1.3 定期检查设备的润滑. 27 5.2 螺杆干式真空泵的维修. 27 5.2.1 排出压力和流量太低 27 5.2.2 驱动机过热 28 5.2.3 抱轴 28 5.2.4 产生噪音 28 5.2.5 没有流量 29 5.2.6 流量减少 29 结 论 30 致 谢 31 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 螺杆干式真空泵设计 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 三维 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract:Recentlyin 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 propertiesetc. KeywordsDry(oil-free)vacuum pump Screw 3D 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 绪论 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。 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 1 。应用范围极为广泛。 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 -2 10 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 2 1.1 是几种典型的干泵性能的比较. 表 1.1 几种典型的干泵性能的比较 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 泵型 一般级数 单级压缩比 极限压力 （Pa） 备注 大气端 真空端 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，螺杆型干式真空泵价格非 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。 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 -2 10 Pa，这是目前报道的 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 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。 2.2.22.2.2 转子型线设计原则转子型线设计原则 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。 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。 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。 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2.2.3 2.2.3 多头双边对称圆弧多头双边对称圆弧型线方程型线方程 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 0 R 的圆弧段. 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 0 R的取值 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 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 00 O x y z的位置，即等于c在坐标系Oxyz位置，相应的 右旋螺旋面(阳转子齿面)方程为 00 00 ( )cos( )sin ( )sin( )cos xx ty t yx ty t zp （2.1） 式中 2 T p ，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c 绕z轴旋转一周(2)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 z 称为扭转角。假定转子的 有效工作段长度为L，则 2 z L T ，设计时取 o 1 5 300 = 3 z 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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2 1b 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第四章 螺杆干式真空泵设计计算 4.1 整体结构设计 双螺杆泵是一种回转式容积泵， 主要工作部件是由具有8字形内孔的泵体 （定 子）和装在泵体孔内相互啮合的转子（即主、从螺杆）组成。两根转子与定子三 者之间的共同啮合、配合，形成一系列等容积的密封腔。当主轴通过同步齿轮带 动从轴按一定的方向旋转，固定在主、从轴上互相啮合的两对螺旋套同时旋转， 从而形成一个个密封腔，把被输送的介质沿轴向由低压腔输送至高压腔，完成升 压输送过程。 图4.1 螺杆式干式真空泵的结构简图 如图所示，螺杆真空泵内装有一对平行的螺旋状的转子（1和2），其中一件 转子的旋转方向为右旋，另一件为左旋。两个转子在泵体（9）内通过一对齿轮 （3）保持同步反向旋转。转子与转子之间、转子与泵体之间没有磨擦且保持一 定的间隙，两个转子与泵体之间形成了密封腔（4），密封腔的个数等于转子的 螺旋圈数。 两个转子在按图中方向旋转时，与吸气口（5）相连的密封腔的空 间逐渐变大，气体被吸入并被传送到排气侧，排气侧的密封腔（6）空间在旋转 过程中逐渐变小，气体被压缩到排气口（7）。 长时间运转时需向泵体及端盖的 夹套（8）内通入适量的冷却水以对泵进行冷却。 因压缩热主要在排气侧（6） 产生，为了充分冷却转子，在多数工况下可以将适量的空气或其它 合适的气体 通过掺气口（10）导入泵腔内。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.2电机的选择 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70Kg 4.3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 3 150L/s=9m /min。 初选螺杆的公称直径 0 D=200mm。型线选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 1020 4 ,2 3 hD hD 1020 1.8,2.7hD hD 长径比 l 0.9 1.0 1.12 1.18 1.32 1.50 阳转子扭角 1z 243 270 302.4 236 264 300 阴转子扭角 2z 162 180 201.6 157.3 176 200 长径比 0 l l D 扭角360 z l h 指常用的齿数比为4：6时 按表4.1选择长导程 长径比 l =1.0 阳转子扭角 1z =270 阴转子扭角 2z =180 中心距 0 0.8AD=0.8200=160mm 阳转子工作长度 l= l 0 D=1.0200=200mm 阳转子节圆 10 0.64 t DD=0.64200=128mm 阴转子节圆 20 0.96 t DD=0.96200=192mm 齿高半径 r=0.205 0 D=0.205200=41mm 阳转子实际外径 1 D=1.05 0 D=1.05200=210mm 阴转子实际外径 2 D= 2t D=192mm 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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4.2螺杆端面型线 图4.3螺杆转子三维图 4.4泵腔体设计 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.4.1理论排气量 2 th10 V =C n C nlD 3 /minm (4.1) 式中 1 n阳转子转速 3000/minr 0 D阳转子公称直径 0.2m l阳转子工作长度 0.2m n C面积利用系数选取为0.521 C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C=0.989 表4.2扭角系数参考值 1z 240 270 300 C 1.00 0.989 0.971 根据公式(4.1)计算理论排气量 2 th10 V =C n C nlD =0.9890.52130000.20.20.2 =12.37 3 /minm 4.4.2实际排气量 th VV 3 /minm (4.2) 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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=0.75则按式(4.2)实际排气量 th VV =0.7512.37=9.28 3 /minm 4.4.3进排气孔口 4.4.3.1轴向进气口 1)阳转子轴向进气口 011 1 1 1 180 1 22 z s a m （4.3） 式中 1 m 阳转子齿数 1z 阳转子扭角 01 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 连线间的夹角 将 1 m=4 1z =270 01 =35带入式（4.3）计算得 011 1 1 1 180 1 22 z s a m =287.5 2)阴转子轴向进气口 212sss aa ia （4.4） 式中 2s a 阴转子的轴向端面进气口 i传动比 2s a 因扭角较大引起的进气不足的修正，取 2s a =2030 由式（4.4）计算得 212sss aa ia= 2 287.522 3 =213.7 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.4.3.2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。 1)阳转子轴向排气口 1p0111zc （4.5） 01 阴转子齿宽前面顶点在H点与两转子轴心连线间的夹角 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 1p0111zc =35+270-196.7=138 2)阴转子轴向排气口 2p2022 (2) zc r （4.6） =200+（25+12+39）-131=125 4.4.4.34.3 泵腔体三维模型泵腔体三维模型 图4.4泵腔体三维模型 4.5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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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工作。 4）斜齿轮的重叠系数比直齿轮大得多。 故本设计采用斜齿圆柱齿轮。 4.5.1齿轮尺寸计算 中心距 a=160 传动比 i=3：2 模数 n m初步选为3 齿数初定为 1 z=42， 2 z=63。 螺旋角 12 () =arccos 2 n m zz a （4.6） = 3 (4263) arccos 2 160 =10.14 815故模数确定为 n m=3，齿数确定为 1 z=42， 2 z=63。 4.5.1齿轮强度校核 齿轮材料采用20Cr渗碳淬火，齿面硬度59HRC，查得 lim1H = lim2H =1500Mpa， 取安全系数 H S=1.2，则 lim1H H H S =1500/1.2=1250 MPa 齿轮按六级精度制造，取载荷系数K=1.2，齿宽系数 a =0.2。 小齿轮上的转矩 64 1 7.5 9.55 109.552.47 10. 2900 P TN mm n 验算齿面接触强度 3 1 3 (1) 305 H a iKT ia = 34 3 (1.5 1) 1.2 2.47 10 305 1.5 0.2 160 =220.3MPa H ，安全 4.6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 t =40MPa。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 按扭转强度估算轴的最小直径 6 3 9.55 10 0.2 t P d n （4.7） = 6 3 9.55 107.5 0.2 40 2900 =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。 4.7轴承的选用与校核 4.7.1轴承的选用 因为考虑到轴承主要承受径向载荷及较大的轴向载荷，选取圆锥滚子轴承。 根据初估轴承处的轴的直径，由表4.2进行轴承型号的选择 阳极转子轴：选取轴承类型30212 基本尺寸d=60mm D=110mm B=22mm 阴极转子轴：选取轴承类型30212 基本尺寸d=60mm D=110mm B=22mm 4.7.1轴承的校核计算 计算轴承的径向力 阳极转子轴 NFr42.505 阴极转子轴 NFr64.880 2 轴承的寿命计算校核 查表17.8 X=1 查表17.9 12 . 1 Tp ff 附表4.2 NCNCk130k102 r0r ， 阳极转子轴 50.606 arp YFXFfP N 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 阴极转子轴 hLh1664040528 p c n Lh 60 106 142356.7h hh LL 合格 4.8键联接的设计和强度校核 轴 I 上零件的轴向固定：联轴器及齿轮处均采用 A 型普通平键连接，参考表 5.25，GB/T1095、1096-2003。联轴器上键为mm60810；齿轮处键为 mm36914。 4.8.1许用挤压应力 键、轴和轮毂的材料都是45钢，由表，查得许用挤压应力 MPa P 150125 ，取其平均值 MPa P 135 。 4.8.校核联联轴器与轴连接的键 联接大齿轮和低速轴的键采用普通A型平键。尺寸为60810Lhb。 键的工作长度为mmbLl501060。 键与轮毂键槽的接触高度42/82/ hk 93.47 38504 1047.2202 kld 102 33 pP MPa T 故满足挤压强度要求。 4.8.3校核联接阳极转子轴与小齿轮连接的键 联接大齿轮和低速轴的键采用普通A型平键。尺寸为36914Lhb。 键的工作长度为mmbLl221436。 键与轮毂键槽的接触高度5 . 42/92/ hk 64.37 50225 . 4 1047.2202 kld 102 33 pP MPa T 故满足挤压强度要求。 4.8.4校核联接大齿轮和阴极转子轴的键 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 联接大齿轮和低速轴的键采用普通A型平键。尺寸为 60810Lhb 。 键的工作长度为mmbLl221436。 键与轮毂键槽的接触高度5 . 42/82/ hk 64.37 50225 . 4 1047.2202 kld 102 33 pP MPa T 故满足挤压强度要求。 4.4.9 9 齿轮箱体的齿轮箱体的三维三维设计设计 图 4.5 齿轮箱体三维设计模型 4.4.1010 底座的底座的三维三维设计设计 图 4.6 底座三维设计模型 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.4.1111 螺杆干式真空泵螺杆干式真空泵三维三维装配装配 图 4.7 螺杆干式真空泵装配模型 图 4.8 螺杆干式真空泵分解模型 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第五章 螺杆干式真空泵保养与维修 5 5. .1 1 螺杆干式真空泵螺杆干式真空泵保养保养 5 5. .1 1. .1 1 运行检查运行检查 每1小时对泵进行一次巡检，应采用“听、看、摸、闻”方法作检查。 检查机组是否有噪音或振动，如有，分析原因并给以消除，任何异常的噪音 和振动都预示着要有问题出现。 检查泵的轴承处、泵体和电机轴承处的温升情况。泵的轴承温度最高不超过 85，泵体温度最高不超过80，电机轴承温度最高不超过95。 【注意】检查温度时应小心，避免烫伤，最好用红外线测温仪。 检查机械密封的泄漏情况。机械密封是易损件，一般情况下，机械密封每小 时有几滴液体泄漏是正常的。机械密封的最大泄漏量为5cm3/h，超过最大泄漏量 就应该更换机械密封。 检查齿轮箱的油位和温度。 运行检查需有详细运行记录表单 5 5. .1 1. .2 2 定期定期检查检查 5.1.2.1 每日检查： 检查前端盖、齿轮箱的润滑油位。 检查是否有异常噪音或振动。 检查密封是否有泄露 5.1.2.2 每周检查： 对泵的进、出口温度、压力、转速、电流、过滤器前后压差等参数 进行检查统计。 如有备用泵组，那么每周开动备用机组至少10分钟，确保备用及时。 检查所有控制系统和调节装置。 设备运转的监查与维护-定期检查（二） 5.1.2.3 季度检查： 至少每3个月更换一次润滑油（脂），环境不佳时应更频繁一些。当 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 然也包括其它原因造成油品的污染或异物落入油中。 有必要停机，重新检查对中情况 5.1.2.4 年度检查： 对照铭牌，检查泵组的流量、压力、功率、温度等所有参数是否相 符。 有必要进行更换润滑油（脂），检查泵与原动机的联接对中。 同步齿轮的良好维护，会使泵的工作寿命更长，运转更平稳。检查 同步齿轮是否有磨损，缺口和划痕，并在检查中确保各部分的正常 紧固联接 设备运转的监查与维护-定期检查（三） 每次检查需检查现场的通风状况，要保证通风良好。 检查流量参数时，如果流量减小或出口压力不足，预示着螺杆和衬 套的磨损，应拆修泵，并对磨损零部件予以更换（此建议供参考， 拆修的时间和决定权由用户自己把握）。 最多泵机组运行2年，对泵进行拆检一次，并对磨损的零部件进行更 换 5 5. .1 1. .3 3 定期定期检查检查设备的润滑设备的润滑 设备的润滑包括泵前轴承的油脂润滑，后轴承和同步齿轮的油润滑， 以及驱动机的润滑。 泵的前轴承的润滑油可以采用锂基润滑脂（3号）(LGMT-2)，后轴承 和同步齿轮的润滑可根据不同的转速和功率选择不同型号的极压工 业齿轮油ISOVG68、100、150、220，驱动机的润滑要求可参阅驱动 机使用说明书。 5 5. .2 2 螺杆干式真空泵螺杆干式真空泵的维修的维修 5 5. .2 2. .1 1 排出压力和流量太低排出压力和流量太低 故障原因之一：轴的机械密封泄漏 检修方法：检修或更换机械密封 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 故障原因之二：吸入管漏气，或吸入管与压出管之间有直接连通： 检修方法：检查密封，检查管路 故障原因之三：不满足吸上条件： 检修方法： 检查无噪音吸上高度， 如果可能， 加大管路截面， 检查管路， 清洗过滤器或加大过滤器，检查加热温度是否达到标准。 5 5. .2 2. .2 2 驱动机过热驱动机过热 故障原因：泵与联轴器对中不好， 检修方法：检查联轴器的数据，重新找正 5 5. .2 2. .3 3 抱轴抱轴 故障原因之一：滚动轴承损坏或齿轮箱内缺油。 检修方法：检修或更换轴承，或向齿轮箱内注油 故障原因之二：机械密封磨损或破碎，导致泵的卡死 检修方法：更换机械密封 故障原因之三：大量的异物或杂质： 检修方法：通过与工作转向相反的转动把杂质从螺旋套之间清除出去， 并用合适的清洗剂进行冲洗