（流体机械及工程专业论文）单头等螺距内凹转子型线研究及优化设计.pdf

慷 。， 枣 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) ：争裁字形函以天雪龈 导师： j 干蜀捉伊氏撒 咄 r 一一一_ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：凌玄签字日期：2 一，年乒月可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权 金月曼王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：定、交 签字日期：7 矽，年乒月2 。f 7 i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签笔：e 签字e l 期：矽厶 电话： 邮编： 一一 单头等螺距内凹转子型线研究及优化设计 摘要 近年来，在半导体工业和液晶显示器制造工艺中，对清洁真空环境的要求 越来越高。干式螺杆真空泵，是2 0 世纪9 0 年代出现的一种理想真空获得设备， 其结构简单，抽气性能优良，可直排大气，抽气过程清洁无油污染。在欧美和 日本等发达国家，干式螺杆真空泵已广泛地应用于各工业领域。国内干式螺杆 真空泵的研究工作起步较晚，同时受到国内加工制造水平的限制，同类产品基 本依赖进口，价格昂贵。 干式螺杆真空泵的核心部件是一对互相啮合的非接触螺杆转子。螺杆转子 的设计要保证间隙带均匀。既要实现同步啮合运动时不发生齿面干涉。因此螺 杆转子型线研究是干式螺杆真空泵研发的关键技术，也是螺杆泵技术研究的热 点。 文章以干式螺杆真空泵为研究对象，根据螺旋面生成原理，推导出单头等 螺距梯形截面内凹型螺杆转子型线数学方程。运用s o l i d w o r k s 三维软件建模仿 真，模拟啮合运动过程，进行静态、动态干涉检查，验证了螺杆转子型线方程 的正确性。通过螺杆转子的有限元分析，对螺杆转子固有频率、螺杆转子变形 等进行了分析研究，发现采用单头等螺距梯形截面内凹型线设计的螺杆转子强 度、刚度均能够满足设计要求，且不会发生共振破坏。 文中根据螺杆转子的轴向截面方程、齿面方程和端面型线方程导出了面积 利用系数、几何抽速等计算公式，得出了螺杆转子几何特性相关参数的最优化 取值范围。确定了螺杆真空泵的总体设计方案，完成了螺杆转子的结构设计和 l g - 1 0 0 型干式螺杆真空泵样机的总装设计，为干式螺杆真空泵设计制造和国产 化提供了理论依据。 关键字：干式真空泵；螺杆；型线方程：齿面干涉 ， 一 s t u d va n do p t i m i z a t i o nd e s i g no n t h es i n g l et h r e a d a n df i x e dp i t c hs c r e wf o rs c r e wv a c u u mp u m p a b s t r a c t w i t hi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti nt h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y a n dt h el i q u l d c r v s t a ld i s p l a ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，i th a sh i g hd e m a n d o fv a c u u me n v l r o n m e n t c l e a n l i n e s s d r ys c r e wv a c u u mp u m pi sai d e a lk i n do f v a c u u mp u m p s ，w h i c hw a s a p p e a r e di n2 0 t hc e n t u r y 9 0y e a r s d r ys c r e wv a c u u mp u m ph a s b e e nr a p l d d e v e l o p m e n t 。s i n c e i th a se x c e l l e n tp u m p i n gp e r f o r m a n c e ，t h e s t r u c t u r eo ft h e p u m p si ss i m p l e ，c a nb ed i r e c t l ye x h a u s ti n t ot h ea t m o s p h e r ea n dg e n e r a t e s n oo i l a n dg a sd u r i n go p e r a t i o n i ne u r o p e ，a m e r i c aa n dj a p a na n do t h e rd e v e i o p e d c o u n t r i e s 。d r ys c r e wv a c u u mp u m ph a sr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a l s e a l - t y p ev a c u u m p u m p si nm o r ea n dm o r ea r e a s b u tb e c a u s et h em a c h i n i n go fd r ys c r e wv a c m m l p u m pi sq u i t ed i f f i c u l t ， i no u rc o u n t r y ，t h ed r ys c r e wd r yp u m pi sm a i n l y1 m p o r t e d a n dv e r ye x p e n s i v e t h em os ti m p o r t a n tp a r to fd r ys c r e wv a c u u mp u m p i sap a i ro fs c r e wr o t o r s m e s h i n gw i t he a c ho t h e r t h es e a lg a p sb e t w e e ns c r e wr o t o r sm u s tb eu n l t o m i t y t h ep u m p i n gp e r f o r m a n c ei sm o s td e t e r m i n e db yt h e r o t o rp r o f i l e ，b u tt h es c r e w r o t o ri sd i f f i c u i tt od e s i g na n dp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，r o t o rp r o f i l ei st h ek e yp o i t a t o fd r ys c r e wv a c u u mp u m p i nt h i sa r t i c l e ，b ya n a l y z i n gt h es c r e wg e n e r a t e dt h e o r y ，w eg o tt h ep r o t l l e e q u a t i o n s o fs i n g l et h r e a da n d f i x e d p i t c h s c r e w t h r o u g hm o d e l i n g w i t h s o l i d w r o r k s ，s i m u l a t i o nm e s h i n gp r o c e s s ，c h e c k t h ei n t e r f e r e n c eo fs c r e wr o t o r s , t h er e s u l tv e r i f yt h a tt h ep r o f i l ee q u a t i o n so fs i n g l et h r e a da n df i x e dp i t c h s c f e ! w1 s v a l i d t h r o u g hs o l i d w o r k ss i m u l a t i o n ，w ea n a l y z e dr i g i d i t ya n ds t r e n g t h o fs c r e w r o t o r i nt h i sp a p e r , t h ec o m p l e t ee q u a t i o n so ft h es i n g l et h r e a da n d f i x e dp i t c h s c r e wr o t o ra r eg i v e n ，b o t ht h ea x i a ls e c t i o np r o f i l ea n dt h ee n d f a c ep r o f i l ea n dt h e t o o t hs u r f a c ee q u a t i o n t h r o u g ht h o s ee q u a t i o n s ，w ed e r i v e dp r o f i l e c h a r a c t e ro f s i n g l et h r e a dp r o f i l e sw i t hf i x e dp i t c h ，s u c h a sc o e f f i c i e n to fu s e da r e a ，g e o m e t r l c p u m p i n gs p e e di nt h e o r y ，e t c t h i sp a p e rf i g u r e do u t aw h o l ed e s i g ns c h e m eo f l g 10 0d r ys c r e wv a c u u mp u m p k e y w o r d s ：d r yv a c u u mp u m p ；s c r e wr o t o r ；p r o f i l e ；i n t e r f e r e n c e 致谢 本论文是在恩师陈长琦教授的潜心指导下完成的。陈老师渊博的学识，踏 实而严谨的学术作风，精湛的学术水平，敏锐而具有创新性的思维，都给我留 下了深刻的印象并使我受益匪浅，并时刻激励着我奋发向上。恩师积极乐观的 心态，开放性的思想，谦逊的品格更是我学习做人的榜样。本文从选题到完成， 每一步都是在导师的悉心指导下完成的，每当我遇到困难或迷惑踌躇时，陈老 师总能把握大局、指明方向，并给我以热情的鼓励。在此谨向陈老师致以最衷 心的感谢。 在研究生学习过程中，真空教研室的每一位教师都给予了我莫大的关心和 帮助。衷心的感谢干蜀毅教授、朱武教授、王旭迪教授等全体教师，多年来他 们在学业上的指导和帮助，使我在硕士期间专业知识和实践动手能力都有了很 大的提高。在此献上我最真挚的谢意。 衷心的感谢师兄郭江涛、张建国、赵晶晶、刘兴悦，同学汪根生、梁平、 车振军、朱晓文、曾梅花，师弟戴佳鑫、裘一冰、刘腾飞、穆怀普，室友王召 阳、章洵，师姐卢景景，师妹王文。是他们的帮助和支持使我顺利的完成了硕 士期间的学习。 感谢合肥工业大学真空科学技术与装备研究所的全体成员，大家共同组成 的这个温暖的集体，给我的学习和生活带来无尽的关怀，也给我的人生带来了 许多温暖的回忆。 最后要特别感谢我的父母及家人一直以来对我的关爱、支持和理解。 谨以此文献给他们! 作者：贾寅 2 0 11 年0 4 月 目录 第一章绪 论1 1 1 课题研究背景1 1 2 干式螺杆真空泵的研究现状1 1 2 1 干式螺杆真空泵常见转子型线及其优缺点1 1 2 2 国外研究现状2 1 2 3 国内研究现状6 1 3 课题研究的目的、内容及意义8 1 3 1 课题研究的目的8 1 3 2 课题研究的内容8 1 3 3 课题研究的意义一8 第二章螺杆真空泵转子型线理论研究9 2 1 干式螺杆真空泵工作原理9 2 2 螺旋面生成原理1 0 2 2 1 圆柱螺旋面的生成1 0 2 2 2 圆柱螺旋面的数学方程1 1 2 3 单头等螺距梯形截面内凹转子型线1 2 2 3 1 端面型线组成及型线方程1 2 2 3 2 螺杆齿面方程的建立1 4 2 3 3 螺杆轴向截面方程1 5 2 4 面积利用系数及理论抽速1 6 2 4 1 面积利用系数1 6 2 4 2 理论抽速18 2 4 3 面积利用系数、几何抽速的影响因素1 8 2 5 泄露三角形2 0 2 6 理论型线实验数据验证2 0 2 7 本章小节2 l 第三章l g 1 0 0 干式螺杆真空泵样机结构设计2 3 3 1 技术指标及基本参数2 3 3 2 轴系总体方案及轴承选择2 5 一一一一一 3 2 1 泵体布局方案2 5 3 2 2 轴系总体方案与支撑一2 5 3 2 3 轴承的选择2 6 3 3 高精度可调式同步齿轮设计2 7 3 3 1 同步齿轮基本计算2 8 3 3 2 同步齿轮结构设计2 9 3 4 真空用机械密封3 1 3 4 1 真空用机械密封的特点3 1 3 4 2 干式螺杆真空泵机械密封设计3 2 3 5 本章小节3 4 第四章螺杆转子三维建模及运动仿真3 5 4 1s o l i d w o r k s 及s o l i d w o r k sm o t i o n 简介3 5 4 2 螺杆转子三维建模3 5 4 3 生成螺杆转子装配体3 7 4 4s o l i d w o r k sm o t i o n 运动仿真3 8 4 5 干涉检查3 9 4 6 本章小节4 1 第五章螺杆转子有限元分析4 2 5 1s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 及有限元分析简介4 3 5 2 螺杆转子物理模型的建立及简化4 3 5 3 螺杆转子模型网格划分4 4 5 4 螺杆转子固有频率有限元分析4 5 5 4 1 定义螺杆转子材料属性4 5 5 4 2 定义卡具支撑4 6 5 4 3 解算器的选择及固有频率计算结果4 6 5 5 螺杆转子力学特性有限元分析4 7 5 5 1 螺杆转子受力分析4 7 5 5 2 螺杆转子力学载荷的施加5 0 5 5 3 螺杆转子力学特性计算结果及分析5 l 5 6 本章小节5 3 第六章结论与展望5 4 插图清单 图1 1k i n n e ys d v 系列干式螺杆真空泵2 图1 2 莱宝s c r e w l i n es p 2 5 0 型干式螺杆真空泵三维结构图4 图1 3 普旭n c 型干式螺杆真空泵结构图5 图1 4s t e r l i n gs i h i 干式螺杆真空泵结构图5 图1 5 爱德华c d x l 0 0 0 型干式螺杆真空泵6 图1 - 6 东北大学8 l s 立式干式螺杆真空泵样机结构图7 图2 1 干式螺杆真空泵工作原理一9 图2 2 圆柱螺旋面1 0 图2 3 单头等螺距梯形截面内凹型线半剖视图1 2 图2 4 螺杆转子端面型线1 3 图2 5 面积利用系数1 7 图2 - 6 面积利用系数与s 、p 的关系曲线1 9 图2 7a c 0 4 0 0 f 型干式螺杆真空泵抽速曲线2 0 图2 8b u s c ha c 0 4 0 0 f 型干式螺杆真空泵转子照片2 1 图3 1l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵剖视图2 3 图3 2l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵螺杆转子及轴系结构三维图2 5 图3 3 螺杆转子轴的安装形式2 6 图3 4 可调式右旋同步齿轮爆炸视图2 9 图3 5 可调式同步齿轮3 0 图3 6 整体式左旋同步齿轮三维图3 0 图3 7 机械密封装置总成爆炸视图3 2 图3 8 干式螺杆真空泵机械密封总成3 3 图3 - 9 内外端面静环详图3 4 图4 1 s o l i d w o r k s 中的端面型线草图3 6 图4 2 螺旋扫描3 7 图4 3 逆时针螺杆转子三维模型3 7 图4 5 正确啮合位置的确定3 8 图4 7 主、从动螺杆角速度对比3 9 图4 8 静态干涉检查结果4 u 图4 - 9 动态干涉检查结果4 u 图5 1 网格细节4 4 图5 2 主动螺杆转子网格划分结果“4 5 图5 3 从动螺杆转子网格划分结果4 5 图5 - 4 主动螺杆卡具支撑4 6 图5 5 从动螺杆卡具支撑4 6 图5 - 6 主动螺杆共振模式4 8 图5 7 从动螺杆共振模式”4 9 图5 8 螺杆转子受力、力矩简图5 0 图5 - 9 主动螺杆应力图，l 图5 1 0 从动螺杆应力图l 图5 1 l 主动螺杆全位移图5 2 图5 1 2 从动螺杆全位移图5 ，2 表格清单 表1 1 常见干式真空泵的性能与特点l 表2 1a c 0 4 0 0 f 型螺杆真空泵转子型线几何参数2 1 表3 1l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵样机基本参数：2 4 表3 2l g 1 0 0 型螺杆真空泵螺杆转子参数一2 4 表3 3 同步齿轮副基本参数一2 8 表3 4 同步齿轮计算结果z 葛 表3 5 同步齿轮强度校核结果一2 s 表5 17 0 5 0 铝合金材料属性“4 5 表5 2 主动螺杆前五阶固有频率一4 8 表5 3 从动螺杆前五阶固有频率”4 9 第一章绪论 i i 课题研究背景 2 0 世纪9 0 年代，随着半导体工业和液晶显示器制造工艺的不断发展，对 清洁真空环境的要求越来越高，传统的油封式机械泵的返油问题日益尖锐，急 需一种运行稳定可靠，且抽气腔内完全无油的新型真空泵，干式螺杆真空泵顺 应而生【l 】。其具有结构简单紧凑，运行稳定可靠，可直排大气，抽气腔内完全 无油等特点【2 】，发展迅速。在欧美、日本和韩国等发达国家，干式螺杆真空泵 已广泛的应用于电子、核能、化工、食品、药品、半导体行业、液晶显示器制 造、蚀刻等各个工业领域。 、 干式螺杆真空泵是干式真空泵的一种。所谓干式真空泵泵是指：能在一个 大气压到1 0 。2 p a 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1 ：3 与大气相通，能连续向大气中排气的泵，即称为干式真空泵【3 儿训。 目前国外研制的干泵主要有两种用途：一种是应用于半导体行业的干式泵；另 一种是应用于石化行业的干式泵。 表1 1 常见干式真空泵的性能与特点 出口对大气压极限压 类型一般级数备注 时压缩比力( p a ) 罗茨型3 6 3 00 5 易发热，需冷却 爪型 3 45 00 5 加工、装配有难度 活塞型 41 5 2 01 3 怕抽带颗粒的气体 涡旋型l 22 0 0 o 2 间隙小、难装调 螺杆型 12 0 6 01 3 加工比较困难 虽然干式真空泵的种类越来越多【引，但是通常干式机械真空泵如爪式泵， 其抽速小，而且制造难度大，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，在此背景下诞生的螺杆型真空泵具有了其他干式真 空泵类不具备的很多优点。其优点体现在以下几个方面1 6 】： ( 1 ) 可靠性高。干式真空泵零部件少，没有易损件，不受水蒸汽、灰尘颗 粒等影响，因此它运转可靠，较少的维护，更长的寿命。 ( 2 )适应性强。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。 ( 3 ) 少了处理废油、废水的费用，避免了因用油( 水) 的污染而导致的对 泵本身和产品的影响，并且对周围的环境没有污染。 1 2 干式螺杆真空泵的研究现状 1 2 1 干式螺杆真空泵常见转子型线及其优缺点 l 干式螺杆真空泵的核心部件是一对相互啮合的螺杆转子，转子型线的优劣 直接影响到泵的整体性能、运行的稳定可靠性以及制造成本。早期的螺杆真空 泵型线多源自双螺杆压缩机，如多头双边对称圆弧型线i _ 7 j 哺】，具有抽速大，结 构紧凑等特点，但极限真空度低，转子设计加工难度偏大，逐渐被单头型线所 取代。单头型线按照截面形状分为单头矩形截面型线和单头梯形截面型线，其 中梯形截面型线在转子齿根强度以及面积利用系数方面具有明显的优势。单头 等螺距梯形内凹型线是目前国内外厂商最为常用的一种型线，其综合性能优秀， 密封性能良好，面积利用系数大，且解决了转子的齿面干涉问题，故为广泛采 用【9 】o 1 2 2 国外研究现状 干式螺杆真空泵以其清洁无油、性能稳定可靠等优异的特点，在欧美和日 本市场已经成为制药、微电子、半导体、精密加工等行业首选的真空获得设备。 目前，国外螺杆真空泵已经进入规模化生产阶段，例如美国k i n n e y 公司d o i d h 、 德国莱宝公司、b u s c h 公司、英国的r i e t s c h e l et h o m a s 公司1 1 2 i 乃j 、e d w a r d 公司 【1 4 l 、s t o k e s i ”】等。其产品规格系列齐全，已被广泛应用于半导体行业、真空蚀 刻、真空干燥、真空包装、真空镀膜、太阳能电池制造、液晶面板以及石油化 工等各行各业。下面简要举例几家国外公司成产的干式螺杆真空泵产品。 美国k i n n e y 公司共有k d p 、s d v 两个系列的干式螺杆真空泵。两个系 列的的结构基本相同，均采用卧式设计，水冷泵体，螺杆转子两端支撑，靠一 对同步齿轮带动螺杆转子同步转动。k d p 系列为等螺距转子，s d v 系列为变螺 距转子。图1 1 是美国k i n n e y 公司的s d v 系列干式螺杆真空泵。 图1 1k i n n e ys d v 系列干式螺杆真空泵 k d p 系列采用等螺距螺杆设计，泵腔内无压缩，可从大气压下开始全速抽 吸直至压力为1 t o r r ( 1 3 m b a r a ) ，极限真空可达0 0 5 t o r r ( 0 0 8 m b a r a ) ；采用机 械密封，在运转过程中没有油或水，泵腔内无金属运行部件接触；可处理含有 2 可凝性蒸气、冷凝物、甚至小颗粒的气体，短气路设计可以使泵腔内气体迅速 排放；电机可采用直连或v 带传动，操作安静使用消音器可使运转噪声低 于8 5 分贝。 s d v 系列采用变螺距螺杆设计，电机直连，设计紧凑，运行高效。采用变 螺距螺杆转子设计的s d v 系列与同规格的k d p 系列等螺距螺杆真空泵相比， 由于实现了气体在泵腔内压缩，最高可节能3 0 ，同时排气温度较低，运转噪 声也较小，即使不使用消音装置，噪声也低于9 0 d b t l 6 1 。 为适应处理具有腐蚀性的化学气体，k i n n e y 公司还特别提供了具有 n i f l o n 涂层并采用k a l r e zo 型圈的变螺距螺杆真空泵。n i f l o n 涂层可以非常有 效的防止螺杆腐蚀，其涂层表层为p f a ，内层镀镍，即使表层的p f a 层磨损了， 内层的镍层也可有效防止螺杆腐蚀。 德国莱宝公司的s c r e w l i n es p 系列干式螺杆真空泵是为满足半导体、镀 膜、检漏、冶金、干燥等工业应用的特殊要求而专门开发的干式真空泵。 s c r e w l i n e 系列采用单头变螺距矩形截面转子型线，泵腔与两个同步、悬臂 转子形成气体通道，悬臂式的转子设计避免了在真空环境中使用轴承，同时确 保泵腔易于清洁。另外在悬臂转子的中心开孔通入冷却油，可有效降低螺杆转 子温度，保证螺杆泵运行的稳定可靠。 图1 2 是s c r e w l i n es p 2 5 0 型干式螺杆真空泵结构图。可以看出，其螺 杆转子采用变螺距设计，螺距沿着气体流动方向逐渐减小，单端悬臂支撑。气 体由进气口1 吸入泵腔，在泵腔内经变螺距转子压缩后，从排气口排除。电机 7 采用内置一体式设计，使得泵的整体结构紧凑，电机通过增速齿轮6 增速后 可使螺杆达到6 0 0 0 r p m ( 5 0 h z ) 或6 6 0 0 r p m ( 6 0 h z ) 。其冷却系统也较为特殊， 采用风冷与油冷混合的冷却方式。螺杆转子轴内开有通孔，油泵将冷却油加压， 经滤清器进入一根螺杆转子内部为转子冷却，在转子悬臂端流入另一根转子上 的通孔，回到电机侧，再流经换热器1 0 将冷却油冷却，最后流回油池。除转子 部分的油冷外，泵腔，电机部分均为风冷。与电机轴直接相连的涡轮风扇可加 强散热排与机体的冷却效果。 s p 2 5 0 、s p 6 3 0 抽速分别为2 7 0 m 3 h 、6 3 0m 3 h ，极限真空度 安心： 、0 0 、一州一 一 一t ! 一墨审 - 一 瞻函bd 蠡甜。夺菩 龟 旧 h j e 。|垌； p， u n ! 墨誓糟“q d冀 季营 ； _ 一 j亭；当曩、第 卜n ； 7 ， f 、 ，7 ，卜r ，t ，一一 肇产两一幽囫凼功，。，谚制 图3 1l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵剖视图 3 1 技术指标及基本参数 l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵采用上一章中推导的单头等螺距梯形截面内凹 型螺杆转子型线设计，基本技术参数如表3 1 所示。表3 2 为l g 1 0 0 型螺杆真 空泵螺杆转子部分基本参数。 l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵样机采用卧式机身结构，电机直连，螺杆转子轴 两端支撑；冷却方式采用风冷加水冷混合的方式，进气侧温度较低，采用风冷， 排气侧由于气体压缩，发热量交大，采用了水冷结构；同步齿轮采用可调式设 计，以便于调整螺杆转子齿侧间隙；轴承及齿轮采用飞溅润滑；为保证泵腔内 清洁无油，进排气口均采用了特殊设计的真空用双端面机械密封装置。下面将 详细介绍l g 1 0 0 型干式螺杆真空泵的设计过程。 2 3 几何参数数值单位 齿顶圆半径足 8 3 5m m 齿根圆半径足 3 0m m 生成圆半径 3 0m m 导程p 1 1 4m m 转子螺旋部分总长度l 4 6 4m m 转子内外径比值r ，墨 0 3 5 9| 面积利用系数 0 4 8 3 7l 中心距1 1 3 5n l m 转子轴方案整体式 螺杆转子轴支撑方案两端支撑 进气端n u 2 0 8 e 内圈无挡边圆柱滚子轴承 轴承选择排气端3 2 0 8 双列角接触球轴承 轴伸端n u 2 0 8 e 内圈无挡边圆柱滚子轴承 转子材料7 0 5 0 铝合金 2 4 图3 2l g 1 0 0 型千式螺杆真空泵螺杆转子及轴系结构三维图 3 2 轴系总体方案及轴承选择 3 2 1 泵体布局方案 于式螺杆真空泵机身结构主要分为立式与卧式两大类。其中立式结构紧凑， 占地面积小，转子轴多采用一端支撑，适合抽速较小的小型螺杆真空泵；卧式 机身结构有着重心低，结构稳定可靠、转动平稳、震动小、噪声低等优点，但 由于螺杆水平放置，占地面积较立式结构大，一般采用两端支撑，常用于抽速 较大，体积也相对较大的螺杆真空泵。本文采用单头等螺距梯形截面内凹型转 子型线，螺杆转子相对较长，立式单端支撑易出现转子轴刚度不足的情况，故 采用卧式机身。 3 2 2 轴系总体方案与支撑 从结构上看，螺杆转子可以与螺旋部分制成一个整体部件，或者是组装件 ( 将轴部分和螺旋部分分别使用不同的材料制作，再组装在一起) 。两种方式各 有优缺点：组装式设计可在转子轴部分采用高强度的合金钢材料，以保证轴心 部分的刚度，同时，对于形状复杂的螺旋部分，采用铝合金等易加工且轻质的 材料，即可以保证加工性能，又可减轻转子旋转部分的整体重量；相比组装式 设计，整体式设计时只能使用同一种材料，难以兼顾成本、轻量化、刚性的综 合要求，但整体式结构螺杆由于不需要将轴和螺旋部分装配在一起，所以有着 同轴精度高的优点，同时避免了采用两种材料热膨胀系数不同引起的热应力及 膨胀变形等问题。综合考虑，本文选用整体式螺杆转子轴，材料初选7 0 5 0 铝合 2 5 金。 由于干式螺杆真空泵是靠转子与转子之间以及转子与泵腔之间的微小间隙 来密封，且抽气腔内完全无油或其他液体，不能像螺杆压缩机那样采取向泵腔 内喷油的方法来加强密封和润滑，故转子与转子之间以及转子与泵腔之间的间 隙值必须非常小，通常都在0 1 毫米以下。因此对螺杆转子轴的刚度要求较高， 以避免高速运转过程中由于转子轴变形引起转子与转子之间或转子与泵腔之间 的接触摩擦。 如图3 3 所示，一般情况下，转子轴的安装形式有两种：两端支撑和一端 支撑。两种支撑方式各有优缺点：一端支撑的转子轴，其轴承和同步齿轮都可 安排在排气口端，悬臂的一端没有润滑油返流的顾虑，容易保证被抽空间不被 污染，且进气端的密封结构可以得到简化，但同时这种一端悬空的设计也存在 结构刚性差，高速运转中变形和振动幅度大的问题，易发生转子摩擦和卡死的 风险，故通常只在小型立式螺杆真空泵中采用。本文由于螺杆较长，且机身采 用了卧式布局，故选择刚性好的双端支撑结构。 进气端 排气端 进气端 排气端 翻 一 l 广i _ i | 刷侧渊胁 一 ( a ) 两端支撑 图3 - 3 螺杆转子轴的安装形式 ( b ) 一端支撑 一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可以由一个或者一个以上的轴 承组成，合理的配置轴承应该考虑到螺杆轴在泵腔中保持正确的位置、防止出 现轴向窜动以及转子轴受热膨胀后不会将轴承卡死等因素的影响。通常的轴承 配置方法有三种：双支点各单向固定；一支点双向固定，另一端支点游动；两 端游动支撑。 3 2 3 轴承的选择 考虑到螺杆转子轴向长度较长，跨度大，且排气温度较高，最高可达1 5 0 ，进排气温差大，由于热膨胀，螺杆转子在正常工作过程中，会有一定量的 轴向伸长，为补偿伸长量，应采用一支点双向固定，另一支点游动的支撑结构， 以便补偿工作中螺杆轴的轴向伸长量。作为固定支撑端的轴承，应能够承受双 向轴向载荷，且轴承内外圈在轴向都要固定。为补偿轴的热膨胀的游动支撑， 如果使用的是内外圈不可分离型轴承，只需固定轴承内圈，轴承外圈在座孔内 应可以轴向游动：若使用可分离型的圆柱滚子轴承或者滚针轴承，则内外圈都 2 6 要固定。当轴向载荷较大时，可采用向心轴承和推力轴承组合在起的结构作 为固定端支撑，也可以采用两个角接触球轴承( 或者圆锥滚子轴承) “面对面 或“背对背 组合的方案。 由于螺杆转子轴的轴向力较小，且对精度要求较高，本文在固定端( 排气 口端) 采用3 2 0 8 双列角接触球轴承支承，游动支撑( 进气口端) 选择n u 2 0 8 e 型内圈无挡边圆柱滚子轴承。双列角接触球轴承具有成对安装“背对背 式角 接触球轴承的特点，承载能力大，能承受双向轴向载荷，还可承受一定的倾覆 力矩，极限转速高，但其宽度较成对使用两个角接触球轴承窄很多，且同心度 较“背对背 式轴承高，安装调整方便。n u 2 0 8 e 型内圈无挡边圆柱滚子轴承 属于分离型轴承，安装拆卸非常方便，且承载能力大、极限转速高、精度高、 寿命长，可补偿轴向位移，常作为游动支撑。 另外，由于主动轴一端需伸出螺杆泵泵体，通过联轴器与电动机轴相连， 在伸出端需要一个额外的圆柱滚子轴承支撑。 3 3 高精度可调式同步齿轮设计 干式螺杆真空泵属于容积式真空泵。与喷油式螺杆压缩机靠两螺杆相互接 触传递运动不同，由于泵腔内完全清洁无油，干式螺杆真空泵需通过一对同步 齿轮来带动两根螺杆转子同步转动，以保证两螺杆转子在运转过程中不相互接 触，避免螺杆转子之间的干摩擦。由于螺杆真空泵依靠两螺杆转子之间以及螺 杆转子与泵腔之间的间隙来密封，间隙值通常在0 1 m m 以下，若同步齿轮副的 精度等级不足，不仅会引起传动噪声，影响传动精度，更会影响两螺杆转子之 间的微小间隙，间隙加大的一侧泄露量增大，造成螺杆真空泵极限真空度下降， 而间隙减小的一侧的螺杆会出现无润滑的干摩擦，造成螺杆齿面磨损，运行功 率增大，热量堆积，排气温度增加，甚至出现螺杆转子抱死，造成严重的事故， 因此传动系统对同步齿轮副的加工精度等级要求很高。所以在加工同步齿轮时， 必须保证加工精度。提高齿胚精度、刀具精度、机床精度等，均可有效的提高 同步齿轮的加工精度【j 川。 选择合适的热处理方法能够有效的提高齿轮的工作性能。对同步齿轮，通 常选用锻造胚料，采取先正火，再加工，然后调质处理的方法。正火处理可使 齿胚材料组织均匀，消除锻造内应力；调质处理可使齿轮具有较高的综合机械 性能，提高齿轮的强度和韧性，使其可以承受较大的弯曲应力和冲击力。对螺 杆真空泵中使用的高精度同步齿轮，还需要进行高频感应淬火和低温回火处理。 高频感应淬火利用涡流原理，只加热齿轮的外表面部分，可在齿表面得到细密 的“隐晶马氏体 组织，可提高齿面耐磨性与硬度，同时未被加热的齿轮内部 还能保持良好的韧性，并使齿轮表面有压应力存在而齿轮增加抗疲劳破坏的能 力。 有别于传统齿轮设计，螺杆真空泵设计过程中，通常是先根据几何抽速、 螺杆转速来确定螺杆转子尺寸，当螺杆转子尺寸固定以后，同步齿轮的传动比 2 7 与中心距也随之确定。当传动比和中心距固定时，选用标准齿形的直齿同步齿 轮副是困难的，难以保证中心距的要求，这种情况下通常采用斜齿圆柱齿轮， 通过调节螺旋角来满足中心距的要求。为保证传动的平稳性，通常选用较小的 模数。保持中心距a 不变时，减小模数可增大齿数，增大重合度，降低齿高， 还能降低滑动速度，以减小磨损及胶合的危险性【3 6 1 。 3 3 1 同步齿轮基本计算 表3 3 为螺杆真空泵同步齿轮副基本参数，其中中心距等于螺杆转子中心 距a ，材料选用价格低廉的4 5 钢，经过表面淬火处理。虽然真空泵正常运转过 程中同步齿轮传递的功率不大，但考虑到干式螺杆真空泵启动和关闭过程中的 冲击载荷的影响，仍然假设齿轮传递功率为电机额定功率，以保证同步齿轮的 可靠性。 表3 - 3 同步齿轮副基本参数 齿轮1 转齿轮2 转硬度中心距 传递功率传动比材料热处理 速( r m i n ) 速( r m i n )( h b s )( m m ) 7 5 k w2 9 0 02 9 0 0 l 4 5表面淬火4 8 1 1 3 5 表3 4 是计算得到的同步齿轮结构尺寸。同步齿轮选择6 级精度，模数1 2 5 ， 压力角为标准的2 0 。，螺旋角1 3 也在常用范围( 8 1 5 。) 内。端面重合1 7 5 ， 纵向重合度1 2 6 ，总重合度达到了3 0 1 ，可以充分可保证螺杆转子的转动过程 平稳，间隙值均匀稳定。 表3 4 同步齿轮计算结果 法向模螺旋角齿数齿宽端面重纵向重总重合压力精度 数m nb比( m m )口d 己日d 系数角等级 1 2 51 4 2 7 08 8 8 82 0 2 21 7 51 2 63 0 l2 0 。6 级 表3 5 为同步齿轮强度校核结果。接触强度和弯曲疲劳强度均低于许用值， 且安全裕度较大，可保证足够的齿面强度和刚度。由于螺杆转速较高，齿轮线 速度达到了1 7 2 3 m s ，属于高速齿轮传动，对润滑系统要求较高。 表3 - 5 同步齿轮强度校核结果 接触疲劳强弯曲疲劳强 接触强度计算 弯曲疲劳强度 线速度圆周力 度许用值度许用值 应力oh ( m p a ) 计算应力of ( m s )f t ( n ) 【o h 】( m p a )【o f ( m p a )( m p a ) 1 6 5 1 o1 0 6 3 88 0 5 15 9 0 31 7 2 34 3 5 2 4 2 8 3 3 2 同步齿轮结构设计 秒夕 图3 4 可调式右旋同步齿轮爆炸视图 在干式螺杆真空泵中，螺杆转子之间的间隙值和同步转动是靠同步齿轮来 实现的。常用的不可调式齿轮装入螺杆轴后的周向位置固定，无法调整螺杆转 子之间的齿侧间隙，故螺杆真空泵用同步齿轮需采用如图3 4 所示的可调式设 计【3 7 1 。 图3 5 为本文所采用的可调式同步齿轮结构图。齿轮采用分体式设计，由 齿圈部分1 和齿圈支架部分4 组成，齿圈上开有四个弧形槽齿圈支架上对应四 个螺纹孔，齿圈和支架部分可以小范围的相对转动，齿圈支架通过平键与螺杆 轴联接。与其配合的另一只同步齿轮采用如图3 - 6 所示的整体式设计即可。 同步齿轮的装配精度对螺杆真空泵的工作性能有很大影响，必须按照严格 的操作流程进