（机械设计及理论专业论文）立式往复真空泵的结构设计与cad二次开发.pdf

硕士学位论文 摘要 往复真空泵是获得真空的主要设备之一。作为一种通用机械，它在我国国民 经济中得到了广泛地应用。对它进行结构研究设计和参数化二次开发显得十分重 要。 本文论述了对立式往复真空泵的结构设计研究和参数化二次开发。在结构方 面，对往复真空泵的总体结构和关键零部件进行了改进；在参数化二次开发方面， 实现了利用v b 驱动s o l i d w b r k s 对真空泵的零部件自动建模和自动出工程图的功 能。本文主要内容如下： 1 通过深入研究分析，指出了改善往复真空泵性能的主要途径。研究分析 了往复真空泵的热力过程，提出了总体结构改进措施，达到提高往复真空泵的真 空度、降低功能消耗和提高其零部件使用寿命的目的。 2 对往复真空泵的主要零部件进行了结构研究。对活塞和气缸结构进行改 进设计，尤其是气缸平衡通道的优化设计；研究分析了气阀的弹簧力和气隙速率， 对气阀进行了结构改进。 3 在综合分析大量国内外的文献的基础上，确定了立式往复真空泵c a d 二 次开发的方案。选择了s o l i d w 6 r k s2 0 0 6 作为二次开发的平台，采用v b6 0 作为 二次开发的工具。 4 通过深入研究，使用s o l i d w b r k s2 0 0 6 建模、装配和工程图等各项功能， 总结分析，选择出s o l i d w b r k s2 0 0 6 中对往复真空泵的建模、装配和出工程图的 最优方式，以便更好的实现往复真空泵的参数化二次开发。 5 阐述了用对s o l i d w b r k s 进行二次开发的具体方法，列举了关键的程 序。并针对s o l i d w o r k s2 0 0 6a p i 函数的不足，提出了优化方法来实现软件所需 功能。 6 实现了对往复真空泵主要零部件活塞、气缸和气阀的参数化二次开发， 完成了往复真空泵零件的自动建模和自动出工程图，最后把参数化生成的零件和 直接建模的零件在s o l i d w b r k s 中进行装配生成装配总图。 摘要 通过结构研究设计，往复真空泵在性能上有很大改善；通过参数化二次开发， 可大大提高效率，节省设计人员的时间。 关键词：立式往复真空泵s o l i d w b d ( sc a d 参数化设计二次开发 硕士学位论文 a b s t r a c t 叻e r e c i p r o c a t i n gv a c u u mp 嘲pi so n eo fm a i l le q u i p m e n t st oa c q u nv a c u l u i ln i sw i d e l y 印p l i e di no i l rc o l l l l 仃y 嬲0 n el ( i 1 1 do fg e n e m lm a c h i n e ，n l e r e f o r e ，i ti s v e 拶s i 伊i f i c a n tt os t u d yo nm eg 咖c t u r a ld e s i 弘a i l dp 啪e t r i cs e c o n d a 巧 d e v e l o p m e n to ft h er e c i p r o c a t i n gv a c m m lp u m p 1 1 1t h i st h e s i s ，t h es 仃u c t i l r a ld e s i g n 锄d p a r a m e t r i cs e c o n c l a 巧d e v e l o p m e n to ft h e v e r t i c a lr e c i p r o c a t 吨v a c u 啪p 啪pa r ei n 仃0 d u c e d i t sg e n e r a ls 仃u c t u r ea n d k e yp a r t s a r ei n l p 州e d ；a u t o m a t i cm o d e l i n g 姐da u t o m a t i cc r e a t 吨咖i n gf o rt l l ep a n so ft h e v a c u u mp u m pa 1 ea c h i e v e db yu s i n g i ns o l i d v d r k s 1 h i st h e s i sm a m l yi i l c l u d e d s e v e r a la s p e c t s 弱f o l l o w s ： 1 t h r o u g l l 觚a l y z i l l gd e 印l y m a i l la p p r o a c h e sa r ep o i n t e do u tt oi n l p r o v et h e p e 响肌趾c e o fm e r e c i p r o c a t i n g v a c u l j n l p u i n p t 舢u g h t l l e a n a l y s i s o f t h e m o d y n a m i cp r o c e s so ft h e r e c i p r o c a t i i l gv a c 硼吼p u m p ，t h em e a s u r e sa r e p r o p o s e dt oi i i l p r o v et h eg e n e r a ls 仃u c t i 玳a tl a s t ，m eg o a lo fi n c r e a s i i l g 廿l ev a c u u m ， r e d u c i n gc o n s 啪p t i o no fp o w e ra i l di n l p r 0 v i n gt h el i f eo fm ep a r t si sa c h i e v e d 2 a r e r r e s e a r c h i n go nk e yp a r t so ft h er e c i p r o c a t i i l gv a c u u mp u m p ，t l l es m l c t u r e o ft l l ep i s t o n 锄dm ec y i i l l d e ri s i m p r o v e d n eb a l a i l c ep a s s a g eo fm ec y l i l l d e ri s d e s i 盟e d ；t h es 仃e n 舭o f 也ev a l v e ss p r i i l ga l l dt h es p e e do fm ea i rg a pa r ea i l a l y z e d t oi i i l p r o v et h es 仃u c t u r eo fm ev a l v e 3 b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a i y s i so ft h el 鹕en u m b e ro fd o m e s t i c 觚d a b r o a d l i t e r a t u r e ，t h ep r o j e c to fc a ds e c o n i l a 拶d e v e l o p m e n to ft h ev e r t i c a l r e c i p r o c a t i i l gp l l l n pi sd e t e m i n e d s o l i d w 6 r k s2 0 0 6i sc h o s e na sd e v e l o p i n gp l a t f - 0 珊 s u a lb a s i c6 0i sc h o s e na sd e v e l 叩i n gt 0 0 1 4 t h i sm e s i sd e 印l yr e s e a r c h e st l l ef u n c t i o n so fm es o l i d w 7 b r k s2 0 0 6i n c l u d i n g m o d e l i l l g ，邪s e m b l y ，蛔i i l g 锄ds o0 n b ya l l a l y z i l l gt h eg e n e r a ls 臼u c t u r e ，t l l e 叩t i l i l a lw a yi sc h o s e nt 0a c h i e v e 也ep a r 锄e 仃i cs e c o n d a 巧d e v e l 叩m e n to ft h e r e c i p r o c a t i n gv a c u u mp u n l p 5 1 1 1 es p e c i f i cm e 私u r eo ft l l es e c o n d 哪d e v e l o p m e n ti si 1 1 仃0 d u c e d ，锄dt h e m a i l lp r o g r a mi sl i s t e d t h eo p t i l n i z e dm e t l l o di sp r o p o s e dt oa c h i e v et 1 1 es o 小v a r e s 缸1 c t i o nb ya i l a l y z i n gt 1 1 ei i l s u m c i e n c yo fs o l i d w 6 r k s2 0 0 6a p l sf i m c t i o n 6 t h ep a r a m e t r i cs e c o n d a d rd e v e l o p m e n to fm em a i l lp a r t si sp e 晌n n e d i n c l u d i i l g 也ep i s t o n ，m ec y l i i l d e r ，t 1 1 ev a l v e 觚ds oo n t h ea u t o m a t i cm o d e l i i l ga n d m ea u t o m a t i cc r e a t i l l gd r a w i i l gf o r t h ep a r t so ft l l ev a c u u mp u m pa r ea c h i e v e d f i n a l l y ， t h ep a r t sw h i c ha r ep r o d u c e db yp a r a m e t e r s 掘dd i r e c tm o d e l i i l ga r ea s s e m b l e di n s o l i d w 6 r k s 。 t h r o u g hs 仇1 c t i l r a ld e s i g n ，m ep e r f o m 锄c eo f 也er e c i p r o c a t i n gv a c u u mp m n pi s i l i l p r 0 v e dg r e a t l y ；t l l ：r o u 曲t h ep a r a j n e 仃i cs e c o n d a 巧d e v e l o p m e n t ，t l l ed e s i 印p e r i o di s c u td o w ng r e a t l y k e y w o r d s ：v e n i c a l ； r e c i p r o c a t i l l gv a c u u mn l n l p ； s o l i d w 6 r k s ；c a d ； p 祗吼e t r i cd e s i | 匦； s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t u 硕士学位论文 1 1 往复真空泵概述 1 1 1 往复真空泵的结构 第一章绪论 往复真空泵又名活塞式真空泵，是获得真空的主要设备之一。它与水环 式真空泵相比较，具有真空度高和功耗低等优点；与旋片式真空泵比较，它 能被制成大抽速产品。 往复真空泵具有抽气效率高、抽速大和在较差的环境下能正常工作等优 点，而且可靠性也比较高，所以广泛应用于石油、化工、医药、食品、轻工、 冶金、电气和宇航模型等领域。 结构简图 急邑 占。l 叁 蛤i1 lrl3 到 一 i 一 笆、 一 翟j l |l l 。陌 r k _ l 涮 翔 kk 、 己1 尹 l 、e 圈 l l - h - 、n 尊： i ： 划 。 蚕 k 厂 -、 n l l i 】黜 一 i 。 lti l 翠附咽 j垦 1 泵底座 2 机俸 3 曲轴 4 圆锥灌子轴承 5 连轩轴瓦 6 连杆 7 十字头 & 十字头镝子 9 连轩轴套 1 0 拉杆油封 1 1 气缸颈 1 2 密封环 1 3 活塞杆轴套 1 4 气缸 1 5 活塞杆 1 6 活塞 1 7 话塞环 1 8 ，气缸盖 1 9 气目纽件 2 0 泵带轮 图l l 立式往复真空泵的结构简图 f 噜1 1 as 仃u c 咖ld i 雄乒锄o f 也ew 咀i c a l r e c i p r o c a t i n gv a c u 啪p 眦p l 第一章绪论 立式往复真空泵由机身、曲轴、连杆、十字头、气缸、活塞、活塞杆、气 阀和填料函等部件组成，图1 1 为立式往复真空泵的结构简图。 通过结构简图可以看出，立式往复真空泵主要由两大部分组成：机械传动 部分和气体流通部分。 ( 1 ) 机械传动部分 即曲轴连杆机构。整个结构元件装在一个封闭的曲轴箱内，曲轴箱同时又 是支承整台机器的机身。曲轴被支承在机身两旁的滚动轴承中，曲轴的一端装 有一个大皮带轮，作为驱动传动部分，连杆将轴颈和十字头连接起来。电动机 及其轴上的小皮带轮通过三角带使大皮带轮的旋转，从而带动曲轴连杆机构的 运动。 ( 2 ) 气体流通部分 这个部分是以活塞杆、活塞、气阀和气缸等组成的结构。整个结构元件都 装在气缸内和气缸上。活塞杆的一端旋入十字头的螺母中，另一端装入活塞的 孔并以螺母固定之。活塞上装有四道活塞环及一个导向环，保证由活塞间隔开 的气缸两端的气密性，由曲轴连杆机构通过活塞杆，使得活塞在气缸里面进行 往复运动。气阀在气缸的上方，和活塞联合运动，使得真空泵的吸气和排气周 期性的进行。 往复真空泵从结构形式上可以分立式和卧式两种；从级数上可以分为单 级、双级和四级；从抽气方式上可以分为单作用和双作用；从润滑方式上可 以分为有油润滑和无油润滑。 1 1 2 往复真空泵的工作原理 往复式真空泵的工作原理如图1 2 所示。由曲轴连杆机构3 来驱动活塞2 ， 使其在气缸1 中作往复式直线运动。 电机运转时，由曲轴连杆机构使得活塞在气缸内做往复运动。当活塞在 气缸内从上端向下端运动时，由于气缸的上腔体积不断地增大，气缸内气体 的密度减少，使得气缸内气体压力变小，当降到一定压力时，吸气阀5 开启， 而形成抽气过程，此时被抽容器中的气体进入泵体上腔。当活塞达到最下端 的位置时，气缸上腔内就完全充满了气体。接着活塞从下端向上端运动，而 2 硕士学位论文 此时吸气阀5 关闭。 气缸内的气体随着活塞从下向上运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压力 达到或稍大于一个大气压时，排气阀4 开启，将气体排到大气中，完成一个工 作循环。当活塞再自上向下运动，排气阀4 关闭，又重复前一循环，如此反复， 直到被抽容器内最终达到某一稳定的平衡压力。 图1 2往复真空泵的工作原理图 f i g 1 2 aw o r k i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er e c i p r o c a t i n gv a c u u mp u m p l 一气缸2 一活塞组件3 一曲柄连杆机构4 一排气阀 5 一吸气阀 1 1 3 往复真空泵国内外的发展情况 往复真空泵是我国最早生产的一种真空泵，其结构比较复杂。 1 9 9 0 以前，国内广泛生产和使用卧式往复真空泵，其主要缺点是：卧式真 空泵占地面积大、结构庞大、转速慢；活塞环、气阀等关键零部件使用寿命比 较短，真空度低和耗功率大等缺点。 3 第一章绪论 随着市场的不断拓展，其应用范围日益扩大，近年来国内外对于降低往复 式真空泵的功率消耗、减少泵的振动噪音、提高转速、运转可靠、减化结构、 改善性能和缩小体积等方面都做了不少的工作。随着技术的不断发展，往复 式真空泵的性能要求也越来越高。 日本予野泽( p v t ) 和瑞士勃克哈特( b u r k h a n ) 公司【1 3 】等分别在上世 纪8 0 年代开发出了性能优良的立式往复真空泵。 我国在上世纪6 0 年代末，对卧式往复真空泵开发了以固定气阀代替凸轮 驱动气阀结构，在泵转速的提高、体积的减小等方面做了不小的改进。 上世纪9 0 年代初，我国浙江大学王乐勤等与温州工业泵厂合作，在国内 率先开始设计研制了w l 系列立式往复真空泵。采用立式往复真空泵可以克 服卧式真空泵的若干缺馅，具有以下特点：气缸竖直分置，结构紧凑、占地面 积小；改善了卧式泵活塞因自重下垂摩擦不均匀的缺点，使活塞和连杆等运动 部件磨损减小，因此使泵的活塞环、填料和气阀等关键部件的使用寿命为卧式 泵的1 5 2 倍。泵的振动噪音也显著降低。 在设计研制过程中，王乐勤等研究了往复真空泵的气阀、气缸平衡通道 的结构以及节能舭】。 西安交通大学郁永章、北京石油化工学院吴立志等1 9 8 9 年起，对往复式真 空泵的结构改进作了大量的理论探讨工作，指出：气缸中开有平衡通道结构的 真空泵，性能较优；并提出了平衡通道的数学模型供设计使用；主张生产高转 速，短行程的真空泵阻1 3 1 。 合肥工业大学胡焕林1 9 9 2 年提出了往复真空泵的功率计算方法及探讨实 现节能的途径【1 4 1 。 南京工业大学金永熙、顾海明等上世纪9 0 年代开始进行立式往复真空泵的 结构研究，与淄博真空设备厂和泰兴特种工业泵厂合作，设计研制了气阀沿轴 向布置结构的w l 系列立式往复真空泵。提高了泵的真空度、降低了功率消耗 【1 5 一1 9 】 o 东北大学徐成海等上世纪9 0 年代末研制了全无油往复真空泵，被称为“绿 色真空泵”【2 0 ，2 1 1 。 综上所述，国内很多单位在往复真空泵的研制和结构研究中作了很多工 4 硕士学位论文 作，包括泵的总体结构、关键零部件气阀、气缸平衡通道的结构等，在减化结 构、改善性能、提高真空度，降低功耗方面取得了不少成绩。但与日本予野泽 ( p v t ) 和瑞士勃克哈特( b u r l ( 1 l a r t ) 产品相比，仍存在差距，对立式往复真 空泵进行研究和结构改进仍显得十分必要。 1 2 c a d 技术概述 c a d ( c o 叫) u t e ra i d e dd e s i 弘) ，是以人为主导，利用计算机( 软、硬件) 进行 工程设计的一个系统，是现代设计工作的一种新技术和强有力的工具。计算机 辅助设计是在科学技术与生产的迅速发展，要求对传统设计方法进行根本性变 革的背景下产生的。而计算机软、硬件技术的发展则为其产生与发展提供了可 靠而雄厚的基础。可以说，c a d 是随着计算机技术发展而发展起来的一种新技 术阎。 1 2 1c a d 技术发展概述 c a d 技术发展主要经历了以下阶段： 2 0 世纪5 0 年代末c a d 技术思想的起源； 2 0 世纪6 0 年代极为简单的c a d 系统； 2 0 世纪7 0 年代以表面模型为特点的自由曲面造型技术； 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初完全基于实体造型技术； 2 0 世纪8 0 年代中期参数化实体造型方法； 2 0 世纪9 0 年代变量化技术； 目前，主要以s o l i d w b r k s 为代表的参数化造型理论和以s d r c i d e a s 为代 表的变量化造型两大流派，它们都属于基本约束的实体造型技术。 1 2 2c a d 二次开发的出现 c a d 的应用目的是提高设计质量，传播和保存设计经验，提高设计效率， 降低设计成本，提高设计管理水平等，目前国际和国内知名的c a d 商品软件 第一章绪论 主要有p r o e 、u gi i 、i d e 弱、s o l i d w 6 r l ( s 、a u t o c a d 以及华正c 认、高华 c a d 系统等。这些商品化的通用设计平台基本上覆盖了整个制造行业，但专业 针对性差，不能满足各种各样具体领域的设计需求，在工程设计中难以达到 c a d 真正的应用目的。 因此c a d 的二次开发成为c a d 技术推广应用过程中面临的主要问题之 一。同时随着c a d 的发展，出现了一些新的问题，那就是：通用性和定制之 间的关系。如果只是通用性，那么虽然可以满足大众的需要，但是对个人的专 业性不能满足。如果只是定制，那么虽然可以满足个人的专业需要，但是不能 面向大众。所以c a d 系统就要进行二次开发。c a d 的二次开发是使商品化、 通用化的c a d 系统变为用户化、本土化的过程。商品化c a d 系统一般都提 供二次开发工具、开发语言等。但怎样才能达到使用方便、记忆量少、灵活的 提示信息、良好的交互方式、良好的出错处理，对选择合理的二次开发方法是 至关重要的【2 3 也5 】。 1 2 3c a d 发展趋势 根据c a d 的发展现状以及c a d 概念为核心，发展出了c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t i l r i i l 曲、c a e ( c o m p u t e ra i d e de d u c a t i o n ) 、c a p p ( c o m p m e ra i d e d p r o c e s sp l a i l n i n g ) 和c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t i l r es y s t e m ) 等一系列相 容或相关的概念，加之多媒体技术的发展，计算机图形输入设备的不断涌现， 未来c a d 技术将得到更进一步的发展，其发展方向主要有以下几方面： ( 1 ) 使用的方便性 随着图形输入输出设备的不断更新，以及多媒体技术在c a d 系统中的应 用，现有c a d 系统具有丰富多彩的图形界面、菜单提示、导航功能、悦耳的声 音，从而更吸引人的注意力，使人与计算机之间的关系更融洽，形成文本、图 形、图像和声音并存一体的人机界面及计算机与使用者双向交谈式的操作环境， 具有良好的人机界面。 ( 2 ) 具有智能化的设计功能 在工程图中，包括了几何形体完整的拓展几何约束和尺寸约束等各种约束 6 硕士学位论文 关系的信息。人能够一目了然，但用逻辑规则进行运算的计算机却不能自动理 解这些信息。 ( 3 ) c a d c a m c a p p 的集成化 c a d c a m c a p p 的集成化问题是计算机集成制造系统c 订s 的关键技术， 在现有的软件中，c a d 、c a m 、c a p p 大多是分离的，各自有自己的一套数据 格式，形成了“信息孤岛”，使得数据之间无法交换与共享。 ( 4 ) 三维造型功能将是c a d 产品的核心 在传统的机械产品的设计中，设计者的头脑中建立起来的首先是三维实体 形状。再借助于各种投影方法把头脑中的三维实体投影为多个二维视图，表达 在图纸上，每个视图只能表示设计对象的局部信息。 ( 5 ) 向网络化方向发展 网络化是c a d 集成技术发展的方向。 ( 6 ) 并行工程的使用 并行工程是对产品及其相关过程中的所有因素，包括质量、成本、进度与 用户需求进行分析，从而通过减少设计错误和更改而大幅度地降低生产成本。 ( 7 ) 软件硬件化趋势 计算机出现至今，许多过去需要开发软件的功能已被硬件供应商标转化为 硬件功能的一部分，未来这种趋势仍然继续，c a d 软件开发将以提高效率、改 进算法和降低资源需求为主，目前某些通用软件将硬件化，硬件平台能提供更 多的软件功能。 总之，计算机辅助设计是一个完整的c a d 程序设计软件。该软件使用方便、 灵活、实用性强、便于扩展，而且弥补了过去机械设计中普遍存在的忽视精度 设计的不足，使机械零件的设计工作更趋完善，提高了机械产品的设计质量和 经济效益，具有较强的实用性。 1 3 往复真空泵绘图软件的研究现状 国内生产往复式真空泵的企业较多，较大的企业有温州工业泵厂、淄博真 7 第一章绪论 空设备厂和上海真空泵厂等。 国内目前未见关于往复真空泵c a d 二次开发的报道。 2 0 0 5 年，西安理工大学王宏江和刘宏昭报道了采用p r o e 方法对活塞压缩 机的活塞等零件进行参数化设计；2 0 0 7 年，桂林电子科技大学白亮亮和唐良宝 报道了采用s o l i d w o r k s 二次开发的活塞压缩机的活塞等零件的参数化设计【2 6 ， 韧。他们的报道说明：比较基于p r o e 的二次开发的参数化设计，利用v b6 o 来开发s o l i d w o r l ( s 更容易操作。 往复真空泵与活塞压缩机的结构相似。对往复真空泵进行二次开发，可有 效缩短该产品的开发和设计周期，大大提高工作效率。 1 4 本课题研究的目的和意义 根据现有立式往复真空泵的基础，对其关键零部件进行结构的改进，提高 泵的真空度；气阀轴向布置，减低功耗；采用自润滑材料，生产出少油润滑和 无油润滑的泵来，减少污染，满足不同客户的需求；设计成既可单级抽气、亦 可双级抽气的特殊结构，利于泵的变型，对泵厂制造和用户选型都很有利。 国内生产立式往复式真空泵的企业较多，主要有温州工业泵厂和淄博真空 设备厂等等。在设计能力及产品性能都有所不足。他们大多使用c a d 软件绘图， 就缺乏针对性和专业性。如果使用s o l i d w d r k s 二次开发，对产品设计过程中， 有些问题是相似或相同的，不同的用户可能要重复同样的劳动。通过二次开发 解决一些共性问题，用户共享二次开发成果。这样可以减少重复工作、节省时 间、提高效率，把精力投到产品的创新设计中；同时也可以提高产品的标准化、 系列化程度。 1 5 课题的内容 本论文的研究内容主要分为两个方面：立式往复式真空泵的结构设计和 c a d 二次开发。 1 5 1 结构设计方面 通过对立式往复真空泵热力过程的分析，提出提高该产品真空度和降低功耗 8 硕士学位论文 的具体措施，通过对泵的活塞、气缸和气阀等主要零部件结构的进行改进，达到 预期的效果。 1 5 2 c a d 二次开发方面 由于立式往复式真空泵的大部分零件结构和几何形状都相对固定，适合采用 参数化建模。对泵的重要的零件进行参数化设计，使其达到输入参数可以自动建 模和自动出工程图，最后把参数化生成的零件和直接建模的零件在s o l i d w b r k s 中进行装配生成装配总图。 9 硕士学位论文 第二章立式往复真空泵的结构改进 立式往复式真空泵的结构相似于一般的往复式压缩机。从往复式压缩机发 展来看是趋势于缩短行程、提高转速、体积缩小和重量减轻，往复式真空泵也 应向这个方向发展。在分析立式往复真空泵的结构改进前，我们先分析一下它 的热力过程。 2 1 立式往复真空泵的热力过程分析 往复真空泵气缸两侧一般设有平衡通道，结构示意及示功图( 盖侧缸) 如 图2 1 ，盖侧缸循环过程简述如下： r l 6f 1 l l h a f 工 d ， q - l n q - b 。 c 乱 s s 0 + s e b 文弋 - b s 0 + s s 图2 1 带平衡通道的示功图 f i g 2 - l a ni n d i c a t o rd i a g 锄o fn l eb a l 锄c ep 弱s a g e 活塞由内止点d 向外移动到e 点时，由于平衡通道的作用，气体压力均衡 至p s ：由e 点到f 点为压缩过程，气体被压缩至排气压力p d ，排气阀开启； 1 0 第二章立式往复真空泵的结构改进 由f 点到g 点为排气过程，在g 点处活塞右侧活塞环与盖侧平衡通道右边线相 对应，如图2 1 ( a ) ；当活塞由g 点移动到外止点h 点时，盖侧余隙容积中的 高压气体大部分通过平衡通道流入轴侧，气体压力降至p h ；当活塞由外止点h 向内移动到a 点( 与g 点位置相同) 时，气体压力降至风，此时活塞两侧气 体压力相同；活塞由a 点移动到b 点，盖侧气体继续膨胀，压力降至吸气压力 p 譬；b 点至c 点为吸气过程，盖侧吸气在c 点结束，吸气阀关闭；活塞移动到 内止点d ，再向外移动到e 点，由于平衡通道的作用，气体压力均衡至p 。g 点到h 点的轴向宽度g h 即为平衡通道的宽度疹1 5 1 。 (a)(b) 图2 - 2 平衡通道的结构示意图 f i g 2 - 2 as t l l j c t u 豫ls c h e m a t i cd i 犍阳mo f 廿1 eb a l a n c ep 嬲s a g e 图中( a ) ，s 为活塞行程，s 。和瓯分别为余隙容积和平衡通道容积圪的 引程。 2 2 提高立式往复真空泵性能的主要措施 评价真空泵性能的指标有多条。一是真空度，真空度越大( 即极限真空时 的绝对压力越小) 越好。二是功率消耗，功耗越小越好。当然真空度和功率消 耗这两条指标不是相互独立的，提高了真空泵的真空度，则功率消耗会相应增 大，所以应联系起来进行评价。三是易损件如活塞环、填料和气阀的使用寿命。 还有泵的结构紧凑和平稳运行等也会影响真空泵的性能口8 ，2 9 1 。 硕士学位论文 2 2 1 提高泵的真空度 往复真空泵能达到的理论极限绝对压力，可用下式表示【1 6 】： p 舳钢( 精尸 ( 2 - 1 ) 考虑到吸气系统的阻力损失，泵的极限绝对压力为： p l m 缸= p ，m 缸+ 印j 式中p 。曲一极限真空度时的绝对压力，俗称绝对真空度； 胁排气压力； 卸，一吸气系统的阻力损失； ( 2 2 ) 圪气缸余隙容积； 一平衡通道容积： y r - 气缸行程容积，肛s 凡s 一活塞行程； 眦缸截面积； 蚪衡通道宽度； 以体多变指数，一般可取朋= 1 2 。 由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可知：减小余隙容积，合理设置平衡通道，减少吸气系 统的阻力损失，是减小极限绝对压力的有效措施。为提高极限真空度，主要可 从下几方面考虑： ( 1 ) 减小余隙容积，余隙容积包括活塞运动至止点时与端盖之间的间隙和 阀座下面的空间等。为此，在活塞端部在保证强度和刚度的前提下尽可能取小 的厚度，我们取2 5 n l n l ，并设计了厚度仅为2 4 m m 薄形气阀，以减少余隙容积。 ( 2 ) 优化气阀弹簧力的设计，弹簧力不能过大，使气阀既能及时关闭，也 容易开启，尽可能减小气阀的阻力损失。 ( 3 ) 在气缸上合理设置平衡气道，是提高真空度的重要措施。 ( 4 ) 减少泄漏，压缩机内通常采用活塞环实现活塞与气缸之间的密封，采 用填料密封实现活塞杆与气缸直接的密封。本设计在活塞中采用四道活塞环， 一个导向环，每槽内放两道切口错开的活塞环，如图2 3 ；填料密封采用五道密 1 2 第二章立式往复真空泵的结构改进 封环，如图2 4 。 活塞 活塞环 导向环 寻长力环 图2 3 活塞与活塞环的结构示意图 f 噜2 3 as 仃u c t u r a is c h e m a t ：i cd i 雒；舳o f 廿l ep i s t o n 锄d 吐l ep i s t o nr i l 垮 填料 2 2 2 降低泵的功耗 刮油环 0 形圆 图2 - 4 填料密封 f i g 2 - 4 p a c k i n gs e a l 为减少功率消耗，主要从以下方面： ( 1 ) 气阀轴向布置，增大气缸冷却面积，改善冷却效果，使压缩过程接近 等温，减少功率。 ( 2 ) 优化气阀的设计，尽可能降低气阀中的阻力，节省功率。 ( 3 ) 活塞环和填料密封环采用自润滑性能好的材料，减少摩擦损失，降低 功耗。 ( 4 ) 合理设置平衡气道宽度，在保证真空度的前提下，尽可能降低功耗。 硕士学位论文 2 3 关键零部件的结构改进 2 3 1活塞组件的结构改进 活塞组件装配时，活塞应该用压力紧固在活塞杆上，以免产生轴向间隙， 以至在支承凸肩成活塞杆螺母与活塞之间产生冲击和使活塞内部空间变成余隙 容积。本文中活塞杆的材料采用钢；活塞的材料采用铸铁，结构为盘形活塞。 由于钢的线膨胀系数较铸铁高，在热变形时，可能产生轴向间隙，在活塞杆上 装配长度较大的级差式活塞时，采用将活塞杆预先加热到4 0 5 0 的方法。 真空泵的活塞通常也有支承环以承受活塞振动所产生的侧向力，避免活塞 与气缸发生直接接触。其高度为活塞环高度的1 5 2 倍。在无油润滑真空泵中， 为了防止油进入填料和气缸，活塞杆要适当增长，使通过刮油器的部分不进入 填料，而且在活塞杆上设有挡油器。 活塞与气缸构成了压缩容积。活塞必须有良好的密封性。此外还要求【3 4 】： ( 1 ) 有足够的强度和刚度； ( 2 ) 活塞与活塞杆的连结和定位要可靠； ( 3 ) 重量轻，应根据惯性力平衡的要求配置各列活塞的重量； ( 4 ) 制造工艺性好。 活塞的主要技术要求： ( 1 ) 活塞在机械加工前的处理：铸造活塞应进行时效处理，焊接活塞应经 过6 5 0 7 0 0 的退火处理； ( 2 ) 活塞的圆柱度：不大于2 级精度直径公差； ( 3 ) 活塞杆中心线同轴肩支承面的不垂直度在1 0 0 毫米长度内不超过0 0 2 毫米； ( 4 ) 活塞的外圆同活塞杆孔中心线的不同轴度不大于o 0 2 0 0 5 毫米； ( 5 ) 活塞环槽两端面应垂直于活塞杆孔，其不垂直度在1 0 0 毫米长度内不 大于0 0 2 毫米； ( 6 ) 活塞外圆表面及活塞环槽端面，不允许有缩松、擦伤、锐边、凹痕和 毛刺； ( 7 ) 两端轴肩及活塞杆支撑面在装配时要求研磨贴合； 1 4 第二章立式往复真空泵的结构改进 ( 8 ) 活塞加工完毕后应进行水压试验，一般取水压为最大工作压力的1 5 倍，维持1 0 分钟，不得有渗漏和残余变形。 在本文中，立式往复真空泵的活塞设计按照抽气的速率来划分，分为三类。 分别为1 0 0 l s 、2 0 0 l s 、3 0 0 u s 。 下面按照2 0 0 l s 为例，来计算出活塞的外直径d ，为后面的参数化做准备。 已知：活塞速度 c ，= 1 8 5 1 9 i 眺 现在取1 8 5 n 以 行程s = 1 6 0 i m 活塞杆直径d = 3 0 m m 因为c 。= 等可得刀= 等= 等= 3 5 叫曲 再由肚三( 2 搿) 刚6 0 得2 0 0 1 0 6 6 0 = o 7 8 5 ( 2 d 2 3 0 2 ) 1 6 0 3 4 7 d 3 7 1n 皿 圆整取3 7 0 舢m 当c 。分别等于1 8 6 、1 8 8 、1 9 时，d 分别等于3 7 0 m m ，3 6 9 r 】恤，3 6 7 l l l c 。取值较小，是为了无油润滑。 所以当儿占、d 、c 。参数为： 矿= 2 0 0 l ss 21 6 0 n u nd = 3 0 i 啪 c 。= 1 8 6 州s 时 可得活塞的外直径d = 3 7 0 n u n 。 按照同样的方法可得： 当抽气速率为1 0 0 u s 时，可得活塞外直径d 为2 6 0 m m ； 当抽气速率为3 0 0 从时，可得活塞外直径d 为4 5 0 衄。 2 3 2 气缸的结构研究 ( 1 ) 气缸的结构 为了耐磨并减轻重量，本文中气缸的材料采用耐磨铸铁。它的结构为水冷 夹套式气缸。如图2 5 所示。 1 5 硕士学位论文 图2 5 气缸的结构示意图 f i g 2 - 5 as 觚j c t i l r a ls c h e m a t i cd i 楚阳mo fm ec ”i i l d e r a 图 气缸的工作表面应精确的加工，即要磨削，还要镗削。为了不使工作表面 上由于活塞环的摩擦而导致形成凹陷，工作表面的两侧制成斜面。为了便于气 缸与活塞的装配，在气缸端部的斜口应扩大到活塞环未受压缩时的直径。 ( 2 ) 气缸平衡通道的研究设计 往复真空泵与往复压缩机两者结构最根本的不同，是泵为提高真空度在气 缸中采用了平衡通道。平衡通道的设计关系到真空泵的真空度和功耗等性能， 合理设计平衡气道显得十分重要3 5 3 7 】。下面对它的结构进行分析。 不采用平衡孔时往复真空泵能达到的理论极限绝对压力【1 5 】： p ，曲铴( 矗) 孵= p d 岳) ” ( 2 - 3 ) 式中：口相对余隙容积， 口= 圪y ，其余符号同式( 2 1 ) 。 考虑吸气系统的阻力，吸气系统的极限绝对压力为： p l 咄= p d ( ) ”+ 卸， ( 2 - 4 ) 本章第一小节已有采用平衡通道时的极限绝对压力，式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 。 将式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 与式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 对比。可知，若不采用平衡通 道，要取得较高的真空度有很大难度。 1 6 第二章立式往复真空泵的结构改进 例如，已知某往复真空泵气缸直径d = 3 7 0 m m ，活塞行程s = 1 6 0 m m ，相 对余隙容积口= 等= o 0 4 ，相对平衡容积c = 軎= o 0 0 7 ，平衡通道的宽度 6 = 4 n u n ，其截面积厂= 4 0 l o 4n 1 2 ，活塞轴向高度日= 6 0 i i 衄，排气压力 p d = 1 1 0 1 0 5p a ，求理论极限绝对压力见曲。 将只玖y o 、圪的值代入式( 2 1 ) ，取聊= 1 2 算得理论极限绝对压力： 鼽曲= 1 8 9p a 。 若不采用平衡通道，由式( 2 3 ) 算得见曲= 2 0 0 5 p a 。 可见，若不开平衡通道，仅靠减小余隙容积，难以得到很高的单级抽气真 空度。而且余隙容积过小，会加大制造和安装的难度。所以采用平衡通道，对 提高单级抽气真空度起着十分重要的作用。 但平衡通道增加了真空泵的功耗。开设平衡通道就多了一个均压过程，平 衡通道影响真空泵的功耗表现在三个方面。一是由于平衡通道影响了进气量， 进而影响了功耗；二是由于平衡通道的存在，缩短了有效行程，使得排气阀提 前关闭，减少了功耗；三是多了一个均压过程，增大了功耗。由于这三个影响 同时存在，在真空泵的运行过程中，以最大功耗来做比较，此时平衡通道的宽 度是决定性因素。 因此，平衡通道长度6 和截面积厂不宜过大。不过活塞两侧的气体经平衡 通道连接，必须有足够的时间才能达到 均压。文献【5 1 经计算得出平衡通道的最 佳通气时间约为o 0 2 秒。本文在设计 时参考了这一数值。 如图2 6 所示，平衡通道通气时间 为角度口一o 的过程所需要时间t 的两倍。 由于6 ：s s i n 2 竺， z 可得通气时间为： 2 f ：! 三q 竺! 垫! 丝( 2 5 ) z f = 一 l z - ) j 1 7 弋 7 翁 1 lj bb s 图2 6b 和曲轴转速的关系 f 培- 2 6r e l a t i o n s h i pb e 觚e e nba n dt 量l er o t a c i n g s p e e do f 廿1 ec 脚 i l 【 硕士学位论文 式中硝程；卜曲轴转速。 2 3 3 气阀的结构改进 在立式往复真空泵中，气阀是最为重要的部件之一，它对真空泵运转的可 靠性、经济性有着很大的影响。目前往复真空泵的气阀多采用环状耐3 8 ，3 9 1 。 ( 1 ) 环状阀的设计特点 1 ) 真空度 影响往复真空泵真空度的因素很多，对气阀而言，气阀的阻力降，气阀气 道所形成的余隙容积，都会影响往复泵的真空度。吸、排气阀的压力降愈大， 气缸的容积系数就愈小，泵的真空度就愈低。特别是吸气阀的压力降对往复泵 的真空度影响最大。因此，在设计气阀时，设计了超薄形的气阀，尽可能的减 少气阀中的余隙容积，另外，在设计气阀弹簧时，尽可能设计小的弹簧力，使 吸排气阀容易开启，提高泵的真空度。 2 ) 能耗 往复真空泵吸排气阀的阻力损失愈大，则真空泵的能耗愈大，降低气阀阻 力损失的方法：一是保证气阀能及时启闭和弹簧有足够强度的情况下，尽可能 取小的弹簧力；二是在气阀能安装，不产生偏置的情况下，尽可能取小的气息 速率g ：三是在能安放弹簧的情况下，尽可能设计薄形的阀座和升程限制器， 本设计中阀座和升程限制器的厚度都是1 2 m m 。 3 ) 气阀寿命 影响气阀寿命的因素有弹簧的材质、热处理的质量；阀片和阀座接触面的 硬度、表面粗糙度、装配精度等。本设计中，阀座和升程限制器的材料均为 h 他o o ，阀片材料为5 0 c 州a 。由参考文献 6 1 阀片升程办丢6 ：丢1 0 ：5 ，6 为 实际通道宽，取槲n u n 。由于往复真空泵转速低，气阀弹簧小，阀片也较薄， 阀片升程办取高些，不会产生严重撞击，且可使阀隙气速降低。 ( 2 ) 气阀的布置 设计中气阀为轴向分布，减小了余隙，提高了真空度。气阀轴向布置，增 加了气缸冷却水的冷却面积，所以改善了冷却效果，气体压缩过程温度升高不 超过1 0 ，接近等温压缩，减小压缩功率，降低了功耗。 1 8 第二章立式往复真空泵的结构改进 气阀分别安装在气缸盖和填料箱上，若气缸左侧上下各装一个排气阀，则 为单缸双作用单级立式往复式真空泵，若气缸左侧上部装有吸气阀，下部为排 气阀，气缸右侧上部排气阀，下部装有吸气阀( 上、下不流通) ，则为单缸双作 用二级泵。 ( 3 ) 气阀的弹簧力的设计 如图2 7 所示，可以了解气阀的结构。 首先，以往复真空泵的吸气气阀为例，讨论气阀阀片的运动规律。当活塞 运动到一定位置时，气阀两侧