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LZG-30单头螺杆型干式真空泵的建模与仿真【8张图纸】【优秀】【word说明书+CAD全套设计】

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x0052 lzg 30 螺杆 型干式 真空泵 建模 仿真
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LZG-30单头螺杆干式真空泵的建模与仿真

摘要

本文的研究对象,螺杆型干式真空泵,吸入腔没有任何工作液,保证了空间用泵无污染;没有油蒸汽排放,保证清洁的外部环境。由于转子齿面之间有间隙,因而可以抽除含有灰尘或腐蚀性的有毒气体。本课题主要集中在以下几个方面:基本原理的干式螺杆真空泵,阴阳转子螺杆型线的研究,螺旋型面线是单边等螺距型线,演绎数学的计算,建立几何模型面型线方程推导,然后螺旋齿面方程推导。几何特征研究等。

设计完成后应用solidworks软件做运动仿真对真空泵转子做三维建模,并且模拟转子运动展示其工作过程.


关键词:干式螺杆真空泵 转子 型线 三维建模 运动仿真


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


目  录


绪  论1

1  螺杆型干式真空泵的概述2

1.1 课题背景及研究意义2

1.2 螺杆真空泵在国内外的研究现状与发展方向4

1.3 论文包括的主要内容5

1.4 论文的组织结构6

2  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 单头等螺距矩形螺纹转子型线8

2.2.1转子型线要素8

2.2.2转子型线设计原则9

2.2.3转子螺旋齿面方程10

3  螺杆干式真空泵工作原理12

3.1 吸气过程12

3.2 压缩过程12

3.3 排气过程13

4  螺杆干式真空泵设计计算14

4.1螺杆基本尺寸14

4.2排气量16

4.2.1理论排气量16

4.2.2实际排气量17

4.3进排气孔口18

4.3.1轴向进气口18

4.3.2轴向排气口19

4.4极限真空度、功率及冷却水量19

4.5轴的强度计算20

4.6同步齿轮的设计计算20

4.6.1齿轮尺寸计算21

4.6.2齿轮强度校核21

5  单头螺杆干式真空泵的应用22

5.1 应用范围22

5.2 抽气原理与结构22

6 三维建模与运动仿真23

6.1 SolidWorks介绍23

6.2 转子三维建模24

6.3 转子运动仿真26

结  论27

参考文献28

致  谢29

4

4



内容简介：
Study on the performance prediction of screw vacuum pumpAbstractPumping characteristics of the screw vacuum pump were investigated. The aim of this study was to establish a method of the performance prediction and a way to design the pump that satisfies specific requirements. The performance was analysed by the balance among geometrical pumping speed, net throughput and leaks. The leaks flow through clearances between a screw rotor and a stator, and clearances between two meshing rotors. These leaks were estimated with the results based on the linearised BGK model and the flows through ideal labyrinthes. Experiments were carried out by rotors of 120mm diameter, and pumping speed and ultimate pressure were measured. The comparison between the measurements and the predicted values shows that the present method predicts the performance of the screw pump with a sufficient accuracy for practical applications1. IntroductionIn recent years, screw vacuum pumps have become noticed, since the structure of the pump is simple and liquids or solids are hard to accumulate when sucked with gas or are condensed or solidified in the pump. An analytical model of screw vacuum pump will be useful to design a pump that satisfies specific requirements and to predict pumping characteristics under conditions which differ from the condition designed for. So, we propose an analytical model for the screw vacuum pump. 2. Outline of analytical modellingFig. 1 shows a pair of meshing rotors of the screw vacuum pump. The volume enclosed by a groove of screw, a crest of thread of another rotor and a stator traps gas and transfers it from inlet side to outlet side as the rotors rotate. The model is built by the balance among geometrical pumping speed, net throughput and leaks. Display Full Size version of this image (7K)Fig. 1. Configuration of the meshing rotors of screw vacuum pump. 2.1. Path of leaks inside the screw vacuum pumpThere are three kinds of clearances inside the screw pump, i.e. the clearance between rotor and stator O, the radial clearance between rotors I, and the axial clearance between rotors . In the case of single thread, paths of leaks which come into or out of the third transfer volume (appearing in Fig. 2A) for example, are as follows. Display Full Size version of this image (11K)Fig. 2. Clearance and flowing path of leak: (A) development of a pair of screws; (B) axial clearances. The leak through the axial clearance is considered as a superposition of the major component (represented by the straight arrow in Fig. 2B) and minor component (curved arrow). 2.2. Evaluating method of the leaksWe evaluate the leaks by a compound method. The method is compounded of the flow rate derived from BGK equations and diffuse reflections, and the flow rate of ideal labyrinthes. The leak through the clearance between rotor and stator, and the leak through the axial clearance between rotors are both given in the following form(1)and the leak through the radial clearance between rotors is given by(2)where MP is the mass flow rate of Poiseuille flow between parallel plates, MS mass flow rate through a slit, MC mass flow rate of Couette flow between parallel plates, MRp mass flow rate through a gap between two cylinders induced by pressure difference, MRr mass flow rate through a gap between two cylinders induced by rotation of the cylinders and ML mass flow rate of ideal labyrinthes. We obtained precise information on MP and MS from the studies of Hasegawa and Sone, and Sone and Itakura 3 and 6, respectively. MC is determined by the fact that the dimensionless flow rate equals a half, because of the anti-symmetry of the velocity. MRp and MRr are determined by(3)MRr=IUQRr(4)where RC=1/(1/R1+1/R2), U=(R1+R2). QRp and QRr are obtained by solving the MGL equation 1 by parabolic film approximation 2. The results are shown in Fig. 3. Display Full Size version of this image (4K)Fig. 3. Nondimensional mass flux through the gap between a cylinder and a plane. The axial clearance has a non-uniform gap, as shown in Fig. 4, then we define mean or representative quantity to apply the above evaluation methods. For example,(5)defines mean square clearance, where SM is the area of lens-like domain appearing in Fig. 4. The other definitions appear in the studies of Ohbayashi et al. 4 and 5. Display Full Size version of this image (3K)Fig. 4. Contour of the gap width of the axial clearance. 2.3. Pumping characteristicsAssuming that the pressure changes isothermally, the pressure pi in the ith transfer volume is represented by(6)where V is the volume of one transfer volume, MO leak rate through O, MI leak rate through I, MMb major component of the leak through , MMc minor component of the leak through via the minimum gap and iO,iI,iMb,iMc represent the differences between the number of upstream and downstream transfer volumes corresponding to the clearance or path indexed by subscript. Balance among geometrical pumping speed, net throughput and leaks leads to(7)where Tc represents one cycle of periodic pressure change. In the case that the screws are single threaded, Tc equals /, because the ith transfer volume comes to the (i+1)th position after half rotation. (6) and (7) can be solved under the following periodic condition:pit=0=pi1t=Tc, (i=1,2,3,nm)(8)3. ExperimentExperiments are carried out with a screw vacuum pump whose dimensions are shown in Table 1. Fig. 5a shows the comparison between measurements and analytical predictions relating to pumping speed. Fig. 5b shows the comparison relating to ultimate pressure as a function of rotating speed. The measurements and the predictions for ultimate pressure and pumping speed in the inlet pressure over the 100Pa range are well agreed. Table 1. Dimensions of an experimental screw vacuum pump Display Full Size version of this image (10K)Fig. 5. Comparison between experimental results and analytical predictions: (a) pumping speed vs. inlet pressure; (b) ultimate pressure vs. rotation speed. 4. ConclusionsThe conclusions are summarised as follows: 1. the screw vacuum pump was analysed, and the analytical model of its pumping characteristics was proposed;2. the analytical model was verified through the experiments. This model has satisfying accuracy for practical applications.References1. S. Fukui, R. Kaneko, Molecular gas film lubrication, in: Handbook of Micro/Nanotribology, CRC Press, Florida, 1995, Chapter 13, pp. 559604. 2. W.A. Gross, L.A. Matsch, V. Castelli, Fluid Film Lubrication, Wiley, New York, 1980. 3. M. Hasegawa and Y. Sone. Phys. Fluids A 3 3 (1991), pp. 466477. Full Text via CrossRef 4. T. Ohbayashi, T. Sawada and M. Hamaguchi. Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. B 64 621 (1998), pp. 14191425. 5. T. Ohbayashi, T. Sawada, H. Miyamura, Study on the screw vacuum pump with two piecewise constant lead angles, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. B 65 (637) (1999) 30483053. 6. Y. Sone and E. Itakura. J. Vac. Soc. Jpn. 33 3 (1990), pp. 9294. 毕业设计(论文)外文资料翻译系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计自造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 外文出处： 万方数据库 附 件： 1. 原文； 2. 译文 2011年06月螺杆真空泵的性能预测的研究 摘要调查螺杆真空泵的抽泵特性。该研究的目标是开创性能预测的一个方法和一种使设计满足特定需求的泵的方式。 我们平衡分析了在几何学的抽泵速度、净通过量和渗漏量之中的性能。 渗漏流过一个螺杆转子和一个定子、以及在二个啮合转子之间的间隙。 这些漏洞与流过标准的迷宫以被使线性化的 BGK 模型为基础的结果一起估计。我们以 120 毫米直径的转子为实验对象, 测量了抽泵速度和极限压力。 测量值和预测值之间的比较显示了当前的方法对在实际应用中螺杆泵的表现的高效准确的预测。 1. 引言近几年来，螺杆真空泵已经越来越受到重视, 在泵中伴随着气体抽吸或者被浓缩或凝固时，因为泵的结构很简单，液体或气体难于积累。一个螺杆真空泵的分析模型将会对设计满足特定要求的泵提供帮助，而且可以预测在为不同情况而设计的抽泵特性。 因此, 我们为螺杆真空泵计划一个分析的模型。2. 分析模型的概要图 1 表示一对啮合的螺杆真空泵的转子。容积被螺纹槽封闭, 当转子替换的時候，另一个转子和一个定子的齿顶分离气体并从入口侧到出口侧转移气体。 建造模型要在几何抽泵速度之和净通过量净渗透量之间平衡。显示原尺寸这一个图像的版本 图 1. 螺杆真空泵的啮合转子的结构。2.1. 在螺杆真空泵内的渗漏的路径在螺杆泵内有三种类型的间隙, 也就是转子和定子之间的间隙O, 转子之间的径向间隙I, 和转子之间的轴向间隙。 在单线螺纹的情况, 进入或者从第三个转移空间溢出的渗漏路径(在图 2 A 出现) ，举例如下。显示原尺寸这一个图像的版本 图 2. 间隙和渗漏的流动路径: (A) 一对螺纹的转变; (B) 轴向间隙。 渗漏经过轴向间隙被认为是主要部分 (由直箭头，在图2B)和次要部分 (弧形箭头)的一个叠加。2.2. 评估渗漏的方法我们以一个复合方法评估渗漏。该方法派生于理想迷宫的流程率和 BGK 方程式流程率及漫反射。经过转子和定子之间间隙和经过转子之间的轴向间隙的漏洞, 两者都服从于下表的公式(1)而渗漏经过转子之间的径向间隙由下面公式给出(2)其中MP是平行板之间的泊素叶流质量流率，MS是通过一个狭缝质量流率，MC是平行板之间的库爱特流质量流率，由于压力不同两个滚筒之间的质量流率是MRp，由于转子的转动两个转子之间的质量流率是MRr，和ML是理想迷宫的质流率。我们分别地根据长谷川和宋以及宋和板仓第3和第6的研究得到对MP及MS确切的信息。MC是由这样一个事实决定，即由于速度的反对称性无穷小的流量率等于一半。 MRp和MRr由下面的公式确定(3)MRr=IUQRr(4)因为 RC=1/(1/R1+1/R2), U=(R1+R2)。 QRp 和QRr 藉由抛物线薄膜近似值 2 的 MGL 等式1 被获得。 结果在图 3 被显示。 显示原尺寸这一个图像的版本图 3.无因次质量流量通过一个圆柱和一个平面的缝隙。轴向间隙有一个非均匀的差距，如图 4所示 ，然后我们定义平均值或其代表的数量，适用上述评价方法。举例来说，(5)定义 SM 是在图 4 出现的像透镜功能区域的平均方型间隙。 其他定义在大林隆之介等人 4 和 5 的研究出现。显示原尺寸这一个图像的版本 图 4. 轴向间隙的宽度轮廓。2.3. 抽泵特性假定压力等温地改变, 在第i个转移体积的压力 pi由下面的公式表示(6)如果 V 是一转移体积的量, MO 渗漏率经过O，MI渗漏率经过I, MMb 渗漏主要成份经过, MMc 渗漏的较小成份经过经由最小的缝隙并且iO,iI,iMb,iMc 代表上一个和下一个转换容器的数字之间的差别，而这些数字对应于通过标记而编入索引的间隙或路径。平衡各方面的几何抽速，净流量和泄漏导致(7)即TC代表一个周期的周期性压力变化。在发生这种情况：螺丝是单线的，则TC等于 / ，因为经过了一半的循环第i个转换容器到了第i+1个位置上。（ 6 ）及（ 7 ）可以按照下列周期条件解决：pit=0=pi1t=Tc, (i=1,2,3,nm)(8)3. 实验以螺杆式真空泵进行了实验，其尺寸列在表1 。图 5A条表明了有关抽泵速度的对比测量和分析预测。图B表明关于极限压力作为一个转速的函数比较。最终的压力和抽速的测量结果与预测值，在进口压力在超过100帕的范围都是可以调节的。表 1. 实验螺杆真空泵的尺寸显示原尺寸这一个图像的版本 图 5. 实验的结果和分析的预测之间的比较: (一) 抽泵速度和插入物压力比较; (b) 终极的压力和旋转速度比较。4. 结论结论归纳如下： 1 。对螺杆式真空泵进行了分析，并提出了抽泵特性的分析模型; 2 。通过实验证明了分析模型的正确性。这种模式有满意的精度，可以为实际应用。参考文献1 。第福井县，传译金子，分子气体膜润滑，在：手册中的微/纳米摩擦学，华润新闻，佛罗里达， 1995年，第13页。 559-604 。 2 。华总，香格里拉近日，五城堡，油膜润滑，出版社，纽约， 1980年。 3 。米长谷川和Y.玫瑰。体育课。流体3 3 （ 1991 ） ，页。 466-477 。全文途经crossref 4 。汤匙ohbayashi ，汤匙，泽及米滨口。跨。日本公布。 SoC的。机械。英文。 b 64621 （ 1998 ） ，页。 1419年至1425年。 5 。汤匙ohbayashi ，汤匙泽，每小时宫，对螺杆式真空泵两个分段常数带头角度，跨。日本公布。 SoC的。机械。英文。 b 65 （ 637 ） （ 1999年） 3048年至3053年。 6 。耀玫瑰和E 。板仓。 j.醋酸乙烯酯。 SoC的。日本公布。 33 3 （ 1990 ） ，页。 92-94 。毕业设计中期报告题目：LGZ-30单头螺杆型干式真空泵的建模和仿真系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013年03月 21日1.设计（论文）进展状况1.1.单头螺杆真空泵整体方案设计1.1.1.确定螺杆型线(即阴阳转子型线)1.1.2.确定螺杆基本尺寸1.1.3.进排气孔口1.1.4.极限真空度、功率 1.2.转子型线选择及其参数转子齿形型线选择的要求如下：1、具有良好的轴向气密件，横向气密性；2、接触线长度应短；3、面积利用系数原则上应大，但面积利用系数选择还与其它的因素有制约，应综合分析；4、减少或避免漏气三角形，这点与型线种类有关；5、转子具有良好的工艺性，它对螺杆更快的发展有重要的意义6。基于以上原则及真空泵行业情况综合考虑，本次设计中转子齿型选用单边非对称齿型。根据设计的要求抽速为30L/S,极限真空度10Pa。,转子参数选取如下：中心距:A=100mm；阳转子齿数:Z1=4；阴转子齿数:Z2=6；阳转子节圆直径:D1=80mm；阴转子节圆直径:D2=120mm；阳转子外径:D1=125.625mm；阴转子外径:D2=125.625mm；转子长度:L=190mm；转子长径比:D/L=1.5(直径为转子公称直径)；阳转子导程:T1=1.8D=225mm(左旋)；阴转子导程:T2=2.7D=337.5mm(右旋)；阳转子扭转角:300；阴转子扭转角:200；面积利用系数:C=0.516；扭角系数:C=0.972；1.3.双螺杆空气泵螺杆尺寸的确定双螺杆泵螺杆尺寸按以下的关系式确定：阳转子节圆直径 d1=D1/（1+h1）阴转子节圆直径 d2=d1/（z2/z1）阳转子根圆直径 Di1=d1/（1-h2）阴转子顶圆直径 De2=d1/（i+h2）阴转子根圆直径 Di2=d1/（i-h1）转子螺杆长度 L=（L/De1）De1中心距 A=0.5（d1+d2）阴转子扭转角 2=1/i阳转子的导程 b1=360L/1阴转子的导程 b2=360L/2阳转子的转速（r/min） n1=60u1/3.14De1阴转子的转速（r/min） n2=n1/i节圆螺旋角 =arctg（b1/2r1）= arctg（b2/2r2）本设计中泵转子螺杆部分的几何尺寸选用标准系列。取阳转子圆周速度u1=30m/s，则阳转子转速n1=60u1/(3.14D1)=6030/(3.140.102)=5620.0824r/min.阴转子转速n2=n1/I=5620.0824/(0.6667)= 8429.7021r/min.1.4.绘制整体装配图图1剖面图图2左视图图3主视图图4俯视图1.5.完成外文翻译1.5.1选择外文文献Study on the performance prediction of screw vacuum pump1.5.2 翻译：螺杆真空泵的性能预测的研究 2.存在问题及解决措施本课题研究的重点在于真空泵的总体设计。难点在于阴阳转子型线的计算与校核。选择总体设计时一般应考虑以下问题： 用方面的问题，如真空泵大小，内部结构，安装环境等 系统要求，如压力和流量的大小、循环周期、操纵控制方式等。 经济性问题，如使用量，购置及更换成本，货源情况及产品质量和信誉等。 尽量采用标准化、通用化及货源条件较好的产品，以缩短制造周期，便于互换和维护。3.后期工作安排3.1.1416周：设计转子结构并进行CAD绘图。3.2.1718周：整理资料、撰写毕业论文、准备答辩。指导教师签字： 年 月 日 7毕业设计(论文)开题报告题目：LZG-30单头螺杆型干式真空泵的建模和仿真系 别 机电系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年12月18日- 1. 毕业设计综述（一）：课题研究的目的和意义随着科学技术的发展，真空技术越来越广泛的应用在国民经济的各个领域之中。真空技术的应用，必须以性能优良的真空泵为前提。随着高新技术尤其是IT行业的飞速发展，给真空行业也拓展了更为宽阔的发展空间。同时对清洁的、环保的、无油的真空获得设备需求越来越大，无油真空泵的市场前景也越来越好。国外无油螺杆泵以被广泛应用，国内还处于研制阶段，因此国内无油螺杆真空泵具有广泛的发展潜力和市场。总体来说，通过本课题我们可以对螺杆型真空泵的设计、发展趋势以及各种相关的基本原则做出更详细的分析和判断。（二）：课题研究的背景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10-2Pa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。螺杆式真空泵特点如下：2 可靠性高。螺杆式干式真空泵零件部件少，没有易损件，因此他运转可靠寿命长。操作维护方便动力平衡性好。螺杆式真空泵没有不平衡的惯性力，机器平稳地高速运行。适应性强。螺杆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影响。多项混输。由于螺杆式真空泵转子齿面留有微小间隙，因而可抽除腐蚀性、有毒、含有粉尘、可凝性蒸汽等多种气体。然而我国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，所以应用并不广泛，造成这一现象的主要原因由于螺杆转子型线比较复杂，加工难度大，需用特制刀具在专用机床上进行加工，另外，对螺杆干式真空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CAD制程。在核工业中用于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物及其药物中间体，为人造器官生产提供清洁无菌条件；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。且干泵的种类很多，目前已开发出来的有爪型泵、涡旋泵、往复活塞泵、螺旋泵等。（三）：国内外研究现状及发展趋势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春笋般迅速发展起来，其中日本、美国、法国、德国最为先进。美国Varain公司生产的DVP系列产品，其真空度可达到10-2Pa,这是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是世界上第一台真正意义上的干式真空泵，他能满足流程工业中最苛刻的要求，该产品荣获“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密封以保持良好性能，他们同时也是无油真空泵的典型产品。3国外关于螺杆干式真空泵研究有许多内容。英国Rietschle有限公司根据螺杆式压缩机原理设计出了一种双螺杆式真空泵，采用了许多新技术，并已形成批量生产，该公司已成为时间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型螺杆式真空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年推出了表明经过特殊强化的螺杆型真空泵系列，可以抵抗目前已知的绝大多数活泼气体的腐蚀。全球领先的真空和尾气处理技术的生产厂商Edwards公司发布一系列在苛刻的化学、石化和制药工艺过程中提供出色真空性能的全新干泵设备。易于使用的CXS泵采用尖端的锥形螺杆技术，具有卓越的可靠性，而且安装简单、环保并提供改进的液体和固体处理能力。因此，这些设备的运行成本符合经济原则，且用户可以优化其真空工艺，并最大限度地降低总体购置成本。4另外还有其他一些文献对螺杆型真空泵的性能方面进行了较多的研究。国内，有关螺杆型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5，并申请了专利，但是并未见有成品报道。我国在螺杆转子型线设计方面很欠缺，生产泵的自动化程度不高，精度也不高，只能依赖进口。2. 本课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法或措施与螺杆式压缩机类似， 如下图所示：螺杆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通的工作循环，现在以一齿来说明。吸气过程螺杆真空泵的吸气过程。阳转子逆时针方向旋转，阴转子按顺时针方向旋转。下方转子端面是吸气端面，上为排气端面。吸气过程即将开始的转子位置。在这一刻，这一对转子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形成了齿间容积，这个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。在随后的转子旋转过程中，阳转子齿的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔保持连通。吸气过程结束时，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。齿间容积在此位置与吸气孔口断开，吸气过程结束。压缩过程螺杆泵的压缩过程。转子于端面是排气端面。在这里，阳转子沿顺时针方向旋转，阴转子沿逆时针方向旋转。下方端面为吸气端面，上方为排气端面。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，齿间容积由于转子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，压缩过程可一直持续到齿间容积即将于排气孔口连通之前。排气过程 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。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。 从上述工作原理可看出，螺杆型干式真空泵是一种工作容积作用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做回转运动来达到的。他的工作容积在周期性扩大和缩小的同时，其空间位置也在变更。 两转子示意图3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作1. 确定螺杆转子参数，计算极限真空度，设计螺杆结构。2. 拟定真空泵的装配图。3. 根据上述问题提出多种可能的设计方案，对各方案进行评价优选获得最佳设计方案。结合设计方案，进行相关分析、计算，包括关键零件或结构的计算、校核，确定主要零部件的结构；绘制出装配图，根据装配图，拆画主要零件的零件图。4. 完成本课题的工作方案及进度计划 进度安排（1）调研、收集资料并完成开题报告-3周 ；（2）熟悉Pro-e设计开发工具和确定总体设计方案-4周；（3）LGZ-30单头螺杆型干式真空泵及结构方案详细设计并完善-4周； （4）完成外文翻译、中期报告-1周； 5）设计计算并完成零件图、装配图-3周；（6）整理资料、撰写毕业论文、准备答辩-2周。5指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日6.所在系审查意见 系主管领导： 年 月 日 参考文献 1 董铺.干泵.21世纪照耀真空工业的新星J,真空，1997 2 徐成海等，干式螺杆机械真空泵及其应用J，真空电子技术，2002 3 江浩，新取真空技术-干式真空泵，通用机械，2003年第9期 4 创新的化学干式真空泵，中国科学仪器网编辑，2011年12月21日 5 周宝洪，干式螺杆真空泵的螺杆设计与计算，真空，2001年6月第3期 6 何云信. 容积式真空泵结构形式的探讨. 广西大学， 2002.（02） 7 王鑫. 螺杆型干式真空泵参数化软件的开发. 东北大学， 2002.（02） 8 李锦云，杜经民，李宝仁. 基于真空泵的正负压连续控制系统. 2005. (12) 9 江浩. 新型真空技术干式真空泵. 通用机械， 2003.（09） 10 王宝民. 真空泵运行优化的探究. 华北电力技术, 2010. (08) 11 姜燮昌. 真空泵的计算. 通用机械， 2005.（02） 12 谌乾坤. 干式真空泵的优化选择. 集成电路应用, 2004. 07 13 Kisu Im.Screw Vacuum Pump. UK Patent Application,2,292,589 . 1996 14 Masashi Yoshimura.Vacuum Pump. US Patent,US2004/0258551A1. 2004 15 M. H. Hablanian.The emerging technologies of oil-free vacuum pumps, J. Vae.Sci.Technol.A. 1988- 6本科毕业设计(论文)题目：LZG-30单头螺杆型干式真空泵的建模与仿真系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 导 师 ： 2013年05月 06日LZG-30单头螺杆干式真空泵的建模与仿真摘要本文的研究对象,螺杆型干式真空泵,吸入腔没有任何工作液,保证了空间用泵无污染;没有油蒸汽排放,保证清洁的外部环境。由于转子齿面之间有间隙,因而可以抽除含有灰尘或腐蚀性的有毒气体。本课题主要集中在以下几个方面:基本原理的干式螺杆真空泵,阴阳转子螺杆型线的研究,螺旋型面线是单边等螺距型线,演绎数学的计算,建立几何模型面型线方程推导,然后螺旋齿面方程推导。几何特征研究等。设计完成后应用solidworks软件做运动仿真对真空泵转子做三维建模,并且模拟转子运动展示其工作过程. 关键词:干式螺杆真空泵 转子 型线 三维建模 运动仿真ModelingandSimulationof LGZ-30singlescrewdryvacuumpumpAbstractThe 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 modelingMotion simulation 目 录绪 论11 螺杆型干式真空泵的概述21.1 课题背景及研究意义21.2 螺杆真空泵在国内外的研究现状与发展方向41.3 论文包括的主要内容51.4 论文的组织结构62 螺杆干式真空泵转子型线的研究72.1 常见转子型线比较72.2 单头等螺距矩形螺纹转子型线82.2.1转子型线要素82.2.2转子型线设计原则92.2.3转子螺旋齿面方程103 螺杆干式真空泵工作原理123.1 吸气过程123.2 压缩过程123.3 排气过程134 螺杆干式真空泵设计计算144.1螺杆基本尺寸144.2排气量164.2.1理论排气量164.2.2实际排气量174.3进排气孔口184.3.1轴向进气口184.3.2轴向排气口194.4极限真空度、功率及冷却水量194.5轴的强度计算204.6同步齿轮的设计计算204.6.1齿轮尺寸计算214.6.2齿轮强度校核215 单头螺杆干式真空泵的应用225.1 应用范围225.2 抽气原理与结构226 三维建模与运动仿真236.1 SolidWorks介绍236.2 转子三维建模246.3 转子运动仿真26结 论27参考文献28致 谢29V绪 论绪 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。11 螺杆型干式真空泵的概述1 螺杆型干式真空泵的概述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10Pa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。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1.1是几种典型的干泵性能的比较.2毕业设计（论文）表1.1几种典型的干泵性能的比较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3625300.5易发热，需冷却爪形3425500.5加工、装配有难度活塞型4152515201.3怕抽带颗粒的气体涡旋型12202000.2间隙小、难装调螺旋型1220301000.7间隙小、转速高旋片型2152010150.07怕抽带颗粒的气体螺杆型21520601.3加工比较困难涡轮型多级串联2030000.01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3收气体消毒剂;食品工业中用于香料、香精浓缩，食品包装等。应用范围广泛。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。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4毕业设计（论文）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。随着科学技术的发展，真空技术越来越广泛的应用在国民经济的各个领域之中。真空技术的应用，必须以性能优良的真空泵为前提。随着高新技术尤其是IT行业的飞速发展，给真空行业也拓展了更为宽阔的发展空间。同时对清洁的、环保的、无油的真空获得设备需求越来越大，无油真空泵的市场前景也越来越好。国外无油螺杆泵以被广泛应用，国内还处于研制阶段，因此国内无油螺杆真空泵具有广泛的发展潜力和市场。总体来说，通过本论文我们可以对螺杆型真空泵的设计、发展趋势以及各种相关的基本原则做出更详细的分析和判断。1.3论文题包括的主要内容a 确定单头螺杆转子参数，计算转子尺寸，计算转子在工作循环中各阶段的压力、流量和功率使用值。b 拟定整体装配图。c 根据上述问题提出多种可能的设计方案，对各方案进行评价优选获得最佳设计方案。结合设计方案，进行相关分析、计算，包括关键零件或结构的计算、校核，确定主要零部件的结构；绘制出装配图，根据装配图，拆画主要零件的零件图。d. 绘制阴阳转子三维图，进行转子运动仿真51.4论文的组织结构本论文的组织结构如下：第一章：介绍关于单头螺杆干式真空泵的开发背景、开发意义以及课题包括的主要内容。第二章：单头螺杆干式真空泵转子型线的研究第三章：单头螺杆干式真空泵的工作原理第四章：螺杆干式真空泵设计计算第五章：真空泵的应用。第六章：总结62 螺杆干式真空泵转子型线的研究2 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7毕业设计（论文）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，单头等螺距型线适用面最广。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 单头等螺距矩形螺纹转子型线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8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。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9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转子螺旋齿面方程图 2.1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10 ，或以矢量式来表达。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2.1所示，转子型线的某一组成齿曲线c的参数方程为: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，相应的右旋螺旋面(阳转子齿面)方程为 （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c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。假定转子的有效工作段长度为L，则，设计时取同理可得左旋螺旋面(阴转子齿面)的方程为（2.2）113 螺杆干式真空泵工作原理3 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。图3.1等螺距矩形阴阳转子示意图3.1 吸气过程螺杆真空泵的吸气过程。阳转子逆时针方向旋转，阴转子按顺时针方向旋转。下方转子端面是吸气端面，上为排气端面。吸气过程即将开始的转子位置。在这一刻，这一对转子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形成了齿间容积，这个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。在随后的转子旋转过程中，阳转子齿的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔保持连通。吸气过程结束时，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。齿间容积在此位置与吸气孔口断开，吸气过程结束。3.2 压缩过程螺杆泵的压缩过程。转子于端面是排气端面。在这里，阳转子沿顺时针方向12毕业设计（论文）旋转，阴转子沿逆时针方向旋转。下方端面为吸气端面，上方为排气端面。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，齿间容积由于转子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，压缩过程可一直持续到齿间容积即将于排气孔口连通之前。3.3 排气过程螺杆泵的排气过程。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。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。从上述工作原理可看出，螺杆型干式真空泵是一种工作容积作用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做回转运动来达到的。他的工作容积在周期性扩大和缩小的同时，其空间位置也在变更。134 螺杆干式真空泵设计计算4 螺杆干式真空泵设计计算4.1螺杆基本尺寸螺杆真空泵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30L/S。初选螺杆的公称直径=125mm。型线选择单头等螺距矩形型线，阳转子与阴转子齿数比选1：1。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长径比0.91.01.121.181.321.50阳转子扭角243270302.4236264300阴转子扭角162180201.6157.3176200 长径比 扭角 指常用的齿数比为1：1时按表4.1选择长导程长径比=1.50 阳转子扭角= 阴转子扭角=中心距 =0.8125=90mm阳转子工作长度 =1.5125=360mm阳转子节圆 =0.64125=120mm阴转子节圆 =0.96125=120mm齿高半径 r=0.205=0.205125=25.625mm14毕业设计（论文）阳转子实际外径 =1.05=1.05114=120mm阴转子实际外径 =120mm根据以上计算数据，绘制出螺杆的端面图 图4.1 以及转子的三维图和两转子的运动仿真 图4.2图4.3图4.4(动态截图)图4.1螺杆端面型线图4.2螺杆转子三维图(主动转子)15图4.3转子三维图(从动转子)图4.4转子仿真(动态截图)4.2排气量4.2.1理论排气量 (4.1) 式中16阳转子转速 3000阳转子公称直径 0.120m阳转子工作长度0.360m面积利用系数选取为0.521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1.000.9890.971根据公式(4.1)计算理论排气量=0.9710.52130000.3600.1200.120=7.874.2.2实际排气量 (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0.550.800.750.90不对称型线0.600.850.650.95选取=0.809则按式(4.2)实际排气17=0.8097.87=6.44.3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（4.3）式中 阳转子齿数 阳转子扭角 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=4 =300=35带入式（4.3）计算得=267.54.3.1.2阴转子轴向进气口 （4.4）式中阴转子的轴向端面进气口传动比因扭角较大引起的进气不足的修正，取=2030由式（4.4）计算得=200184.3.2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 （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=1384.3.2.2阴转子轴向排气口 （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SS50SS120SS200SS300SS600WSS1200W抽速L/s12223566140230极限真空 Pa2.662.662.662.660.060.06水冷量 L/Min333755电机功率 Kw345.57.58819电机选取 Y系列三相异步电机Y 132S200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4.4查得其许用扭转切应力=40MPa。按扭转强度估算轴的最小直径 （4.7） = =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。204.6.1齿轮尺寸计算中心距 a=100传动比 =3：2模数 初步选为3齿数初定为 =26，=39。螺旋角（4.8）= =125020815故模数确定为=3，齿数确定为=26，=39。4.6.2齿轮强度校核齿轮材料采用20Cr渗碳淬火，齿面硬度59HRC，查得=1500Mpa，取安全系数=1.2，则=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=0.2。小齿轮上的转矩验算齿面接触强度=379.0MPa，安全。215 真空泵的应用5 单头螺杆干式真空泵的应用5.1 应用范围单头螺杆干式真空泵，可以广泛用于冰箱、空调机、灯泡、日光灯、瓶胆生产和电子、冶金、医药、化工、滤油机、印刷机械、包装机等工业，可作为扩散泵、罗茨泵、分子泵等的前级泵，供电子仪器、医疗仪器等配套和实验研究应用。由于直联泵没有皮带摩擦的粉尘的污染，体积小、重量轻、材料节约、功能日趋完善，更
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