S-400螺杆真空泵设计--论文解析

1、目录中文摘要1英文摘要21 绪论31.1 .课题背景及研究意义31.2 课题研究方向32螺杆干式真空泵的设计52.1 转子的设计52.2 转子尺寸计算72.3 腔体的设计82.4 齿轮的设计82.5 气道的设计92.6 轴承的设计102.7 密封件的设计112.8 电机的选择113参数计算133.1 排气量13理论排气量133.1.1 实际排气量133.2 轴的强度计算143.3 极限真空度、功率及冷却水量144转子温度场有限元分析164.1 ANSYS中有限元的计算方法164.2 转子温度场的有限元计算16建立数学模型164.2.1 实体几何模型18网格划分18总结22致谢23参考文献23S

2、-400螺杆真空泵设计摘要：近年来，随着科技的发展，干泵的需求越来越大。本文介绍的螺杆干式真空泵具有一系列的优点。1,抽气腔内无任何工作液，可输送高粘度的物质；2,无油蒸汽排放，保证了外部环境的清洁；3,由于转子之间留有间隙，所以能用于烟尘，侵蚀性，有害的气体本次干式螺杆泵设计要点是转子，气道结构和密封系统口。关键词：干式真空泵；螺杆；吸气；排气Abstract：Recently,thegrowingdemandfordrypumpwiththedevelopmentofscienceandtechnologyThisarticledescribesthescrewdryvacuumpumpw

3、ithaseriesofadvantages1,Thereisnooperatingfluidintheextractingchamber,itcandeliverhigh-viscositymaterial.2,Thereisnooilvapouroutlet,itcanguaranteeoutsideclean.3,Itcanextractgascontainingdust,corrosivity,andpoison,becauseithassmallgapbetweentoothfaceofmaleandfemalerotors.Themainfactorsforthisdryscrew

4、vacuumpumpdesignarerotors,airwaystuctureandsealingsystem.Keywords:dry(oil-free)vacuumpump；screw；inlet；outlet1绪论泵的发展有接近110年的历史了，随着科技的发展，泵的种类也在飞速多元化，从最初的旋片泵到具有抽高真空能力的罗茨泵，螺杆泵，仿佛一切都是来的那么突然又有条不紊。21世纪的今天，科学技术对真空泵的要求一步步的提高。比如抽真空能力的提高，对抽真空清洁度的要求更加苛刻，对抽气速率要求逐渐提高。在科研领域，比如食品工业、医疗、化学等行业，传统的有油泵很难满足要求，因为有油真空泵会带来污

5、染，很可能危害人体健康，而干泵具有可以实现零污染的优点，因而干泵将占据着越来越重要的市场地位101.1课题背景及研究意义-2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。干泵的排气端直接与大气接触，工作时连续向外部排气。对于被抽真空的对象不能含有任何液体环境。干泵的种类已经发展的比较繁多，本文是只对于螺杆式真空泵进行设计研究。据我查阅资料，整理总结出螺杆式泵特点如下：抽速高，在抽真空压力范围内保持较高的抽速。 零部件较少，而且几乎没有易损坏零件，因而可靠性较高。 适应性强，转子留在两齿表面之间的间隙小，从而可以抽腐蚀性，有毒，含有灰尘，冷凝的蒸汽和其他气体。操作维护方便1.2课题

6、研究方向螺杆泵在国内依然停留在发展时期，主要原因有是国内很少有自主的大型螺杆泵企业，前景不甚明朗。而且国内企业的普遍特点是加工精度太低，难以达到标准，依靠进口才是一条好路子。但是在十二五建设的大洪流中，不少企业都在走科技创新的新路子，企业攻坚克难，做出国字号的转子型线，应该很快会有自主研发的转子投产。但是前进的道路上还存在不少技术难题，以冷却最为棘手。大多数企业采用的办法是在腔体高压端开环形冷却水槽，但是收效甚微，高温影响依然不容忽视。另外，爱德华公司选择采用在轴上开设冷却水通道，弊病在于工艺复杂难以加工。通过查阅资料我了解到，等螺距螺杆泵功耗大，原因在于只排气不进行压缩；变螺距螺杆泵边功耗大

7、大缩小，设计的成功之处在于可以边压缩边排气，排气口温度顺理成章的变低了不少。所以气冷极有可能发展为未来的主流。依照目前的科技发展实力，依然存在不少问题亟待解决。1,抽取腐蚀性气体时涂层的防腐蚀技术。2,排气温度高，转子利用率低的通病。3,抽取活泼气体时，安全问题令人堪忧。2螺杆干式真空泵的设计2.1 转子的设计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.

8、1螺距型线种类综合考虑各种型线优缺点，本次设计采用的是单头对称圆弧型线图2.2单头对称圆弧型线转子2.1.2螺杆泵工作原理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5L1 .吸气过程以齿间容积最小开始，两螺杆反向旋转，啮合的两齿逐渐脱离啮合从而在其间形成了一定的真空空间，我们称之为齿间容积。随着螺杆的继续旋转，齿间容积步步增大。这部分空间只与吸气口相连，进气口的气体在齿间容积的负压下被倒吸入泵中。吸气过程结束时，齿间容积达到最大值。2 .压缩过程气体被转子齿和泵强密封在一个封闭的空间中，螺杆继续旋转，两齿开始再次啮合，齿间容积不断减小。被上一过程吸进来的气体一直停留在齿间容积中也

9、同时被压缩，压强同时升高。3,排气过程由于螺杆的旋转，齿间容积会在旋转的过程中逐渐往排气口平移，当齿间容积与排气口相连时气体与排气口外部大气连通，螺杆泵开始排气。齿间容积进一步减小，气体在泵腔里被螺杆挤出排气口，同时齿间容积再次归零，循环往复开始下一次吸气过程。由以上三个过程可以看出螺杆式干式真空泵是容积式机械真空泵。转子在泵腔内回转导致齿间容积不断变化，同时齿间容积的变化实现吸气-压缩-排气的过程。这个个流程循环往复，具有周期性。2.2 转子尺寸计算螺杆压缩机转子的推荐公称直径：800mm630mm500mm400mm315mm250mm200mm160mm125mm100mm80mm63m

10、m初选螺杆的公称直径D0=125mm型线选择单头对称圆弧型线，阴转子与阳转子齿数比选6:4。表21同导程、长径比及及扭角Z的关系长径比工扭角指常用的齿数比为密6时.*'五符号短导程长导程导程h4瓦=hy2.7Dq长径比人L01.121.131.321.50阳转子扭角%243270302.4236264300阴转子扭角小-A.162180201.6157.3176200按表2.1选择长导程长径比匕二1.50阳转子扭角4广300；阴转子扭角5二中心距A=0.8DO=0.8Xl25=100mm阳转子工作长度l=xD0=1.5Xl25=187.5mm阳转子节圆D1t=0.64D0=0.64Xl

11、25=80mm阴转子节圆D2t=0.96D0=0.96X125=120mm齿高半径r=0.205D0=0.205义125=25.6mm阳转子实际外径D1=1.05D0=1.05X125=131.25mm阴转子实际外径D2=D2t=120mm腔体的设计图2.3腔体腔体高压端有环形冷却液通道，上面的凹槽里安装冷却水管（含散热板），通冷却水以冷却冷却液，达到更好的冷却效果。腔体端面采用O型圈密封2.3 齿轮的设计i齿轮设计计算中心距a=100mm模数m初步选为3齿数初定为z1=42,z2=63o螺旋角P=arccosmn(Z|")=10.14°2aPe8150满足要求故模数确定为

12、m=3,齿数确定为4=42,Z2=63ii齿轮强度校核材料选用20Cr,热处理是渗碳淬火，处理之后齿轮齿面硬度为59HRC查得仃Hlim1=%lim2=1500Mpa取安全系数Sh=1.2,贝U|._h=r-HJimL=1500/1.2=1250MPaSH齿轮按六级精度制造，载荷系数侬取为1.2,齿宽系数*选为0.2小齿轮上的转矩T1=9.55106P=9.55且5=2.47104N.mmn2900验算齿面接触强度5(1.51)31.22.471041.50.21003二H二H=30=379.0MPaaH，安全图2.4齿轮2.5 气道的设计进气口开在腔体上，通过一斜面打通到吸气端面。排气口开在

13、高压段盖板上，在排气侧装消声器。排气压力为大气压，极限压力大约为1Pa,最大压缩比为105图2.5气道结构图2.6 轴承的设计2.6.1 轴承的选择齿轮端（高压端）由于要承受较大径向力与轴向力，选用两个深沟球轴承并排安装。低压端由于主要承受径向力，选用圆柱滚子轴承。图2.6深沟球轴承（左）和圆柱滚子轴承（右）2.6.2 轴承寿命计算：Lh=/电）n表示轴承转速2900r/minC表示轴承基本额定动载荷，圆柱滚子轴承,C=80.2KN深沟球轴承，C=43.2KNP表小轴承载荷*为指数，对于球轴承，&=3对于滚子轴承，；=3.333计算得，深沟球轴承，Lh1=3707h（取载荷P=10KN

14、）圆柱滚子轴承，Lh1=5934h（取载荷P=10KN）经计算符合要求。2.7 密封件的设计采用骨架密封圈和卡环配合进行密封，然后连接挡油环。盖板与腔体连接处使用O型圈进行密封。图2.8骨架密封环（左）与挡油环（右）2.8 电机的选择采用带法兰盘的电机，选用东元电机，AEVFX解歹I防爆电动机,额定功率7.5KW；转速2900r/min。电压（V）380频率（Hz）50,60防护等级IP54冷却方式IC411周温-15C40C表2.9电机尺寸图2.10BuschAC0400型干式螺杆真空泵表2.2参数表v婪AC2KKLLALBMNPSTMMA4P涯口EEQFGGA11ao11na+v&

15、l和11?QI165ISO#0©TS35iQ40ase1&.5?151>电gXJ4白小l««130aocia34型0aoi73ICKlLABW1斗耳.vraIB34021BBO±»i-*皂.2ttSO3A24I311才Mtf48，Q”。hlFi1ACa；!bcUw2flW*Qia鼻A事7卜门八T&BBB12-7£>IhFI嘈-<£1?0的1士CSB三3c33由10.34jBOSOto33*13Iff7Vfc七”“1百««4*二”-b-if：MC1*fi4flOa口aa&l

16、t;b1&20le>ICiGOtri43aq争”N-111010bauaOnbSMO空g3boIB6bnoK>l*4>20151GOL334311N-T1VI*Q&H,B20344.&idQ2&Cie-b«4aIIOBO12：a/恤一h52016OMC33CHOTI1手ST13.5SO563.S3503DOwo185548HQSO1442.SEl.SX160IMA362第KE0mF3.B2Q5"百3503OCia.65的11。14151.51第三章参数计算排气量3.1.1 理论排气量(3.1)(3.1)23,Vth=CCng

17、Dom/min式中n1阳转子转速2900r/minDo阳转子公称直径0.125ml阳转子工作长度0.1875mCn面积利用率选取为0.521C中一一扭角系数。按表3.1选取C中=0.971表3.1扭角系数参考值3240fl270300C(p1.000.9890.971根据公式(3.1)计算理论排气量2Vth=CCnn1lD0=0.971义0.521义2900X0.1875义0.125义0.125=4.30m3/min3.1.2实际排气量V=Vth'm3/min(3.2)九的值与转子型线、间隙值、转子尺寸、转速有无喷液等因素有关，气值见表3.2表32不同城子型线的排气系数上转子型线无油螺

18、杆喷油螺杆对称型线0,650.900H90不对称型线0,700,950.80-0.95选取九二0.80则按式(3.2)实际排气量V=Vth'=4.45X0.75=3.23m3/min3.2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。根据材料的成本问题和工艺规程，轴材料选取45钢，热处理方式是调制处理由表4.5查得其许用扭转切应力【Tt】=40MPa按扭转强度计算最小直径(4.7),9.55106Pd-30.2l.tIn9.551067.50.24029009.551067.50.2402900=14.6mm为了给轴留有足够的安全系数，计算之后对轴进行10

19、%15的加强，选取直径为35mm=14.6mm为了给轴留有足够的安全系数，计算之后对轴进行10%15的加强，选取直径为35mm3.3极限真空度、功率及冷却水量（表3.3是台湾汉钟PSL型技术参数表）机型DVS-23DVS-37DVS-42DVS-150单位抽气速率223642146L/S80130150500nf/hr1333216725008750L/min表3.3台湾汉钟PSM型技术参数表极限压力-3<7.5X10一一-4<7.5X10Torr_-2<1X10-3w1X10mbar<1<0.1Pa马达功率4668HP2.984.474.475.96KW频率50

20、/60HZ电压220440V口径冷却水进气口NW50ISO100排气口流里NW4037NW4cL/min压力24Kg/m2温度接头1830RC3/8°C氮气压力0.51Kg/m2稀释流量060L/min密封流量连接020Swagelok1/4L/min尺寸LXWH814X380X663895X405X678920X425X650814X380X9083mm重量280300320450Kg噪音<70dB控制界面SEMIE73-0299真空泵最大漏率-51X10Mbar.l/s室温操作范围540°C最大操作湿度90%RH4转子温度场有限元分析4.1 ANSY。有限元的计算

21、方法有限元分析是利用数学近似的方法对真是真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。目前，工程领域内常用数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。4.2 转子温度场的有限元计算螺杆于泵正常运转时，由于转子封在泵腔内做告诉旋转运动，无法直接测量得到转子表面的温度，而转子的热膨胀是影响泵腔内各密封间隙的重要因素，在各种因素中占到80%Z上，故将其作为本次分析主要分析对象61由于在螺杆泵正常运作时，其排气口温度可达到145C,以等温边界来处理显然不合理。这次分析，

22、本人通过前期建立的转子三维模型，对转子的温度场进行研究。4.2.1 建立数学模型4.2.1.1 热传导计算数学模型固定热传导遵循傅里叶定律(4.1)(4.1)q=_，|_gradT式中，qW/m2：热流密度士.gradTC/m：温度梯度?-W/(mL.C):材料导热系数将傅里叶定律和能量守恒定律应用于笛卡尔坐标系下的温度场的计算，就可得到导热微分方程FTft九02T上力T上十丁L*<'rr门。2个2个2PCp<cxcyczJpcp(4.2)式中，T忆：物体的瞬态温度tIs：过程进行的时间Pkg/m3：材料的密度cpJ/(kgUC):材料的定压比热dW/m3:材料的内热源强度

23、无内热源稳态下的导热方程，式(3.2)化简为(4.3)(4.3).：2t；：2t?t十十二.2-2.2一x二y二z4.2.1.2 预处理ANSYS分析本质还是能量守恒原理，也就是：在封闭系统中：Q-W二,；.UKEPE式中：qJ：热量wJ】：做功 u【j：封闭系统内能增量keJ：封闭系统动能增量 peJ：封闭系统势能变化增量传热时：AKE=APE=0,若W=0,贝U：Q=AU；稳态时，Q=ZkU=0,即系统的流入流出热量相等；瞬态时，q=dU,内能变化和流入流出热传递的dt速率相等。螺杆泵运行状态平稳时，由下表可以知道泵不同部位的温度。大致来看，下表列出的泵体各部位温度变化不大，因而可得出结论

24、：对于转子的热分析只要分析稳定状态即可。若系统处在热平衡状态，则有：Q充入+Q生成-Q流出=0系统中任意一节点温度随时间变化量忽略不计。表4.1螺杆干泵温度检测数据（C）间进气口自由端盖自由端木套进气口螺杆外套艇体水套齿怆油箱环境温度排气口阳转子阴转子8:5。3N83943.44143755比831147.69303L838.437.442.S44,S36858.8311412103033.239.637.843.845.436.2583L6149.811:3033439.6效.246.647.436.259.812.415L-412:3034.438.83843.64123660.632.6

25、147.613:3035.642,64L444.646,2M657*633.6146-614:3034.542.84E644.446.440257.634150.415:3034442.841.644.646.239.657.832.6150.616:3035443.fi42.245.646.S4QA57.833.61475矩阵表示的系统能量守恒公式：I.KHt）=0式中：k】：传导矩阵；含有导热，对流和时间等系数；仃：节点温度向量；q：节点热流率向量；利用模型几何参数、材料热性能参数，在ANSYS下可以生成Ik、仃以及Q,以便下一步计算。4.2.2 实体几何模型由上面所述，本次所用模型为PR

26、OE制作的,g型，PROEI成的模型通过ANSYS导入进行处理，根据表面实际情况进行网格的划分。ANSYS单元库有100多种单元类型，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。单元选择十分重要。对于本设计采用三维实体单元。4.2.3 网格划分选定单元类型并确定型函数之后，要确保单元格数量才能描述精度。一般来说，网格和节点数量与最后结果保持正相关。但是，如果网格划分太过稠密，这会导致ANSYS算结果时时间太过冗长，而且不容易保持计算准确度。以下两张是分别对阳，阴转子进行网格划分的结果。1图4.1阳转子网格图图4.2阴转子网格图4.2.4计算结果图4.3阳转子温度场有限元分析TIM

27、3;-1TEMPB5Y5-D=T165MX=仃3目日gFile:DeflktQpWylnANSYSIJUN32013Hl：01图4.4阴转子温度场有限元分析图4.3、图4.4分别为阳转子和阴转子关于热力学温度的非线性分布图，图中颜色的深浅表示温度的高低。宏观来看，从左到右（进气口到排气口）温度逐渐升高，变化近似为线性的。分开来说，把转子按照导程可以分为几个部分：1,进气端第一个导程转子温度由表面的43c递增66C。原因是，在这个导程内处于吸气状态气体由进气口进入螺旋抽气槽，转子齿顶面与被抽气体接触，但在这一导程内只是近似等压的吸气过程，没有做功，齿顶面与气体温度相同。此处转子内部受排气端高温热

28、传导影响温度升高；其后的两个导程转子温度比较均匀，大约为105C,这是因为转子处于泵壁冷水套提供的均匀温度场内，温度变化不打；而最末一个导程内转子温度变化显著，由105c变化到排气口的150C,其原因是：气体传输到转子末一导程时被压缩排出，由于压缩气体做功导致转子温度急剧上升。随着太阳能，半导体，液晶显示器等行业的发展，干式真空泵将迅猛发展，占据也来越重要的市场份额。螺杆泵将在以后有很大的发展潜力，本文阐述了螺杆式干式真空泵的基本原理，对常见的型线进行了分析研究，并对螺杆式干式真空泵的关键数据进行了设计计算。得到以下结论：单头对称圆弧型线加工复杂，国内这类的机床较少，但该型线作出的转子可以在一

29、个导程内完成吸气、压缩和排气的过程，同时真空度也能满足要求。这样相较于其他类型的真空泵和其他型线来讲可以减小泵的体积，这是一大优势。另外。温度对于转子结构的影响是明显的，为防止螺杆真空泵的损坏、增加使用寿命，建议真空泵在使用至多8小时后暂停使用，等冷却后再进行使用。致谢我的毕业设计是在朱仁胜老师的指导下完成的。在毕业设计期间，我考取了中国科大的研究生，朱老师对我的复试帮助非常大，在我的前进道路上影响深远。朱老师每周开12次组会，态度非常认真，一直关心着我的进展。我有不懂得问题朱老师总是会耐心的给予解答，并帮我指出设计中的错误和不足。所以在朱老师的指导下，我个人感觉的我科研能力有了一定的提升，并对