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畢業(yè)設(shè)計中期報告 題目：LGZ-30單頭螺桿型干式真空泵的建模和仿真 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 姓 名 學(xué) 號 導(dǎo) 師 2013年03月 21日 1.設(shè)計（論文）進展?fàn)顩r 1.1.單頭螺桿真空泵整體方案設(shè)計 1.1.1.確定螺桿型線(即陰陽轉(zhuǎn)子型線) 1.1.2.確定螺桿基本尺寸 1.1.3.進排氣孔口 1.1.4.極限真空度、功率… 1.2.轉(zhuǎn)子型線選擇及其參數(shù) 轉(zhuǎn)子齒形型線選擇的要求如下：1、具有良好的軸向氣密件，橫向氣密性；2、接觸線長度應(yīng)短；3、面積利用系數(shù)原則上應(yīng)大，但面積利用系數(shù)選擇還與其它的因素有制約，應(yīng)綜合分析；4、減少或避免漏氣三角形，這點與型線種類有關(guān)；5、轉(zhuǎn)子具有良好的工藝性，它對螺桿更快的發(fā)展有重要的意義[6]。 基于以上原則及真空泵行業(yè)情況綜合考慮，本次設(shè)計中轉(zhuǎn)子齒型選用單邊非對稱齒型。根據(jù)設(shè)計的要求抽速為30L/S,極限真空度10Pa。,轉(zhuǎn)子參數(shù)選取如下： 中心距:A=100mm； 陽轉(zhuǎn)子齒數(shù):Z1=4； 陰轉(zhuǎn)子齒數(shù):Z2=6； 陽轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑:D1=80mm； 陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑:D2=120mm； 陽轉(zhuǎn)子外徑:D1=125.625mm； 陰轉(zhuǎn)子外徑:D2=125.625mm； 轉(zhuǎn)子長度:L=190mm； 轉(zhuǎn)子長徑比:D/L=1.5(直徑為轉(zhuǎn)子公稱直徑)； 陽轉(zhuǎn)子導(dǎo)程:T1=1.8D=225mm(左旋)； 陰轉(zhuǎn)子導(dǎo)程:T2=2.7D=337.5mm(右旋)； 陽轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角:300； 陰轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角:200； 面積利用系數(shù):C=0.516； 扭角系數(shù):C=0.972； 1.3.雙螺桿空氣泵螺桿尺寸的確定 雙螺桿泵螺桿尺寸按以下的關(guān)系式確定： 陽轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑 d1=D1/（1+h1‘） 陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑 d2=d1/（z2/z1） 陽轉(zhuǎn)子根圓直徑 Di1=d1/（1-h2‘） 陰轉(zhuǎn)子頂圓直徑 De2=d1/（i+h2‘） 陰轉(zhuǎn)子根圓直徑 Di2=d1/（i-h1‘） 轉(zhuǎn)子螺桿長度 L=（L/De1）De1 中心距 A=0.5（d1+d2） 陰轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角 τ2=τ1/i 陽轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b1=360°L/τ1 陰轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b2=360°L/τ2 陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min） n1=60u1/3.14De1 陰轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min） n2=n1/i 節(jié)圓螺旋角 β=arctg（b1/2πr1）= arctg（b2/2πr2） 本設(shè)計中泵轉(zhuǎn)子螺桿部分的幾何尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)系列。 取陽轉(zhuǎn)子圓周速度u1=30m/s，則 陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=60u1/(3.14D1)=6030/(3.140.102)=5620.0824r/min. 陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=n1/I=5620.0824/(0.6667)= 8429.7021r/min. 1.4.繪制整體裝配圖 圖1剖面圖 圖2左視圖 圖3主視圖 圖4俯視圖 1.5.完成外文翻譯 1.5.1選擇外文文獻《Study on the performance prediction of screw vacuum pump》 1.5.2 翻譯：螺桿真空泵的性能預(yù)測的研究 2.存在問題及解決措施 本課題研究的重點在于真空泵的總體設(shè)計。難點在于陰陽轉(zhuǎn)子型線的計算與校核。 選擇總體設(shè)計時一般應(yīng)考慮以下問題： ① 用方面的問題，如真空泵大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，安裝環(huán)境等 ② 系統(tǒng)要求，如壓力和流量的大小、循環(huán)周期、操縱控制方式等。 ③ 經(jīng)濟性問題，如使用量，購置及更換成本，貨源情況及產(chǎn)品質(zhì)量和信譽等。 ④ 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及貨源條件較好的產(chǎn)品，以縮短制造周期，便于互換和維護。 3.后期工作安排 3.1.14—16周：設(shè)計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)并進行CAD繪圖。 3.2.17—18周：整理資料、撰寫畢業(yè)論文、準(zhǔn)備答辯。 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 7 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題目：LZG-30單頭螺桿型干式真空泵的建模和仿真 系 別 機電系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 姓 名 學(xué) 號 導(dǎo) 師 2012年12月18日 -  1. 畢業(yè)設(shè)計綜述 （一）：課題研究的目的和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，真空技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域之中。真空技術(shù)的應(yīng)用，必須以性能優(yōu)良的真空泵為前提。隨著高新技術(shù)尤其是IT行業(yè)的飛速發(fā)展，給真空行業(yè)也拓展了更為寬闊的發(fā)展空間。同時對清潔的、環(huán)保的、無油的真空獲得設(shè)備需求越來越大，無油真空泵的市場前景也越來越好。國外無油螺桿泵以被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)還處于研制階段，因此國內(nèi)無油螺桿真空泵具有廣泛的發(fā)展?jié)摿褪袌觥? 總體來說，通過本課題我們可以對螺桿型真空泵的設(shè)計、發(fā)展趨勢以及各種相關(guān)的基本原則做出更詳細的分析和判斷。 （二）：課題研究的背景 干式螺桿真空泵是干式泵家族中的一員。所謂干式真空泵，一般認為是能在大氣壓到10-2Pa的壓力范圍內(nèi)工作；在泵的抽氣流道中，不能使用任何油類和液體，排氣口與大氣相通，能直接連續(xù)向大氣中排氣的泵，也稱無油真空泵。干式真空泵在抽氣流道內(nèi)無任何液態(tài)工作介質(zhì)或密封介質(zhì)，從根本上解決了油封式真空泵引發(fā)的各種問題。 螺桿式真空泵特點如下：[2] 可靠性高。螺桿式干式真空泵零件部件少，沒有易損件，因此他運轉(zhuǎn)可靠壽命長。 操作維護方便 動力平衡性好。螺桿式真空泵沒有不平衡的慣性力，機器平穩(wěn)地高速運行。 適應(yīng)性強。螺桿式真空泵具有強制輸氣的特點，在寬廣的壓力范圍內(nèi)能保持較高的抽速，排氣量幾乎不受排氣壓力影響。 多項混輸。由于螺桿式真空泵轉(zhuǎn)子齒面留有微小間隙，因而可抽除腐蝕性、有毒、含有粉塵、可凝性蒸汽等多種氣體。 然而我國一些公司正在使用的螺桿型干式真空泵均是從國外進口，價格非常昂貴，所以應(yīng)用并不廣泛，造成這一現(xiàn)象的主要原因由于螺桿轉(zhuǎn)子型線比較復(fù)雜，加工難度大，需用特制刀具在專用機床上進行加工，另外，對螺桿干式真空泵體的加工精度也有較高的要求，而國內(nèi)的加工水平目前還難以達到這個水平。螺桿干式真空泵廣泛應(yīng)用于電子、核能、化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體工業(yè)中用于生產(chǎn)芯片、制造液晶顯示器、蝕刻、生產(chǎn)PLASMA的CAD制程。在核工業(yè)中用于反應(yīng)堆及核工業(yè)真空獲得；化工上用于真空蒸餾及溶劑萃取高效回收溶劑，在脂肪酸生產(chǎn)中用來消除水污染，清除噴射器中的阻塞物；醫(yī)藥工業(yè)中用于回收藥物及其藥物中間體，為人造器官生產(chǎn)提供清潔無菌條件；食品工業(yè)中用于香料、香精濃縮、食品包裝等。[1]應(yīng)用范圍極為廣泛。且干泵的種類很多，目前已開發(fā)出來的有爪型泵、渦旋泵、往復(fù)活塞泵、螺旋泵等。 （三）：國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 自從第一臺工業(yè)上可運行的干式泵1984年在日本運行以來，許多無油真空泵如雨后春筍般迅速發(fā)展起來，其中日本、美國、法國、德國最為先進。美國Varain公司生產(chǎn)的DVP系列產(chǎn)品，其真空度可達到10-2Pa,這是目前報道的單級干式真空泵中真空度最高的產(chǎn)品之一。而德國Sterling SIHI公司在1997年研制成功的SIHIdry是世界上第一臺真正意義上的干式真空泵，他能滿足流程工業(yè)中最苛刻的要求，該產(chǎn)品榮獲“1998年年度技術(shù)革新獎”。以上兩種真空泵均于沿轉(zhuǎn)子長度上填充聚四氟乙烯用作密封以保持良好性能，他們同時也是無油真空泵的典型產(chǎn)品。[3] 國外關(guān)于螺桿干式真空泵研究有許多內(nèi)容。英國Rietschle有限公司根據(jù)螺桿式壓縮機原理設(shè)計出了一種雙螺桿式真空泵，采用了許多新技術(shù)，并已形成批量生產(chǎn)，該公司已成為時間低壓與真空技術(shù)中的領(lǐng)軍人物之一。美國Tuthill真空設(shè)備有限公司2002年推出一款用于氣體處理的新型Kinney干式螺桿真空泵，該KDPH-120型螺桿式真空泵采用可變嚙合設(shè)計，比其他類TJ的真空泵耗能減少約30%。普旭是全球最有影響力的真空設(shè)備制造商之一，為客戶提供了數(shù)量眾多真空泵及真空系統(tǒng)。普旭BUSCH的無油螺桿真空泵系列于2003年通過了應(yīng)用材料公司美國實驗室測試。應(yīng)用材料公司在美國實驗室將普旭BUSCH的無油真空泵系列與其設(shè)備安裝在一起進行測試，經(jīng)過一年檢測，結(jié)果證明普旭真空泵系列與其設(shè)備結(jié)合測試的效果最好。之后普旭又于2004年推出了表明經(jīng)過特殊強化的螺桿型真空泵系列，可以抵抗目前已知的絕大多數(shù)活潑氣體的腐蝕。全球領(lǐng)先的真空和尾氣處理技術(shù)的生產(chǎn)廠商Edwards公司發(fā)布一系列在苛刻的化學(xué)、石化和制藥工藝過程中提供出色真空性能的全新干泵設(shè)備。易于使用的CXS泵采用尖端的錐形螺桿技術(shù)，具有卓越的可靠性，而且安裝簡單、環(huán)保并提供改進的液體和固體處理能力。因此，這些設(shè)備的運行成本符合經(jīng)濟原則，且用戶可以優(yōu)化其真空工藝，并最大限度地降低總體購置成本。[4]另外還有其他一些文獻對螺桿型真空泵的性能方面進行了較多的研究。 國內(nèi)，有關(guān)螺桿型真空泵的研究文獻很少，只有上海博匯真空設(shè)備有限公司的周寶洪研制了一種干式真空泵[5]，并申請了專利，但是并未見有成品報道。我國在螺桿轉(zhuǎn)子型線設(shè)計方面很欠缺，生產(chǎn)泵的自動化程度不高，精度也不高，只能依賴進口。 2. 本課題研究的主要內(nèi)容和采用的研究方案、研究方法或措施 與螺桿式壓縮機類似， 如下圖所示： 螺桿式真空泵的工作過程可分為吸氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相通的工作循環(huán)，現(xiàn)在以一齒來說明。 吸氣過程 螺桿真空泵的吸氣過程。陽轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)。下方轉(zhuǎn)子端面是吸氣端面，上為排氣端面。吸氣過程即將開始的轉(zhuǎn)子位置。在這一刻，這一對轉(zhuǎn)子前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣口連接。隨著轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合形成了齒間容積，這個齒間容積又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中。在隨后的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，陽轉(zhuǎn)子齒的齒槽中脫離出來，齒間容積不斷擴大，并與吸氣孔保持連通。吸氣過程結(jié)束時，其最顯著的特點是齒間容積達到最大值。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，所研究的齒間容積不會再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結(jié)束。 壓縮過程 螺桿泵的壓縮過程。轉(zhuǎn)子于端面是排氣端面。在這里，陽轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。下方端面為吸氣端面，上方為排氣端面。 螺桿泵壓縮過程即將開始時的轉(zhuǎn)子位置。此時氣體被轉(zhuǎn)子齒和機殼包圍在一個封閉的空間中，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合就要開始減小。 隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積的氣體被占據(jù)體積也隨之減小，導(dǎo)致壓力升高，從而實現(xiàn)氣體的壓縮過程，壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將于排氣孔口連通之前。 排氣過程 螺桿泵的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合，此時，齒間容積內(nèi)的氣體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積的體積變?yōu)榱恪? 從上述工作原理可看出，螺桿型干式真空泵是一種工作容積作用回轉(zhuǎn)運動的容積式機械真空泵。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助螺桿泵的一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動來達到的。他的工作容積在周期性擴大和縮小的同時，其空間位置也在變更。 兩轉(zhuǎn)子示意圖 3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 1. 確定螺桿轉(zhuǎn)子參數(shù)，計算極限真空度，設(shè)計螺桿結(jié)構(gòu)。 2. 擬定真空泵的裝配圖。 3. 根據(jù)上述問題提出多種可能的設(shè)計方案，對各方案進行評價優(yōu)選獲得最佳設(shè)計方案。結(jié)合設(shè)計方案，進行相關(guān)分析、計算，包括關(guān)鍵零件或結(jié)構(gòu)的計算、校核，確定主要零部件的結(jié)構(gòu)；繪制出裝配圖，根據(jù)裝配圖，拆畫主要零件的零件圖。 4. 完成本課題的工作方案及進度計劃 進度安排（1）調(diào)研、收集資料并完成開題報告--3周 ；（2）熟悉Pro-e設(shè)計開發(fā)工具和確定總體設(shè)計方案--4周；（3）LGZ-30單頭螺桿型干式真空泵及結(jié)構(gòu)方案詳細設(shè)計并完善--4周； （4）完成外文翻譯、中期報告--1周； 5）設(shè)計計算并完成零件圖、裝配圖--3周；（6）整理資料、撰寫畢業(yè)論文、準(zhǔn)備答辯--2周。 5．指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導(dǎo)教師： 年 月 日 6.所在系審查意見 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 參考文獻 [1] 董鋪.干泵.21世紀(jì)照耀真空工業(yè)的新星[J],真空，1997 [2] 徐成海等，干式螺桿機械真空泵及其應(yīng)用[J]，真空電子技術(shù)，2002 [3] 江浩，新取真空技術(shù)-干式真空泵，通用機械，2003年第9期 [4] 創(chuàng)新的化學(xué)干式真空泵，中國科學(xué)儀器網(wǎng)編輯，2011年12月21日 [5] 周寶洪，干式螺桿真空泵的螺桿設(shè)計與計算，真空，2001年6月第3期 [6] 何云信. 容積式真空泵結(jié)構(gòu)形式的探討. 廣西大學(xué)， 2002.（02） [7] 王鑫. 螺桿型干式真空泵參數(shù)化軟件的開發(fā). 東北大學(xué)， 2002.（02） [8] 李錦云，杜經(jīng)民，李寶仁. 基于真空泵的正負壓連續(xù)控制系統(tǒng). 2005. 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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 錄 緒 論 1 1 螺桿型干式真空泵的概述 2 1.1 課題背景及研究意義 2 1.2 螺桿真空泵在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 4 1.3 論文包括的主要內(nèi)容 5 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu) 6 2 螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線的研究 7 2.1 常見轉(zhuǎn)子型線比較 7 2.2 單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子型線 8 2.2.1轉(zhuǎn)子型線要素 8 2.2.2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計原則 9 2.2.3轉(zhuǎn)子螺旋齒面方程 10 3 螺桿干式真空泵工作原理 12 3.1 吸氣過程 12 3.2 壓縮過程 12 3.3 排氣過程 13 4 螺桿干式真空泵設(shè)計計算 14 4.1螺桿基本尺寸 14 4.2排氣量 16 4.2.1理論排氣量 16 4.2.2實際排氣量 17 4.3進排氣孔口 18 4.3.1軸向進氣口 18 4.3.2軸向排氣口 19 4.4極限真空度、功率及冷卻水量 19 4.5軸的強度計算 20 4.6同步齒輪的設(shè)計計算 20 4.6.1齒輪尺寸計算 21 4.6.2齒輪強度校核 21 5 單頭螺桿干式真空泵的應(yīng)用 22 5.1 應(yīng)用范圍 22 5.2 抽氣原理與結(jié)構(gòu) 22 6 三維建模與運動仿真 23 6.1 SolidWorks介紹 23 6.2 轉(zhuǎn)子三維建模 24 6.3 轉(zhuǎn)子運動仿真 26 結(jié) 論 27 參考文獻 28 致 謝 29 V 緒 論 緒 論 1905年德國人沃爾夫崗.蓋德發(fā)明了油封式旋片泵，從此各種以油為工作液、潤滑劑、密封液的真空泵如雨后春筍般迅速普及，統(tǒng)治了真空設(shè)備市場近百年。從真空工業(yè)的視角來看，如果說20世紀(jì)是有油真空泵的世紀(jì)，那么21世紀(jì)將是干式真空泵的世紀(jì)。因為，各種形式的有油真空泵在工作過程中不可避免的隨同排出的氣體一起排出了大量的油污，這些油污能夠嚴(yán)重的污染環(huán)境。隨著利學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求提供比較清潔真空環(huán)境的真空工藝越來越多，甚至近于達到苛刻的要求，如微電子、化學(xué)、冶金、醫(yī)療、核聚變領(lǐng)域以及宇航、新材料的開發(fā)等技術(shù)領(lǐng)域.都要求提供比較潔的內(nèi)真空環(huán)境。傳統(tǒng)的有油泵很難滿足這些要求，無油泵的概念便自然而然的在此基礎(chǔ)上提出。有些工業(yè)過程，如低壓氣相沉積，會產(chǎn)生一些微小顆粒，這些顆粒在工作液中難以排除，它們可以使泵油污染，同樣也會影響泵的抽氣系統(tǒng)性能及使用壽命。而有些工業(yè)過程在運轉(zhuǎn)中可能會使工作液冷凝成粘狀物質(zhì)，這樣可能使泵卡住，甚至導(dǎo)致運轉(zhuǎn)失效。又如對于食品工業(yè)為代表的一些特殊行業(yè)，這種污染更是非常不可取的。對于這些少數(shù)有著特殊需要的工業(yè)來說，就只能采用無油污的無油泵或水環(huán)式泵類(濕式泵)，但這類泵的真空度不高，耗水耗能嚴(yán)重，而且相應(yīng)的工作時帶有大量的水汽，因此對于有干式要求的，又不得不采用繁瑣的物理、化學(xué)吸附，冷凝低溫手段，從而使成本變得極其昂貴。如:膜式泵，真空度不高，抽速小;吸附泵，不僅抽速小，液氮的費用也很大。所以可以這樣說，在當(dāng)時能直接排入大氣和高真空機紹相連接的泵類各有其缺憾，因此導(dǎo)致了干式泵不適宜大工業(yè)的應(yīng)用。 1 1 螺桿型干式真空泵的概述 1 螺桿型干式真空泵的概述 1.1 課題背景及研究意義 干式螺桿真空泵是干式泵家族中的一員。所謂干式真空泵，一般認為是能在大氣壓到10Pa的壓力范圍內(nèi)工作;在泵的抽氣流道中，不能使用任何油類和液體，排氣口與大氣相通，能直接連續(xù)向大氣中排氣的泵，也稱無油真空泵。 干式真空泵在抽氣流道內(nèi)無任何液態(tài)工作介質(zhì)或密封介質(zhì)，從根本上解決了油封式真空泵引發(fā)的各種問題?？偟膩碚f是兩種不同的需求推動開發(fā)出兩種類型的干泵。 一類是以半導(dǎo)體行業(yè)為代表，要求真空泵向被抽空間內(nèi)的返流為零，以保護工件免受污染。對半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用的真空系統(tǒng)的要求大體分為三個等級。①清潔條件下的抽氣，只抽干空氣或含少許水蒸汽的空氣；②中等條件下的抽氣，抽除工藝過程的反應(yīng)氣體，但無固體顆粒物；③惡劣條件下的抽氣，抽除化學(xué)反應(yīng)物（有毒甚至致癌）及固體顆粒物。 另一類是以石化行業(yè)為代表，要求真空泵能大量抽除可凝性氣體，或腐蝕性氣體，或有毒氣體，或含有微塵的氣體。傳統(tǒng)油封真空泵在石化領(lǐng)域所面對的難題人們往往通過選用水蒸汽噴射泵、水噴射泵、水環(huán)泵、水環(huán)-羅茨機組等途徑加以解決。但往往系統(tǒng)過于龐大，噪聲也很大，同時工作過程中會產(chǎn)生很多的廢水和其他的排放物，處理排出廢物的投資也很昂貴。 干泵的種類很多，目前已開發(fā)出來的有羅茨泵、爪型泵、禍旋泵、往復(fù)活塞泵、螺旋泵等.表1.1是幾種典型的干泵性能的比較. 2 畢業(yè)設(shè)計（論文） 表1.1幾種典型的干泵性能的比較 泵型 一般級數(shù) 單級壓縮比 極限壓力 （Pa） 備注 大氣端 真空端 羅茨泵 3～6 2～5 30 0.5 易發(fā)熱，需冷卻 爪形 3～4 25 50 0.5 加工、裝配有難度 活塞型 4 15～25 15～20 1.3 怕抽帶顆粒的氣體 渦旋型 1～2 20 200 0.2 間隙小、難裝調(diào) 螺旋型 1～2 20 30～100 0.7 間隙小、轉(zhuǎn)速高 旋片型 2 15～20 10～15 0.07 怕抽帶顆粒的氣體 螺桿型 2 15 20～60 1.3 加工比較困難 渦輪型 多級串聯(lián) 20 3000 0.01 轉(zhuǎn)速高 螺桿式干式真空泵特點如下: ①可靠性高。螺桿式干式真空泵零部件少，沒有易損件，因此它運轉(zhuǎn)可靠，壽命長。 ②操作維護方便。 ③動力平衡性好。螺桿式干式真空泵沒有不平衡的慣性力，機器可平穩(wěn)地高速運行。 ④適應(yīng)性強。螺桿式干式真空泵具有強制輸氣的特點，在寬廣的壓力范圍內(nèi)能保持較高的抽速，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響. ⑤多相混輸。由于螺桿式干式真空泵轉(zhuǎn)子齒面間留有微小間隙，因而可抽除腐蝕性、有毒、含有粉塵、可凝性蒸汽等多種氣體。 盡管螺桿型干式真空泵具有這么多的優(yōu)點，然而，由于目前國內(nèi)一些公司正在使用的螺桿型干式真空泵均是從國外進口，價格非常昂貴，每臺螺桿泵價格要三、四十萬元人民幣，所以螺桿型真空泵在我國的使用并不廣泛。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于螺桿泵轉(zhuǎn)子型線較復(fù)雜，加工難度大，需用特制的刀具在專用機床上進行加工。另外，對螺桿型干式真空泵泵體的加工精度也有較高的要求，而國內(nèi)的加工水平目前還難以達到這個水平。 螺桿干式真空泵廣泛應(yīng)用于電子、核能、化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體工業(yè)中用于生產(chǎn)芯片、制造液晶顯示器、蝕刻、生產(chǎn)PLASMA的CVD制程。在核工業(yè)中用于核反應(yīng)堆及核工業(yè)真空獲得化工上用于真空蒸餾及溶劑萃取高效回收溶劑，在脂肪酸生產(chǎn)中用來消除水污染，清除噴射器中的阻塞物;醫(yī)藥工業(yè)中用于回收藥液及藥物中間體，為人造器官生產(chǎn)提供清潔無菌條件，回 3 收氣體消毒劑;食品工業(yè)中用于香料、香精濃縮，食品包裝等。應(yīng)用范圍廣泛。 1.2 螺桿真空泵在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 自從第一臺工業(yè)上可運行的干式泵1984年在日本運行以來，許多無油真空泵如雨后養(yǎng)筍般迅速發(fā)展起來，其中以日本、美國、法國、德國最為先進。美國Varian（瓦里奧)公司生產(chǎn)的DVP系列產(chǎn)品，其真空度可以達到Pa，這是目前報道的單級干式真空泵中真空度最高的產(chǎn)品之一。而德國Sterling SIHI公司在1997年研制成功的SIHIdry是世界上第一臺直正意義上的干式真空泵，它能滿足流程工業(yè)中最苛刻的要求，該產(chǎn)品榮獲德國“1998年年度技術(shù)革新獎”。以上兩種真空泵均于沿轉(zhuǎn)子長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，它們同時也是無油真空泵的典型產(chǎn)品。 雖然干式真空泵的種類越來越多，但是通常的機械真空泵如爪式泵，其抽速難以做大，而且制造難度也大，成本高;另外還有利用多葉級數(shù)進行串連的羅茨泵，其缺點與爪式泵相仿。在此種背景下誕生的干式螺桿真空泵則具有了其前輩真空泵類所不具各的很多優(yōu)點，而這些優(yōu)點則保證了干式螺桿真空泵的先進性及在應(yīng)用中的優(yōu)勢。 國外關(guān)于螺桿真空泵性能的研究有許多內(nèi)容。。英國Rietschle有限公司根據(jù)螺桿式壓縮機原理設(shè)計出一種雙螺桿干式真空泵，采用了許多新技術(shù)，并已形成批量生產(chǎn),該公司已成為世界低壓與真空技術(shù)中的領(lǐng)軍人物之一。美國Tuthill真空設(shè)備有限公司手2002年推出一款用于氣體處理的新型Kinney干式螺桿真空泵，該KDPH-120型螺桿泵采用可變嚙合設(shè)計，比其他類TJ的真空泵耗能減少約30%。普旭是全球最有影響力的真空設(shè)備制造商之一，為客戶提供了數(shù)量眾多的真空泵及真空系統(tǒng)。普旭BUSCH的無油螺桿真空泵系列于2003年通過了應(yīng)用材料公司美國實驗室測試。應(yīng)用材料公司在美國實驗室將普旭BUSCH的無油螺桿真空泵系列與其設(shè)備安裝在一起進行測試，經(jīng)過一年檢測，結(jié)果證明普旭真空泵系列與其設(shè)備結(jié)合測試的效果最好。之后普旭又于2004年推出了表面經(jīng)特別強化的螺桿真空泵系列，可以抵抗日前己知的絕人多數(shù)活潑氣休的腐蝕。另外還有其他一些文獻對螺桿真空泵的性能等方面進行了較多的研究。 在國內(nèi)，有關(guān)干式螺桿真空泵的研究文獻很少。只有上海博匯真空設(shè)備有限公司的周寶洪研制了一種干式真空泵，并申請了專利，但是并未見有成品報道。目前國內(nèi)外關(guān)于雙螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計方面的報道很少，主要內(nèi)容集中于對螺桿真空泵性能的預(yù)測與配套裝置、材料、加工方法和設(shè)備、螺桿泵的配件、密封條件等等內(nèi)容的改進。目前由于各國多對自己的螺桿泵技術(shù)進行保密和競 4 畢業(yè)設(shè)計（論文） 爭，而我國在螺桿泵的設(shè)計方面仍然有很多具體的細節(jié)和技術(shù)難題還沒有解決，在螺桿泵的設(shè)計方面沒有達到世界一流水平。在具體的螺桿泵的加工制造上，局限于我國的生產(chǎn)設(shè)備和加工條件，我國生產(chǎn)的螺桿泵自動化程度不高，精度也不高，在一些高檔的螺桿泵上仍不能獨立制造。因此中高檔的真空泵仍然主要依賴于進口。 對于所有類型的真空泵，人們都希望能夠?qū)F(xiàn)有的真空泵的物理尺寸盡量減小。但是這一點與真空泵的抽氣速率相矛盾。因為真空泵的抽氣速率與真空泵的容積成正比，物理尺寸小意味著容積也小。當(dāng)然還有一個影響真空泵抽氣速率的因素，那就是轉(zhuǎn)速。為了使小尺寸的真空泵與大尺寸的真空泵的抽氣速率相匹配，就需要提高其轉(zhuǎn)速。而想要提高真空泵的轉(zhuǎn)速可以采用變頻器來改變電源的頻率或者改變齒輪箱的傳動比。前者可以提供一個閉環(huán)控制，但是在大負載的情況下容易引起扭矩的損失。而改變齒輪箱的傳動比是比較經(jīng)濟的一種方法，但是它只能提供不可控的單一轉(zhuǎn)速。國外目前開發(fā)較多的是高轉(zhuǎn)速的真空泵系列。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，真空技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域之中。真空技術(shù)的應(yīng)用，必須以性能優(yōu)良的真空泵為前提。隨著高新技術(shù)尤其是IT行業(yè)的飛速發(fā)展，給真空行業(yè)也拓展了更為寬闊的發(fā)展空間。同時對清潔的、環(huán)保的、無油的真空獲得設(shè)備需求越來越大，無油真空泵的市場前景也越來越好。國外無油螺桿泵以被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)還處于研制階段，因此國內(nèi)無油螺桿真空泵具有廣泛的發(fā)展?jié)摿褪袌觥? 總體來說，通過本論文我們可以對螺桿型真空泵的設(shè)計、發(fā)展趨勢以及各種相關(guān)的基本原則做出更詳細的分析和判斷。 1.3論文題包括的主要內(nèi)容 a． 確定單頭螺桿轉(zhuǎn)子參數(shù)，計算轉(zhuǎn)子尺寸，計算轉(zhuǎn)子在工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率使用值。 b． 擬定整體裝配圖。 c． 根據(jù)上述問題提出多種可能的設(shè)計方案，對各方案進行評價優(yōu)選獲得最佳設(shè)計方案。結(jié)合設(shè)計方案，進行相關(guān)分析、計算，包括關(guān)鍵零件或結(jié)構(gòu)的計算、校核，確定主要零部件的結(jié)構(gòu)；繪制出裝配圖，根據(jù)裝配圖，拆畫主要零件的零件圖。 d. 繪制陰陽轉(zhuǎn)子三維圖，進行轉(zhuǎn)子運動仿真 5 1.4論文的組織結(jié)構(gòu) 本論文的組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章：介紹關(guān)于單頭螺桿干式真空泵的開發(fā)背景、開發(fā)意義以及課題包括的主要內(nèi)容。 第二章：單頭螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線的研究 第三章：單頭螺桿干式真空泵的工作原理 第四章：螺桿干式真空泵設(shè)計計算 第五章：真空泵的應(yīng)用。 第六章：總結(jié) 6 2 螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線的研究 2 螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線的研究 2.1 常見轉(zhuǎn)子型線比較 目前干式螺桿真空泵的主要生產(chǎn)廠家多采用單頭等螺距型線，其他還有多頭雙邊對稱圓弧型線、單頭變螺距梯形螺紋型線、單頭等螺距梯形螺紋型線和等螺距凹齒型線。 （a）單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子 （b）單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子 （c）單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子 （d）單頭等螺距凹面轉(zhuǎn)子 （e）雙邊對稱圓弧型線轉(zhuǎn)子 圖2.1 幾種螺桿轉(zhuǎn)子型線的三維造型 7 畢業(yè)設(shè)計（論文） 單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子型線是最早出現(xiàn)的型線，由于有可能發(fā)生根切，即二級轉(zhuǎn)子級間出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，所以基本上已經(jīng)不再使用。取而代之的是改進型的單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子，其截面形狀由矩形改為梯形，解決了干涉問題，且加工方便，故為很過廠家廣泛采用。單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子和單頭等螺距凹面轉(zhuǎn)子是近年來出現(xiàn)的新型型線，它是在單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)之上改進而來的。單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子其主要特點為螺桿螺距從吸氣端到排氣端按變螺距系數(shù)變化，大導(dǎo)程一端對應(yīng)于吸氣口。開始時吸氣量大，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中運動的封閉腔體越來越小，氣體被壓縮，具有內(nèi)壓縮作用，即邊輸送邊壓縮，從而能夠降低整體的排氣壓縮功耗，并對發(fā)生在排氣口的喘振現(xiàn)象有抑制作用，是泵的工作更為平穩(wěn)，能夠降低噪音和排氣振動。頭等螺距凹面轉(zhuǎn)子進一步采用內(nèi)凹齒面法將嚙合齒面上可能發(fā)生干涉的部分全部去除，是齒面成為向內(nèi)凹曲的等螺距螺旋線共軛曲面。多頭雙邊對稱圓弧型線是最近幾年出現(xiàn)的一種新型型線，它是在雙螺桿壓縮機型線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。一般陽轉(zhuǎn)子為四頭螺桿，陰螺桿為六頭螺桿。 上述各種型線各有優(yōu)缺點，要根據(jù)設(shè)計要求、加工制造能力、實際需求等多方面選擇。從適用性方面來講，單頭等螺距型線適用面最廣。由于該型線在一個導(dǎo)程內(nèi)就可以完成吸氣、壓縮和排氣的全過程并能達到一定的極限真空，這就能有效地減小泵的體積和質(zhì)量，尤其適于大抽速要求的泵。單頭型線由于要多級才能達到一定的極限真空，不可避免要增加泵的體積，占用更大的空間，所以適用于中、小型泵。多頭螺桿型線的缺點是型線復(fù)雜，加工資用昂貴，需用特制的刀具在專用機床上加工；而單頭梯形齒型線由于各齒面在軸向剖面內(nèi)的交線都是直線，所以加工時使用直刃車刀即可，只是變螺距型線要在數(shù)控車床上加工以保證精度。單頭凹齒面型線的加工要比梯形齒型線稍復(fù)雜，但完全能在通用的數(shù)控車床上完成，大批量生產(chǎn)時可以選用鑄造。另外，多頭螺稈型線和單頭變螺距型線由于在抽氣過程中有內(nèi)壓縮，不適合抽除可凝吐氣體，但減小了排氣口的喘振和噪音，也減小了功率的消耗。 綜合考慮各種型線的有缺點，本文決定選擇多頭雙邊對稱圓弧型線。 2.2 單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子型線 2.2.1轉(zhuǎn)子型線要素 對于螺桿泵轉(zhuǎn)子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因 8 為這些齒間容積是實現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對螺桿泵性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有接觸線，泄漏三角形，封閉容積和齒間面積等. 1 接觸線 螺桿泵的陰陽轉(zhuǎn)子嚙合時，兩轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線(圖2. lb中9)。接觸線一側(cè)的氣體處于壓力較高的壓縮和排氣過程，另一側(cè)的氣體則處于壓力較低的吸氣過程。如果轉(zhuǎn)子齒面間的接觸線不連續(xù)，則處于高壓力區(qū)的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓力區(qū)泄露。 2 泄漏三角形 螺桿泵轉(zhuǎn)子型線的頂點，通常不能達到陰陽轉(zhuǎn)子氣缸孔的交線，在接觸線頂點和機殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間，會形成一個空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形(圖2.la中4)。通過泄漏三角形，氣體將從壓力較高的齒間容積，泄漏至壓力較低的鄰近齒間容積。 3 封閉容積 如果在齒間容積開始擴大時，不能立即開始吸氣過程，就會產(chǎn)生吸氣封閉容積。由于吸氣封閉容積的存在，使齒間容積在擴大的初期，其內(nèi)的氣體壓力低于吸氣口處的氣體壓力。在齒間容積與吸氣口連通時，其內(nèi)的氣體壓力會突然升高到吸氣壓力，然后才進行正常的吸氣過程。所以，吸氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。值得指出的是吸氣封閉容積存在于非對稱型線中，而本文所論述的雙邊對稱圓弧型線沒有吸氣封閉容積。 4 齒間面積 齒間面積是齒間容積在轉(zhuǎn)子端面上的投影。轉(zhuǎn)子型線的齒間面積越大，轉(zhuǎn)子的齒間容積就越大。 2.2.2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計原則 1 轉(zhuǎn)子型線應(yīng)滿足嚙合要求。螺桿泵中的陰、陽轉(zhuǎn)子型線必須是滿足嚙合定律的共扼型線，即不論在任何位置經(jīng)過型線接觸點的公法線必須通過節(jié)點。 2 轉(zhuǎn)子型線應(yīng)形成長度較短的連續(xù)接觸線。在實際機器中，為保證轉(zhuǎn)子間的相對運動，齒面間總保持有一定間隙。因此，理論上的接觸線就轉(zhuǎn)化成實際中的間隙帶。為了盡可能減少氣體通過間隙帶的泄漏，要求設(shè)法縮短轉(zhuǎn)子間的接觸線長度。 3 轉(zhuǎn)子型線應(yīng)形成較小面積的泄漏三角形。為減少氣體通過泄漏三角形的泄漏，型線設(shè)計應(yīng)使轉(zhuǎn)子的泄漏三角形面積盡量小。 4 轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使封閉容積較小。大多數(shù)非對稱轉(zhuǎn)子型線會形成嚙合時的吸氣封 9 閉容積，導(dǎo)致泵耗功增加，功率降低，噪音增大。所以，轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使吸氣封閉容積盡可能地小。對稱型線并不存在這一問題。 5 轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使齒間面積盡可能大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少，效率得到提高。 另外，從制造、運轉(zhuǎn)角度考慮，還要求轉(zhuǎn)子型線便于加工制造，具有良好的嚙合特性，較小的氣體動力損失，以及在高溫和受力的情況下，具有小的熱變形和彎曲變形等。值得指出的是，以上有些因素是相互制約的.例如，為了減小泄漏三角形，就不可避免地會使型線具有封閉容積和較長的接觸線;為了減少流動氣體損失，使型線流線型化，又會增大泄漏三角形等。所以要根據(jù)實際要求，綜合考慮各個設(shè)計要素，確定最佳的設(shè)計方案。 通常滿足上述要求的轉(zhuǎn)子型線由多段曲線首尾相接組成，這些曲線稱為組成齒曲線。常用的組成齒曲線主要有點、直線、擺線、圓弧、橢圓及拋物線等。 2.2.3轉(zhuǎn)子螺旋齒面方程 圖 2.1轉(zhuǎn)子螺旋曲面及其坐標(biāo)系 一般曲面S的直角坐標(biāo)參數(shù)方程用下式表達 10 ，或以矢量式來表達。 曲面的參數(shù)方程含有兩個參數(shù)(t, ),要確定該曲面的邊界，就必須知道這兩個參數(shù)(t,)的變化范圍。 螺桿式干式真空泵的轉(zhuǎn)子齒面是轉(zhuǎn)子端面型線作螺旋運動時形成的螺旋曲面。 如圖2.1所示，轉(zhuǎn)子型線的某一組成齒曲線c的參數(shù)方程為: 平面曲線c繞轉(zhuǎn)子軸線作螺旋運動，就形成與此組成齒曲線對應(yīng)的轉(zhuǎn)子螺旋齒面。曲線c繞oz軸作螺旋運動到c’位置時，軸向前進距離是z，并相對原始位置轉(zhuǎn)過角。c'在坐標(biāo)系的位置，即等于c在坐標(biāo)系位置，相應(yīng)的右旋螺旋面(陽轉(zhuǎn)子齒面)方程為 （2.1） 式中，p是表征螺旋面的陡峭程度，稱為螺旋特性數(shù)。T是形成曲線c繞z軸旋轉(zhuǎn)一周()后軸向前進的距離，稱為軸節(jié)距或?qū)С?。還把形成曲線c從轉(zhuǎn)子一個端面繞z軸旋轉(zhuǎn)到另一個端面所轉(zhuǎn)過的角度稱為扭轉(zhuǎn)角。假定轉(zhuǎn)子的有效工作段長度為L，則 ，設(shè)計時取 同理可得左旋螺旋面(陰轉(zhuǎn)子齒面)的方程為 （2.2） 11 3 螺桿干式真空泵工作原理 3 螺桿干式真空泵工作原理 與螺桿式壓縮機類似，螺桿式干式真空泵的工作過程可分為吸氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)，現(xiàn)在以其中一對齒來說明。 圖3.1等螺距矩形陰陽轉(zhuǎn)子示意圖 3.1 吸氣過程 螺桿真空泵的吸氣過程。陽轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)。下方轉(zhuǎn)子端面是吸氣端面，上為排氣端面。吸氣過程即將開始的轉(zhuǎn)子位置。在這一刻，這一對轉(zhuǎn)子前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣口連接。隨著轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合形成了齒間容積，這個齒間容積又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中。在隨后的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，陽轉(zhuǎn)子齒的齒槽中脫離出來，齒間容積不斷擴大，并與吸氣孔保持連通。吸氣過程結(jié)束時，其最顯著的特點是齒間容積達到最大值。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，所研究的齒間容積不會再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結(jié)束。 3.2 壓縮過程 螺桿泵的壓縮過程。轉(zhuǎn)子于端面是排氣端面。在這里，陽轉(zhuǎn)子沿順時針方向 12 畢業(yè)設(shè)計（論文） 旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。下方端面為吸氣端面，上方為排氣端面。 螺桿泵壓縮過程即將開始時的轉(zhuǎn)子位置。此時氣體被轉(zhuǎn)子齒和機殼包圍在一個封閉的空間中，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合就要開始減小。 隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積的氣體被占據(jù)體積也隨之減小，導(dǎo)致壓力升高，從而實現(xiàn)氣體的壓縮過程，壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將于排氣孔口連通之前。 3.3 排氣過程 螺桿泵的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合，此時，齒間容積內(nèi)的氣體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積的體積變?yōu)榱恪? 從上述工作原理可看出，螺桿型干式真空泵是一種工作容積作用回轉(zhuǎn)運動的容積式機械真空泵。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助螺桿泵的一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動來達到的。他的工作容積在周期性擴大和縮小的同時，其空間位置也在變更。 13 4 螺桿干式真空泵設(shè)計計算 4 螺桿干式真空泵設(shè)計計算 4.1螺桿基本尺寸 螺桿真空泵轉(zhuǎn)子的推薦公稱直徑：63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800mm。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，容積流量為30L/S。初選螺桿的公稱直徑=125mm。型線選擇單頭等螺距矩形型線，陽轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)比選1：1。 表4.1 導(dǎo)程、長徑比及①及扭角②的關(guān)系③ 符號 短導(dǎo)程 長導(dǎo)程 導(dǎo)程 h 長徑比 0.9 1.0 1.12 1.18 1.32 1.50 陽轉(zhuǎn)子扭角 243 270 302.4 236 264 300 陰轉(zhuǎn)子扭角 162 180 201.6 157.3 176 200 ① 長徑比 ② 扭角 ③ 指常用的齒數(shù)比為1：1時 按表4.1選擇長導(dǎo)程 長徑比 =1.50 陽轉(zhuǎn)子扭角 = 陰轉(zhuǎn)子扭角 = 中心距 =0.8×125=90mm 陽轉(zhuǎn)子工作長度 =×=1.5×125=360mm 陽轉(zhuǎn)子節(jié)圓 =0.64×125=120mm 陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓 =0.96×125=120mm 齒高半徑 r=0.205=0.205×125=25.625mm 14 畢業(yè)設(shè)計（論文） 陽轉(zhuǎn)子實際外徑 =1.05=1.05×114=120mm 陰轉(zhuǎn)子實際外徑 ==120mm 根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)，繪制出螺桿的端面圖 圖4.1 以及轉(zhuǎn)子的三維圖和兩轉(zhuǎn)子的運動仿真 圖4.2圖4.3圖4.4(動態(tài)截圖) 圖4.1螺桿端面型線 圖4.2螺桿轉(zhuǎn)子三維圖(主動轉(zhuǎn)子) 15 圖4.3轉(zhuǎn)子三維圖(從動轉(zhuǎn)子) 圖4.4轉(zhuǎn)子仿真(動態(tài)截圖) 4.2排氣量 4.2.1理論排氣量 (4.1) 式中 16 ——陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 3000 ——陽轉(zhuǎn)子公稱直徑 0.120m ——陽轉(zhuǎn)子工作長度0.360m ——面積利用系數(shù)選取為0.521 ——扭角系數(shù)表示扭角較大時，排氣端基元容積內(nèi)的一對嚙合齒未完全脫開，而在進氣端該基元容積已開始脫離進氣口所引起的進氣不足程度。按表4.2選取=0.971 表4.2扭角系數(shù)參考值 1.00 0.989 0.971 根據(jù)公式(4.1)計算理論排氣量 =0.971×0.521×3000×0.360×0.120×0.120 =7.87 4.2.2實際排氣量 (4.2) 的值與轉(zhuǎn)子型線、間隙值、轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)速有無噴液等因素有關(guān)，氣值見表4.3 表4.3不同轉(zhuǎn)子型線的排氣系數(shù) 轉(zhuǎn)子型線 無油螺桿 噴油螺桿 對稱型線 0.55～0.80 0.75～0.90 不對稱型線 0.60～0.85 0.65～0.95 選取=0.809則按式(4.2)實際排氣 17 =0.809×7.87=6.4 4.3進排氣孔口 4.3.1軸向進氣口 4.3.1.1陽轉(zhuǎn)子軸向進氣口 （4.3） 式中 ——陽轉(zhuǎn)子齒數(shù) ——陽轉(zhuǎn)子扭角 ——陽轉(zhuǎn)子基元容積的前方齒的齒頂中心線在H點與兩個轉(zhuǎn)子軸心連線間的夾角 將=4 =300°=35°帶入式（4.3）計算得 =267.5° 4.3.1.2陰轉(zhuǎn)子軸向進氣口 （4.4） 式中——陰轉(zhuǎn)子的軸向端面進氣口 ——傳動比 ——因扭角較大引起的進氣不足的修正，取=20°～30° 由式（4.4）計算得 ==200° 18 4.3.2軸向排氣口 由軸向及徑向兩部分組成，壓力比較高時可不設(shè)徑向排氣口。本機壓力比較高，故僅有軸向排氣口。 4.3.2.1陽轉(zhuǎn)子軸向排 （4.5） ——陰轉(zhuǎn)子齒寬前面頂點在H點與兩轉(zhuǎn)子軸心連線間的夾角 ——陰轉(zhuǎn)子齒寬背面頂點e與齒谷中心線間的夾角 由式（4.5）計算的 =35+300-196.7=138° 4.3.2.2陰轉(zhuǎn)子軸向排氣口 （4.6） =200+（25+12+39）-131=125° 4.4極限真空度、功率及冷卻水量 表4.4是韓國Kowel Precision 公司NEOVAC系列螺桿式干式真空泵的參數(shù)表。參考表4.4 選取電機功率7.5Kw，冷卻水量7L/Min,極限真空度為2.66pa。 表4.4 NEOVAC系列螺桿式干式真空泵參數(shù) 型號 SS50 SS120 SS200 SS300 SS600W SS1200W 抽速L/s 12 22 35 66 140 230 極限真空 Pa 2.66 2.66 2.66 2.66 0.06 0.06 水冷量 L/Min 3 3 3 7 5 5 電機功率 Kw 3 4 5.5 7.5 8 8 19 電機選取 Y系列三相異步電機Y 132S200型。額定功率7.5kw，2級，同步轉(zhuǎn)速3000r/min，滿載轉(zhuǎn)速2900r/min，質(zhì)量70Kg 4.5軸的強度計算 螺桿式干式真空泵的陰陽螺桿所受彎矩不大，故可按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。 考慮到材料的成本及工藝要求，軸材料選取45鋼，調(diào)制處理。由表4.4查得其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=40MPa。 按扭轉(zhuǎn)強度估算軸的最小直徑 （4.7） = =14.6mm 對于直徑d小于等于100的軸，有一個鍵槽時，軸的直徑增大5％～7％，有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10％～15％,即最小直徑應(yīng)大于15.1mm。故取軸的最小直徑為30mm完全可以滿足軸的強度要求，且留有足夠的安全系數(shù)。 4.6同步齒輪的設(shè)計計算 同步齒輪副通常采用斜齒圓柱齒輪。原因如下： 1）在多數(shù)情況下，當(dāng)傳動比和中心距給定時，選取標(biāo)準(zhǔn)齒型的直齒副是困難的，因為傳動比和中心距都是由選定的轉(zhuǎn)子齒數(shù)和流通部分尺寸決定的。 2）通常同步齒輪副在高轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)工作，為此推薦采用斜齒傳動。 3）直齒齒輪副對安裝和制造的誤差特別敏感，因為齒側(cè)表面在其整個長度上每一瞬間都以同一齒廓點工作。 4）斜齒輪的重疊系數(shù)比直齒輪大得多。 故本設(shè)計采用斜齒圓柱齒輪。 20 4.6.1齒輪尺寸計算 中心距 a=100 傳動比 =3：2 模數(shù) 初步選為3 齒數(shù)初定為 =26，=39。 螺旋角 （4.8） = =12°50′20″ 8°～15°故模數(shù)確定為=3，齒數(shù)確定為=26，=39。 4.6.2齒輪強度校核 齒輪材料采用20Cr滲碳淬火，齒面硬度59HRC，查得==1500Mpa，取安全系數(shù)=1.2，則 =1500/1.2=1250 MPa 齒輪按六級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.2，齒寬系數(shù)=0.2。 小齒輪上的轉(zhuǎn)矩 驗算齒面接觸強度 ==379.0MPa<，安全。 21 5 真空泵的應(yīng)用 5 單頭螺桿干式真空泵的應(yīng)用 5.1 應(yīng)用范圍 單頭螺桿干式真空泵，可以廣泛用于冰箱、空調(diào)機、燈泡、日光燈、瓶膽生產(chǎn)和電子、冶金、醫(yī)藥、化工、濾油機、印刷機械、包裝機等工業(yè)，可作為擴散泵、羅茨泵、分子泵等的前級泵，供電子儀器、醫(yī)療儀器等配套和實驗研究應(yīng)用。由于直聯(lián)泵沒有皮帶摩擦的粉塵的污染，體積小、重量輕、材料節(jié)約、功能日趨完善，更被廣泛推廣應(yīng)用。 5.2 抽氣原理與結(jié)構(gòu) 旋片泵，它有偏心地裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的兩個或數(shù)個旋片，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)表面或相切或相交，轉(zhuǎn)子帶動旋片旋轉(zhuǎn)時，旋片借離心力(有的還有彈簧力)緊貼缸壁，把進排氣口分割開來，并使進氣腔容器周期性擴大而吸氣，排氣腔容積則周期性地縮小而壓縮氣體，借氣體和油的壓力推開排氣閥排氣，從而獲得真空。見圖一。雙級泵由二個單級串聯(lián)而成，進氣壓力高時，一般大中型泵，二級可同時排氣，進氣壓力低時，氣體由高級排人低級，然后再排出泵外。 由于泵是利用吸氣容積的變化來抽吸氣體的，其名義抽速可按吸氣的幾何容積來設(shè)計計算。 22 6 三維建模與運動仿真 6 三維建模與運動仿真 6.1 SolidWorks介紹 SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務(wù)狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設(shè)計師大大的縮短了設(shè)計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設(shè)計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。 23 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6.2 轉(zhuǎn)子三維建模 利用CAD2維制圖軟件繪制完成轉(zhuǎn)子零件圖后，我選擇使用用Solidworks三維制圖軟件進行三維建模。繪制過程如下： 圖6.1主動轉(zhuǎn)子軸的繪制。 24 畢業(yè)設(shè)計（論文） 圖6.2從動轉(zhuǎn)子軸的繪制。 為了下一步進行的運動仿真，使得運動仿真更真實，所以繪制軸座三維圖 （簡易圖） 圖6.3 軸座簡單示意圖 25 6.3 轉(zhuǎn)子運動仿真 使用solidworks軟件實現(xiàn)運動仿真應(yīng)用6.1中繪制的素材進行轉(zhuǎn)子運動仿真。 拼裝轉(zhuǎn)子和軸座： 圖6.4 轉(zhuǎn)子和軸座的拼裝 拼裝完成后進行運動仿真 G:\LZG-30單頭螺桿真空泵的建模與仿真\轉(zhuǎn)子動態(tài)仿真\運動仿真1.avi 26 緒 論 結(jié) 論 本次設(shè)計的主要內(nèi)容為LGZ-30單頭螺桿干式真空泵的建模和仿真. 在這次設(shè)計開發(fā)過程中，不斷遇到問題，然后通過各種方法解決問題，這樣不斷積解決問題的技巧，也為日后的工作打下了基礎(chǔ)在本次設(shè)計中，我對液壓系統(tǒng)及機械系統(tǒng)有了更深刻的認識。 隨著社會的發(fā)展與進步，在一些生產(chǎn)工藝中，尤其是在半導(dǎo)體和液晶顯示器的生產(chǎn)中，對真空環(huán)境清潔度的要求也越來越高，傳統(tǒng)的又油真空泵已經(jīng)不能滿足，干式真空泵應(yīng)運而生，螺桿式干式真空泵是干式真空泵家族中重要的一名新成員。本文闡述了單頭螺桿式干式真空泵的基本原理，對常見的型線進行了分析研究，并對螺桿式干式真空泵的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行了設(shè)計計算。得到以下結(jié)論：單頭等螺距矩形型線雖然存在加工成本高、需要專用加工機床等問題，但由于該型線在一個導(dǎo)程內(nèi)就可以完成吸氣、壓縮和排氣的全過程并能達到一定的極限真空，能有效地減小泵的體積和質(zhì)量，在容積流量、單級真空度等方面比其它型線更有優(yōu)勢。 27 參考文獻 參考文獻 [1] 董鋪.干泵一21世紀(jì)照耀真空工業(yè)的新星[J]，真空,1997,4-4. 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Vae.Sci.Technol.A. 1988 28 致 謝 致 謝 在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，導(dǎo)師彭潤師給予我大量的關(guān)心和幫助，在他的身上我學(xué)會了很多東西，彭老師認真負責(zé)的工作態(tài)度，每周都會按時檢查我們的畢業(yè)設(shè)計，耐心給我們解決疑難和錯誤，同時又嚴(yán)格要求我們獨立完成畢業(yè)設(shè)計。彭老師認真負責(zé)的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我收益匪淺，這對于我以后學(xué)習(xí)工作會有很大的影響。 感謝彭老師對我的幫助和指導(dǎo)。同時還要感謝同班同學(xué)對我的無私幫助，在這四年里他們在學(xué)習(xí)和生活中給了我無盡的關(guān)懷和支持，是我一生中最重要的朋友。 向參與本論文評審和答辯的各位專家和老師表示深深的謝意，同時也希望您們多提寶貴意見，不吝賜教。 29 畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。 畢業(yè)設(shè)計（論文）與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期 31