一種不對稱的螺杆轉子的製作方法

2023-08-09 18:32:26 3

本發明涉及雙螺杆真空泵，特別涉及適用於雙螺杆真空泵的一種不對稱的螺杆轉子。

背景技術：

雙螺杆真空泵是一種容積式轉子泵，具有結構簡單、運行平穩、清潔無油、適應多種工況的優點，在半導體、化工、電子、核能、食品、醫藥領域應用廣泛；雙螺杆真空泵的主要零部件是平行裝配、相互嚙合的兩個螺杆轉子，工作時通過兩個螺杆轉子的同步異向雙迴轉運動，實現泵內被抽氣體的吸氣、壓縮和排氣過程；螺杆轉子的結構，尤其是端面型線的結構，直接影響雙螺杆真空泵的抽氣量、級間密封和極限真空度。

目前常用的單頭凹齒面雙螺杆真空泵，兩個螺杆轉子滿足嚙合和傳動規律且互為共軛，其端面型線由4段曲線組成，分別為：齒根圓弧、齒頂圓弧、擺線、圓漸開線，其中齒根圓弧、齒頂圓弧的圓心和圓漸開線的基圓圓心重合，該螺杆轉子的端面型線存在不參與嚙合的部分，且螺杆轉子的空間接觸線不連續，工作時存在明顯的洩漏通道；對螺杆轉子的研究，很多是在此型線的基礎上進行修正和改進：專利cn202926637提出了一種乾式真空泵轉子型線，由5段曲線組成，在齒根圓弧與圓漸開線連接的位置，添加了一段擺線進行修正；專利cn103233894提出了一種螺杆轉子型線，由6段曲線組成，在齒頂圓弧與圓漸開線和齒根圓弧與漸開線相連的位置，分別添加了一段圓弧和圓弧的包絡線進行修正。

以上專利所提出的螺杆轉子的端面型線，都是通過在端面型線上的圓漸開線與齒根圓弧或齒頂圓弧的連接處分別添加修正曲線，改善螺杆轉子空間接觸線不連續、相鄰工作腔間存在洩漏的問題；但添加修正曲線會導致螺杆轉子端面型線的組成曲線更加複雜，影響螺杆轉子的加工和裝配精度，同時修正後的螺杆轉子仍然有較長的空間接觸線，相鄰工作腔通過空間接觸線的洩漏改善不明顯。

技術實現要素：

為了解決現有單頭凹齒面雙螺杆真空泵存在洩漏的問題，為了解決現有型線修正引起的端面型線的組成曲線更加複雜的問題，為了豐富雙螺杆真空泵轉子的種類，本發明提出了一種不對稱的螺杆轉子：包括第一螺杆轉子(601)和第二螺杆轉子(602)，兩個螺杆轉子的形狀不同；第一螺杆轉子(601)的第一端面型線(401)由5段曲線組成：第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa，其中第一齒根圓弧fa和第一齒頂圓弧cd之間通過第一偏心圓漸開線ac光滑連接，第一齒頂圓弧cd和第一擺線的等距曲線ef之間通過第一齒尖圓弧de光滑連接；第二螺杆轉子(602)的第二端面型線(402)由5段曲線組成：第二偏心圓漸開線的包絡線ac、第二齒頂圓弧cd、第二齒尖圓弧de、第二擺線的等距曲線ef、第二齒根圓弧fa，其中第二齒根圓弧fa和第二齒頂圓弧cd之間通過第二偏心圓漸開線的包絡線ac光滑連接，第二齒頂圓弧cd和第二擺線的等距曲線ef之間通過第二齒尖圓弧de光滑連接；螺杆轉子的端面型線上，相鄰兩段曲線之間完全光滑連接，同時兩個螺杆轉子的端面型線能夠在同步異向雙迴轉運動中完全嚙合；消除了螺杆轉子的應力集中區域，改善螺杆轉子的力學性能，兩個螺杆轉子有連續且較短的空間接觸線，有利於減小相鄰工作腔之間通過空間接觸線的洩漏，提高螺杆轉子的極限真空度和抽氣量。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種不對稱的螺杆轉子，包括第一螺杆轉子(601)和第二螺杆轉子(602)，兩個螺杆轉子的形狀不同、平行裝配且相互嚙合；兩個螺杆轉子的端面型線的形狀和組成曲線不相同，在兩個螺杆轉子做角速度大小相同，方向相反的同步異向雙迴轉運動中，第一螺杆轉子(601)的第一端面型線(401)上的第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa，分別與第二螺杆轉子(602)的第二端面型線(402)上的第二偏心圓漸開線的包絡線ac、第二齒根圓弧fa、第二擺線的等距曲線ef、第二齒尖圓弧de、第二齒頂圓弧cd相互嚙合。

一種不對稱的螺杆轉子，由端面型線沿螺杆轉子的軸線做螺旋展開生成；第一螺杆轉子(601)的側面由5個齒面組成，依次為第一斜齒面(1)、第一齒頂面(2)、第一過渡齒面(3)、第一凹齒面(4)、第一齒根面(5)，這5個齒面依次是由第一螺杆轉子的端面型線中的第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa沿螺杆轉子的軸線做螺旋展開生成的；所述的第一斜齒面(1)與第一齒頂面(2)光滑連接，第一齒頂面(2)與第一過渡齒面(3)光滑連接，第一過渡齒面(3)與第一凹齒面(4)光滑連接，第一凹齒面(4)與第一齒根面(5)光滑連接，第一螺杆轉子(601)側面上的相鄰齒面之間都完全光滑連接；第二螺杆轉子(602)的側面由5個齒面組成，依次為：第二斜齒面(6)、第二齒根面(7)、第二凹齒面(8)、第二過渡齒面(9)、第二齒頂面(10)，各齒面與端面型線的對應生成關係與第一螺杆轉子(601)相同，第二螺杆轉子(602)側面上的相鄰齒面之間也都完全光滑連接；在兩個螺杆轉子做同步異向雙迴轉運動時，能滿足對應齒面的完全嚙合，不存在幹涉或者未參與嚙合的部分。

一種不對稱的螺杆轉子，端面型線上的8個幾何參數：齒頂圓弧半徑r1、節圓半徑r2、齒根圓弧半徑r3、偏心圓漸開線的基圓半徑rb、齒尖圓弧半徑r、偏心圓漸開線基圓的圓心n與迴轉中心o1的距離h、偏心圓漸開線基圓的圓心n的相位角α、偏心圓漸開線的轉角β之間滿足以下方程組：

給定端面型線上的4個幾何參數：齒頂圓弧半徑r1、齒根圓弧半徑r3、偏心圓漸開線的基圓半徑rb、齒尖圓弧半徑r，代入以上方程組即求出剩餘的4個幾何參數，從而求出端面型線上所有的幾何參數。

一種不對稱的螺杆轉子，第一螺杆轉子(601)的第一端面型線(401)上的各段曲線的確定方式如下：

①第一偏心圓漸開線ac：

首先確定標準圓漸開線的參數方程：

將上述標準圓漸開線方程進行兩次坐標變換，得到到第一偏心圓漸開線ac，即：

[xac(t)yac(t)1]t＝μ2·m1·[x(t)y(t)1]t

式中：m1—旋轉變換，

m2—平移變換，

化簡得到第一偏心圓漸開線ac的參數方程為：

②第一齒頂圓弧cd：

③第一齒尖圓弧de：

式中：(xm,ym)—第一齒尖圓弧de的圓心m的坐標；

確定第一齒尖圓弧de的圓心m(xm,ym)的坐標，首先聯立以下兩個方程組求取交點(x0,y0)：

x02+y02＝(r1-r)2

將上述方程所確定的交點(x0,y0)，進行以下旋轉變換後，得到第一齒尖圓弧de的圓心m(xm,ym)：

式中：θ—旋轉角度(即直線mo1與x軸所夾的銳角)，

④第一擺線的等距曲線ef：

首先確定一段初始擺線的參數方程：

將上述初始擺線的參數方程沿著法線的正方向，向外等距r的距離，然後再進行旋轉變換，得到第一擺線的等距曲線ef，即：

化簡得到第一擺線的等距曲線的參數方程為：

⑤第一齒根圓弧fa：

一種不對稱的螺杆轉子，第二螺杆轉子(602)的第二端面型線(402)上的第二齒頂圓弧cd、第二齒尖圓弧de、第二擺線的等距曲線ef、第二齒根圓弧fa，分別由第一螺杆轉子(601)的第一端面型線(401)上的第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa，繞端面型線上兩個迴轉中心點連線o1o2的中點進行中心對稱得出；第二偏心圓漸開線的包絡線ac的確定形式如下：

首先將第一偏心圓漸開線ac的方程進行如下坐標變換：

上式中的為中間參數，將坐標變換後的方程帶入如下的嚙合條件：

解得中間參數與自變量t的關係：

化簡以上各式，得到第二偏心圓漸開線的包絡線ac的方程為：

式中：—中間參數，其值由下式確定：

本發明的有益效果為：

(1)所提出的螺杆轉子的端面型線上，相鄰兩段曲線之間完全光滑連接，整個端面型線是全光滑的，由端面型線沿螺杆轉子的軸線螺旋展開生成全光滑的螺杆轉子，相鄰齒面之間完全光滑連接，不存在應力集中區域，改善了螺杆轉子的力學性能；

(2)所提出的螺杆轉子的端面型線直接用一段偏心圓漸開線平滑的連接齒根圓弧和齒頂圓弧，不需要添加額外的修正擺線或圓弧，端面型線的組成曲線較少，結構較簡單，便於加工設計；

(3)所提出的螺杆轉子與現有的單頭凹齒面螺杆轉子螺杆轉子相比，具有更短的空間接觸線；相鄰兩個工作腔之間通過空間接觸線的洩漏較小，進而改善了雙螺杆真空泵的密封性能，提高了雙螺杆真空泵的極限真空度。

附圖說明

圖1為現有的單頭凹齒面螺杆轉子端面型線圖。

圖2為一種不對稱的螺杆轉子的第一螺杆轉子的端面型線圖。

圖3為一種不對稱的螺杆轉子的第二螺杆轉子的端面型線圖。

圖4為一種不對稱的螺杆轉子的端面型線的嚙合圖。

圖5為兩個螺杆轉子的端面型線在不同旋轉角度的嚙合示意圖。

圖6為一種不對稱的螺杆轉子圖。

圖7為一種不對稱的螺杆轉子的嚙合圖。

圖8為第一螺杆轉子上的空間接觸線示意圖。

圖中：

r1—齒頂圓弧半徑；r2—節圓半徑；r3—齒根圓弧半徑；rb—偏心圓漸開線的基圓半徑；r—齒尖圓弧半徑；α—偏心圓漸開線基圓的圓心n的相位角；β—偏心圓漸開線的轉角；θ—直線mo1與x軸所夾的銳角；ω—工作時螺杆轉子的旋轉角速度；401—第一端面型線；402—第二端面型線；601—第一螺杆轉子；602—第二螺杆轉子；1—第一斜齒面；2—第一齒頂面；3—第一過渡齒面；4—第一凹齒面；5—第一齒根面；6—第二斜齒面；7—第二齒根面；8—第二凹齒面；9—第二過渡齒面；10—第二齒頂面；11—第一凹齒面接觸線；12—第一齒根面接觸線；13—第一斜齒面接觸線；14—第一齒頂面接觸線；15—第一過渡齒面接觸線。

具體實施方式

下面結合附圖與實例對本發明做進一步說明。

本發明提到的偏心圓漸開線，指的是第一齒頂圓弧cd、第一齒根圓弧fa的圓心重合，都在第一端面型線(401)的迴轉中心點o1上，但第一偏心圓漸開線ac的基圓圓心n不在端面型線的迴轉中心點o1上；本發明提到的端面型線，指的用一個垂直於螺杆轉子軸線的平面截斷螺杆轉子，斷面處螺杆轉子的輪廓曲線。

如圖1所示，為現有的單頭凹齒面螺杆轉子端面型線圖，現有的螺杆轉子端面型線主要由4段曲線組成：圓漸開線ab、齒頂圓弧bc、擺線cd、齒根圓弧da，其中圓漸開線ab的基圓和齒頂圓弧bc、齒根圓弧ad三者的圓心在o點處重合，圓漸開線ab和齒頂圓弧bc在連接點b處不光滑連接，圓漸開線ab和齒根圓弧da在連接點a處不光滑連接，同時在連接點a附近存在一段不參與嚙合的部分，導致螺杆轉子空間接觸線不連續，工作時存在明顯的洩漏通道。

如圖2所示，為一種不對稱的螺杆轉子的第一端面型線圖，由5段曲線組成：第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa；其中第一齒根圓弧fa和第一齒頂圓弧cd之間通過第一偏心圓漸開線ac光滑連接，第一齒頂圓弧cd和第一擺線的等距曲線ef之間通過第一齒尖圓弧de光滑連接；整個第一端面型線上，相鄰兩段曲線之間之間完全光滑連接。

如圖3所示，為一種不對稱的螺杆轉子的第二端面型線圖，由5段曲線組成：第二偏心圓漸開線的包絡線ac、第二齒頂圓弧cd、第二齒尖圓弧de、第二擺線的等距曲線ef、第二齒根圓弧fa；其中第二齒根圓弧fa和第二齒頂圓弧cd之間通過第二偏心圓漸開線的包絡線ac光滑連接，第二齒頂圓弧cd和第二擺線的等距曲線ef之間通過第二齒尖圓弧de光滑連接；整個第二端面型線上，相鄰兩段曲線之間完全光滑連接。

如圖4所示，為一種不對稱的螺杆轉子的端面型線的嚙合圖，兩個螺杆轉子的端面型線分別繞各自的迴轉中心點o1和o2做角速度大小相等，旋轉方向相反的同步異向雙迴轉運動，其中第一螺杆轉子(601)的第一端面型線(401)上的第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa，分別與第二螺杆轉子(602)的第二端面型線(402)上的第二偏心圓漸開線的包絡線ac、第二齒根圓弧fa、第二擺線的等距曲線ef、第二齒尖圓弧de、第二齒頂圓弧cd相互嚙合。

如圖5所示，為兩個螺杆轉子的端面型線在不同旋轉角度的嚙合示意圖，(a)圖到(b)圖第一端面型線(401)逆時針旋轉30°，第二端面型線(402)順時針旋轉30°；(b)圖到(c)圖第一端面型線(401)逆時針旋轉30°，第二端面型線(402)順時針旋轉30°，依此類推；在(a)～(e)圖中，第一端面型線(401)上的第一偏心圓漸開線ac與第二端面型線(402)上的第二偏心圓漸開線的包絡線ac完全嚙合；在(f)圖中，第一端面型線(401)上的第一擺線的等距曲線ef與第二端面型線(402)上的第二齒尖圓弧de完全嚙合；在(h)圖中，第一端面型線(401)上的第一齒尖圓弧de與第二端面型線(402)上的第二擺線的等距曲線ef完全嚙合；在(i)圖中，第一端面型線(401)上的第一齒頂圓弧cd與第二端面型線(402)上的第二齒根圓弧fa完全嚙合，由此可見，在工作過程中，第一端面型線(401)上的第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa，分別與第二端面型線(402)上的第二偏心圓漸開線的包絡線ac、第二齒根圓弧fa、第二擺線的等距曲線ef、第二齒尖圓弧de、第二齒頂圓弧cd相互嚙合。

如圖6所示，為一種不對稱的螺杆轉子圖，由端面型線沿螺杆轉子的軸線螺旋展開生成，具體的螺旋展開方式為：第一端面型線(401)繞迴轉中心點o1逆時針勻速旋轉的同時，沿著過迴轉中心點o1且垂直於端面型線的軸線做勻速直線運動，生成第一螺杆轉子(601)；第二端面型線(402)繞迴轉中心點o2順時針勻速旋轉的同時，沿著過迴轉中心點o2且垂直於端面型線的軸線做勻速直線運動，生成第二螺杆轉子(602)；第一螺杆轉子(601)的側面由5個齒面組成，依次為第一斜齒面(1)、第一齒頂面(2)、第一過渡齒面(3)、第一凹齒面(4)、第一齒根面(5)，這5個齒面依次是由第一端面型線(401)中的第一偏心圓漸開線ac、第一齒頂圓弧cd、第一齒尖圓弧de、第一擺線的等距線ef、第一齒根圓弧fa繞螺杆轉子的軸線螺旋展開生成的；所述的第一斜齒面(1)與第一齒頂面(2)光滑連接，第一齒頂面(2)與第一過渡齒面(3)光滑連接，第一過渡齒面(3)與第一凹齒面(4)光滑連接，第一凹齒面(4)與第一齒根面(5)光滑連接；第二螺杆轉子(602)的側面由5個齒面組成，依次為第二斜齒面(6)、第二齒根面(7)、第二凹齒面(8)、第二過渡齒面(9)、第二齒頂面(10)，各齒面與端面型線的對應生成關係與第一螺杆轉子(601)類似，所述的第二斜齒面(6)與第二齒根面(7)光滑連接，第二齒根面(7)與第二凹齒面(8)光滑連接，第二凹齒面(8)與第二過渡齒面(9)光滑連接，第二過渡齒面與第二齒頂面(10)光滑連接；兩個螺杆轉子側面上的相鄰齒面都完全光滑連接。

如圖7所示，為一種不對稱的螺杆轉子的嚙合圖，在工作過程中，第一螺杆轉子(601)的側面上的第一斜齒面(1)、第一齒頂面(2)、第一過渡齒面(3)、第一凹齒面(4)、第一齒根面(5)，分別與第二螺杆轉子(602)的側面上的第二斜齒面(6)、第二齒根面(7)、第二凹齒面(8)、第二過渡齒面(9)、第二齒頂面(10)相互嚙合；在兩個螺杆轉子做同步異向雙迴轉運動時，能滿足對應齒面的完全嚙合，不存在幹涉或者未參與嚙合的部分。

如圖8所示，為第一螺杆轉子上的空間接觸線示意圖，空間接觸線指的是第一螺杆轉子(601)和第二螺杆轉子(602)側面上兩個齒面完全嚙合產生的交線；空間接觸線呈周期性變化，相鄰兩組空間接觸線之間即為一個工作腔，同一組空間接觸線兩側的兩個工作腔，具有不同的氣體壓力；第一螺杆轉子(601)上，同一組空間接觸線由5條首尾相連的空間接觸線組成：11-12-13-14-15，其中第一凹齒面接觸線(11)為第一凹齒面(4)和第二過渡齒面(9)的交線，第一齒根面接觸線(12)為第一齒根面(5)和第二齒頂面(10)的交線，第一斜齒面接觸線(13)為第一斜齒面(1)和第二斜齒面(6)的交線，第一齒頂面接觸線(14)為第一齒頂面(2)和第二齒根面(7)的交線，第一過渡齒面接觸線(15)為第一過渡齒面(3)和第二凹齒面(8)的交線；本發明提出的螺杆轉子，同一組空間接觸線是連續且較短的，能夠有效阻斷兩側的兩個工作腔之間的氣體通過空間接觸線的洩漏，進而改善了雙螺杆真空泵的級間密封性能，提高了雙螺杆真空泵的極限真空度。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。