一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡設計方法
2023-08-13 02:01:01
專利名稱：一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡設計方法
技術領域：
本發明涉及螺杆式無油真空泵與螺杆混輸泵技術領域，特別涉及一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡設計方法。
背景技術：
無油螺杆真空泵具有抽速範圍寬、結構簡單緊湊、抽氣腔元件無摩擦、壽命長、能耗低、無油汙染等特點，廣泛應用於半導體、醫藥、食品、化工等工業領域。螺杆轉子是螺杆真空泵中最關鍵的抽氣部件，直接決定著泵的工作性能和使用壽命，其加工製造成本約佔整個螺杆泵總成本近一半。其中單頭等螺距的螺杆轉子，因其內部無壓縮的排氣方式，特別適用於在醫藥、化工等行業中抽除或輸送易燃、易爆及可凝性氣體，並且具有易於加工製造和裝配等特點，因此在無油螺杆真空泵中得到廣泛應用。
儘管單頭等螺距螺杆轉子的型線結構多種多樣，但其共同特徵是其端面型線的形心並不處於其迴轉軸線之上。作為一個高速旋轉的機械部件，運轉時所產生的不平衡慣性力將在運動副中引起附加的動壓力。因此，在螺杆轉子的設計、製造過程中，必須認真解決其動平衡問題。螺杆轉子的動平衡設計以消除支承動反力為目的，其設計指標是使轉子的慣性力和慣性力矩儘可能小。
質量去除(或添加)法是實現轉子動平衡的常用方法，通過在轉子體的合適部位去除(或添加)一部分補償質量，改變轉子體的質量分布，從而使轉子滿足動平衡條件。鑑於無油螺杆真空泵中螺杆轉子主要齒形面必須保持其完整性，以便保證抽氣過程中的連續嚙合與密封，因此通常選擇在螺杆轉子的兩側端面以及齒頂圓外表面作為去除質量的位置。
基於質量去除法的轉子動平衡設計的主要任務就是確定去除質量體的形狀大小和位置分布。目前廣泛採用的動平衡設計方法，大多是根據每一種特定螺杆轉子的加工實體或虛擬造型，通過反覆進行實際或虛擬動平衡測試，來決定所應該去除質量體的大小和位置，即採用試湊法進行動平衡設計。由於轉子型線構成的不同和結構尺寸的差異，每一種具體的螺杆轉子的動平衡設計都各不相同，因此導致轉子的動平衡設計工作困難、繁瑣而又耗時。作為螺杆轉子設計製造中最關鍵的技術訣竅之一，目前尚沒有公開發表、簡單易行的專門設計方法供機械設計人員直接採用。發明內容
針對現有方法存在的不足，本發明提出一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡設計方法，達到使動平衡設計簡單、高效，便于于機械設計人員操作的目的。
本發明一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡方法，技術方案的實現包括以下步驟
步驟1 對於任意一種指定結構的單頭等螺距螺杆轉子，首先在轉子端面上以軸心為原點建立極坐標系，計算出轉子端面型線所包圍圖形的截面面積Atl以及該圖形形心的極坐標位置Ov θ 0)；
步驟2 確定螺杆去除質量參數，按以下三種不同情況選擇其一進行
第一種情況當螺杆轉子的總長度Ltl等於其導程ρ的整數倍時，即Ltl = np，其中節距數η = 1,2,3...時，確定轉子兩端去除質量體空穴的截面面積Ap A2形心位置坐標(r1; θ》、(r2, θ2)和挖空深度Lp L2;
所述轉子兩端去除質量體空穴的截面面積ApA2，公式如下
A1=A2
A1Ir1 = A2r2 = nA0r0/(2n-l)
所述形心位置坐標(r1; θ J、(r2，θ 2)，公式如下
!T1 = r2
θ j = θ 2 = θ 0
所述挖空深度L1, L2公式如下
L1 = L2 = ρ/2
第二種情況當螺杆轉子的總長度Ltl等於其導程ρ的η. 5倍時，即Ltl = (2η+1) ρ/2, η = 1,2,3...時，確定轉子兩端去除質量體空穴的截面面積Ap A2,形心位置坐標(r1; θ》、(r2, θ2)和挖空深度Lp L2;
所述的轉子兩端去除質量體空穴的截面面積Ap A2，公式如下
A1=A2
A1IT1 = A2r2 = A。r。/2
所述的形心位置坐標(r1; θ J，(r2, θ 2)，公式如下
!T1 = r2
θ 0 = θ j
θ 2 = θ 0 士 Ji
所述的挖空深度Lp L2,公式如下
L1 = L2 = ρ/2
第三種情況當螺杆轉子的總長度Ltl與其導程ρ的關係不滿足上述兩種情況的條件時，則轉子兩端去除質量體空穴的截面面積ApA2,形心位置坐標(Γι，θ , (r2, θ2)和挖空深度LpL2按下面公式，採用最優化方法計算
min {| mrxo | +1 mrXL | +1 mrY01 +1 mrYL |}
s. t. Xm0A0L0-XmlA1L1-Xm2A2L2 = 0
YmOA0L0-YmlA1Lrym2A2L2 = 0
式中、。=士[sinPo ± 2;rZ0 / 屍)-sin 6>0 ]
xM =⑷ 士 2冗A / P) — sin θλ ]IttL1
、2 =θ2 - sin(込 m^^)]TjtL1ρ
ymo = m^7-[cos(^0 士 2;rZ0 / ρ) - cos θ0 ]IttL0
ymi =士 / p) - cos θλ ](la)(lb)(Ic) (2a) (2b)
權利要求
1. 一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡設計方法，其特徵在於包括以下步驟 步驟1 對於任意一種指定結構的單頭等螺距螺杆轉子，首先在轉子端面上以軸心為原點建立極坐標系，計算出轉子端面型線所包圍圖形的截面面積Atl以及該圖形形心的極坐標位置(rQ，θ 0)；步驟2 確定螺杆轉子去除質量參數，按以下三種不同情況選擇其一進行 第一種情況當螺杆轉子的總長度Ltl等於其導程ρ的整數倍時，即Ltl = Iip,其中節距數 η= 1,2,3...時，確定轉子兩端去除質量體空穴的截面面積ApA2形心位置坐標(r1; θ》、 (r2，θ2)和挖空深度Lp L2;所述轉子兩端去除質量體空穴的截面面積~、A2,公式如下 A1 = A2A^1 = A2T2 = nA0r0/(2n-l) 所述形心位置坐標(ri; θ》、(r2，θ 2)，公式如下 Γι = r2 θ 1 = θ 2 = θ 0所述挖空深度L1, L2公式如下 L1 = L2 = ρ/2第二種情況當螺杆轉子的總長度Ltl等於其導程ρ的η. 5倍時，即Ltl = (2η+1)ρ/2, η =1,2,3...時，確定轉子兩端去除質量體空穴的截面面積Ap A2,形心位置坐標(Γι，θ》、 (r2，θ2)和挖空深度Lp L2;所述的轉子兩端去除質量體空穴的截面面積ApA2，公式如下 A1 = A2A。= A2r2 = A0r0/2所述的形心位置坐標(ri; O1), (r2, θ 2)，公式如下: Γι = r2θ0=θ1 θ2= θ。士 JI所述的挖空深度Lp L2,公式如下 L1 = L2 = ρ/2第三種情況當螺杆轉子的總長度Ltl與其導程ρ的關係不滿足上述兩種情況的條件時，則轉子兩端去除質量體空穴的截面面積ApA2,形心位置坐標(ri; θ , (r2, θ 2)和挖空深度LpL2按下面公式，採用最優化方法計算 min {I mrxo | +1 mrXL | +1 mrY01 +1 mrYL |} s. t. Xm0A0L0-XmlA1L1-Xm2A2L2 — 0 YmoAoLo-YmiAiLi-Ym2A2L2 = 0式中、o=±i[sin(代 i2^zJ屍(la) xml = ±^[sin⑷ 士 IttIa / ρ) - sin θλ ](lb)
全文摘要
一種單頭等螺距螺杆轉子的動平衡設計方法，屬於螺杆式無油真空泵與螺杆混輸泵技術領域，對於任意一種指定結構的單頭等螺距螺杆轉子，首先計算出轉子端面型線所包圍圖形的截面面積A0以及該圖形形心的極坐標位置(r0，θ0)；按轉子總長度與其導程關係的三種不同情況選擇，計算確定螺杆轉子在鑄造毛坯時預留去除質量體的空穴的參數，進而實現螺杆轉子的動平衡，本發明方法簡單、高效，便于于機械設計人員操作。
文檔編號G06F17/50GK102521423SQ20111030096
公開日2012年6月27日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者張世偉, 張志軍, 顧中華 申請人:東北大學