CN105332914B

CN105332914B - 一种全光滑的螺杆转子

Info

Publication number: CN105332914B
Application number: CN201510756436.8A
Authority: CN
Inventors: 王君; 刘宏杰; 崔峰; 李雪琴; 李强
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: Shandong Kaine Vacuum Technology Co Ltd
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: CN105332914A

Abstract

本发明公开了一种全光滑的螺杆转子，属于干式双螺杆真空泵技术领域；所提出的螺杆转子端面型线由7段曲线组成，且相邻曲线之间全部光滑连接，不存在尖点，采用相互共轭啮合的1段圆弧DE和1段摆线的等距曲线EF将齿顶圆弧CD和齿根圆弧FG光滑连接，采用摆线的等距曲线GA将齿根圆弧FG和圆渐开线AB光滑连接，采用圆弧BC将圆渐开线AB和齿顶圆弧CD光滑连接；在工作中2个螺杆转子端面型线相同，且能够实现正确的啮合；由此螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成的螺杆转子由7个齿面组成，且螺杆转子的全部齿面之间光滑过渡，消除了易产生应力集中的区域；所提出的螺杆转子具有强度高、密封性好、磨损小、使用寿命长的优点。

Description

一种全光滑的螺杆转子

技术领域

本发明涉及干式双螺杆真空泵，特别涉及适用于干式双螺杆真空泵的一种全光滑的螺杆转子。

背景技术

干式双螺杆真空泵是一种容积式真空泵，是通过2个能够实现啮合的螺杆转子的同步异向双回转运动，在2个螺杆转子和泵体内腔之间形成周期性变化的工作腔容积，实现气体的吸入、增压和排出，在泵的进口处形成真空；螺杆转子是由螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成的；因此螺杆转子端面型线及其共轭啮合性能直接影响双螺杆真空泵的密封性能、效率、面积利用系数。

常用的螺杆转子端面型线为圆渐开线、摆线和圆弧的组合线型；中国申请的发明专利(申请号201310170259.6)公开了一种螺杆转子型线，由6段曲线组成，包括：渐开线、过渡曲线、齿顶圆弧、长摆线、齿根圆弧、过渡曲线；中国申请的发明专利(申请号201510169195.7)公开了一种螺杆转子型线，由6段曲线组成，包括：渐开线、过渡曲线、齿顶圆弧、长摆线、齿根圆弧、过渡曲线。

在上述螺杆转子端面型线中，是采用长摆线连接齿顶圆弧和齿根圆弧的，然而齿顶圆弧与长摆线之间为不光滑连接，存在尖点；在理论上，点与摆线能够实现正确的啮合；然而存在尖点的螺杆转子端面型线具有以下缺点：螺杆转子端面型线存在尖点导致所生成的螺杆转子存在齿面不光滑处，在齿面不光滑处容易产生应力集中、受到流体的冲刷易变形、易磨损、螺杆转子的寿命低、密封性能较差、气体泄漏较大，影响双螺杆真空泵的极限真空度和抽速。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出一种全光滑的螺杆转子；其螺杆转子端面型线包括7段曲线，采用采用相互共轭啮合的1段圆弧DE和1段摆线的等距曲线EF将齿顶圆弧CD和齿根圆弧FG光滑连接，采用摆线的等距曲线GA将齿根圆弧FG和圆渐开线AB光滑连接，采用圆弧BC将圆渐开线AB和齿顶圆弧CD光滑连接；消除了螺杆转子端面型线中的尖点，得到了全光滑的螺杆转子端面型线；2个相同的全光滑的螺杆转子端面型线在同步异向双回转运动中，一侧螺杆转子端面型线的圆弧、摆线的等距曲线，分别与另一侧螺杆转子端面型线的摆线的等距曲线、圆弧能够实现正确的啮合；由此螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开所生成的螺杆转子，不但满足正确的啮合，而且其齿面实现全部光滑过渡；提高了螺杆转子的密封性能、强度、寿命，使得该螺杆转子能够适用于更高转速，同时提高了双螺杆真空泵的极限真空度和抽速；所提出的螺杆转子对于提高双螺杆真空泵的性能具有重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

螺杆转子在工作中作同步异向双回转运动，根据型线的共轭啮合原理，确定该运动方式下与圆弧相啮合的摆线的等距曲线及其相对位置，实现圆弧与齿顶圆弧的光滑连接、圆弧与摆线的等距曲线的光滑连接、摆线的等距曲线与齿根圆弧的光滑连接，得到全光滑的螺杆转子端面型线；由此全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成全光滑的螺杆转子，所生成的螺杆转子具有7个齿面，且7个齿面中的相邻齿面之间全部光滑过渡；2个螺杆转子的螺杆转子端面型线相同，且在工作中能够实现正确的啮合，从而提高了螺杆转子的综合性能。

一种全光滑的螺杆转子端面型线，由7段曲线组成，依次为：圆渐开线AB、圆弧BC、齿顶圆弧CD、圆弧DE、摆线的等距曲线EF、齿根圆弧FG和摆线的等距曲线GA；摆线的等距曲线EF是摆线(1)的等距曲线以原点O为旋转中心，逆时针旋转γ角度后得到；齿顶圆弧CD与圆弧DE光滑连接，圆弧DE与摆线的等距曲线EF光滑连接，摆线的等距曲线EF与齿根圆弧FG光滑连接，实现螺杆转子端面型线全部光滑连接，不存在尖点，同时保证齿顶圆弧CD的中心角与齿根圆弧FG的中心角相等。

一种全光滑的螺杆转子，由全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成，螺旋圈数大于2，由7个齿面组成，依次为：齿顶面(11)、圆弧齿面(12)、斜齿面(13)、齿面(14)、齿根面(15)、凹齿面(16)、圆弧齿面(17)；这些齿面依次由螺杆转子端面型线中的齿顶圆弧CD、圆弧BC、圆渐开线AB、摆线的等距曲线GA、齿根圆弧FG、摆线的等距曲线EF和圆弧DE沿轴向作螺旋展开生成；所述的齿顶面(11)与圆弧齿面(17)光滑过渡，圆弧齿面(17)与凹齿面(16)光滑过渡，凹齿面(16)与齿根面(15)光滑过渡，整个螺杆转子的相邻齿面之间全部光滑过渡；相互啮合的2个全光滑的螺杆转子端面型线相同，由此螺杆转子端面型线所生成的2个全光滑的螺杆转子在工作中能够实现全部齿面的正确啮合。

一种双螺杆真空泵，使用上述一种全光滑的螺杆转子。

本发明的有益效果为：

所提出的螺杆转子端面型线没有尖点，是全光滑的；由此全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开，生成全光滑的螺杆转子；在工作中，相互能够实现正确啮合的2个全光滑的螺杆转子的螺杆转子端面型线相同；因此提高了螺杆转子的密封性能和力学性能，提高了双螺杆真空泵的极限真空度和抽速。

附图说明

图1是现有的螺杆转子端面型线图。

图2是所提出的一种全光滑的螺杆转子端面型线图。

图3是所提出的2个全光滑的螺杆转子端面型线的啮合图。

图4是所提出的2个全光滑的螺杆转子端面型线在不同角度的啮合图。

图5是所提出的一种全光滑的螺杆转子端面型线的生成过程图。

图6是所提出的2个全光滑的螺杆转子的啮合图。

图7是所提出的一种全光滑的螺杆转子图。

图中：R₁—齿顶圆半径；R₂—节圆半径；R₃—齿根圆半径；R_b—圆渐开线的基圆半径；301、302—螺杆转子端面型线；1、3—摆线；2—圆渐开线；4—齿顶圆；5—齿根圆；6、9—圆；7、10—摆线的等距曲线；8—圆渐开线；α、β、γ—角度；r₁—圆(6)的半径；r₂—圆(9)的半径；11—齿顶面；12—圆弧齿面；13—斜齿面；14—齿面；15—齿根面；16—凹齿面；17—圆弧齿面；18—齿根面；19—齿面；20—斜齿面；21—圆弧齿面；22—齿顶面；23—圆弧齿面；24—凹齿面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，现有的螺杆转子端面型线的齿顶圆弧CD和摆线DE之间的连接点D为不光滑点，即尖点。

如图2所示，所提出的一种全光滑的螺杆转子端面型线由7段曲线组成，依次为：圆渐开线AB、圆弧BC、齿顶圆弧CD、圆弧DE、摆线的等距曲线EF、齿根圆弧FG和摆线的等距曲线GA；采用相互共轭啮合的1段圆弧DE和1段摆线的等距曲线EF将齿顶圆弧CD和齿根圆弧FG光滑连接，采用摆线的等距曲线GA将齿根圆弧FG和圆渐开线AB光滑连接，采用圆弧BC将圆渐开线AB和齿顶圆弧CD光滑连接；所述的组成螺杆转子端面型线的7段曲线中相邻曲线之间全部光滑连接，不存在尖点，形成全光滑的螺杆转子端面型线。

如图3所示，为2个全光滑的螺杆转子端面型线(301)和(302)之间的啮合图，相互啮合的2个全光滑的螺杆转子端面型线(301)和(302)相同，在工作中螺杆转子端面型线(301)的组成型线：圆渐开线AB、圆弧BC、齿顶圆弧CD、圆弧DE、摆线的等距曲线EF、齿根圆弧FG、摆线的等距曲线GA，分别与螺杆转子端面型线(302)的组成型线：圆渐开线ab、摆线的等距曲线ga、齿根圆弧fg、摆线的等距曲线ef、圆弧de、齿顶圆弧cd、圆弧bc能够实现正确的啮合。

如图4所示，为2个全光滑的螺杆转子端面型线在不同角度的啮合图，(a)～(i)图中各相邻图所对应的主轴转角相错10°；即(a)图到(b)图螺杆转子端面型线(301)顺时针旋转10°，螺杆转子端面型线(302)逆时针旋转10°；(b)图到(c)图螺杆转子端面型线(301)顺时针旋转10°，螺杆转子端面型线(302)逆时针旋转10°；以此类推；在(a)、(b)、(c)和(d)图中，螺杆转子端面型线(301)中的圆弧DE与螺杆转子端面型线(302)中的摆线的等距曲线ef相互啮合；在(f)、(g)、(h)和(i)图中，螺杆转子端面型线(301)中的摆线的等距曲线EF与螺杆转子端面型线(302)中的圆弧de相互啮合；螺杆转子端面型线(301)的组成型线：圆渐开线AB、圆弧BC、齿顶圆弧CD、圆弧DE、摆线的等距曲线EF、齿根圆弧FG、摆线的等距曲线GA，分别与螺杆转子端面型线(302)的组成型线：圆渐开线ab、摆线的等距曲线ga、齿根圆弧fg、摆线的等距曲线ef、圆弧de、齿顶圆弧cd、圆弧bc能够实现正确的啮合。

如图5所示，为一种全光滑的螺杆转子端面型线的生成过程图；全光滑的螺杆转子端面型线的生成过程如下：

①如图5(a)所示，按以下方程生成5段曲线，分别为：摆线(1)、圆渐开线(2)、摆线(3)、齿顶圆(4)和齿根圆(5)，各段曲线的方程如下：

摆线(1)的方程为：

圆渐开线(2)的方程为：

摆线(3)的方程为：

齿顶圆(4)的方程为：

齿根圆(5)的方程为：

以上：t—角度参数，rad；R₁—齿顶圆半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—齿根圆半径，mm；R_b—圆渐开线的基圆半径，mm；r₁—圆弧半径，mm；r₂—圆弧半径，mm；

②如图5(b)所示，将摆线(1)向外侧等距偏移2r₁，偏移后的曲线再绕原点O逆时针旋转γ角度，与以原点O为圆心、半径为R₁-r₁的圆相交，以其交点为圆心作半径为r₁的圆(6)，圆(6)与齿顶圆(4)相切，其切点为点D；将摆线(1)向外侧等距偏移r₁，偏移后的曲线再绕原点O逆时针旋转γ角度，得到摆线的等距曲线(7)，摆线的等距曲线(7)同时与圆(6)和齿根圆(5)相切，其切点分别为E、F，得到圆弧DE和摆线的等距曲线EF；角度γ由如下公式确定：

(x₀,y₀)为以下2曲线的交点：

x²+y²＝(R₁-r₁)²

③如图5(b)所示，将圆渐开线(2)绕原点O顺时针旋转α角度，得到圆渐开线(8)；作与Ox轴夹角为β的线段OC，线段OC与以原点O为圆心、半径为R₁-r₂的圆相交，以其交点为圆心作半径为r₂的圆(9)，圆(9)同时与齿顶圆(4)和圆渐开线(8)相切，其切点分别为C、B；得到圆弧BC和齿顶圆弧CD；角度α、β由如下公式确定：

④如图5(b)所示，将摆线(3)顺时针旋转β角度，将旋转后的摆线再向内侧等距偏移r₂，得到摆线的等距曲线(10)，摆线的等距曲线(10)同时与圆渐开线(8)和齿根圆(5)相切，其切点分别为A、G；得到摆线的等距曲线GA、圆渐开线AB和齿根圆弧FG。

如图6所示，为2个全光滑的螺杆转子的啮合图，相互啮合的2个全光滑的螺杆转子的螺杆转子端面型线相同，螺杆转子(601)为螺杆转子端面型线沿轴向作逆时针螺旋展开生成，螺杆转子(602)为螺杆转子端面型线沿轴向作顺时针螺旋展开生成，在工作中螺杆转子(601)的齿顶面(11)、圆弧齿面(12)、斜齿面(13)、齿面(14)、齿根面(15)、凹齿面(16)、圆弧齿面(17)，分别与螺杆转子(602)的齿根面(18)、齿面(19)、斜齿面(20)、圆弧齿面(21)、齿顶面(22)、圆弧齿面(23)、凹齿面(24)能够实现正确的啮合。

图7所示，为一种全光滑的螺杆转子图，全光滑的螺杆转子是由全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋作展开生成，螺旋圈数大于2，由7个齿面组成，依次为：齿顶面(11)、圆弧齿面(12)、斜齿面(13)、齿面(14)、齿根面(15)、凹齿面(16)、圆弧齿面(17)；其中齿顶面(11)与圆弧齿面(17)光滑过渡，圆弧齿面(17)与凹齿面(16)光滑过渡，凹齿面(16)与齿根面(15)光滑过渡，整个螺杆转子的相邻齿面之间全部光滑过渡。

所提出的一种全光滑的螺杆转子的特点是：全光滑的螺杆转子由全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成，全光滑的螺杆转子端面型线由7段曲线组成：圆渐开线AB、圆弧BC、齿顶圆弧CD、圆弧DE、摆线的等距曲线EF、齿根圆弧FG和摆线的等距曲线GA，相邻曲线之间全部光滑连接，不存在尖点，2个相同的螺杆转子端面型线之间能够实现正确的啮合；由此全光滑的螺杆转子端面型线生成全光滑的螺杆转子，包含7个齿面，依次为：齿顶面(11)、圆弧齿面(12)、斜齿面(13)、齿面(14)、齿根面(15)、凹齿面(16)、圆弧齿面(17)，相邻齿面之间全部光滑过渡，因此能有效地提高螺杆转子的力学性能和啮合性能，减少螺杆转子的磨损和变形，消除了容易产生应力集中的区域，且有利于气体密封；因而所提出的全光滑的螺杆转子的具有较高的强度和良好的密封性能，同时提高了双螺杆真空泵的极限真空度和抽速。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种全光滑的螺杆转子，其左螺杆转子端面型线(301)包括7段曲线：左圆渐开线AB、左第一圆弧BC、左齿顶圆弧CD、左第二圆弧DE、左第一摆线的等距曲线EF、左齿根圆弧FG和左第二摆线的等距曲线GA；其特征是：采用相互共轭啮合的1段左第二圆弧DE和1段左第一摆线的等距曲线EF将左齿顶圆弧CD和左齿根圆弧FG光滑连接，采用左第二摆线的等距曲线GA将左齿根圆弧FG和左圆渐开线AB光滑连接，采用左第一圆弧BC将左圆渐开线AB和左齿顶圆弧CD光滑连接；所述的组成螺杆转子端面型线的7段曲线中相邻曲线之间全部光滑连接，不存在尖点，形成全光滑的螺杆转子端面型线；并且相同的2个全光滑的螺杆转子端面型线在同步异向双回转运动中能够实现正确的啮合，左螺杆转子端面型线(301)中的左圆渐开线AB、左第一圆弧BC、左齿顶圆弧CD、左第二圆弧DE、左第一摆线的等距曲线EF、左齿根圆弧FG、左第二摆线的等距曲线GA，分别与右螺杆转子端面型线(302)中的右圆渐开线ab、右第一摆线的等距曲线ga、右齿根圆弧fg、右第二摆线的等距曲线ef、右第一圆弧de、右齿顶圆弧cd、右第二圆弧bc能够实现正确的啮合；

左螺杆转子端面型线(301)的生成方法如下：

①按以下方程生成5段曲线，分别为：第一摆线(1)、第一圆渐开线(2)、第二摆线(3)、齿顶圆(4)和齿根圆(5)，各段曲线的方程如下：

第一摆线(1)的方程为：

第一圆渐开线(2)的方程为：

第二摆线(3)的方程为：

齿顶圆(4)的方程为：

齿根圆(5)的方程为：

②将第一摆线(1)向外侧等距偏移2r₁，偏移后的曲线再绕原点O逆时针旋转γ角度，与以原点O为圆心、半径为R₁-r₁的圆相交，以其交点为圆心作半径为r₁的第一圆(6)，第一圆(6)与齿顶圆(4)相切，其切点为点D；将第一摆线(1)向外侧等距偏移r₁，偏移后的曲线再绕原点O逆时针旋转γ角度，得到第一摆线的等距曲线(7)，第一摆线的等距曲线(7)同时与第一圆(6)和齿根圆(5)相切，其切点分别为E、F，得到左第二圆弧DE和左第一摆线的等距曲线EF；角度γ由如下公式确定：

γ = - \frac{1}{2} a r c t a n \frac{y_{0}}{x_{0}}

(x₀,y₀)为以下2曲线的交点：

x²+y²＝(R₁-r₁)²

\{\begin{matrix} x (t) = 2 R_{2} \cos (t) - (R_{1} - r_{1}) \cos (2 t) - 2 r_{1} \frac{2 R_{2} \cos (t) - 2 (R_{1} - r_{1}) \cos (2 t)}{\sqrt{4 {R_{2}}^{2} - 8 R_{2} (R_{1} - r_{1}) \cos (2 t) + 4 {(R_{1} - r_{1})}^{2}}} \\ x (t) = 2 R_{2} \sin (t) - (R_{1} - r_{1}) \sin (2 t) + 2 r_{1} \frac{- 2 R_{2} \sin (t) + 2 (R_{1} - r_{1}) \sin (2 t)}{\sqrt{4 {R_{2}}^{2} - 8 R_{2} (R_{1} - r_{1}) \cos (2 t) + 4 {(R_{1} - r_{1})}^{2}}} \end{matrix}

③将第一圆渐开线(2)绕原点O顺时针旋转α角度，得到第二圆渐开线(8)；作与Ox轴夹角为β的线段OC，线段OC与以原点O为圆心、半径为R₁-r₂的圆相交，以其交点为圆心作半径为r₂的第二圆(9)，第二圆(9)同时与齿顶圆(4)和第二圆渐开线(8)相切，其切点分别为C、B；得到左第一圆弧BC和左齿顶圆弧CD；角度α、β由如下公式确定：

α = t a n (a r c c o s \frac{R_{b}}{R_{2}}) - a r c c o s \frac{R_{b}}{R_{2}}

β = t a n (a r c c o s \frac{R_{b}}{\sqrt{{R_{b}}^{2} + (\sqrt{{(R_{1} - r_{2})}^{2} - {R_{b}}^{2}} + r_{2}}}) - a r c c o s (\frac{R_{b}}{R_{1} - r_{2}}) - α

④将第二摆线(3)顺时针旋转β角度，将旋转后的摆线再向内侧等距偏移r₂，得到第二摆线的等距曲线(10)，第二摆线的等距曲线(10)同时与第二圆渐开线(8)和齿根圆(5)相切，其切点分别为A、G；得到左第二摆线的等距曲线GA、左圆渐开线AB和左齿根圆弧FG。

2.一种全光滑的螺杆转子，如权利要求1所述的一种全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成，其特征是：螺旋圈数大于2，由7个齿面组成，依次为：左齿顶面(11)、左第一圆弧齿面(12)、左斜齿面(13)、左齿面(14)、左齿根面(15)、左凹齿面(16)、左第二圆弧齿面(17)，这些齿面依次由左螺杆转子端面型线(301)中的左齿顶圆弧CD、左第一圆弧BC、左圆渐开线AB、左第二摆线的等距曲线GA、左齿根圆弧FG、左第一摆线的等距曲线EF和左第二圆弧DE沿轴向作螺旋展开生成；所述的组成螺杆转子的7个齿面中，相邻齿面之间全部光滑过渡，形成全光滑的螺杆转子。

3.如权利要求2所述的一种全光滑的螺杆转子，其特征是：相互啮合的2个全光滑的螺杆转子由同一全光滑的螺杆转子端面型线沿轴向作螺旋展开生成，左螺杆转子(601)为左螺杆转子端面型线(301)沿轴向作逆时针螺旋展开生成，右螺杆转子(602)为右螺杆转子端面型线沿轴向作顺时针螺旋展开生成，在工作中左螺杆转子(601)的左齿顶面(11)、左第一圆弧齿面(12)、左斜齿面(13)、左齿面(14)、左齿根面(15)、左凹齿面(16)、左第二圆弧齿面(17)，分别与右螺杆转子(602)的右齿根面(18)、右齿面(19)、右斜齿面(20)、右第一圆弧齿面(21)、右齿顶面(22)、右第二圆弧齿面(23)、右凹齿面(24)能够实现正确的啮合。

4.一种双螺杆真空泵，其特征是：使用如权利要求1所述的螺杆转子。