CN118008787A - 一种凸轮泵的销齿型转子及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮泵的销齿型转子及其设计方法，凸轮泵由左销齿型转子、右销齿型转子和泵腔组成；所公开的左销齿型转子和右销齿型转子具有相同的端面型线，左销齿型转子的端面型线与右销齿型转子的端面型线每个叶均由6段曲线组成，包括4段圆弧、2段渐开线；在工作过程中，左销齿型转子、右销齿型转子能够实现正确啮合；所公开的凸轮泵的转子端面型线简单，具有良好的自啮合性，圆弧与渐开线的光滑连接使凸轮泵出口处的压力脉动得到改善，同时，新型的销齿设计具有高密封性，减小了凸轮泵齿顶处泄漏大的问题，该方法同时适用于多叶转子的设计，便于转子的系列化生产。

Description

一种凸轮泵的销齿型转子及其设计方法

技术领域

本发明属于流体机械工程技术领域，特别涉及一种销齿型凸轮泵转子型线。

背景技术

在石油开采中，油气混输泵主要输送含气、水、沙等的原油，并对原油进行集中净化、分离和储存，可保证油井生产中油气的密闭输送，提高经济效益。凸轮泵作为一种容积式流体机械，现广泛应用于石油、化工和食品行业，凸轮泵通过一对相互啮合的凸轮转子做同步异向双回转运动，实现工作腔容积的周期性变化，从而实现液体的吸入、等容输送和排出。

凸轮泵的转子型线决定了其面积利用系数、转子间间隙的不均匀度等特性，而面积利用系数决定了凸轮泵的流量、转子间间隙的不均匀度决定了凸轮泵的内泄漏特性。现在常见的凸轮泵转子型线有三种，即圆弧型、渐开线型和摆线型。专利CN111779674B公开了一种多叶罗茨泵转子型线，提供了多叶罗茨泵型线的参数方程，转子面积利用系数高。专利CN116464641A提出了一种罗茨转子型线设计方法，所提出的罗茨转子型线在叶顶增加了与气腔等径的圆弧段，增强动静面之间的密封性，减少内泄漏。目前，凸轮转子的型线存在以下问题：①圆弧-渐开线型转子由于齿顶圆弧处密封性能差，存在泄漏现象，其容积效率较低。②常用转子型线多为二叶转子型线或三叶转子型线，多叶转子型线涉及较少。

发明内容

针对圆弧-渐开线型转子由于齿顶圆弧处存在泄漏现象，导致其容积效率较低的问题，本发明提出了一种凸轮泵的销齿型转子及其设计方法，凸轮泵由左销齿型转子、右销齿型转子和泵腔组成；所公开的左销齿型转子和右销齿型转子具有相同的端面型线，左销齿型转子的端面型线与右销齿型转子的端面型线每个叶均由6段曲线组成，包括4段圆弧、2段渐开线；在工作过程中，左销齿型转子、右销齿型转子能够实现正确啮合；所公开的凸轮泵的转子端面型线简单，具有良好的自啮合性，圆弧与渐开线的光滑连接使凸轮泵出口处的压力脉动得到改善，同时，新型的销齿设计具有高密封性，减小了凸轮泵齿顶处泄漏大的问题，该方法同时适用于多叶转子的设计，便于转子的系列化生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种凸轮泵的销齿型转子，包括：左销齿型转子和右销齿型转子，其特征是：左销齿型转子的端面型线叶数为n，右销齿型转子的端面型线叶数为n，n＝2、3或4；

所述的左销齿型转子的端面型线每个叶由6段曲线组成，按顺时针方向依次为：左第一渐开线QR、左第一圆弧RA、左第一齿顶圆弧AB、左第二圆弧BC、左第二渐开线CD、左第一齿底圆弧DE；

所述的左销齿型转子的端面型线存在n条对称轴；

所述的左销齿型转子的端面型线关于其回转中心O₁是旋转对称的，以回转中心O₁为中心将左销齿型转子的端面型线逆时针旋转后，与其自身相重合；

所述的右销齿型转子的端面型线与左销齿型转子的端面型线完全相同；

所述的右销齿型转子的端面型线每个叶由6段曲线组成，按逆时针方向依次为：右第一渐开线qr、右第一圆弧ra、右第一齿顶圆弧ab、右第二圆弧bc、右第二渐开线cd、右第一齿底圆弧de。

所述的一种凸轮泵的销齿型转子，其特征是：左销齿型转子与右销齿型转子在同步异向双回转运动的工作过程中，左销齿型转子的端面型线和右销齿型转子的端面型线能够实现正确啮合，其啮合关系为：左销齿型转子的端面型线中的左第一渐开线QR与右销齿型转子的端面型线中的右第三渐开线ef相互啮合，左销齿型转子的端面型线中的左第一圆弧RA和左第二圆弧BC与右销齿型转子的端面型线中的右第一齿底圆弧de相互啮合，左销齿型转子的端面型线中的左第二渐开线CD与右销齿型转子的端面型线中的右第二渐开线cd相互啮合，左销齿型转子的端面型线中的左第一齿底圆弧DE与右销齿型转子的端面型线中的右第二圆弧bc和右第一圆弧ra相互啮合；

所述的左销齿型转子的端面型线中的左第一圆弧RA和左第二圆弧BC在与右销齿型转子的端面型线中的右第一齿底圆弧de在啮合过程中能够实现同一圆弧相互啮合，所述的左销齿型转子的端面型线中的左第一齿底圆弧DE在与右销齿型转子的端面型线中的右第二圆弧bc和右第一圆弧ra在啮合过程中能够实现同一圆弧相互啮合。

一种凸轮泵的销齿型转子的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

1)给定叶数n；给定齿顶圆半径R₁；给定节圆半径R₂；求得圆弧的半径R₃，R₃＝(R₁-R₂)·C，C为常数；

以左销齿型转子的回转中心O₁为原点建立坐标系O₁xy，分别做出圆心为回转中心O₁半径为R₁的齿顶圆、圆心为回转中心O₁半径为R₂的节圆、圆心为U半径为R₃的圆弧、圆心为T半径为R₃的齿底圆；

2)确定左销齿型转子的端面型线的各种组成曲线的方程：

①左第一齿顶圆弧AB的方程为：

②确定圆弧圆心角θ为：

③左第二圆弧BC的方程为：

④按以下步骤确定左第二渐开线CD：

确定渐开线在C点处法线与x轴的夹角

确定渐开线在B点处法线与x轴的夹角θ₂＝θ；

得到渐开线基圆半径R_b为：

R_b＝R₂sin(θ)；

得到渐开线发生角α为：

得到左第二渐开线CD的方程为：

④左第一齿底圆弧DE的方程为：

3)将左第二圆弧BC、左第二渐开线CD沿镜像对称，得到左第一圆弧RA、左第一渐开线QR；

将左第一渐开线QR、左第一圆弧RA、左第一齿顶圆弧AB、左第二圆弧BC、左第二渐开线CD、左第一齿底圆弧DE以左销齿型转子的回转中心O₁为中心进行n个环形阵列，得到左销齿型转子的端面型线；

4)将左销齿型转子的端面型线镜像对称得到右销齿型转子的端面型线；

以上：t—角度自变量，rad；n—叶数；R₁—齿顶圆弧半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—圆弧的半径，mm；R_b—渐开线基圆半径，mm；β—左第一齿顶圆弧AB的圆心角，rad；α—渐开线发生角，rad；θ—圆弧圆心角，rad；θ₁—渐开线在C点处法线与x轴的夹角，rad；θ₂—渐开线在B点处法线与x轴的夹角，rad；γ—左第二圆弧BC在B点处法线与x轴的夹角，rad。

一种凸轮泵，其特征是：使用所述的左销齿型转子和右销齿型转子。

本发明的有益效果为：

①所提出的一种凸轮泵的销齿型转子，其端面型线中圆弧与渐开线之间光滑连接，同时齿顶处为销齿型设计，转子与泵腔之间的接触由点接触变为线接触，减小了循环工质的泄漏量，具有高密封性；

②所提出的一种凸轮泵的销齿型转子，其方程适用于多叶转子的设计，便于转子的系列化生产；

③所提出的一种凸轮泵的销齿型转子，圆弧与渐开线的光滑连接使得凸轮泵出口处的压力脉动得到改善。

附图说明

图1是一种带泵腔的凸轮泵转子的结构示意图。

图2是左销齿型转子(1)的渐开线型线示意图。

图3是一种三叶的左销齿型转子(1)的端面型线设计方法图。

图4是一种三叶的左销齿型转子(1)的端面型线(101)和右销齿型转子(2)的端面型线(201)啮合关系示意图。

图5是一种二叶销齿型凸轮泵转子端面型线示意图。

图6是一种三叶销齿型凸轮泵转子端面型线示意图。

图7是一种四叶销齿型凸轮泵转子端面型线示意图。

图中：1—左销齿型转子(1)；2—右销齿型转子(2)；3—泵腔(3)；R₁—齿顶圆弧半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—圆弧的半径，mm；θ—圆弧圆心角，rad；R_b—渐开线基圆半径，mm；α—渐开线发生角，rad；β—左第一齿顶圆弧AB的圆心角，rad；θ₁—渐开线在C点处法线与x轴的夹角，rad；θ₂—渐开线在B点处法线与x轴的夹角，rad；γ—左第二圆弧BC在B点处法线与x轴的夹角，rad。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为一种带泵腔的凸轮泵转子的结构示意图，包括：左销齿型转子1、右销齿型转子2、泵腔3；在凸轮泵的工作过程中，左销齿型转子1和右销齿型转子2在泵腔3内做同步异向双回转运动，两转子与泵腔3形成周期性变化的工作腔，并且工作腔周期性地与吸、排气口联通，从而完成凸轮泵的吸液、等容输送和排液过程。

如图2所示，为左销齿型转子1的渐开线型线示意图，CD为渐开线，渐开线基圆圆心在回转中心O₁，θ₁为渐开线在C点处的法线与x轴的夹角，θ₂为渐开线在B点处的法线与x轴的夹角。

如图3所示，为一种三叶的左销齿型转子1的端面型线设计方法图，其端面型线由18条曲线组成，按顺时针方向依次为：左第一渐开线QR、左第一圆弧RA、左第一齿顶圆弧AB、左第二圆弧BC、左第二渐开线CD、左第一齿底圆弧DE、左第三渐开线EF、左第三圆弧FG、左第二齿顶圆弧GH、左第四圆弧HI、左第四渐开线IJ、左第二齿底圆弧JK、左第五渐开线KL、左第五圆弧LM、左第三齿顶圆弧MN、左第六圆弧NO、左第六渐开线OP、左第三齿底圆弧PQ；

设计方法包括以下步骤：

1)给定叶数n＝3；给定齿顶圆半径R₁；给定节圆半径R₂；求得圆弧的半径R₃，R₃＝(R₁-R₂)·C，C为常数；

以左销齿型转子1的回转中心O₁为原点建立坐标系O₁xy，分别做出圆心为回转中心O₁半径为R₁的齿顶圆、圆心为回转中心O₁半径为R₂的节圆、圆心为U半径为R₃的圆弧、圆心为T半径为R₃的齿底圆；

2)确定左销齿型转子1的端面型线101的各种组成曲线的方程：

①左第一齿顶圆弧AB的方程为：

②确定圆弧圆心角θ，θ满足如下关系：

解得/>

③左第二圆弧BC的方程为：

④按以下步骤确定左第二渐开线CD：

确定渐开线在C点处法线与x轴的夹角

确定渐开线在B点处法线与x轴的夹角θ₂＝θ；

得到渐开线基圆半径R_b为：

R_b＝R₂sin(θ)；

得到渐开线发生角α为：

得到左第二渐开线CD的方程为：

④左第一齿底圆弧DE的方程为：

3)将左第二圆弧BC、左第二渐开线CD沿镜像对称，得到左第一圆弧RA、左第一渐开线QR；

将左第一渐开线QR、左第一圆弧RA、左第一齿顶圆弧AB、左第二圆弧BC、左第二渐开线CD、左第一齿底圆弧DE以左销齿型转子1的回转中心O₁为中心进行n个环形阵列，得到左销齿型转子1的端面型线101；

4)将左销齿型转子1的端面型线101镜像对称得到右销齿型转子2的端面型线201。

以上：t—角度自变量，rad；n—叶数；R₁—齿顶圆弧半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—圆弧的半径，mm；R_b—渐开线基圆半径，mm；β—左第一齿顶圆弧AB的圆心角，rad；α—渐开线发生角，rad；θ—圆弧圆心角，rad；θ₁—渐开线在C点处法线与x轴的夹角，rad；θ₂—渐开线在B点处法线与x轴的夹角，rad；γ—左第二圆弧BC在B点处法线与x轴的夹角，rad。

如图4所示，为一种三叶的左销齿型转子1的端面型线101和右销齿型转子2的端面型线201啮合关系示意图。左销齿型转子1与右销齿型转子2在同步异向双回转的工作过程中，能够实现正确啮合，其啮合关系为：左销齿型转子1的左第一渐开线QR与右销齿型转子2的右第三渐开线ef相互啮合，左销齿型转子1的左第一圆弧RA和左第二圆弧BC与右销齿型转子2的右第一齿底圆弧de相互啮合，左销齿型转子1的左第二渐开线CD与右销齿型转子2的右第二渐开线cd相互啮合，左销齿型转子1的左第一齿底圆弧DE与右销齿型转子2的右第二圆弧bc和右第一圆弧ra相互啮合，左销齿型转子1的左第三渐开线EF与右销齿型转子2的右第一渐开线qr相互啮合，左销齿型转子1的左第三圆弧FG和左第四圆弧HI与右销齿型转子2的右第二齿底圆弧pq相互啮合，左销齿型转子1的左第四渐开线IJ与右销齿型转子2的右第六渐开线op相互啮合，左销齿型转子1的左第二齿底圆弧JK与右销齿型转子2的右第三圆弧no和右第四圆弧lm相互啮合，左销齿型转子1的左第五渐开线KL与右销齿型转子2的右第五渐开线kl相互啮合，左销齿型转子1的左第五圆弧LM和左第六圆弧NO与右销齿型转子2的右第三齿底圆弧jk相互啮合，左销齿型转子1的左第六渐开线OP与右销齿型转子2的右第四渐开线ij相互啮合，左销齿型转子1的左第三齿底圆弧PQ与右销齿型转子2的右第五圆弧hi和右第六圆弧fg相互啮合。

如图5所示，为一种二叶销齿型凸轮泵转子端面型线示意图，回转中心O₁和O₂分别为两个转子的中心。

如图6所示，为一种三叶销齿型凸轮泵转子端面型线示意图，回转中心O₁和O₂分别为两个转子的中心。

如图7所示，为一种四叶销齿型凸轮泵转子端面型线示意图，回转中心O₁和O₂分别为两个转子的中心。

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 (4)

1.一种凸轮泵的销齿型转子，包括：左销齿型转子(1)和右销齿型转子(2)，其特征是：左销齿型转子(1)的端面型线(101)的叶数为n，右销齿型转子(2)的端面型线(201)的叶数为n，n＝2、3或4；

所述的左销齿型转子(1)的端面型线(101)每个叶由6段曲线组成，按顺时针方向依次为：左第一渐开线QR、左第一圆弧RA、左第一齿顶圆弧AB、左第二圆弧BC、左第二渐开线CD、左第一齿底圆弧DE；

所述的左销齿型转子(1)的端面型线(101)存在n条对称轴；

所述的左销齿型转子(1)的端面型线(101)关于其回转中心O₁是旋转对称的，以回转中心O₁为中心将左销齿型转子(1)的端面型线(101)逆时针旋转后，与其自身相重合；

所述的右销齿型转子(2)的端面型线(201)与左销齿型转子(1)的端面型线(101)完全相同；

所述的右销齿型转子(2)的端面型线(201)每个叶由6段曲线组成，按逆时针方向依次为：右第一渐开线qr、右第一圆弧ra、右第一齿顶圆弧ab、右第二圆弧bc、右第二渐开线cd、右第一齿底圆弧de。

2.如权利要求1所述的一种凸轮泵的销齿型转子，其特征是：左销齿型转子(1)与右销齿型转子(2)在同步异向双回转运动的工作过程中，左销齿型转子(1)的端面型线(101)和右销齿型转子(2)的端面型线(201)能够实现正确啮合，其啮合关系为：左销齿型转子(1)的端面型线(101)中的左第一渐开线QR与右销齿型转子(2)的端面型线(201)中的右第三渐开线ef相互啮合，左销齿型转子(1)的端面型线(101)中的左第一圆弧RA和左第二圆弧BC与右销齿型转子(2)的端面型线(201)中的右第一齿底圆弧de相互啮合，左销齿型转子(1)的端面型线(101)中的左第二渐开线CD与右销齿型转子(2)的端面型线(201)中的右第二渐开线cd相互啮合，左销齿型转子(1)的端面型线(101)中的左第一齿底圆弧DE与右销齿型转子(2)的端面型线(201)中的右第二圆弧bc和右第一圆弧ra相互啮合。

3.一种如权利要求1所述的凸轮泵的销齿型转子的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

1)给定叶数n；给定齿顶圆半径R₁；给定节圆半径R₂；求得圆弧的半径R₃，R₃＝(R₁-R₂)·C，C为常数；

以左销齿型转子(1)的回转中心O₁为原点建立坐标系O₁xy，分别做出圆心为回转中心O₁半径为R₁的齿顶圆、圆心为回转中心O₁半径为R₂的节圆、圆心为U半径为R₃的圆弧、圆心为T半径为R₃的齿底圆；

2)确定左销齿型转子(1)的端面型线(101)的各种组成曲线的方程：

①左第一齿顶圆弧AB的方程为：

式中：R₁—齿顶圆弧半径，mm；t—角度自变量，rad；β—左第一齿顶圆弧AB的圆心角，rad；

②确定圆弧圆心角θ为：

式中：n—叶数；R₂—节圆半径，mm；R₃—圆弧的半径，mm；θ—圆弧圆心角，rad；

③左第二圆弧BC的方程为：

式中：γ—左第二圆弧BC在B点处法线与x轴的夹角，rad；

④按以下步骤确定左第二渐开线CD：

确定渐开线在C点处法线与x轴的夹角

确定渐开线在B点处法线与x轴的夹角θ₂＝θ；

得到渐开线基圆半径R_b为：

R_b＝R₂sin(θ)；

得到渐开线发生角α为：

得到左第二渐开线CD的方程为：

式中：R_b—渐开线基圆半径，mm；α—渐开线发生角，rad；

④左第一齿底圆弧DE的方程为：

3)将左第二圆弧BC、左第二渐开线CD沿镜像对称，得到左第一圆弧RA、左第一渐开线QR；

将左第一渐开线QR、左第一圆弧RA、左第一齿顶圆弧AB、左第二圆弧BC、左第二渐开线CD、左第一齿底圆弧DE以左销齿型转子(1)的回转中心O₁为中心进行n个环形阵列，得到左销齿型转子(1)的端面型线(101)；

4)将左销齿型转子(1)的端面型线(101)镜像对称得到右销齿型转子(2)的端面型线(201)。

4.一种凸轮泵，其特征是：使用如权利要求1所述的左销齿型转子(1)和右销齿型转子(2)。