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无油爪式真空泵的新型直爪转子型线及其性能分析
添加时间:2019-09-23 09:35:15 查看:

无油爪式真空泵是一种干式无油的新型容积式流体机械,主要包括一对形状相同且共轭啮合的爪式转子,在工作中通过其同步异向双回转运动,使得工作腔容积发生周期性变化,从而实现气体的吸入、压缩和排出。因此,爪式转子型线的设计是爪式真空泵的核心技术,由圆弧、摆线、线段和其包络线组成的曲爪转子和直爪转子,推导了其型线方程,分析了内部流场规律;爪式转子可分为曲爪转子和直爪转子,直爪转子因具有爪背受力特性好、余隙容积小等优点而被广泛使用。然而,直爪转子存在尖点或不光滑点,如线段的包络线与其他曲线的连接点即是一个不光滑的连接点,因不光滑点处力学性能较差,使得工作中易产生磨损,进而造成泄漏增加,降低无油爪式真空泵的性能。针对这些问题,为了进一步提高爪式转子的工作性能,实现转子型线的光滑连接,大路通真空泵研究常用爪式转子型线的啮合关系,提出一种新型直爪转子,并验证其啮合的正确性,研究不同几何参数对爪式转子工作性能和力学性能的影响,比较其混合过程的差异。

1常用直爪转子型线

常用的直爪转子如图1所示,其由7段曲线构成:3段圆弧(BCDEGA),2段摆线(ABFG),1段线段(CD)1段线段的包络线(EF);BCF处为转子的尖点。现有直爪转子的型线组成相对简单,主要需要求得摆线和线段的包络线的方程。共轭曲线的生成可采用曲线啮合定理求解,即给出已知曲线的方程,通过逆向使用啮合定理可求出其共轭曲线方程。

 


2新型直爪转子

将现有直爪转子的尖点处修正为圆弧,采用圆弧与摆线的等距曲线啮合,避免了点与摆线啮合容易造成泄漏的问题,可以有效地提高无油爪式真空泵的性能。提出一种新型直爪转子型线,如图2所示。该转子型线共由11段曲线组成,包括6段圆弧(BCCDDEGHIJKA)3段摆线的等距曲线(ABEFJK),1段线段(FG),1段线段的包络线(HI)。

 

 

2.3转子型线的独立几何参数

如图2所示,直爪转子的几何参数有:爪顶圆弧半径R1、节圆半径R2和爪底圆弧半径R3,爪尖圆弧半径R4、R5、R6,爪顶圆弧角α。改变其中一个参数,即可设计出不同的直爪转子。其中,独立的几何参数有:爪顶半径比μ、爪顶圆弧角α和爪尖半径比ε。


2.3.1爪顶半径比

直爪转子的爪顶半径比定义为爪顶圆弧半径R1与节圆半径R2的比值。由于爪顶圆弧半径R1一定比节圆半径R2大,所以μ>1;当R122时,爪式转子不能正确啮合;1≤μ≤1.1809时,第三爪尖处无须圆弧修正,摆线的等距曲线和线段的包络线光滑连接;所以μ的取值范围为1.1809<μ<2。

 

 取节圆半径R2=35mm,爪顶圆弧角α=20°,爪尖半径比ε=0.05714不变,取不同的爪顶半径比μ,构建新型直爪转子,如图4所示。可见,爪顶半径比μ越小,直爪转子的爪臂越短,力学性能越好,但是吸排气量降低。

 

 

2.3.2爪顶圆弧角

对于所提出的直爪转子,爪顶圆弧角α定义为爪顶圆弧CD对应的圆心角。取节圆半径R2=35mm,爪顶半径比μ=1.4286,爪尖半径比ε=0.05714不变,对于不同爪顶圆弧角α的直爪转子,如图5所示。可见,随着爪顶圆弧角α增加,直爪转子的爪背所占的比例越高,爪背的受力能力越强,但是容积利用率降低。




2.3.3爪尖半径比

爪尖半径比ε是爪尖圆弧半径R0与节圆圆弧半径R2的比,不同爪尖半径比ε对爪式转子截面积有较大影响,从而影响爪式真空泵性能。取节圆半径R2

=35mm,爪顶半径比μ=1.4286,爪顶圆弧角α=20°不变,不同的爪尖半径比ε的爪式转子如图6所示。

 

 

3新型直爪转子性能

对于无油爪式真空泵而言,相对余隙容积η、内容积比κ和容积利用率λ是其主要的工作性能参数,爪式转子的性能主要是其力学性能。改变直爪转子的独立几何参数,通过理论分析和数值模拟可以得到最佳独立几何参数范围。

 

3.2混合过程中的性能特点

无油爪式真空泵在工作过程中存在一个特有的混合过程,混合过程对其性能影响较大;在混合过程中,余隙容积中气体的压力和温度均急剧上升,这将对爪式真空泵工作产生不利的影响,采用数值模拟方法,可以得到现有爪式转子真空泵和新型直爪转子真空泵的流场如图11所示。具体模拟参数为:入口压力25kPa,出口压力100kPa;现有爪式转子的几何参数R2

=35mm,μ=1.1485,α=20°,ε=0;新型直爪转子的几何参数R2=35mm,μ=1.1485,α=20°,ε=0.1143

由此可见,当爪式真空泵完成排气过程后,经过一段时间,余隙容积中气体的压力比周围工作腔压力高。采用所提出的直爪转子,因在排气过程结束后,余隙容积与吸气容积之间存在一处减压通道,如图12所示,使余隙容积和吸气容积中的两部分气体混合,所以余隙容积中的气体压力和温度降低,且与周围工作腔中气体的压差减小,从而泄漏减小、噪声降低,工作性能更好。减压通道的宽度和存在时间与爪尖半径比ε有关,ε越大则宽度越大、存在时间越久;现有直爪转子爪式真空泵不存在减压通道,所以余隙容积中压力升高明显,压差较大。

 

 

3.3爪式转子受力和变形

无油爪式真空泵工作过程中,爪臂处受力是研究重点,所以须根据爪臂处的受力设计爪式转子的几何参数,使之能够满足工作强度要求。当爪式真空泵进入混合过程时,爪臂处的受力将会大大增加,对爪式转子产生不利影响,所以需要分析进入混合过程且余隙容积最小时左右转子的应力和变形情况,从而选择合适的爪尖圆弧半径。取8组不同爪尖半径比ε的直爪转子爪式真空泵,爪式转子的设计参数R2=35mm,μ=1.1485,α=20°不变,分析左右转子的应力与变形情况。

3.3.1左转子受力分析

当左转子处于混合过程时,与局部高温高压气体接触的是型线ABBCKAJKIJHI的一部分,将气体压力和温度加载到爪式转子上,应力和变形结果如图13所示;分析结果如图14所示。可见,随着爪尖半径比增大,爪臂最大应力值和最大变形值减小。

 

 

3.3.2右转子受力分析

当右转子处于混合过程时,与局部高温高压气体接触的是型线CDDEEFFG的一部分,将气体压力和温度加载到爪式转子上,应力和变形结果如图15所示;分析结果如图16所示。可见,爪尖半径比越大,爪臂最大应力值和最大变形值越小,且当爪尖半径比大于0.1143时最大变形值降低幅度减慢。

 

 

4结论

(1)利用圆弧与其共轭曲线(摆线的等距曲线)光滑地连接齿顶圆和齿根圆,得到的新型直爪转子型线提高了爪式转子和无油爪式真空泵性能;通过流场模拟和受力变形分析证实了新型转子在工作性能和力学性能上具有优点。

(2)得到不同参数与爪式转子性能的内在关系;独立几何参数主要影响爪顶处,对爪式转子的爪臂处力学性能影响最大。

(3)爪尖半径比ε对爪式真空泵性能影响较大,对不同爪尖半径比的直爪转子,爪尖半径比越大,力学性能越好;爪尖半径比越小,则工作性能越高,适合的爪尖半径比为0.05714≤ε≤0.1143


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