螺桿干式真空泵

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄螺桿式干式真空泵摘 要：近年來(lái)在半導(dǎo)體工業(yè)和液晶顯示器制造等工藝中，對(duì)清潔真空環(huán)境的要求越來(lái)越高。如在半導(dǎo)體的等離子增強(qiáng)氣相沉淀(PECVD)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝中，在液晶生產(chǎn)上使用的蝕刻制程和生產(chǎn)TFT熒幕電漿(PLASMA)的CVD制程中，不但要求環(huán)境清潔，而且還需要抽除大量含有微小顆粒及粉塵的反應(yīng)生成氣體。這些問(wèn)題都不是傳統(tǒng)的有油泵所能解決的。本文的研究對(duì)象螺桿式干式真空泵，抽氣腔內(nèi)無(wú)任何工作液，保證了被抽空間不受污染;無(wú)油蒸汽排放，保證了外部環(huán)境的清潔。由于陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒面間留有間隙，因而可以抽除含有粉塵，或有腐蝕性，有毒的氣體。作者主要著重于以下幾個(gè)

2、方面的研究：干式螺桿真空泵的基本原理。陰陽(yáng)螺桿的型線研究。螺桿端面型線采用雙邊對(duì)稱圓弧型線，推導(dǎo)出嚙合原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立幾何模型推導(dǎo)出端面型線方程，繼而推導(dǎo)出螺旋齒面方程。幾何特性的研究等。關(guān)鍵詞：干式真空泵 螺桿 型線Abstract: Recently，in the semiconductor process of plasma enhanced chemical vapor deposition (PEVCD) and reactive ion etching (RIE)，in the liquid crystal display device manufacture process

3、 of etching and PLASMA CVD production, it has not only high demand of vacuum environment cleanliness, but also need to extract a huge amount of reaction-gas containing particle and dust. The conventional oil pump can't solve the problems mentioned above. The research object in this paper-dry scr

4、ew vacuum pump has no operating fluid in the extracting chamber. It can guarantee space extracted and out side clean. It can extract gas containing mill dust ,corrosivity ,and poison ,because it has small gap between tooth face of male and female rotors .I have focused on there search as following .

5、The profile research of male and female screws . The end face profile is double sides and symmetrical circles. Deduce the mathematic expression of meshing principle; establish the geometric model and deduce the equations of end face profile, then the Equations of helical tooth face .The research of

6、geometrical properties，etc.Keywords：dry(oil-free)vacuum pump screw第一章 緒論1905年德國(guó)人沃爾夫崗.蓋德發(fā)明了油封式旋片泵，從此各種以油為工作液、潤(rùn)滑劑、密封液的真空泵如雨后春筍般迅速普及，統(tǒng)治了真空設(shè)備市場(chǎng)近百年。從真空工業(yè)的視角來(lái)看，如果說(shuō)20世紀(jì)是有油真空泵的世紀(jì)，那么21世紀(jì)將是干式真空泵的世紀(jì)。因?yàn)椋鞣N形式的有油真空泵在工作過(guò)程中不可避免的隨同排出的氣體一起排出了大量的油污，這些油污能夠嚴(yán)重的污染環(huán)境。隨著利學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求提供比較清潔真空環(huán)境的真空工藝越來(lái)越多，甚至近于達(dá)到苛刻的要求，如微電子、化學(xué)、冶金、醫(yī)

7、療、核聚變領(lǐng)域以及宇航、新材料的開發(fā)等技術(shù)領(lǐng)域.都要求提供比較潔的內(nèi)真空環(huán)境。傳統(tǒng)的有油泵很難滿足這些要求，無(wú)油泵的概念便自然而然的在此基礎(chǔ)上提出。有些工業(yè)過(guò)程，如低壓氣相沉積，會(huì)產(chǎn)生一些微小顆粒，這些顆粒在工作液中難以排除，它們可以使泵油污染，同樣也會(huì)影響泵的抽氣系統(tǒng)性能及使用壽命。而有些工業(yè)過(guò)程在運(yùn)轉(zhuǎn)中可能會(huì)使工作液冷凝成粘狀物質(zhì)，這樣可能使泵卡住，甚至導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)失效。又如對(duì)于食品工業(yè)為代表的一些特殊行業(yè)，這種污染更是非常不可取的。對(duì)于這些少數(shù)有著特殊需要的工業(yè)來(lái)說(shuō)，就只能采用無(wú)油污的無(wú)油泵或水環(huán)式泵類(濕式泵)，但這類泵的真空度不高，耗水耗能嚴(yán)重，而且相應(yīng)的工作時(shí)帶有大量的水汽，因此對(duì)于有

8、干式要求的，又不得不采用繁瑣的物理、化學(xué)吸附，冷凝低溫手段，從而使成本變得極其昂貴。如:膜式泵，真空度不高，抽速小;吸附泵，不僅抽速小，液氮的費(fèi)用也很大。所以可以這樣說(shuō)，在當(dāng)時(shí)能直接排入大氣和高真空機(jī)紹相連接的泵類各有其缺憾，因此導(dǎo)致了干式泵不適宜大工業(yè)的應(yīng)用。1.1 課題背景及研究意義干式螺桿真空泵是干式泵家族中的一員。所謂干式真空泵，一般認(rèn)為是能在大氣壓到Pa的壓力范圍內(nèi)工作;在泵的抽氣流道中，不能使用任何油類和液體，排氣口與大氣相通，能直接連續(xù)向大氣中排氣的泵，也稱無(wú)油真空泵。干式真空泵在抽氣流道內(nèi)無(wú)任何液態(tài)工作介質(zhì)或密封介質(zhì)，從根本上解決了油封式真空泵引發(fā)的各種問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō)是兩種不同

9、的需求推動(dòng)開發(fā)出兩種類型的干泵。一類是以半導(dǎo)體行業(yè)為代表，要求真空泵向被抽空間內(nèi)的返流為零，以保護(hù)工件免受污染。對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用的真空系統(tǒng)的要求大體分為三個(gè)等級(jí)。清潔條件下的抽氣，只抽干空氣或含少許水蒸汽的空氣；中等條件下的抽氣，抽除工藝過(guò)程的反應(yīng)氣體，但無(wú)固體顆粒物；惡劣條件下的抽氣，抽除化學(xué)反應(yīng)物（有毒甚至致癌）及固體顆粒物。另一類是以石化行業(yè)為代表，要求真空泵能大量抽除可凝性氣體，或腐蝕性氣體，或有毒氣體，或含有微塵的氣體。傳統(tǒng)油封真空泵在石化領(lǐng)域所面對(duì)的難題人們往往通過(guò)選用水蒸汽噴射泵、水噴射泵、水環(huán)泵、水環(huán)-羅茨機(jī)組等途徑加以解決。但往往系統(tǒng)過(guò)于龐大，噪聲也很大，同時(shí)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)

10、生很多的廢水和其他的排放物，處理排出廢物的投資也很昂貴。干泵的種類很多，目前已開發(fā)出來(lái)的有羅茨泵、爪型泵、禍旋泵、往復(fù)活塞泵、螺旋泵等.表是幾種典型的干泵性能的比較.表1.1幾種典型的干泵性能的比較泵型一般級(jí)數(shù)單級(jí)壓縮比極限壓力（Pa）備注大氣端真空端羅茨泵3625300.5易發(fā)熱，需冷卻爪形3425500.5加工、裝配有難度活塞型4152515201.3怕抽帶顆粒的氣體渦旋型12202000.2間隙小、難裝調(diào)螺旋型1220301000.7間隙小、轉(zhuǎn)速高旋片型2152010150.07怕抽帶顆粒的氣體螺桿型21520601.3加工比較困難渦輪型多級(jí)串聯(lián)2030000.01轉(zhuǎn)速高螺桿式干式真空泵

11、特點(diǎn)如下:可靠性高。螺桿式干式真空泵零部件少，沒(méi)有易損件，因此它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長(zhǎng)。操作維護(hù)方便。動(dòng)力平衡性好。螺桿式干式真空泵沒(méi)有不平衡的慣性力，機(jī)器可平穩(wěn)地高速運(yùn)行。適應(yīng)性強(qiáng)。螺桿式干式真空泵具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，在寬廣的壓力范圍內(nèi)能保持較高的抽速，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響.多相混輸。由于螺桿式干式真空泵轉(zhuǎn)子齒面間留有微小間隙，因而可抽除腐蝕性、有毒、含有粉塵、可凝性蒸汽等多種氣體。盡管螺桿型干式真空泵具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，然而，由于目前國(guó)內(nèi)一些公司正在使用的螺桿型干式真空泵均是從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格非常昂貴，每臺(tái)螺桿泵價(jià)格要三、四十萬(wàn)元人民幣，所以螺桿型真空泵在我國(guó)的使用并不廣泛。造成這一現(xiàn)象的主

12、要原因是由于螺桿泵轉(zhuǎn)子型線較復(fù)雜，加工難度大，需用特制的刀具在專用機(jī)床上進(jìn)行加工。另外，對(duì)螺桿型干式真空泵泵體的加工精度也有較高的要求，而國(guó)內(nèi)的加工水平目前還難以達(dá)到這個(gè)水平。螺桿式干式真空泵廣泛應(yīng)用于電子、核能、化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體工業(yè)中用于生產(chǎn)芯片、制造液晶顯示器、蝕刻、生產(chǎn)PLASMA的CVD制程。在核工業(yè)中用于核反應(yīng)堆及核工業(yè)真空獲得;化工上用于真空蒸餾及溶劑萃取高效回收溶劑，在脂肪酸生產(chǎn)中用來(lái)消除水污染，清除噴射器中的阻塞物;醫(yī)藥工業(yè)中用于回收藥液及藥物中間體，為人造器官生產(chǎn)提供清潔無(wú)菌條件，回收氣體消毒劑;食品工業(yè)中用于香料、香精濃縮，食品包裝等。應(yīng)用范圍極為廣泛。

13、1.2 螺桿真空泵在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向自從第一臺(tái)工業(yè)上可運(yùn)行的干式泵1984年在日本運(yùn)行以來(lái)，許多無(wú)油真空泵如雨后養(yǎng)筍般迅速發(fā)展起來(lái)，其中以日本、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)最為先進(jìn)。美國(guó)Varian（瓦里奧)公司生產(chǎn)的DVP系列產(chǎn)品，其真空度可以達(dá)到Pa，這是目前報(bào)道的單級(jí)干式真空泵中真空度最高的產(chǎn)品之一。而德國(guó)Sterling SIHI公司在1997年研制成功的SIHIdry是世界上第一臺(tái)直正意義上的干式真空泵，它能滿足流程工業(yè)中最苛刻的要求，該產(chǎn)品榮獲德國(guó)“1998年年度技術(shù)革新獎(jiǎng)”。以上兩種真空泵均于沿轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度上填充聚四氟乙烯用作泵的密封以保持良好的密封性能，它們同時(shí)也是無(wú)油真空泵的典型產(chǎn)

14、品。雖然干式真空泵的種類越來(lái)越多，但是通常的機(jī)械真空泵如爪式泵，其抽速難以做大，而且制造難度也大，成本高;另外還有利用多葉級(jí)數(shù)進(jìn)行串連的羅茨泵，其缺點(diǎn)與爪式泵相仿。在此種背景下誕生的干式螺桿真空泵則具有了其前輩真空泵類所不具各的很多優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)則保證了干式螺桿真空泵的先進(jìn)性及在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外關(guān)于螺桿真空泵性能的研究有許多內(nèi)容。英國(guó)Rietschle有限公司根據(jù)螺桿式壓縮機(jī)原理設(shè)計(jì)出一種雙螺桿干式真空泵，采用了許多新技術(shù)，并已形成批量生產(chǎn),該公司已成為世界低壓與真空技術(shù)中的領(lǐng)軍人物之一。美國(guó)Tuthill真空設(shè)備有限公司手2002年推出一款用于氣體處理的新型Kinney干式螺桿真空泵，該

15、KDPH-120型螺桿泵采用可變嚙合設(shè)計(jì)，比其他類TJ的真空泵耗能減少約30%。普旭是全球最有影響力的真空設(shè)備制造商之一，為客戶提供了數(shù)量眾多的真空泵及真空系統(tǒng)。普旭BUSCH的無(wú)油螺桿真空泵系列于2003年通過(guò)了應(yīng)用材料公司美國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。應(yīng)用材料公司在美國(guó)實(shí)驗(yàn)室將普旭BUSCH的無(wú)油螺桿真空泵系列與其設(shè)備安裝在一起進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)一年檢測(cè)，結(jié)果證明普旭真空泵系列與其設(shè)備結(jié)合測(cè)試的效果最好。之后普旭又于2004年推出了表面經(jīng)特別強(qiáng)化的螺桿真空泵系列，可以抵抗日前己知的絕人多數(shù)活潑氣休的腐蝕。另外還有其他一些文獻(xiàn)對(duì)螺桿真空泵的性能等方面進(jìn)行了較多的研究。在國(guó)內(nèi)，有關(guān)干式螺桿真空泵的研究文獻(xiàn)很少。

16、只有上海博匯真空設(shè)備有限公司的周寶洪研制了一種干式真空泵，并申請(qǐng)了專利，但是并未見有成品報(bào)道。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)方面的報(bào)道很少，主要內(nèi)容集中于對(duì)螺桿真空泵性能的預(yù)測(cè)與配套裝置、材料、加工方法和設(shè)備、螺桿泵的配件、密封條件等等內(nèi)容的改進(jìn)。目前由于各國(guó)多對(duì)自己的螺桿泵技術(shù)進(jìn)行保密和競(jìng)爭(zhēng)，而我國(guó)在螺桿泵的設(shè)計(jì)方面仍然有很多具體的細(xì)節(jié)和技術(shù)難題還沒(méi)有解決，在螺桿泵的設(shè)計(jì)方面沒(méi)有達(dá)到世界一流水平。在具體的螺桿泵的加工制造上，局限于我國(guó)的生產(chǎn)設(shè)備和加工條件，我國(guó)生產(chǎn)的螺桿泵自動(dòng)化程度不高，精度也不高，在一些高檔的螺桿泵上仍不能獨(dú)立制造。因此中高檔的真空泵仍然主要依賴于進(jìn)口。對(duì)于所有

17、類型的真空泵，人們都希望能夠?qū)F(xiàn)有的真空泵的物理尺寸盡量減小。但是這一點(diǎn)與真空泵的抽氣速率相矛盾。因?yàn)檎婵毡玫某闅馑俾逝c真空泵的容積成正比，物理尺寸小意味著容積也小。當(dāng)然還有一個(gè)影響真空泵抽氣速率的因素，那就是轉(zhuǎn)速。為了使小尺寸的真空泵與大尺寸的真空泵的抽氣速率相匹配，就需要提高其轉(zhuǎn)速。而想要提高真空泵的轉(zhuǎn)速可以采用變頻器來(lái)改變電源的頻率或者改變齒輪箱的傳動(dòng)比。前者可以提供一個(gè)閉環(huán)控制，但是在大負(fù)載的情況下容易引起扭矩的損失。而改變齒輪箱的傳動(dòng)比是比較經(jīng)濟(jì)的一種方法，但是它只能提供不可控的單一轉(zhuǎn)速。國(guó)外目前開發(fā)較多的是高轉(zhuǎn)速的真空泵系列。第二章 螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子型線的研究2.1 常見轉(zhuǎn)子型線

18、比較目前干式螺桿真空泵的主要生產(chǎn)廠家多采用單頭等螺距型線，其他還有多頭雙邊對(duì)稱圓弧型線、單頭變螺距梯形螺紋型線、單頭等螺距梯形螺紋型線和等螺距凹齒型線。（a）單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子 （b）單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子 （c）單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子 （d）單頭等螺距凹面轉(zhuǎn)子 （e）雙邊對(duì)稱圓弧型線轉(zhuǎn)子圖2.1 幾種螺桿轉(zhuǎn)子型線的三維造型單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子型線是最早出現(xiàn)的型線，由于有可能發(fā)生根切，即二級(jí)轉(zhuǎn)子級(jí)間出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，所以基本上已經(jīng)不再使用。取而代之的是改進(jìn)型的單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子，其截面形狀由矩形改為梯形，解決了干涉問(wèn)題，且加工方便，故為很過(guò)廠家廣泛采用。單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子和單頭等螺距

19、凹面轉(zhuǎn)子是近年來(lái)出現(xiàn)的新型型線，它是在單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)之上改進(jìn)而來(lái)的。單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子其主要特點(diǎn)為螺桿螺距從吸氣端到排氣端按變螺距系數(shù)變化，大導(dǎo)程一端對(duì)應(yīng)于吸氣口。開始時(shí)吸氣量大，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的封閉腔體越來(lái)越小，氣體被壓縮，具有內(nèi)壓縮作用，即邊輸送邊壓縮，從而能夠降低整體的排氣壓縮功耗，并對(duì)發(fā)生在排氣口的喘振現(xiàn)象有抑制作用，是泵的工作更為平穩(wěn)，能夠降低噪音和排氣振動(dòng)。頭等螺距凹面轉(zhuǎn)子進(jìn)一步采用內(nèi)凹齒面法將嚙合齒面上可能發(fā)生干涉的部分全部去除，是齒面成為向內(nèi)凹曲的等螺距螺旋線共軛曲面。多頭雙邊對(duì)稱圓弧型線是最近幾年出現(xiàn)的一種新型型線，它是在雙螺桿壓縮機(jī)型線的基礎(chǔ)上發(fā)展而

20、來(lái)的。一般陽(yáng)轉(zhuǎn)子為四頭螺桿，陰螺桿為六頭螺桿。上述各種型線各有優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求、加工制造能力、實(shí)際需求等多方面選擇。從適用性方面來(lái)講，多頭雙邊對(duì)稱圓弧型線適用面最廣。由于該型線在一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)就可以完成吸氣、壓縮和排氣的全過(guò)程并能達(dá)到一定的極限真空，這就能有效地減小泵的體積和質(zhì)量，尤其適于大抽速要求的泵。單頭型線由于要多級(jí)才能達(dá)到一定的極限真空，不可避免要增加泵的體積，占用更大的空間，所以適用于中、小型泵。多頭螺桿型線的缺點(diǎn)是型線復(fù)雜，加工資用昂貴，需用特制的刀具在專用機(jī)床上加工；而單頭梯形齒型線由于各齒面在軸向剖面內(nèi)的交線都是直線，所以加工時(shí)使用直刃車刀即可，只是變螺距型線要在數(shù)控車床上加

21、工以保證精度。單頭凹齒面型線的加工要比梯形齒型線稍復(fù)雜，但完全能在通用的數(shù)控車床上完成，大批量生產(chǎn)時(shí)可以選用鑄造。另外，多頭螺稈型線和單頭變螺距型線由于在抽氣過(guò)程中有內(nèi)壓縮，不適合抽除可凝吐氣體，但減小了排氣口的喘振和噪音，也減小了功率的消耗。綜合考慮各種型線的有缺點(diǎn)，本文決定選擇多頭雙邊對(duì)稱圓弧型線。2.2 多頭雙邊對(duì)稱圓弧型線螺桿式干式真空泵中最重要的部件就是陰、陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線，如圖2.1a所示。轉(zhuǎn)子型線作螺旋運(yùn)動(dòng)就形成了轉(zhuǎn)子齒面，如圖2.lb所示。螺桿泵中的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子可以看作是一對(duì)相互嚙合的斜齒輪。因此，螺桿泵的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線也要滿足嚙合定律，即不

22、論在任何位置，經(jīng)過(guò)型線接觸點(diǎn)的公法線必須通過(guò)節(jié)點(diǎn)。所不同的是普通斜齒輪的任務(wù)是在兩根平行軸之間的任意傳動(dòng)方向上，強(qiáng)制傳遞轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率。而在干式螺桿泵中陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子并不接觸，兩者之間的動(dòng)力傳遞通過(guò)同步齒輪完成. a)型線、嚙合線、齒間面積、泄漏三角形 b)泄漏三角形和接觸線1一陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線 2-陰轉(zhuǎn)子型線 3一嚙合線 4-泄漏三角形 5-陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間面積6-陰轉(zhuǎn)子齒間面積 7一陽(yáng)轉(zhuǎn)子節(jié)圓 8一陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓9一接觸線圖 2.1 轉(zhuǎn)子型線、嚙合線、齒間面積、泄漏三角形和接觸線2.2.1轉(zhuǎn)子型線要素對(duì)于螺桿泵轉(zhuǎn)子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因?yàn)檫@些齒間容積是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對(duì)螺桿

23、泵性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有接觸線，泄漏三角形，封閉容積和齒間面積等.1.接觸線螺桿泵的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)，兩轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線(圖2. lb中9)。接觸線一側(cè)的氣體處于壓力較高的壓縮和排氣過(guò)程，另一側(cè)的氣體則處于壓力較低的吸氣過(guò)程。如果轉(zhuǎn)子齒面間的接觸線不連續(xù)，則處于高壓力區(qū)的氣體將通過(guò)接觸線中斷缺口，向低壓力區(qū)泄露。2.泄漏三角形螺桿泵轉(zhuǎn)子型線的頂點(diǎn)，通常不能達(dá)到陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子氣缸孔的交線，在接觸線頂點(diǎn)和機(jī)殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間，會(huì)形成一個(gè)空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形(圖2.la中4)。通過(guò)泄漏三角形，氣體將從壓力較高的齒間容積，泄漏至壓力較低的鄰近齒間容積。3.封閉容積如

24、果在齒間容積開始擴(kuò)大時(shí)，不能立即開始吸氣過(guò)程，就會(huì)產(chǎn)生吸氣封閉容積。由于吸氣封閉容積的存在，使齒間容積在擴(kuò)大的初期，其內(nèi)的氣體壓力低于吸氣口處的氣體壓力。在齒間容積與吸氣口連通時(shí)，其內(nèi)的氣體壓力會(huì)突然升高到吸氣壓力，然后才進(jìn)行正常的吸氣過(guò)程。所以，吸氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。值得指出的是吸氣封閉容積存在于非對(duì)稱型線中，而本文所論述的雙邊對(duì)稱圓弧型線沒(méi)有吸氣封閉容積。4.齒間面積齒間面積是齒間容積在轉(zhuǎn)子端面上的投影(圖2.la 中5、6)。轉(zhuǎn)子型線的齒間面積越大，轉(zhuǎn)子的齒間容積就越大。2.2.2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則1.轉(zhuǎn)子型線應(yīng)滿足嚙合要求。螺桿泵中的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線必須是滿足嚙合定

25、律的共扼型線，即不論在任何位置經(jīng)過(guò)型線接觸點(diǎn)的公法線必須通過(guò)節(jié)點(diǎn)。2轉(zhuǎn)子型線應(yīng)形成長(zhǎng)度較短的連續(xù)接觸線。在實(shí)際機(jī)器中，為保證轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，齒面間總保持有一定間隙。因此，理論上的接觸線就轉(zhuǎn)化成實(shí)際中的間隙帶。為了盡可能減少氣體通過(guò)間隙帶的泄漏，要求設(shè)法縮短轉(zhuǎn)子間的接觸線長(zhǎng)度。3.轉(zhuǎn)子型線應(yīng)形成較小面積的泄漏三角形。為減少氣體通過(guò)泄漏三角形的泄漏，型線設(shè)計(jì)應(yīng)使轉(zhuǎn)子的泄漏三角形面積盡量小。4.轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使封閉容積較小.大多數(shù)非對(duì)稱轉(zhuǎn)子型線會(huì)形成嚙合時(shí)的吸氣封閉容積，導(dǎo)致泵耗功增加，功率降低，噪音增大。所以，轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使吸氣封閉容積盡可能地小。對(duì)稱型線并不存在這一問(wèn)題。5轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使齒間面積盡可能

26、大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對(duì)減少，效率得到提高。另外，從制造、運(yùn)轉(zhuǎn)角度考慮，還要求轉(zhuǎn)子型線便于加工制造，具有良好的嚙合特性，較小的氣體動(dòng)力損失，以及在高溫和受力的情況下，具有小的熱變形和彎曲變形等。值得指出的是，以上有些因素是相互制約的.例如，為了減小泄漏三角形，就不可避免地會(huì)使型線具有封閉容積和較長(zhǎng)的接觸線;為了減少流動(dòng)氣體損失，使型線流線型化，又會(huì)增大泄漏三角形等。所以要根據(jù)實(shí)際要求，綜合考慮各個(gè)設(shè)計(jì)要素，確定最佳的設(shè)計(jì)方案。通常滿足上述要求的轉(zhuǎn)子型線由多段曲線首尾相接組成，這些曲線稱為組成齒曲線。常用的組成齒曲線主要有點(diǎn)、直線、擺線、圓弧、橢圓及拋物線等。2.2.3 多頭雙邊對(duì)

27、稱圓弧型線方程2.2.3.1轉(zhuǎn)子端面型線方程1.雙邊對(duì)稱圈弧型線的組成齒曲線雙邊對(duì)稱圓弧型線的端面各段組成曲線性質(zhì)如表2.1所示.端面型線如圖2.2所示。應(yīng)該指出，所謂對(duì)稱圓弧型線并非全由圓弧組成。圓弧齒曲線被限制在陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓之內(nèi)，而陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓之外的齒曲線IJ和KL卻是擺線。這是因?yàn)槿鬒J和KL仍為圓弧，將引起陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子接觸線中斷，使螺桿泵的泄漏增大。所謂雙邊即在陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子節(jié)圓外、內(nèi)增添了齒曲線AB, BC, DE, EF, FG和HI, LM, MN齒曲線，其中AB, EF, HI, LM都是中心在節(jié)圓，半徑為的圓弧段.顯然，這 種雙邊對(duì)稱圓弧型線嚙合線的頂點(diǎn)距兩轉(zhuǎn)子齒頂圓的交點(diǎn)w較遠(yuǎn)，從而使

28、通過(guò)泄漏三角形的泄漏嚴(yán)重。為了減少這種不利影響，通常把的取值限制在一定范圍之內(nèi)。這種雙邊對(duì)稱圓弧型線去除了原始對(duì)稱圓弧型線上的尖點(diǎn)，使齒曲線間光滑過(guò)渡，便于加工、儲(chǔ)運(yùn)，也免除了應(yīng)力集中，使轉(zhuǎn)子能承受更大的載荷。更為重要的是，保護(hù)了擺線IJ和KL的形成點(diǎn)C和D，有助于減少通過(guò)接觸線的泄漏。相對(duì)于非對(duì)稱型線來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)、制造更為方便.表2. 1雙邊對(duì)稱圓弧型線的組成齒曲線性質(zhì)陰轉(zhuǎn)子陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒曲線曲線性質(zhì)齒曲線曲線性質(zhì)AB圓弧HI圓弧BC擺線I點(diǎn)C點(diǎn)IJ擺線CD圓弧JK圓弧D點(diǎn)KL擺線DE擺線L點(diǎn)EF圓弧LM圓弧FG圓弧MN圓弧圖2.2 雙邊對(duì)稱圓弧型線的組成齒曲線圖2.2.3.2轉(zhuǎn)子螺旋齒面方程圖

29、2.3轉(zhuǎn)子螺旋曲面及其坐標(biāo)系一般曲面S的直角坐標(biāo)參數(shù)方程用下式表達(dá): ，或以矢量式來(lái)表達(dá)。曲面的參數(shù)方程含有兩個(gè)參數(shù)(t, ),要確定該曲面的邊界，就必須知道這兩個(gè)參數(shù)(t,)的變化范圍。螺桿式干式真空泵的轉(zhuǎn)子齒面是轉(zhuǎn)子端面型線作螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的螺旋曲面。如圖2.3所示，轉(zhuǎn)子型線的某一組成齒曲線c的參數(shù)方程為:平面曲線c繞轉(zhuǎn)子軸線作螺旋運(yùn)動(dòng)，就形成與此組成齒曲線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子螺旋齒面。曲線c繞oz軸作螺旋運(yùn)動(dòng)到c位置時(shí)，軸向前進(jìn)距離是z，并相對(duì)原始位置轉(zhuǎn)過(guò)角。c'在坐標(biāo)系的位置，即等于c在坐標(biāo)系位置，相應(yīng)的右旋螺旋面(陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒面)方程為 （2.1）式中，p是表征螺旋面的陡峭程度，稱為螺旋特

30、性數(shù)。T是形成曲線c繞z軸旋轉(zhuǎn)一周()后軸向前進(jìn)的距離，稱為軸節(jié)距或?qū)С?。還把形成曲線c從轉(zhuǎn)子一個(gè)端面繞z軸旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)端面所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為扭轉(zhuǎn)角。假定轉(zhuǎn)子的有效工作段長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則，設(shè)計(jì)時(shí)取同理可得左旋螺旋面(陰轉(zhuǎn)子齒面)的方程為（2.2）第三章 螺桿干式真空泵工作原理與螺桿式壓縮機(jī)類似，螺桿式干式真空泵的工作過(guò)程可分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)，現(xiàn)在以其中一對(duì)齒來(lái)說(shuō)明。1.吸氣過(guò)程圖3.1示出了螺桿真空泵的吸氣過(guò)程。在圖3.1中，陽(yáng)轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，陰螺桿按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖中上方的轉(zhuǎn)子端面是吸氣斷面，下方的端面為排氣端面。a）吸氣過(guò)

31、程即將開始 b） 吸氣過(guò)程中 c) 吸氣過(guò)程結(jié)束圖31螺桿式干式真空泵的吸氣過(guò)程圖31a示出吸氣過(guò)程即將開始時(shí)的轉(zhuǎn)子位置。在這一時(shí)刻，這一對(duì)齒前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣口連接。隨著轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒間容積，這個(gè)齒間容積的擴(kuò)大，在其內(nèi)部形成了一定的真空，而此齒間容積又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中。如圖21b中陰影部分所示。在隨后的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒不斷從陰轉(zhuǎn)子齒的齒槽中脫離出來(lái)，齒間容積不斷擴(kuò)大，并與吸氣孔口保持連通。吸氣過(guò)程結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)子位置如圖21c所示，其最顯著的特點(diǎn)是齒間容積達(dá)到最大值。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，所研究的齒間容積不會(huì)再增加。

32、齒問(wèn)容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過(guò)程結(jié)束。2壓縮過(guò)程圖32示出螺桿泵的壓縮過(guò)程。圖中的轉(zhuǎn)于端面是排氣端面。在這里，陽(yáng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)于沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖中上方的轉(zhuǎn)子端面是吸氣斷面，下方的端面為排氣端面。a）壓縮過(guò)程即將開始 b） 壓縮過(guò)程中 c) 壓縮過(guò)程結(jié)束，排氣過(guò)程即將開始圖3.2螺桿式于式真空泵的壓縮過(guò)程圖3.2a示出螺桿泵壓縮過(guò)程即將開始時(shí)的轉(zhuǎn)子位置此時(shí)氣體被轉(zhuǎn)子齒和機(jī)殼包圍在一個(gè)封閉的空間中，齒間容積由于轉(zhuǎn)于齒的嚙合就要開始減小。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積中的氣體被占據(jù)體積也隨之減小，導(dǎo)致壓力升高，從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過(guò)程，如圖

33、22b所示壓縮過(guò)程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。如圖22c所示。3排氣過(guò)程a）排氣過(guò)程中 b）排氣過(guò)程結(jié)束圖3.3 螺桿式干式真空泵的排氣過(guò)程圖33示出螺桿泵的排氣過(guò)程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過(guò)程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過(guò)排氣孔口被排出，如圖23a所示。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合。此時(shí)，齒間容積內(nèi)的氣體通過(guò)排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積的體積變?yōu)榱恪纳鲜龉ぷ髟砜梢钥闯?，螺桿式干式真空泵是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式機(jī)械真空泵。氣體的壓縮依靠容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助螺桿泵的一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到。

34、它的工作客積在周期性擴(kuò)大和縮小的同時(shí)，其空間位置也在變更。第四章 螺桿干式真空泵設(shè)計(jì)計(jì)算4.1螺桿基本尺寸螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的推薦公稱直徑：63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800mm。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，容積流量為。初選螺桿的公稱直徑=125mm。型線選擇雙邊對(duì)稱圓弧型線，陽(yáng)轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)比選4：6。表4.1 導(dǎo)程、長(zhǎng)徑比及及扭角的關(guān)系符號(hào)短導(dǎo)程長(zhǎng)導(dǎo)程導(dǎo)程h長(zhǎng)徑比0.91.01.121.181.321.50陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭角243270302.4236264300陰轉(zhuǎn)子扭角162180201.6157.3176200 長(zhǎng)徑比 扭角 指常用的齒數(shù)比為4

35、：6時(shí)按表4.1選擇長(zhǎng)導(dǎo)程長(zhǎng)徑比=1.50 陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭角= 陰轉(zhuǎn)子扭角=中心距 =0.8×125=100mm陽(yáng)轉(zhuǎn)子工作長(zhǎng)度 =×=1.5×125=187.5mm陽(yáng)轉(zhuǎn)子節(jié)圓 =0.64×125=80mm陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓 =0.96×125=120mm齒高半徑 r=0.205=0.205×125=25.625mm陽(yáng)轉(zhuǎn)子實(shí)際外徑 =1.05=1.05×125=131.25mm陰轉(zhuǎn)子實(shí)際外徑 =120mm根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制出螺桿的端面圖 圖4.1 以及轉(zhuǎn)子的三維圖 圖4.2圖4.1螺桿端面型線圖4.2螺桿轉(zhuǎn)子三維圖4.2排氣量4.2.1

36、理論排氣量 (4.1)式中 陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 3000陽(yáng)轉(zhuǎn)子公稱直徑 0.125m陽(yáng)轉(zhuǎn)子工作長(zhǎng)度 0.1875m面積利用系數(shù)選取為0.521扭角系數(shù)表示扭角較大時(shí)，排氣端基元容積內(nèi)的一對(duì)嚙合齒未完全脫開，而在進(jìn)氣端該基元容積已開始脫離進(jìn)氣口所引起的進(jìn)氣不足程度。按表4.2選取=0.971表4.2扭角系數(shù)參考值1.000.9890.971根據(jù)公式(4.1)計(jì)算理論排氣量=0.971×0.521×3000×0.1875×0.125×0.125=4.454.2.1實(shí)際排氣量 (4.2)的值與轉(zhuǎn)子型線、間隙值、轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)速有無(wú)噴液等因素有關(guān)，氣值見表4.3

37、表4.3不同轉(zhuǎn)子型線的排氣系數(shù)轉(zhuǎn)子型線無(wú)油螺桿噴油螺桿對(duì)稱型線0.650.900.750.90不對(duì)稱型線0.700.950.800.95選取=0.809則按式(4.2)實(shí)際排氣量=0.809×4.45=3.64.3進(jìn)排氣孔口4.3.1軸向進(jìn)氣口4.3.1.1陽(yáng)轉(zhuǎn)子軸向進(jìn)氣口（4.3）式中 陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù) 陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭角 陽(yáng)轉(zhuǎn)子基元容積的前方齒的齒頂中心線在H點(diǎn)與兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸心連線間的夾角將=4 =300°=35°帶入式（4.3）計(jì)算得=267.5°4.3.1.1陰轉(zhuǎn)子軸向進(jìn)氣口 （4.4）式中陰轉(zhuǎn)子的軸向端面進(jìn)氣口傳動(dòng)比因扭角較大引起的進(jìn)氣不足的修正，取=20&#

38、176;30°由式（4.4）計(jì)算得=200°4.3.2軸向排氣口由軸向及徑向兩部分組成，壓力比較高時(shí)可不設(shè)徑向排氣口。本機(jī)壓力比較高，故僅有軸向排氣口。4.3.2.1陽(yáng)轉(zhuǎn)子軸向排氣口 （4.5）陰轉(zhuǎn)子齒寬前面頂點(diǎn)在H點(diǎn)與兩轉(zhuǎn)子軸心連線間的夾角陰轉(zhuǎn)子齒寬背面頂點(diǎn)e與齒谷中心線間的夾角由式（4.5）計(jì)算的=35+300-196.7=138°4.3.2.2陰轉(zhuǎn)子軸向排氣口 （4.6） =200+（25+12+39）-131=125°4.4極限真空度、功率及冷卻水量表4.4是韓國(guó)Kowel Precision 公司NEOVAC系列螺桿式干式真空泵的參數(shù)表。參考表

39、4.4 選取電機(jī)功率7.5Kw，冷卻水量7L/Min,極限真空度為2.66pa。表4.4 NEOVAC系列螺桿式干式真空泵參數(shù)型號(hào)SS50SS120SS200SS300SS600WSS1200W抽速L/s12223566140230極限真空 Pa2.662.662.662.660.060.06水冷量 L/Min333755電機(jī)功率 Kw345.57.588電機(jī)選取 Y系列三相異步電機(jī)Y 132S2-2型。額定功率7.5kw，2級(jí)，同步轉(zhuǎn)速3000r/min，滿載轉(zhuǎn)速2900r/min，質(zhì)量70Kg4.5軸的強(qiáng)度計(jì)算螺桿式干式真空泵的陰陽(yáng)螺桿所受彎矩不大，故可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算?？紤]到材料的成本

40、及工藝要求，軸材料選取45鋼，調(diào)制處理。由表4.5查得其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=40MPa。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小直徑 （4.7） = =14.6mm對(duì)于直徑d小于等于100的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸的直徑增大57，有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大1015,即最小直徑應(yīng)大于15.1mm。故取軸的最小直徑為30mm完全可以滿足軸的強(qiáng)度要求，且留有足夠的安全系數(shù)。4.6同步齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算同步齒輪副通常采用斜齒圓柱齒輪。原因如下：1）在多數(shù)情況下，當(dāng)傳動(dòng)比和中心距給定時(shí)，選取標(biāo)準(zhǔn)齒型的直齒副是困難的，因?yàn)閭鲃?dòng)比和中心距都是由選定的轉(zhuǎn)子齒數(shù)和流通部分尺寸決定的。2）通常同步齒輪副在高轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)工作，為此推薦采用斜齒傳動(dòng)。3）直齒齒輪副對(duì)安裝和制造的誤差特別敏感，因?yàn)辇X側(cè)表面在其整個(gè)長(zhǎng)度上每一瞬間都以同