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1、书目中文摘要O英文摘要11 绪论1“1.1.课廨叁文二二二二二二二二二二11.2课题探讨方向22螺杆干式真空泵的设计错误!未定义书筌.1. 1转子的设计22. 2转子尺寸计算43. 3腔体的设计44. 4齿轮的设计45. 5气道的设计56. 6轴承的设计57. 7密封件的设计68. 8电机的选择63参数计算79. 1排气量71 .1.1理论排气量73 .1.2实际排气量73.1 轴的强度计算83.2 极限真空度、功率及冷却水量84转子温度场有限元分析错误!未定义书签.10. 1ANSYS中有限元的计兑方法114.2转子温度场的有限元计算111. 2.1建立数学模型114. 2.2实体几何模型1
2、35. 2.3网格划分13总结15致谢15参考文献15S-400螺杆真空泵设计摘要：近年来，随着科技的发展，干泵的需求越来越大。本文介绍的螺杆干式真空泵具有一系列的优点。1,抽气腔内无任何工作液，可输送高粘度的物质；2,无油蒸汽排放，保证了外部环境的清洁；3,由于转子之间留有间隙，所以能用于烟尘，侵蚀性，有害的气体。本次干式螺杆泵设计要点是转子，气道结构和密封系统,1.关键词：干式真空泵；螺杆；吸气；排气AbstractzRecently,thegrowingdemandfordrypumpwiththedevelopmentofscienceandtechnologyThisarticled
3、escribesthescrewdryvacuumpumpwithaseriesofadvantages1, Thereisnooperatingfluidintheextractingchamber,itcandeliverhigh-viscositymaterial.2, Thereisnooilvapouroutlet,itcanguaranteeoutsideclean.3, Itcanextractgascontainingdust,corrosivity,andpoison,becauseithasSmaUgapbetweentoothfaceofmaleandfemaleroto
4、rs.Themainfactorsforthisdryscrewvacuumpumpdesignarerotors,airwayStuctureandsealingsystem.Keywords:dry(oil-free)vacuumpump：screw；inlet：outlet1绪论泵的发展有接近UO年的历史了，随着科技的发展，泵的种类也在飞速多元化，从最初的旋片泵到具有抽高真空实力的罗茨泵，螺杆泵，仿佛一切都是来的那么突然又有条不紊。21世纪的今F1.科学技术对真空泵的要求一步步的提高。比如抽真空实力的提高，对抽真空清洁度的要求更加苛刻，对抽气速率要求渐渐提高。在科研领域，比如食品工业、医
5、疗、化学等行业，传统的有油泵很难满意要求，因为有油真空泵会带来污染，很可能危害人体健康，而干泵具有可以实现零污染的优点，因而干泵将占据着越来越重要的市场地位明1.1 课题背景及探讨意义干式真空泵，一般认为是能在大气压到而Pa的压力范围内工作。干泵的排气端干脆及大气接触，工作时连续向外部排气。对于被抽真空的对象不能含有任何液体环境。干泵的种类已经发展的比较繁多，本文是只对于螺杆式真空泵进行设计探讨。据我查阅资料，整理总结出螺杆式泵特点如F：抽速高，在抽真空压力范用内保持较高的抽速。零部件较少，而且几乎没有易损坏零件，因而牢靠性较高。适应性强，转子留在两齿表面之间的间隙小，从而可以抽腐蚀性，有毒，
6、含有灰尘，冷凝的蒸汽和其他气体。操作维护便利1.2 课题探讨方向螺杆泵在国内依旧停留在发展时期，主要缘由有是国内很少有自主的大型螺杆泵企业，前景不甚明朗。而且国内企业的普遍特点是加工精度太低，难以达到标准，依靠进口才是一条好路子。但是在I二五建设的大洪流中，不少企业都在走科技创新的新路子，企业攻坚克难，做出国字号的转子型线，应当很快会有自主研发的转子投产。但是前进的道路上还存在不少技术难题，以冷却最为麻烦。大多数企业采纳的方法是在腔体高压端开环形冷却水槽，但是收效甚微，高温影响依旧不容忽视。另外，爱德华公司选择采纳在轴上开设冷却水通道，弊病在于工艺困难难以加工。通过查阅费料我了解到，等螺距螺杆
7、泵功耗大，缘由在于只排气不进行压缩；变螺距螺杆泵边功耗大大缩小，设计的胜利之处在于可以边压缩边排气，排气口温度顺理成章的变低了不少。所以气冷极有可能发展为将来的主流。依照目前的科技发展实力，依旧存在不少问题亟待解决。1,抽取腐蚀性气体时涂层的防腐蚀技术。2,排气温度高，转子利用率低的通病。3,抽取活泼气体时，平安问题令人堪忧。2螺杆干式真空泵的设计2.1转子的设计目前干式螺杆真空泵的主要生产厂家多采纳单头等螺距型线，其他还有多头双边对称圆弧型线、单头变螺距梯形螺纹型线、单头等螺距梯形螺纹型线和等螺距凹齿型线。（八）单头等螺距矩形螺纹转子（b）单头等螺距梯形螺纹转子（C）单头变螺距梯形螺纹转子（
8、d）单头等螺距凹面转子（e）双边对称圆弧型线转子图2.1螺距型线种类综合考虑各种型线优缺点，本次设计采纳的是单头对称圆弧型线。图2.2单头对称圆弧型线转子2.1.2螺杆泵工作原理螺杆式干式真空泵的工作过程可分为吸气、压缩和排气三个过程比1.吸气过程以齿间容积最小起先，两螺杆反向旋转，啮合的两齿渐渐脱离啮合从而在其间形成了肯定的真空空间，我们称之为齿间容积。随着螺杆的接者旋转，齿间容积步步增大。这部分空间只及吸气口相连，进气口的气体在齿间容积的负压下被倒吸入泵中。吸气过程结束时，齿间容积达到最大值。2.压缩过程气体被转子齿和泵强密封在一个封闭的空间中，螺杆接着旋转，两齿起先再次啮合，齿间容积不断
9、减小。被上一过程吸进来的气体始终停留在齿间容积中也同时被压缩，压强同时上升。3,排气过程由于螺杆的旋转，齿间容积会在旋转的过程中渐渐往排气口平移，当齿间容积及排气口相连时气体及排气口外部大气连通，螺杆泵起先排气。齿间容积进一步减小，气体在泵腔里被螺杆挤出排气口，同时齿间容积再次归零，循环往复起先下次吸气过程。由以上三个过程可以在出螺杆式干式真空泵是容积式机械真空泵。转子在泵腔内回转导致齿间容枳不断改变，同时齿间容积的改变实现吸气-压缩-排气的过程。这个个流程循环往复，具有周期性。2.2转子尺寸计算螺杆压缩机转子的举荐公称直径：800mm.630mm、500mm.400mm、315mm、250n
10、m200mm、160mm、125mm、100mm、80mm、63mm.初选螺杆的公称直径2=125mm0型线选择单头对称圆弧型线，阴转子及阳转子齿数比选6:4。中心距A=0.8A=O.8X】25=1OOmm阳转子节圆阴转子节圆齿高半径阳转子工作长度l=lX4=1.5X125=187.5mmD1,=0.64D0=O.64125=80mm/z=o.96D0=0.96X125=120mmr=0.205自=0.205125=25.6mm阳转子实际外径D=l.05%=l.05125=131.25mm阴转子实际外径=r=120mm2.3腔体的设计图2.3腔体腔体高压端有环形冷却液通道，上面的凹槽里安装冷却
11、水管（含散热板），通冷却水以冷却冷却液，达到更好的冷却效果。腔体端面采纳0型圈密封。2.4齿轮的设计i齿轮设计计算中心距a=100mrn模数mt初步选为3齿数初定为z=42,4=63。螺旋角=Io.146g815满意要求故模数确定为m=3,齿数确定为4=42,马=63。ii齿轮强度校核材料选用20Cr,热处理是渗碳淬火，处理之后齿轮齿面硬度为59HRC,查得分4=%M=I500MPa,取平安系数=1.2,则=1500/1.2=1250MPa齿轮按六级精度制造，载荷系数K选取为1.2,齿宽系数牝选为0.2。小齿轮上的转矩7；=9.55X10，=9.55X部=2.47IO4N.mm验算手面接触强度
12、=305j-5+0512-247ix10-=379.OMPaq巧，平安V1.5x0.2x100lHJ图2.4齿轮2.5气道的设计进气口开在腔体上，通过一斜面打通到吸气端面。排气口开在高压段盖板上,在排气侧装消声器。排气压力为大气压，极限压力大约为IPa,最大压缩比为IO5图2.5气道结构图2.6轴承的设计2. 6.1轴承的选择齿轮端（高压端）由于要承受较大径向力及轴向力，选用两个深沟球轴承并排安装。低压端由于主要承受径向力，选用圆柱滚子轴承。图2.6深沟球轴承（左）和圆柱滚子轴承（右）2.6.2轴承寿命计算:n表示轴承转速2900r/minC表示轴承基本额定动载荷，圆柱滚子轴承,C=SO.2K
13、N深沟球轴承,C=43.2KNP表示轴承载荷为指数，对于球轴承，=3对于滚子轴承，=3.333计算得，深沟球轴承，1.hl=3707h（取载荷P=IOKN）圆柱滚子轴承，1.h1=5934h（取载荷P=IOKN）经计算符合要求。2.7 密封件的设计采纳骨架密封圈和卡环协作进行密封，然后连接挡油环。盖板及腔体连接处运用0型圈进行密封。图2.8骨架密封环（左）及挡油环（右）2.8 电机的选择采纳带法兰盘的电机，选用东元电机，AEVFXA系列防爆电动机，额定功率7.5KW,转速2900rmin.电压（V）380频率（Hz）50,60防护等级IP54冷却方式IC4U周温T5C40表2.9电机尺寸图2.
14、10BuschAC（MoO型干式螺杆真空泵郭99女新美第三章参数计算3.1 排气量3. 1.1理论排气量VtI=C/,立w,rnin(3.1)式中/；,阳转子转速2900rminDu一一阳转子公称直径0.125m/一一阳转子工作长度0.1875mCn一一面积利用率选取为0.521C.一一扭角系数。按表3.1选取q,=0.971表3.1扭角系数参考值%240270300q1.000.9890.971依据公式(3.1)计算理论排气量=0.971X0.52129000.18750.125X0.125=4.30nmin3.1.2实际排气量V=Knr/min(3.2义的值及转子型线、间隙值、转子尺寸、转
15、速有无喷液等因素有关，气值见表3.2表32不同转子型线的排气系数2转子型线无油螺杆喷油螺杆对称型线0.650.900.750.90不对称型线0.70-0.950.80-0.95”0.80则按式(3.2)实际排气量-=3=4.45X0.75=3.23,min3.2轴的强度计算螺杆式干式真空泵的阴阳螺杆所受弯矩不大，故可按扭转强度条件计算。依据材料的成本问题和工艺规程，轴材料选取45钢，热处理方式是调制处理。由表4.5查得其许用扭转切应力T,=40MPa,按扭转强度计算最小直径7)=14.6mm为了给轴留有足够的平安系数，计算之后对轴进行IOkI5%的加强，选取直径为35mm。3.3极限真空度、功
16、率及冷却水量(表3.3是台湾汉钟PS机型技术参数表)表3.3台湾汉钟PS机型技术参数表机型DVS-23DVS-37DVS-42DVS-150单位抽气速率2236421461./S80130150500mhr87501./min极限压力7.51037.510,Torr11O2l103mbar10.1Pa马达功率4668HP2.984.474.475.96KW频率50/60HZ电压220440V口径进气NW50ISOlOO排气口NW40NW40冷却水流量371./min压力24Kgra2温度18-30oC接头RC3/8氮气压力0.51Kgm2稀释流量0601./min密封0-201./min流量连
17、接Swagelok1/4尺寸1.XWXH814X380X663895X405678920X425X650814X380X908mm重量280300320450Kg噪音70dB限制界面SEMIE73-0299真空泵最大漏率IXlOsMbar.1/s室温操作范围540C最大操作湿度90%RH4转子温度场有限元分析4.1ANSYS中有限元的计算方法有限元分析是利用数学近似的方法对真是真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，利用简洁而乂相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去靠近无限未知量的真实系统。目前，工程领域内常用数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限分法，就其广泛性而
18、言，主要还是有限单元法。4.2转子温度场的有限元计算螺杆于泵正常运转时，由于转子封在泵腔内做告知旋转运动，无法干脆测量得到转子表面的温度，而转子的热膨胀是影响泵腔内各密封间隙的重要因素，在各种因素中占到80%以上，故将其作为本次分析主要分析对象向。由于在螺杆泵正常运作时，其排气口温度可达到145C,以等温边界来处理明显不合理。这次分析，本人通过前期建立的转子三维模型，对转子的温度场进行探讨。4.2.1建立数学模型4.2.1.1热传导计算数学模型固定热传导遵循傅里叶定律7=-anuiT(4.1)式中，,小”，眉：热流密度anuitC/in:温度梯度用WWC):材料导热系数将傅里叶定律和能量守恒定
19、律应用于笛卡尔坐标系卜的温度场的计匏，就可得到导热微分方程式中，r:物体的瞬态温度/v:过程进行的时间同/,叫：材料的密度cf,y(C)：材料的定压比热材料的内热源强度无内热源稳态下的导热方程，式;(3.2)化简为(4.3)4.2. 1.2预处理ANSYS热分析本质还是能量守恒原理，也就是：在封闭系统中：式中：Qp：热量wp：做功(J:封闭系统内能增量KEJ:封闭系统动能增量A/间刀：封闭系统势能改变增量传热时：AKE=APE=0,若W=0,则：Q=&U：稳态时，Q=AU=O,即系统的流入流出热量相等；瞬态时，内能改变和流入流出热传递的速率相等。螺杆泵运行状态平稳时，由下表可以知道泵不同部位的
20、温度。大致来石，下表列出的泵体各部位温度改变不大，因而可得出结论：对于转子的热分析只要分析稳定状态即可。若系统处在热平衡状态，则有：系统中随意一节点温度随时间改变量忽视不计。表4.1螺杆干泵温度检测数据(C)矩阵表示的系统能量守恒公式：式中：周：传导矩阵；含有导热，对流和时间等系数；T:节点温度向量；Q:节点热流率向量；利用模型儿何参数、材料热性能参数，在ANSYS下可以生成可、m以及q,以便下步计算。4.2.2 实体几何模型由上面所述，本次所用模型为PROE制作的模型，PROE完成的模型通过ANSYS导入进行处理，依据表面实际状况进行网格的划分。ANSYS单元库有100多种单元类型，其中很多
21、单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。单元选择特别重要。对于本设计采纳三维实体单元。4.2.3 网格划分选定单元类型并确定型函数之后，要确保单元格数量才能描述精度。一般来说，网格和节点数量及最终结果保持正相关。但是，假如网格划分太过稠密，这会导致ANSYS计算结果时时间太过冗长，而且不简洁保持计算精确度。以下两张是分别对阳，阴转了进行网格划分的结果。图4.1阳转子网格图图4.2阴转子网格图4.2.4 计算结果图4.3阳转子温度场有限元分析图4.4阴转子温度场有限元分析图4.3、图小4分别为阳转子和阴转子关于热力学温度的非线性分布图，图中颜色的深浅表示温度的凹凸。宏观来在，从左到右（进气口到
22、排气口）温度渐渐上升，改变近似为线性的。分开来说，把转子依据导程可以分为几个部分：1,进气端第个导程转子温度由表面的43C递增66C。缘由是，在这个导程内处于吸气状态气体由进气口进入螺旋抽气槽，转子齿顶面及被抽气体接触，但在这一导程内只是近似等压的吸气过程，没有做功，齿顶面及气体温度相同。此处转子内部受排气端高温热传导影响温度上升；其后的两个导程转子温度比较匀称，大约为105,这是因为转子处于泵壁冷水套供应的匀称温度场内，温度改变不打；而最末个导程内转子温度改变显著，由105C改变到排气口的150,其缘由是：气体传输到转子末一导程时被压缩排出,由于压缩气体做功导致转子温度急剧上升。随着太阳能，
23、半导体，液晶显示器等行业的发展，干式真空泵将迅猛发展，占据也来越重要的市场份额。螺杆泵将在以后有很大的发展潜力，本文阐述了螺杆式干式真空泵的基本原理，对常见的型线进行了分析探讨，并对螺杆式干式真空泵的关键数据进行了设计计算。得到以下结论：单头对称圆弧型线加工困难，国内这类的机床较少，但该型线作出的转子可以在个导程内完成吸气、压缩和排气的过程，同时真空度也能满意要求。这样相较于其他类型的真空泵和其他型线来讲可以减小泵的体积，这是一大优势。另外。温度对于转子结构的影响是明显的，为防止螺杆真空泵的损坏、增加运用寿命，建议真空泵在运用至多8小时后暂停运用，等冷却后再进行运用。致谢我的毕业设计是在朱仁胜
24、老师的指导下完成的。在毕业设计期间，我考取r中国科大的探讨生，朱老师对我的复试帮助特别大，在我的前进道路上影响深远。朱老师每周开广2次组会，看法特别仔细，始终关切着我的进展。我有不懂得问题朱老师总是会耐性的赐予解答，并帮我指出设计中的错误和不足。所以在朱老师的指导下，我个人感觉的我科研实力有了肯定的提升，并对我以后的学习生活带来深远的主动影响，同时朱老师在为人处世方面让我特别敬佩，我学会了主动，豁达的心态。经过四年本科阶段的学习，在此论文完成时，我要向我指导的导师和帮助我的同学以及支持我的家人表示真诚的谢意。感谢朱仁胜老师。本次毕业设计是在导师的悉心指导下完成的，可以说没有褚老师的指导我不行能
25、完成本次毕业设计。感谢合肥工业高校全部的领导和老师，只有经过大四前的基础课程的学习沉淀，我才能圆满完成本次毕业设计，感谢机械及汽车工程学院的全部领导老师，给我们供应了很好的学术氛围以及帮助，感谢你们的支持。感谢我的同学，我的同学们在本次毕业设计过程中给我供应莫大的帮助。参考文献1董钿.干泵一21世纪照射真空工业的新星J,真空，2019,4:42徐成海等.干式机械真空泵及其应用J,真空电子技术，2019,4:633礼浩，新取真空技术一干式真空泵，通用机械，2019年第9期4周宝洪，干式螺杆真空泵的螺杆设计及计算，真空，2019年6月第3期,46-45刘春姐等，干式螺杆真空泵接触线长度的计算，6刘
26、春姐等，干式螺杆真空泵转子温度场的有限元分析，7徐成海等，活塞式和螺杆式无油真空泵，8刘春姐等，几种干式螺杆真空泵转子型线特性的探讨J,真空及低温20199张世伟等，螺杆真空泵单头变螺距螺杆转子型线的探讨J,真空，2019,10刘春姐等，种新型干式螺杆真空泵转了端面型线的探讨,11张世伟等，一种新型无油螺杆真空泵单头变螺距转子型线的探讨，12高振榕译，螺杆压缩机手册，机械工业出版社，198513吴保志，螺杆式制冷压缩机，机械工业出版社，198514机械工程手册,机械工业出版社，198215朱家诚等，机械设计基础，合肥工业高校出版社，201916朱家诚等，机械设计课程设计，合肥工业高校出版社，201917ScrewPumpsformultiphaseproducts.BritishpumpmanufacturersAssociation12thInternationalPumptechnicalConference.1991C.1.ondon.18M.I1.IIablanian,HighVacuumTechnology.APraticalGuide,2nded.(DekkertNewyork,2019.
