三葉設(shè)計(jì)當(dāng)今全球在化干泵上發(fā)展很快這種性能好優(yōu)點(diǎn)多值得研究開(kāi)

第一章引言我們參考了的化干泵和的株式真空泵，并結(jié)合如今市場(chǎng)的需200L/S設(shè)計(jì)中對(duì)三葉羅茨泵的原理作了簡(jiǎn)要概述轉(zhuǎn)子型線是羅茨泵的本第二章羅茨泵概述、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低100000m3h以上第三章四級(jí)三葉直排大氣式羅茨泵設(shè)計(jì)3－1泵腔內(nèi)兩轉(zhuǎn)子對(duì)稱(chēng)平行放置，朝彼此相反的方向旋轉(zhuǎn)，由軸端齒輪驅(qū)動(dòng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)兩轉(zhuǎn)子之間無(wú)接觸轉(zhuǎn)子與泵腔壁觸轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子與泵腔間的間隙靠氣體對(duì)流來(lái)密封。羅茨泵工作時(shí)，被抽氣體由進(jìn)氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子與泵體之間，這時(shí)一個(gè)轉(zhuǎn)子葉和泵體把氣體與進(jìn)氣口隔開(kāi)，被隔開(kāi)的氣體(如圖所示)在轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)2V0，V0空間處在封閉狀態(tài)，因此沒(méi)有壓縮和膨脹。但當(dāng)轉(zhuǎn)子的峰部轉(zhuǎn)到冷卻氣體返流口時(shí)，從排氣口排出并經(jīng)冷卻的氣體就會(huì)從返流口處擴(kuò)散到V0V0另一轉(zhuǎn)子的兩個(gè)葉和泵體之間封閉了V0的氣體；旋轉(zhuǎn)到和下一轉(zhuǎn)子又封閉了V0V0部分的氣體還是比排氣口處的壓力低，為了使相連體積內(nèi)壓力均勻，排氣口處的氣體就會(huì)擴(kuò)散到V0區(qū)域，其擴(kuò)散方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，把V0V0氣體葉開(kāi)始排出。如此往復(fù)從而達(dá)到了抽氣的目的。這種工作過(guò)程相當(dāng)于轉(zhuǎn)子空間由某一最小值增加到某一最大值，然后再由最大值減小到最小值。這就是羅茨泵的容積作用原理。羅茨泵在壓力很低的情況下工作時(shí)由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很高(2900r/n)，轉(zhuǎn)子表面的線速度接近于分子的熱運(yùn)動(dòng)速度，這時(shí)碰撞到轉(zhuǎn)子上的氣體分子被轉(zhuǎn)子攜帶到壓力較高的排氣口，釋放排出。這就是羅茨泵的分子作用原理。圖 三葉羅茨泵抽氣過(guò)程示意由泵的工作原理圖可知在每一腔中轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周向出口側(cè)排送6體積的氣體6V0)。從泵的工作原理可以看出，這種泵有冷卻作用、冷凝作用、和羅茨泵的兩個(gè)轉(zhuǎn)子是通過(guò)一對(duì)高精度齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)其相對(duì)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的，主動(dòng)這時(shí)從動(dòng)轉(zhuǎn)子的扭矩由電機(jī)端齒輪直接傳遞，所以主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的扭轉(zhuǎn)變形小，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間的間隙不會(huì)因主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸扭轉(zhuǎn)變形較大而改變，故間隙在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)圖 羅茨泵的傳動(dòng)形主動(dòng)軸外伸部分的動(dòng)密封多采端面摩擦式機(jī)械密封和戴加強(qiáng)環(huán)的線圈在真空下起弧，電機(jī)電源電壓應(yīng)小于50伏。有的使用電機(jī)，無(wú)外伸軸本泵是在參考的化干泵和的株式化干泵的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。1(4)、在泵腔那采用統(tǒng)一的機(jī)械間隙，部件間不會(huì)相互碰撞。多孔清除和熱交換器可調(diào)，允許抽取有侵蝕性化學(xué)物質(zhì)和物質(zhì)的氣34（1）（2）（3）5這種泵在閥被關(guān)閉時(shí)能正常工作而不會(huì)損壞，悶轉(zhuǎn)性能好；處理質(zhì)和灰塵能力強(qiáng)，在續(xù)氣流情況下，一分鐘可吞噬1/4克的液體；節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)，故障率小，費(fèi)用低，不需額外的停機(jī)時(shí)間來(lái)更換密封油及潤(rùn)滑液。15第四章泵的總體設(shè)計(jì)200L/s（5a直排大氣，在泵的排氣口處無(wú)需增加防止泵過(guò)載的旁通管路和壓差閥。3－1b并用螺栓連接在泵一側(cè)的電機(jī)架上，整個(gè)泵體通過(guò)泵底座連接在地基上或泵架上4－112、O34567第五 泵的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)如圖5－1所示,轉(zhuǎn)子節(jié)圓以?xún)?nèi)的齒谷齒形(如1的內(nèi)圓弧A1B1C1和轉(zhuǎn)子2H2D2J2)為內(nèi)圓弧,該內(nèi)圓弧的圓心恰好在節(jié)圓圓周上,圓弧半徑為r。轉(zhuǎn)子節(jié)圓以外的齒峰型線可分成三段,靠近齒頂部分的型線為外圓弧(如轉(zhuǎn)子1的齒頂外圓弧H1D1J1和轉(zhuǎn)子2的齒頂外圓弧A2B2C2)。該外圓弧的圓心也的對(duì)稱(chēng)線同時(shí)轉(zhuǎn)到連心線O1O252的齒內(nèi)圓弧H2D2J2)與另一轉(zhuǎn)子的齒頂外圓弧(轉(zhuǎn)子1的齒頂外圓弧H1D1J1)正好在全長(zhǎng)上完全。圖 內(nèi)外圓弧加擺線型的型在齒頂外圓弧與節(jié)圓之間的曲線為擺線(如轉(zhuǎn)子1的擺線C1H1和 ,2的擺線C2H21上的擺線C1H1就是當(dāng)兩節(jié)圓作純滾動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子2齒谷內(nèi)圓弧的端點(diǎn)H2相對(duì)于轉(zhuǎn)子1的相對(duì)軌跡。設(shè)中心距為a,rrrHO2O1O2O1C130HO2F2F2Hrr2rsin151X1Y1r(Xrcos60)2(Yrsin60)2(rr1HDJXr)2Y2r)2111 C1H1是當(dāng)兩節(jié)圓作純滾動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子2齒谷內(nèi)圓弧的端點(diǎn)H2相對(duì)于轉(zhuǎn)子1的相對(duì)軌跡。為了求擺線C1H112度,然后將轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2及機(jī)架三者固結(jié),最后將整個(gè)機(jī)構(gòu)繞點(diǎn)O1逆時(shí)針轉(zhuǎn)回12O1O26圖 轉(zhuǎn)子型線方程的計(jì)P2H21擺線C1H1上的某點(diǎn)接觸。于是,由圖6可知,點(diǎn)H2在轉(zhuǎn)子1的坐標(biāo)系X1Y1上的軌跡,即擺線C1H1的X2rcosrcos(18030)Y2rsinrsin(180上兩式就是以1C1H1C1H10～30°設(shè)計(jì)中選擇泵的理論抽速(幾何抽速)sth

Ls；電機(jī)轉(zhuǎn)速初選n2900rmin4k00.5；考慮泵的結(jié)構(gòu)、外觀等因素，L2R1~2，選取L2R1.5（R為轉(zhuǎn)子頂圓半徑。現(xiàn)在，我們直從圖 三葉羅茨泵抽氣過(guò)程示意圖中容易得出泵的理論抽速計(jì)算 n 60

R3

kL

2R2

0

106(L/20023.141.2R

0.52900

R103.1710設(shè)轉(zhuǎn)子的節(jié)圓半徑為rRr103.171068.2438取r70羅茨泵轉(zhuǎn)子采用的是內(nèi)外圓弧加擺線型的型線，所以轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外圓弧半徑rr2rsin15270sin1536.2347取rr Rrrr7036106D2R2106212CAXA求得轉(zhuǎn)子的端面面積為s16781.427mm2，泵腔的端面面積S35455.623mm2，k35455.62316781.427 1.2，L1

L1:L2:L3:L45:4:3:L2120

L390

L460

2R2

0

2

23.14

15029000.5267

L/有泵的理論抽速公式（5－1）可知，各級(jí)泵的長(zhǎng)度之比即為各級(jí)泵的理sth1:sth2:sth3:sth45:4:3:sth1

L/

sth2

L/sth3

L/

sth4

L/1、1圖 特征間隙1與隙22、2轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間的間圖 特征間隙2的取值較大3、3軸活動(dòng)端（齒輪端）轉(zhuǎn)子側(cè)面與泵壁端蓋間的間圖 特征間隙4、4軸固定端（電機(jī)端）與泵體端蓋間的間

432<1。各間隙的取值一般1610416104212 盡量提高泵的抽氣能力，間隙的選擇應(yīng)盡可能小，所以取11 2210.12 3210.12 40.810.10.8 FL(21)(2R2r)( 1F150103(0.121030.21031(2106.2347140)103(0.20.08)158.7 m234F146.7106m2F134.7106m2F122.7106m234F，氣流流導(dǎo)為U，則116FU116F200F由《真空獲得設(shè)備》式(6－10)，羅茨泵有效抽氣量Qeff

pAsthU(

pA)srpApVsr關(guān)閉進(jìn)氣口，使有效抽氣量QeffpVsthUpA sr設(shè)泵的零流量壓縮比為k0，0k0

sth srksthUU4

200122.7106 mksth41

U4 U4p4A0p4

101325 P3V，根據(jù)等溫變化曲線，可以得出P3VL3P4A0

18723 第三級(jí)出口壓力為12482Pa3000PaU3

200 m3ksth313U

所以第三 處的極限壓p3

12482

3177690 第二級(jí)的出口壓力為1332Pa1500PaU2

116 m2ksth212U

所以第二 處的極限壓p2

PP

A 第一級(jí)出口壓力為77.6Pa1500Pa為U1

116 m1ksth111

184104

所以第一 處的極限壓力，亦即泵的極限壓力P

77.6

{inta=5,b=4,c=3,d=2; intL;int /*第一級(jí)泵長(zhǎng)度int /*第一級(jí)泵長(zhǎng)度int /*第一級(jí)泵長(zhǎng)度int /*第一級(jí)泵長(zhǎng)度double /*第四級(jí)泵返流截面積double /*第三級(jí)泵返流截面積double /*第二級(jí)泵返流截面積doubleF1=0.00; floatSth=0.00;float /*第四級(jí)泵理論抽速/*第三級(jí)泵理論抽速/*第二級(jí)泵理論抽速/*第一級(jí)泵理論抽速/*第四級(jí)泵壓縮比/*第三級(jí)泵壓縮比/*第二級(jí)泵壓縮比/*第一級(jí)泵壓縮比/*第四級(jí)泵極限壓力/*第三級(jí)泵極限壓力/*第二級(jí)泵極限壓力/*第一級(jí) 極限壓力，即極限真空度/*calculation /*計(jì)算第二級(jí)泵理論抽速 /*計(jì)算第三級(jí)泵理論抽速 /*計(jì)算第二級(jí)泵腔長(zhǎng)度 /*計(jì)算第三級(jí)泵腔長(zhǎng)度 /*showalltheresultwith3diagram Sth1=%6.4f Sth2=%6.4f Sth3=%6.4fSth4=%6.4f\n",Sth1,Sth2,Sth3,Sth4); L4=%6d\n",L1,L2,L3,L4); F1=%6.7f F2=%6.7f F3=%6.7fF4=%6.7f\n",F1,F2,F3,F4); U1=%6.4f U2=%6.4f U3=%6.4fU4=%6.4f\n",U1,U2,U3,U4); K1=%6.4f K2=%6.4f K3=%6.4fK4=%6.4f\n",K1,K2,K3,K4); P10=%6.4f P20=%6.4f P30=%6.4fP40=%6.4f\n",P10,P20,P30,P40);}1Ni。SthLs)，Pa)，氣體排氣過(guò)程為a-b-c-d-e,該過(guò)程為一個(gè)壓縮循環(huán)a-b-c-d-e-P1A0-PairS率N1。由于縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的壓力為羅茨泵各級(jí)和出口的極限壓力，所以該N1S，我們采用分步求法。5－6設(shè)等溫曲線e-d、d-c、c-bS1、S2、S3，積分解S1

S

th S2

Sth2Sth2P2A0S S3

Sth3Sth3P3 Sth 設(shè)直線段Pair-aS4S4(P4VP4A0)Sth4 設(shè)直線段P1A0-e和橫坐標(biāo)所夾的矩形面積為S5，解S5P1A0Sth15270.6SS1S2S3S4S5 Ni N'1-2-3-4S，解得 S0(P4V1A0)Ni NM失。對(duì)于該設(shè)計(jì)多級(jí)羅茨泵M0.8。Ni和M數(shù)值代入（3-7）N9kW11.25kW2取齒輪嚙合效率1=0.97（8）滾動(dòng)軸承效率2=0.99聯(lián)軸器效率3則傳動(dòng)總效率

4

0.97 23P23P

11.25kWY(IP44)Y160L-2P018.5kW，效率為/0.882，經(jīng)計(jì)算可得P

18.50.88216.317kW12.32kW1面硬度250~280HBS，斜齒輪，右旋。從動(dòng)齒輪材料2選用ZG310-570，正火處162~185HBS，斜齒輪，左旋。主從齒輪傳動(dòng)比i1。N1N10n1jLhN

4.1761

ZN1ZN21.0（允許一定點(diǎn)蝕。ZX1ZX21.0。SHmin1.0取ZW1.0ZLVR0.92250HBS162HBS，Hlim1690N/mm2，Hlim2440N/Hlim1SH Hlim2

N1Z

X1Z

Z

6901.01.00.92634.8N/4401.01.01.00.92404.8N/H

H

N2X2

H H因 ，計(jì)算中取 H H2

9.55106

9.55106

根據(jù)泵主、從動(dòng)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，齒輪中心距a140mm

m(0.007~0.02)a(0.007~0.02)140(1.4~取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m213uz2/z1

2acosm(u

2140cos1368.212(11)z2uz1z2z168實(shí)際傳動(dòng)比i

z2

681，傳動(dòng)比誤差ii理ii理i

修正螺旋角arccosm(z1 13ZHZ可不修正。

dm dm

268 268

圓周速度v608

3.1414060

5－63KA1.08

21.256814.45

齒寬baa0.4140b

K取b

7K1.2KKAKVK計(jì)算重合度、

1.01.451.041.21.81aa

14021.02aa

arctgtg

db1d1cosdb2d2cos

arccosarccosda2

arccos131.1arccos131.1

111

(tg

tg

)

(tg

tgt168(tg24.437tg20.54)68(tg24.437 bsin

50sin13.7293.1411重合度系數(shù)Z11

Z

barctg(tgcost)arctg(tg13.729cos20.54)2coscost2coscostsin

22cos20.54sinHZH

ZEZZ

2.44189.80.5410.987bd1uu21.659624042bd1uu21.659624042501Hz1z2F F按主動(dòng)齒輪1材料40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，動(dòng)齒輪材料2為ZG310-570，正火處理，得 290N/mm2， F FYN1YN2由于m25mm,取YX1YX2

2.0,SFminFlim1YSTSF

N1YX

29021.01.0414N/FNXFlim2FNXSF

15221.01.0217N/

cos3 cos3

cos3cos3

74.1874.18得YFa1YFa22.31，Ysa1Ysa2因

1.891.0,

1

1113.7290.75cos2Y0.25 b0.25

0.75cos2

2KT1

YY

21.659624042.311.730.891 bd1

Fa1sa1

5014034.71N/mm2

34.712.311.7334.71N/mm2 F F1

FFa15

m/cos2/cos13.729dm dm

268 268

aaaa

14021.02adfa

2(hc

df

2(hc

aa1a 齒寬b2b1

d

)1(140140)140mm12n=2900r/min效率/0.882，齒輪嚙合效率η1=0.97，滾動(dòng)軸承效率013PP/18.5kW0.8820.9901331n0初估主動(dòng)軸直徑d/131n0

19.5mm332Mz0T主動(dòng)軸切變模量G7.741010Nm2，許用扭轉(zhuǎn)角[]0.25P由 P

Tmax

/ 式 G：切變模IPIP

D

1807.3502

/

G D

35103m

L117.3502

(35103)4

109

/

40103m

L227.3502

(40103)4

109

/

45103m

L337.3502

(45103)4

109

/

50103m

L447.3502

(50103)4

109

/

55103m

L557.3502

(55103)4

109

/

60103m

L667.3502

(60103)4

109

/

55103m

L777.3502

(55103)4

/

50103m

L887.3502

(50103)4

/

45103m

L997.3502

(45103)4

/3齒輪分度圓直徑d1140mm，則對(duì)齒輪受力分析得F

262404Nmm1 1

Fttg

891.49FaFttg891.49由MB0RBYL1FtL1L20

FtL1L2 由Y0

RBY

由MB0，得RAZL1FrL2Fa

20

FrL2Fa

2334.0248217.8452由Z0，得RBZRAZFr334.0251.63垂直面彎矩MYBMBYRAYL159.7671642788.16N水平面彎矩MZBMBZRAZL151.6371636967.08N合成彎矩MMM42788.162MM42788.162

56545.48NTT

d891.494520058.53N Mca0.6，則得B 2T 2T2BB56545.482(0.6

57812.07ND

M2

)2T0.620058.5312035.12N 由圖a、g可見(jiàn)，B點(diǎn)彎矩值最大，D、E點(diǎn)軸徑最小，所以該軸的斷面是BD點(diǎn)和EE45B650

mm2，

60

mm2bb3330.1

50mm，3330.1

5%，dD12.6210.05)35mm，k

1.825，

1.625

1.97，

Dd40352.5，r20.06， 1.7435，

TWmaxTWT

20058.532.3

a

2

2.31.152

45鋼機(jī)械性能得：

268

mm2，

155

mm211

0.88，

0.81

0.920.92

0.34

0.21SS

K

1.15aa 0.92取S1.5~1.8SS，所以Ⅰ剖面安全Dd50452.5，r20.04，

Ⅶ MBL756545.4870955992.66NⅦL1 L1TⅦT20058.53N

MW

0.1

a

6.14

mm2 mm

0.2

2

1.102

0.55

0.88，

0.810.92，

0.92 K aaS Kaa

SSSS2S 19.362SS1.5~1.81、為保證泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承選用角接觸球軸承46110型和深溝球軸承2.軸承計(jì)9－5按電機(jī)端第一個(gè)軸承計(jì)算，軸向載荷A＝Fa＝217.8N,A/C0＝0.013,e=0.38,A/R>e當(dāng)量動(dòng)載荷P＝fm（XR+YA）fm――力矩載荷系數(shù)取fm＝1.5;計(jì)算軸承，取溫度系數(shù)06fC

0n 300810Y＝282400/300×8＝117所以，足夠1h8mmL63mmb10mm，采用圓頭普通平鍵。軸徑2由式

[ 式 l：鍵的工作長(zhǎng)度，lLb6310 []：許用擠壓應(yīng)力，查得[110N

462.404 358

16.8N/

2[pp第七章羅茨泵冷卻系統(tǒng)的研究(專(zhuān)題部分如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間轉(zhuǎn)子和泵體之間的間隙都比較小般在0.1～0.25之圖 羅茨泵冷卻系統(tǒng)示意在轉(zhuǎn)子將的下腔30冷卻水套內(nèi)部形成這部分在冷卻水套內(nèi)基本不循環(huán)溫度愈來(lái)愈高，氣體溫度20C，出口氣體溫度80C；冷卻水溫度15C，出口溫度55C80C；冷卻水溫度均為15C，出口溫度均為55C。依此我們先簡(jiǎn)單的計(jì)

s4108.3L/sE4s4Cv108.310358.31(802Q4P4E48946135假設(shè)水冷夾層的溫度等于氣 到出口的平均溫度，

20C80C2S2(12160

4

3047W/m24.82102(80冷卻 平均溫度 15C55C 10t62.65102W/mK

35C0.732106m2/Pr ff當(dāng)tw50Cw406.1106Kg/wr4，4r2704r4可算德

3047225.910362.65102

2(12190l 2

1(2r)07 0.027Re08Pr1/3(f)0 w

Nu 080.027Pr1/3

f)014 w001/ 0雷諾數(shù)大于104

Re

dRefd

358300.732106225.9

0.5m/Hv/ s200L/s

E

T20010358.31(8020)2QPE9067249假設(shè)水冷夾層的溫度等于氣 到出口的平均溫度， 20C80C S2(1216070)401064.82102

2(1216070)901065.7102m24圖7－2 1

y432

y16

9zx2x112z

yds(

y1120)160y160sin

0S3240140220

160sin

)16018384mm21.8102 S 7.510

2(1216070)1201067.7102m24圖7－3 1

y16152

y3221

7zx2x112z

yds(

y120)160y160sinS22

5140256388mm25.6102 S 13.310

2(124圖7－4 1

y2

y3227

zx2x112z

yds(

y130)160y160sinS121510272012mm27.2102 S 17.910 SS1S2 338W/m243.5102(80冷卻 平均溫度 15C55C 10t62.6