S400螺杆真空泵设计论文解析.docx
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S400螺杆真空泵设计论文解析
目录
中文摘要1
英文摘要2
1绪论3
1.1.课题背景及研究意义3
1.2课题研究方向3
2螺杆干式真空泵的设计5
2.1转子的设计5
2.2转子尺寸计算7
2.3腔体的设计8
2.4齿轮的设计8
2.5气道的设计9
2.6轴承的设计10
2.7密封件的设计10
2.8电机的选择11
3参数计算12
3.1排气量12
3.1.1理论排气量12
3.1.2实际排气量13
3.2轴的强度计算13
3.3极限真空度、功率及冷却水量14
4转子温度场有限元分析16
4.1ANSYS中有限元的计算方法16
4.2转子温度场的有限元计算16
4.2.1建立数学模型16
4.2.2实体几何模型18
4.2.3网格划分18
总结22
致谢23
参考文献24
S-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。
关键词：
干式真空泵；螺杆；吸气；排气
Abstract:
Recently,thegrowingdemandfordrypumpwiththedevelopmentofscienceandtechnology
Thisarticledescribesthescrewdryvacuumpumpwithaseriesofadvantages
1,Thereisnooperatingfluidintheextractingchamber,itcandeliverhigh-viscositymaterial.
2,Thereisnooilvapouroutlet,itcanguaranteeoutsideclean.
3,Itcanextractgascontainingdust,corrosivity,andpoison,becauseithassmallgapbetweentoothfaceofmaleandfemalerotors.
Themainfactorsforthisdryscrewvacuumpumpdesignarerotors,airwaystuctureandsealingsystem.
Keywords:
dry（oil-free）vacuumpump；screw；inlet；outlet
1绪论
泵的发展有接近110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能力的罗茨泵，螺杆泵，仿佛一切都是来的那么突然又有条不紊。
21世纪的今天，科学技术对真空泵的要求一步步的提高。
比如抽真空能力的提高，对抽真空清洁度的要求更加苛刻，对抽气速率要求逐渐提高。
在科研领域，比如食品工业、医疗、化学等行业，传统的有油泵很难满足要求，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。
1.1课题背景及研究意义
干式真空泵，一般认为是能在大气压到Pa的压力范围内工作。
干泵的排气端直接与大气接触，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研究。
据我查阅资料，整理总结出螺杆式泵特点如下：
1抽速高，在抽真空压力范围内保持较高的抽速。
2零部件较少，而且几乎没有易损坏零件，因而可靠性较高。
3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，含有灰尘，冷凝的蒸汽和其他气体。
4操作维护方便
1.2课题研究方向
螺杆泵在国内依然停留在发展时期，主要原因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。
但是在十二五建设的大洪流中，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，应该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，以冷却最为棘手。
大多数企业采用的办法是在腔体高压端开环形冷却水槽，但是收效甚微，高温影响依然不容忽视。
另外，爱德华公司选择采用在轴上开设冷却水通道，弊病在于工艺复杂难以加工。
通过查阅资料我了解到，等螺距螺杆泵功耗大，原因在于只排气不进行压缩；变螺距螺杆泵边功耗大大缩小，设计的成功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未来的主流。
依照目前的科技发展实力，依然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，安全问题令人堪忧。
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用单头等螺距型线，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。
（a）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（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，本次设计采用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。
1.吸气过程
以齿间容积最小开始，两螺杆反向旋转，啮合的两齿逐渐脱离啮合从而在其间形成了一定的真空空间，我们称之为齿间容积。
随着螺杆的继续旋转，齿间容积步步增大。
这部分空间只与吸气口相连，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，螺杆继续旋转，两齿开始再次啮合，齿间容积不断减小。
被上一过程吸进来的气体一直停留在齿间容积中也同时被压缩，压强同时升高。
3，排气过程
由于螺杆的旋转，齿间容积会在旋转的过程中逐渐往排气口平移，当齿间容积与排气口相连时气体与排气口外部大气连通，螺杆泵开始排气。
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，循环往复开始下一次吸气过程。
由以上三个过程可以看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积不断变化，同时齿间容积的变化实现吸气-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
螺杆压缩机转子的推荐公称直径：
800mm、630mm、500mm、400mm、315mm、250mm、200mm、160mm、125mm、100mm、80mm、63mm。
初选螺杆的公称直径=125mm。
型线选择单头对称圆弧型线，阴转子与阳转子齿数比选6:
4。
中心距=0.8×125=100mm
阳转子工作长度=×=1.5×125=187.5mm
阳转子节圆=0.64×125=80mm
阴转子节圆=0.96×125=120mm
齿高半径r=0.205=0.205×125=25.6mm
阳转子实际外径=1.05=1.05×125=131.25mm
阴转子实际外径==120mm
2.3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。
腔体端面采用O型圈密封。
2.4齿轮的设计
齿轮设计计算
中心距a=100mm
模数mt初步选为3
齿数初定为=42，=63。
螺旋角=10.14°
8°～15°满足要求
故模数确定为m=3，齿数确定为=42，=63。
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==1500Mpa，取安全系数=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，齿宽系数选为0.2。
小齿轮上的转矩
验算齿面接触强度
==379.0MPa<，安全
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1Pa,最大压缩比为105
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与轴向力，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/min
C表示轴承基本额定动载荷，圆柱滚子轴承,C=80.2KN
深沟球轴承，C=43.2KN
P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，Lh1=3707h（取载荷P=10KN）
圆柱滚子轴承，Lh1=5934h（取载荷P=10KN）
经计算符合要求。
2.7密封件的设计
采用骨架密封圈和卡环配合进行密封，然后连接挡油环。
盖板与腔体连接处使用O型圈进行密封。
图2.8骨架密封环（左）与挡油环（右）
2.8电机的选择
采用带法兰盘的电机，选用东元电机，AEVFXA系列防爆电动机，
额定功率7.5KW，转速2900r/min。
电压（V）380
频率（Hz）50，60
防护等级IP54
冷却方式IC411
周温-15℃~40℃
表2.9电机尺寸
图2.10BuschAC0400型干式螺杆真空泵
表2.2参数表
第三章参数计算
3.1排气量
3.1.1理论排气量
（3.1）式中——阳转子转速2900
——阳转子公称直径0.125m
——阳转子工作长度0.1875m
——面积利用率选取为0.521
——扭角系数。
按表3.1选取=0.971
表3.1扭角系数参考值
1.00
0.989
0.971
根据公式（3.1）计算理论排气量
=0.971×0.521×2900×0.1875×0.125×0.125
=4.30
3.1.2实际排气量
（3.2）
的值与转子型线、间隙值、转子尺寸、转速有无喷液等因素有关，气值见表3.2
选取=0.80则按式（3.2）实际排气量
=4.45×0.75=3.23
3.2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。
根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=40MPa。
按扭转强度计算最小直径
（4.7）
=
=14.6mm
为了给轴留有足够的安全系数，计算之后对轴进行10%~15%的加强，选取直径为35mm。
3.3极限真空度、功率及冷却水量（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-23
DVS-37
DVS-42
DVS-150
单位
抽气速率
22
36
42
146
L/S
80
130
150
500
m3/hr
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