无油涡旋真空泵的平衡计算机模拟与仿真Word格式.docx

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产量很大，单台产值不高，但它是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。

根据国内真空技术发展趋势，为了适应高端产品和特殊应用场合的需要，研发开发清洁、无油、耐腐蚀的无油涡旋真空泵、复合分子泵、磁悬浮轴承涡旋分子泵和低端泵势在必行，以实现我国真空获得产品的更新换代。

本课题对平衡机构部件受力状态进行深入分析，研究其数值计算方法，并利用多提动力学软件Adams,对传动系统进行参数化建模，对产品动平衡情况进行仿真，优化模型。

背景情况：

对动静式无油涡旋真空泵,由于动涡盘的运动实质上是以静涡盘为中心的圆周平动，而不是绕静盘中心的转动，同时其质心存在加速度时,运动系统必然存在惯性力和惯性力矩,如不合理平衡,则将产生振动和噪声,引起运动副动压力的增加,加剧构件的磨损和疲劳失效,降低了机器的运动精度、平稳性、增加摩擦功耗,恶化工作条件，同时也大大减少了轴承使用寿命。

所以工作过程中出现的急需解决的问题如下：

1）根据曲柄转角周期内压缩腔容积、压力的变化规律分析，推导出动涡盘所受各项载荷随曲柄转角变化的函数式及其变化规律；

2）对平衡机构等各重要传动部件受力状态进行深入分析，研究其数值计算方法；

3）利用多体动力学软件Adams，对传动系统进行参数化建模，建立目标函数及优化约束，对产品动平衡情况进行仿真，并得出优化结果模型，尽可能减少振动及摩擦功耗。

选题依据：

动涡盘受力分析：

动涡盘非涡旋体侧的端平面，设计成为支架端平面支撑形式，而轴向间隙则由涡旋体端部设置的密封条来密封。

在这种情况下，动、静涡盘与防自转机构、支架、曲柄销之间的相互作用力，构成了一个比较复杂的空间力系。

动涡盘上承受的各种作用力，支架有对动涡盘的支撑力，且通过止推机构作用在动涡盘的背面。

此外，由于动、静涡盘的涡旋体顶部都设置了密封条，增加了动涡盘的受力，包括动涡盘上的密封条与静涡盘的涡旋齿底平面相互摩擦力，该力通过密封条作用在动涡盘上；

静涡盘上设置的密封条与动涡盘涡旋齿底平面之间的相互摩擦力；

无油涡旋真空泵主轴与地面相平行，即卧式布局结构，在分析过程中需要考虑动涡盘重力作用。

结合上述特点，应对倾覆力矩、密封力和压缩腔系体力及支架对动涡盘施加的支反力进行计算分析。

利用MATLAB的线性方程组求解工具，对曲轴驱动力和倾覆力矩随主轴转角的变化规律，并计算驱动力及倾覆力矩变化范围判断无油涡旋真空泵工作的稳定性。

无油涡旋真空泵动平衡：

通过对其构件的合理布置、加平衡质量或者平衡机构的方法部分地或完全地平衡机构的惯性力。

具体方法分两步，第一次平衡是使动涡盘的质心处于动涡旋盘曲轴的驱动中心，将动涡盘视为一平行四杆机构中的连杆来研究，根据四杆机构的平衡原理平衡惯性力及惯性力矩，具体方法是从线性独立向量法的基本点出发使机构总的质心在机构运转过程中保持静止，列出机构总质心位置随时间变化的向量表达式，设法使得与时间有关的向量系数为零；

第二次平衡是沿曲轴向通过配置至少两个平衡块来平衡动盘和曲轴等偏心质量产生的离心力，以减少主轴轴承的动载荷，根据此原理计算平衡块的质心位置、厚度及质量。

利用Adams／View可以对模型进行动力学仿真分析，并将仿真结果以动画的形式显示出来。

设定每一瞬时作用在主轴上的离心合力为研究的目标函数，通过模拟仿真观察离心力的波动情况，并根据此结果进行优化。

通过迭代算法变阶变步长使得传动系统的离心合力和周期变化幅度降低到最优时，获取优化后的设计参数，并对零件的初始设计参数进行修改以获得最优性能，最后进行一个周期的仿真，得到仿真结果。

研究目的：

分析无油涡旋真空泵的工作原理，对无油涡旋真空泵进行实体建模。

对无油涡旋真空泵的核心运动部件如动涡盘和偏心主轴等运动部件所受载荷进行数值计算分析，为涡旋无油真空泵的强度校核和参数优化设计提供必要的理论依据。

同时由于主轴的受力状况直接影响到无油涡旋真空泵的工作性能，且其为偏心结构，工作时动涡盘等零件产生的离心力作用在主轴的曲柄销上必然引起主轴运动的不平衡，所以解决动平衡问题对减少无油涡旋真空泵的振动及噪声具有现实意义，为优化结构提供必要的理论依据。

理论意义：

对设备的核心运动部件如动涡盘和偏心主轴等进行数值计算分析，为涡旋无油真空泵的强度校核和参数化设计提供必要的理论依据。

同时由于主轴的受力状况直接影响到无油涡旋真空泵的工作性能，动涡盘等零件产生的离心力作用在主轴的曲柄销上必然引起主轴运动的不平衡，存在的惯性力和惯性力矩,则将产生振动和噪声,引起运动副动压力的增加,加剧构件的磨损和疲劳失效,降低了机器的运动精度、平稳性、增加摩擦功耗,恶化工作条件，同时也大大减少了轴承使用寿命。

所以解决动平衡问题对减少无油涡旋真空泵的振动及噪声具有重要意义，为优化结构提供必要的理论依据，可应用于产品改进设计。

实际应用价值：

涡旋真空泵的主要优点是间隙小、泄漏少，具有较高的压缩比，在较宽的压力范围内有稳定的抽速，工作压力范围宽；

由于压缩腔容积的变化是连续的，因而驱动扭矩变化小，功率变化小，振动噪声低，可靠性高。

这是其它类型的干式真空泵所不具备的。

由于普通旋片油泵的漏油、噪声、返油污染、高能耗以及振动等问题给用户造成不良影响，如生物制品行业与半导体行业的油蒸汽污染与工艺系统返油问题。

真空镀膜设备的镀膜工艺中，在20-40Pa真空条件下镀膜时，如果应用普通旋片机械真空泵作为前级真空泵将对镀膜工艺设备造成污染，影响成膜质量。

半导体晶片制造工艺当中使用油泵与使用于泵相比，成品率存在50％左右的差距，并且排出的油雾蒸汽对环境也有污染。

科学仪器行业尤其是在分析测试仪器行业，采用油泵对测试结果将造成不良影响。

大型同步辐射光束线上采用涡旋无油真空泵作为前级真空泵的作用也相当明显。

另外涡旋无油真空泵消除了普通油泵的漏油给用户带来的环境污染与烦恼。

为防止普通旋片油真空泵对真空系统的返油污染，需要在抽气系统中加冷阱捕获油分子；

系统运行过程当中还需要定期清洗除油；

有的需要定期更换真空泵油。

采用涡旋无油真空泵第一不需要加冷阱之类捕油机构、第二不需要更换真空泵油、第三振动更小、运行更平稳、第四能耗降低、第五重量更轻、第六突破了油泵使用范围的限制，上述优点使涡旋无油真空泵成为普通旋片油真空泵的更新换代产品。

因此，本课题研究无油涡旋真空泵，并对其核心运动部件进行受力分析，通过对其构件的合理布置、加平衡质量或者平衡机构的方法部分地或完全地平衡机构的惯性力和惯性力矩，减少不合理平衡，应用Adams软件进行动平衡分析与模拟，可为设计和制造提供可靠的数据，具有很大的经济意义和实用价值。

二、文献综述

国内外研究现状、发展动态；

所阅文献的查阅范围及手段

国内外研究现状发展动态

涡旋的概念相当久远，20世纪初世界上就已经有了涡旋技术的专利。

但由于当时加工工艺技术水平的限制，涡旋机构制造不出来，涡旋的概念也就被淡忘了。

1973年涡旋机构被重新提起并制造出第一台模型机构，使得这项技术的实际应用成为可能。

涡旋机构的可靠性高、运行平稳、噪音极低、节省能源等潜力和巨大优势马上引起了制冷行业的重视和迫切需求，大受行业领先者青睐，迅速被投入工业化应用。

Trance、Hitachi、Copland等著名公司的涡旋压缩机技术与产品引领了世界涡旋技术实用化的浪潮，带动了如冰箱、空调等诸多行业的技术进步和产品的更新换代。

如今涡旋技术已经由初期的应用在压缩机行业推广到真空泵制造业，实现了全无油、运行更平稳、噪音更低、更加节省能源的涡旋清洁真空获得技术的实用化。

人们应用涡旋概念与原理制造出了对真空应用仪器设备和环境没有污染，并且抽速、寿命、能耗等指标均优于普通油泵的单级、双级涡旋无油真空泵系列产品。

无油涡旋真空泵在将低压侧气体排向高压侧这一点上，其工作原理与压缩机基本相通，所以真空泵的结构大多与压缩机相似。

但两者之间的运行条件有相当大的差别，即无油涡旋真空泵的压缩比非常高，在极限真空压力下没有气体排出。

直到上个世纪90年代初，世界上首台涡旋真空泵推向市场，涡旋技术由此开始作为一种新型真空获得技术在世界范围内被推广应用。

到目前为止，世界上涡旋真空泵的生产厂家集中在美国、日本和欧洲，以日本的Anestlwata、美国的Varian、德国的Bush等为代表。

产品包括了自0.25L／S～IOL／S系列产品，有些15L／S或更大抽气量的产品也在试验阶段。

近年来已经不断有业内专家向国内介绍无油涡旋真空泵技术，国内真空行业相关企业也开展了基础、应用研究及小规模试制无油涡旋真空泵生产等不同阶段的探索，只是由于技术基础、激励机制、研发手段、资金投入的限制，研发工作进展缓慢。

产品质量、稳定可靠性以及技术推广与市场开拓规划、原则、手段等也是问题。

随着研发手段、资金投入、市场开拓问题的解决，无油涡旋真空泵将会打开市场，从而提高了整个真空获得行业的技术水平。

通过在中国学术期刊网站，博硕士优秀论文数据库和ElsevierScience期刊等中外文数据库中检“无油涡旋真空泵”，“涡旋压缩机”，“动平衡”等关键字检索出相关资料并且阅读相关书籍。

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三、研究内容

1.研究构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术

研究构想与思路:

首先，进行实体建模。

利用大型三维建模软件UG对无油涡旋真空泵的关键部件（包括静涡盘、动涡盘、防自转组件、平衡组件、主轴组件和联轴组件，并完成计算机上的虚拟装配，进行干涉分析，检查传动机构装配的干涉，并修改原始设计参数；

其次，进行传动机构受力分析、动平衡计算。

对无油涡旋真空泵的传动机构进行动力学分析，对平衡机构和偏心主轴等各重要传动部件进行受力分析，研究其数值计算方法。

进行动平衡计算并合理地配置平衡块。

最后，进行Adams动力学平衡分析。

利用Adams软件对无油涡旋真空泵进行参数化建模，建立目标函数及优化约束，对产品进行动平衡仿真，并得到优化结构模型。

主要研究内容：

1．传动系统的载荷分析

无油涡旋真空泵的核心运动部件包括动涡盘和偏心主轴，所以要分析这些运动部件所受载荷的数值计算方法，为强度校核和参数优化设计提供必须的数据。

2.利用多刚体动力学软件Adams进行传动系统动平衡研究及优化

利用UG实体建模中的物性计算功能所得的模型基本参数建立传动系统动平衡仿真中必要的机构，并添加必要的力约束及运动约束。

检验模型的正确性及基本信息，模型验证成功后进行运动学分析，利用Adams／View可以对模型进行动力学仿真分析，并将仿真结果以动画的形式显示出来。

通过迭代算法变阶变步长使得传动系统的离心合力和周期变化幅度降低到最优时，获取优化后的设计参数，并对零件的初始设计参数进行修改以获得最优性能，并进行一周期的仿真，得到仿真结果。

拟解决的关键技术：

1）1.UG软件的应用

2）UG是当今世界上拥有最多用户最多的三维CAD软件，是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统。

UG强大完美的功能，使其在工业造型设计、三维模型设计、计算分析、运动学分析、工程图输出甚至加工成品等各个方面都有所应用。

本论文中正是应用UG强大的三维建模功能对无油涡旋真空泵的关键部件进行建模及装配的。

3）2.MATLAB软件线性求解工具Simulink的应用

MATLAB是美国MathWorks公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实时实现的理想的集成环境。

它具有友好的工作平台和编程环境，程序语言简单易用，科学计算机数据处理能力强大，图形处理功能出色，模块集合工具箱应用非常广泛。

MATLAB软件中的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。

它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。

利用Simulink进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用，并能依托MATLAB提供的丰富的仿真资源。

它具有交互式、图形化的建模环境，交互式的仿真环境，专用模块库，提供了仿真库的扩充和定制机制，与MATLAB工具箱的集成。

任何使用数学方式进行描述的动态系统都可以使用Simulink进行建模、仿真与分析。

4）3.Adams多刚体动力学软件的应用

5）Adams是专门用于机械产品虚拟样机开发方面的工具，通过虚拟试验和测试，在产品开发阶段可以帮助设计者发现设计缺陷，提出改进的方法。

借助Adams软件强大的建模功能、卓越的分析能力及方便灵活的后处理手段，可以建立复杂机械系统的“虚拟样机”，在模拟现实工作涉及条件的虚拟环境下逼真地模拟其各种运动情况，帮助用户对系统的各种动力学性能进行有效评估，并且可以快速分析比较多种设计思想，直至获得最优化设计方案，提高产品性能，从而减少昂贵、耗时的物理样机试验，提高产品设计水平、缩短产品开发周期和产品开发成本。

6）Adams软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

2.拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析

拟采取的研究方法：

分析动、静涡盘与防自转机构、支架、曲柄销之间的相互作用力，以及卧式布局结构产生的重力等构成了一个比较复杂的空间力系，分别列出X、Y、Z三个坐标轴方向的力学平衡方程及载荷方程、力矩平衡方程、约束条件方程等，并通过Matlab的线性方程组求解工具得出，将瞬态曲柄转角参数代入的情况下，无油涡旋真空泵动涡盘的瞬态动载荷参数结果。

针对无油涡旋真空泵的平衡，应该分为两步,第一次平衡就是使动涡旋盘的质心处于动涡旋盘曲轴的驱动中心；

第二次平衡是沿曲轴向通过配置至少两个平衡块来