S-400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 (11)2.8 电机的选择 (11)3 参数计算 (13)3.1 排气量 (13)3.1.1 理论排气量 (13)3.1.2 实际排气量 (13)3.2 轴的强度计算 (14)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)4.1 ANSYS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 (23)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[]1。

关键词：干式真空泵；螺杆；吸气；排气Abstract:Recently,the growing demand for dry pump with the development of science and technologyThis article describes the screw dry vacuum pump with a series ofadvantages1,There is no operating fluid in the extracting chamber,it can deliverhigh-viscosity material.2,There is no oil vapour outlet, it can guarantee out side clean.3,It can extract gas containing dust ,corrosivity ,and poison ,because it hassmall gap between tooth face of male and female rotors.The main factors for this dry screw vacuum pump design are rotors,airwaystucture and sealing system.Keywords:dry(oil-free)vacuum pump；screw；inlet；outlet1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。

1.1 课题背景及研究意义10Pa的压力范围内工作。

干泵的排干式真空泵，一般认为是能在大气压到-2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[]5。

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D=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 00.8A D ==0.8×125=100mm阳转子工作长度 l =l λ×0D =1.5×125=187.5mm阳转子节圆 100.64t D D ==0.64×125=80mm阴转子节圆 200.96t D D ==0.96×125=120mm齿高半径 r=0.2050D =0.205×125=25.6mm阳转子实际外径 1D =1.050D =1.05×125=131.25mm阴转子实际外径 2D =2t D =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i 齿轮设计计算中心距a=100mm模数 m t 初步选为3齿数初定为 1z =42，2z =63。

螺旋角12()=arccos 2n m z z a β+=10.14°β∈8°～15°满足要求故模数确定为m =3，齿数确定为1z =42，2z =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lim1H σ=lim 2H σ=1500Mpa ，取安全系数H S =1.2，则[]lim1H H HS σσ==1500/1.2=1250 MPa 齿轮按六级精度制造，载荷系数K 选取为1.2，齿宽系数a ϕ选为0.2。

小齿轮上的转矩6417.59.55109.55 2.4710.2900P T N mm n =⨯=⨯=⨯ 验算齿面接触强度H σ=[]H σ，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：ε)(6010h 6P C n L =n 表示轴承转速 2900 r/minC 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=43.2KNP表示轴承载荷ε为指数，对于球轴承，ε=3对于滚子轴承，ε=3.333计算得，深沟球轴承，Lh1=3707h (取载荷P=10KN)圆柱滚子轴承，Lh1=5934 h (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2.10 Busch AC0400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2th 10V =C n C n lD ϕ 3/min m (3.1)式中 1n ——阳转子转速 2900/min r0D ——阳转子公称直径 0.125ml ——阳转子工作长度 0.1875mn C ——面积利用率选取为0.521C ϕ——扭角系数。