目錄一臺(tái)抽速為100LS的五級(jí)雙葉干式羅茨真空泵結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)摘要近三四十年來，隨著電子產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、IT業(yè)、食品和制藥業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)清潔干泵的需求更為強(qiáng)烈，羅茨泵因其抽速大、壓力范圍廣、容積效率高、對(duì)被抽氣體中的雜質(zhì)不敏感等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。多級(jí)羅茨泵的極限壓力能達(dá)到中高真空，且能直排大氣，無需再置前級(jí)泵，因而在市場(chǎng)上廣受歡迎。但多級(jí)羅茨泵的制造基本被國(guó)外的大型真空企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)鮮有生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多級(jí)羅茨泵的廠商。本文介紹了國(guó)內(nèi)外羅茨泵相關(guān)研究的現(xiàn)狀和國(guó)外廠商多級(jí)羅茨泵的產(chǎn)品系列，簡(jiǎn)要概述了多級(jí)羅茨泵的工作原理，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)抽速為100L/s的五級(jí)雙葉干式羅茨真空泵。在羅茨泵的設(shè)計(jì)中，最核心的部分是轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)。本文在專題部分對(duì)三種常見轉(zhuǎn)子型線：漸開線型、擺線型、圓弧包絡(luò)線型進(jìn)行了比較研究。通過對(duì)不同也數(shù)的三種型線面積利用系數(shù)的計(jì)算，對(duì)比了三種型線抽氣性能的高低，最終在本次設(shè)計(jì)中選擇了雙葉漸開線型轉(zhuǎn)子。在完成轉(zhuǎn)子部分的設(shè)計(jì)后計(jì)算了各級(jí)穩(wěn)態(tài)壓力和泵的功率，并與單級(jí)羅茨泵功率進(jìn)行對(duì)比，體現(xiàn)了多級(jí)羅茨泵的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：多級(jí)羅茨泵；型線；葉數(shù)；面積利用系數(shù)；水冷目錄TOC\o"1-2"\h\u18616摘要 277241緒論 6278431.1課題研究背景與意義 6261761.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述 8263531.3主要研究?jī)?nèi)容 1116842五級(jí)雙葉羅茨真空泵的設(shè)計(jì) 13181662.1泵的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 13231942.2泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13187552.3泵的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14186202.4型線選擇與泵基本參數(shù)的計(jì)算 15203273羅茨真空泵轉(zhuǎn)子軸部分的設(shè)計(jì) 17137773.1轉(zhuǎn)子型線的繪制建立 17138873.2分配壓縮比計(jì)算各級(jí)壓力 19289613.3功率計(jì)算與電機(jī)選取 24180243.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核 27177903.5軸的設(shè)計(jì)與校核 32228923.6滾動(dòng)軸承的選擇及其壽命計(jì)算 42674密封與潤(rùn)滑設(shè)計(jì) 45249064.1密封的設(shè)計(jì) 4513404.2潤(rùn)滑的設(shè)計(jì) 45115915葉數(shù)與型線對(duì)抽速的影響 46324395.1面積利用系數(shù) 46240995.2漸開線型轉(zhuǎn)子 46295315.3擺線型轉(zhuǎn)子 49197575.4圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子 5260075.5專題小結(jié) 571229結(jié)論 587641參考文獻(xiàn) 597802附錄 60緒論1緒論1.1課題研究背景與意義自上世紀(jì)八九十年代以來，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、IT業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、食品和制藥業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)真空環(huán)境的清潔度要求日益提升，這些新興產(chǎn)業(yè)對(duì)真空環(huán)境的需求往往不光對(duì)真空度要求極為嚴(yán)苛，并且生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)對(duì)油蒸汽返流產(chǎn)生的油污染極其敏感。在傳統(tǒng)的在高真空系統(tǒng)中，由油擴(kuò)散泵以及由油封式機(jī)械泵作為前級(jí)泵與無油分子泵和低溫泵組成的泵組會(huì)無可避免地產(chǎn)生油蒸汽返流，為解決這一問題，常見的方法是在前級(jí)泵和高真空泵之間串連接入冷阱（冷凝器），使返流的油蒸汽分子凝結(jié)在冷阱之中，從而阻止油蒸汽進(jìn)入高真空系統(tǒng)，但這種做法并不能完全阻斷返流的油蒸汽，在各產(chǎn)業(yè)對(duì)真空環(huán)境清潔度的要求更加嚴(yán)苛的當(dāng)下，其弊端愈發(fā)明顯。在半導(dǎo)體行業(yè)中，由于生產(chǎn)過程中包含許多極為敏感的產(chǎn)品，因而在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中，幾乎每樣半導(dǎo)體器件都擁有多層不同種類的材料，如果真空環(huán)境不夠嚴(yán)格，讓氣體分子混入各個(gè)材料層中，就會(huì)使生產(chǎn)出的器件的電學(xué)或光學(xué)性能大打折扣；另外，在進(jìn)行半導(dǎo)體器件加工時(shí)，需要制造出分子束、離子束和電子束等粒子束，用這些粒子數(shù)照射和轟擊加工器件，如果在此過程中有雜質(zhì)氣體分子混入，雜質(zhì)氣體分子就會(huì)和這些粒子束發(fā)生碰撞，使粒子的動(dòng)能損耗，運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)，令絕大部分粒子并不能和預(yù)期一樣對(duì)器件材料進(jìn)行有效轟擊。因此真空泵在以光伏鋰電半導(dǎo)體面板為代表的半導(dǎo)體制造行業(yè)中不可或缺的常用設(shè)備，在CVD、ALD、LL、Etching、單晶拉晶、Etching封裝、測(cè)試等對(duì)真空環(huán)境要求高的嚴(yán)苛制程中均有廣泛應(yīng)用，這種對(duì)真空環(huán)境極其嚴(yán)苛的要求促使真空獲得設(shè)備近二三十年的高速發(fā)展。而干式真空泵氣體流經(jīng)的各級(jí)泵腔和氣體通道內(nèi)均不需要油潤(rùn)滑和油密封，從而能根本上解決傳統(tǒng)油封式泵和油擴(kuò)散泵帶來的油污染問題，因此隨著對(duì)真空環(huán)境要求的提高，市場(chǎng)對(duì)于清潔干泵的需求量與日俱增。對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作可靠、抽氣效率高、壽命長(zhǎng)、有較高性價(jià)比的干式真空泵的研制成為了當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)對(duì)真空泵產(chǎn)業(yè)的迫切訴求。羅茨真空泵（簡(jiǎn)稱羅茨泵）是一種旋轉(zhuǎn)式容積真空干泵，在于1954年首次在德國(guó)出現(xiàn)以來，羅茨真空泵由于自身的種種優(yōu)勢(shì)而受到各高科技行業(yè)的廣泛應(yīng)用，尤其是近三十年來，羅茨真空泵由于能很好的滿足各新興產(chǎn)業(yè)對(duì)清潔干式真空泵的需求，因而得以迅速發(fā)展。羅茨真空泵在工作原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)上與羅茨鼓風(fēng)機(jī)基本一脈相承（羅茨鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)常用在冶金工業(yè)的鼓風(fēng)作業(yè)中），故羅茨真空泵繼承了與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相同的名稱。由于羅茨真空泵在1974年得以在真空冶煉中成功應(yīng)用，1974年后羅茨真空泵發(fā)展較為迅速。我國(guó)1960年首次做出了設(shè)計(jì)和制造羅茨真空泵的嘗試，九十年代年至今已有相當(dāng)長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)泵在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已較為普遍，國(guó)產(chǎn)泵的產(chǎn)量和質(zhì)量都在持續(xù)提高[1]。圖1.1羅茨泵抽氣過程原理圖按泵腔內(nèi)是否有液體，羅茨泵可分為的干式羅茨泵和濕式羅茨泵，濕式羅茨泵由進(jìn)氣口噴入水霧，使泵腔內(nèi)存在少量液體，以達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)子嚙合間隙與轉(zhuǎn)子與泵腔壁間隙的密封，在大大減小間隙返流量，提高容積效率的同時(shí)也起到部分冷卻作用；干式羅茨泵為保證液體蒸汽返流量為零而要實(shí)現(xiàn)泵腔無液體，因而不對(duì)轉(zhuǎn)子間隙進(jìn)行液封。對(duì)于要求真空系統(tǒng)干燥清潔無油的嚴(yán)苛被抽系統(tǒng)多用干式羅茨真空泵；對(duì)于真空系統(tǒng)中本就含水蒸氣或?qū)λ魵獠幻舾械谋怀橄到y(tǒng)，多用濕式羅茨泵。單級(jí)羅茨泵的壓縮比很有限，故要達(dá)到中、高真空需要另配前級(jí)泵，但多各泵腔串連可組成多級(jí)羅茨泵，多級(jí)羅茨泵呢可直排大氣，直接單獨(dú)使用在需要中、高真空環(huán)境的場(chǎng)景中。本次設(shè)計(jì)的是多級(jí)干式羅茨泵，一般來說，多級(jí)干式羅茨泵具有以下特點(diǎn)[2]：①在較寬的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速；②可以實(shí)現(xiàn)直排大氣，無需再配置前級(jí)泵；③轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)自與泵腔壁之間君有間隙，工作時(shí)無摩擦，故無需潤(rùn)滑，泵腔內(nèi)無油，減少了對(duì)真空系統(tǒng)的油污染，無機(jī)械磨損，大大降低了驅(qū)動(dòng)功率，容易實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速；④轉(zhuǎn)子幾何對(duì)稱度高，工作時(shí)動(dòng)平衡性好，震動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；⑤泵腔內(nèi)無壓縮，無排氣閥。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，對(duì)被抽氣體中的臟物不敏感，被抽氣體可通過間隙反擴(kuò)散，但在壓力較低時(shí)不大；⑥雖然轉(zhuǎn)子表面形狀為加工較為困難的復(fù)雜曲線柱面，但若選擇適宜的轉(zhuǎn)子型線和進(jìn)行準(zhǔn)確精細(xì)地加工，可獲得較高的容積效率；⑦運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述在國(guó)外，羅茨真空泵是1954年發(fā)明于德國(guó)，1964年，美國(guó)人ForrestO.ESchutz發(fā)明了羅茨壓縮機(jī)，羅茨壓縮機(jī)主要的工作介質(zhì)為飽和蒸汽，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕，故應(yīng)用廣泛。1970年，意大利人發(fā)明了羅茨流量計(jì)，羅茨流量計(jì)可用于多種場(chǎng)合的管道流量精確測(cè)量，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)使其成為最為廣泛應(yīng)用的流量計(jì)。在羅茨真空泵成功應(yīng)用的20年后氣冷型可直排大氣的多級(jí)干式羅茨泵在德國(guó)問世，由德國(guó)人ClausWinkelstrater發(fā)明[3]。A.Burmistrov等人結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究了羅茨泵間隙泄露速率，利用基于分子輻射定律和擴(kuò)散反射定律的角系數(shù)方法計(jì)算羅茨泵轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各個(gè)角度下的間隙泄露速率[4]。JoannaMason等人成功建立了能模擬羅茨泵中傳動(dòng)齒輪嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)模型，并指出齒輪的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)是羅茨泵中噪音和振動(dòng)的主要來源[5]。Lsaev.A等人提出了基于變質(zhì)量體熱力學(xué)系統(tǒng)能量平衡的羅茨泵性能特性計(jì)算方法，開發(fā)了一個(gè)不使用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的工作流模型，得到了不同進(jìn)出口壓力下工作過程的示功圖[6]。

在國(guó)內(nèi)，劉林林、初嘉鵬、胡建中研究林林漸開線型羅茨泵轉(zhuǎn)子，采用減小壓力角的方法,對(duì)傳統(tǒng)漸開線轉(zhuǎn)子型線進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)嚙合原理,對(duì)轉(zhuǎn)子型線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),并同傳統(tǒng)漸開線轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)做出了比較[7]。劉坤、巴德純研究了一種改進(jìn)型的圓弧轉(zhuǎn)子型線,并對(duì)型線和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),使加工更為簡(jiǎn)單，分析了容積利用系數(shù)和轉(zhuǎn)子間隙分布，證明了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性[8]。李玉龍研究了頂突拋物線轉(zhuǎn)子的高能組合型線構(gòu)造方法，為兼顧羅茨泵的高容積利用率和高容積效率及動(dòng)平衡要求，基于普通拋物線轉(zhuǎn)子型線，通過由密封用同心頂突圓弧的設(shè)計(jì)，大幅提高形狀系數(shù)和容積利用率;并就頂突拋物線轉(zhuǎn)子的形狀系數(shù)和容積利用率等，進(jìn)行與常見圓弧、漸開線轉(zhuǎn)子的對(duì)比實(shí)例運(yùn)算[9]。劉振超研究了NURBS曲線在羅茨泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，將ＮＵＲＢＳ曲線運(yùn)用到羅茨泵轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了葉峰曲線的合理區(qū)域。求解了ＮＵＲＢＳ曲線的包絡(luò)條件，實(shí)現(xiàn)了由控制點(diǎn)和權(quán)因子決定ＮＵＲＢＳ曲線羅茨泵轉(zhuǎn)子型線的方法，為羅茨泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)提供了一種理論和方法[10]。通過這些對(duì)轉(zhuǎn)子型線的研究發(fā)現(xiàn)，羅茨泵的轉(zhuǎn)子型線主要有三類：漸開線型、圓弧型、擺線型，擺線型因面積利用系數(shù)較低而很少應(yīng)用；圓弧型轉(zhuǎn)子型線的齒頂密封性能較差、容積效率較低；傳統(tǒng)的漸開線型設(shè)計(jì)加工方便且密封性能好，但其存在型線干涉及面積利用系數(shù)低等問題。楊華飛，董秀嬌等對(duì)羅茨泵噪聲測(cè)量方法進(jìn)行了研究，提出了在符合羅茨真空泵真實(shí)安裝和運(yùn)行狀態(tài)下的、采用全矩形平行六面體測(cè)量表面的羅茨真空泵噪聲測(cè)量方法，從而保證了泵噪聲測(cè)量值的真實(shí)性和準(zhǔn)確性[11]。龍啟強(qiáng)、陳曉東、王超、楊瑞宏等對(duì)羅茨泵噪聲機(jī)理進(jìn)行了研究，研究表明羅茨泵噪聲主要集中與軸承與齒輪處，屬于振動(dòng)沖擊噪聲，此外還有轉(zhuǎn)子壓縮氣體產(chǎn)生的氣流噪聲[12]。王超等提出了直排大氣羅茨泵的噪聲機(jī)理是“聲能堆聚”。對(duì)低、中頻的排氣噪聲推出了二種縫隙式消聲器以及能在所有頻率范圍內(nèi)效果顯著的縫隙吸聲型復(fù)合消聲器[13]。

與國(guó)外已有羅茨泵產(chǎn)品相較而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的羅茨泵和國(guó)外還有很大的差距，生產(chǎn)普通羅茨真空泵的企業(yè)很多，但能生產(chǎn)出高品質(zhì)羅茨真空泵的企業(yè)寥寥無幾。目前而言，國(guó)內(nèi)羅茨真空泵與國(guó)外的差距主要還是在加工精度上，大部分企業(yè)的加工精度并不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致泵的零流量壓縮比普遍低于國(guó)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，零流量壓縮比是指在實(shí)際流量為零時(shí)，低真空側(cè)與高真空側(cè)的壓力比，零流量壓縮比是衡量羅茨真空泵抽氣性能的重要參數(shù)之一。近幾年，國(guó)內(nèi)廠商的加工精度不斷提高，部分廠商生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)普通羅茨泵在抽速、零流量壓縮比、極限壓力、最大壓差等主要性能參數(shù)方面已經(jīng)與國(guó)外同類型產(chǎn)品相當(dāng)。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)羅茨真空泵與國(guó)外產(chǎn)品有較大的差距的方面在可靠性和節(jié)能要求上。國(guó)產(chǎn)羅茨真空泵普遍存在軸封漏油、油杯漏油的問題，噪音也大于國(guó)外同類型產(chǎn)品。在直排大氣的多級(jí)羅茨泵方面，國(guó)內(nèi)還鮮有能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多級(jí)羅茨真空泵的廠家。[14]國(guó)外的羅茨泵生產(chǎn)主要被幾家大公司壟斷，如Leybold、Pferffer、Alcatel、Ebara、Edwards和ULVAC。這些國(guó)外廠商生產(chǎn)的羅茨泵往往有多個(gè)系列以應(yīng)對(duì)不同的工作環(huán)境和要求，實(shí)際使用中可靠性很高，幾乎不會(huì)出現(xiàn)漏油的問題。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相較于國(guó)內(nèi)泵也更為簡(jiǎn)單合理，使拆卸維護(hù)和安裝更為便捷，體積更小，重量更輕，在工業(yè)設(shè)計(jì)方面也更為人性化[15]。以PferfferVaccum的羅茨泵產(chǎn)品為代表做簡(jiǎn)單的介紹[16]。ACP系列多級(jí)羅茨泵是專為壓力范圍從大氣壓力直到3·10-2hPa的無油無粒子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，用于清潔工藝。這種風(fēng)冷泵是旋片泵的最佳替代品。ACP系列多級(jí)干式羅茨泵對(duì)非接觸泵抽模塊進(jìn)行了優(yōu)化，無需內(nèi)部進(jìn)行潤(rùn)滑操作，并提供出色無油真空，無烴蒸汽回流。轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何密封件，不會(huì)產(chǎn)生顆粒物。內(nèi)部無易損件的泵抽送模塊提供了卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高可靠性，ACP28/40每運(yùn)行22,000小時(shí)只需要一次檢修，且ACP15每運(yùn)行20,000小時(shí)也僅需一次檢修，從而減少成本。即使是在最苛刻的應(yīng)用中也游刃有余。變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供恒定的轉(zhuǎn)速，從而在世界各地均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的抽速和一致的極限壓力。圖1.2PferfferVaccumACP系列多級(jí)羅茨泵A4H和A3P泵型號(hào)為普通制程應(yīng)用多級(jí)羅茨泵，適合于所有非腐蝕性或有限腐蝕性化學(xué)工藝。這兩個(gè)系列的最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)能源和成本效益的節(jié)約和小型化、輕量化。A4H系列將最長(zhǎng)的一級(jí)轉(zhuǎn)子縱向置于其他轉(zhuǎn)子之上，極大程度上減小了泵所占空間。A4H和A3P泵型號(hào)為普通制程應(yīng)用多級(jí)羅茨泵，適合于所有非腐蝕性或有限腐蝕性化學(xué)工藝。這兩個(gè)系列的最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)能源和成本效益的節(jié)約和小型化、輕量化。A4H系列將最長(zhǎng)的一級(jí)轉(zhuǎn)子縱向置于其他轉(zhuǎn)子之上，極大程度上減小了泵所占空間。A4X和ADH系列干式流程泵應(yīng)用于嚴(yán)苛型工藝，典型的嚴(yán)苛型工藝有蝕刻、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。這些嚴(yán)苛型工藝主要在真空下使用和加工侵蝕性和腐蝕性介質(zhì)。這些介質(zhì)對(duì)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和質(zhì)量有著最高的要求。XN系列干式流程泵應(yīng)用于極端腐蝕性工藝。圖1.3PferfferVaccumA4H系列多級(jí)羅茨泵1.3主要研究?jī)?nèi)容極限壓力為極限壓力0.5Pa的ROOTS-100多級(jí)干式羅茨泵（1）多級(jí)羅茨干泵的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

泵的總體結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)，包括泵的核心轉(zhuǎn)子部分，傳動(dòng)部分，泵腔部分，冷卻部分，潤(rùn)滑部分，密封部分等，并對(duì)泵的主要性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。（2）多級(jí)羅茨干泵轉(zhuǎn)子葉數(shù)與型線的選擇

對(duì)不同的葉數(shù)和不同型線進(jìn)行比較分析，研究羅茨轉(zhuǎn)子不同型線和不同葉數(shù)對(duì)于泵速的影響規(guī)律，選擇適宜的方案，并完成對(duì)轉(zhuǎn)子葉數(shù)和型線的設(shè)計(jì)計(jì)算。（3）多級(jí)羅茨干泵的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

對(duì)羅茨泵的核心部分——轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，綜合泵工作時(shí)的多種載荷因素，對(duì)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，保證工作穩(wěn)定可靠。（4）多級(jí)羅茨干泵的三維造型

用solidworks對(duì)羅茨泵的主要零件進(jìn)行建模。2五級(jí)雙葉羅茨真空泵的設(shè)計(jì)2.1泵的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的羅茨泵多采用立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)形式，立式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸垂直于水平面，這種結(jié)構(gòu)形式裝配較為方便，但泵的重心高，工作穩(wěn)定度差，不適用于重量較大的中、大型泵和多級(jí)泵；臥式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸平行于水平面，這種結(jié)構(gòu)雖然裝配時(shí)沒有立式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，但重心低，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性高，市面上的中、大型泵和多級(jí)泵基本都采用臥式結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的是五級(jí)雙葉羅茨真空泵，泵體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，若采用立式重心過高，穩(wěn)定性會(huì)很差，故選用臥式結(jié)構(gòu)。2.2泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的泵體由上泵體與下泵體裝配而成，共有五級(jí)，每級(jí)泵腔的進(jìn)氣口均在上泵體內(nèi)，排氣口均在下泵體內(nèi)，上一級(jí)泵腔的排氣口與下一級(jí)泵腔的進(jìn)氣口通過氣體通道相連。在泵工作時(shí)，氣體由五級(jí)泵腔的進(jìn)氣口進(jìn)入泵腔，通過轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)將氣體壓入排氣口，通過氣體通道，由與氣體通道連接的進(jìn)入下一級(jí)進(jìn)氣口進(jìn)入下一級(jí)泵腔，如此循環(huán)四次，氣體到達(dá)五級(jí)泵腔，由五級(jí)泵腔的排氣口排出整個(gè)泵體。圖2.1泵腔結(jié)構(gòu)示意圖在氣體通道的外側(cè)，設(shè)計(jì)了環(huán)繞整個(gè)氣體通道的水冷層。在泵運(yùn)行時(shí)，向水冷層不斷循環(huán)注入冷卻水，氣體通道內(nèi)的氣體將熱量傳遞給水冷層的冷卻水，從而達(dá)到降低泵腔內(nèi)溫度的作用。圖2.2冷卻氣體返流通道示意圖在下泵體每級(jí)泵腔水平向下30°左右的位置都留有冷卻氣體的返流通道，返流通道連接泵腔與氣體通道，將經(jīng)過水冷層降溫的氣體再送入泵腔，使泵腔更好的降溫。2.3泵的傳動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于大部分已有的羅茨泵產(chǎn)品，是通過一對(duì)傳動(dòng)比為1：1的高精度齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子的嚙合。而對(duì)于一些大型泵，也有直接用兩個(gè)同步轉(zhuǎn)速的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸與從動(dòng)轉(zhuǎn)子軸來達(dá)到轉(zhuǎn)子的嚙合，這樣的傳動(dòng)方式避免了因齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中不可避免的磨損帶來的轉(zhuǎn)子嚙合精度下降的問題，但這種方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性有非常高的要求，成本很高。圖2.3傳動(dòng)布局示意圖本次設(shè)計(jì)的羅茨泵抽速較小，采用齒輪嚙合傳動(dòng)的方式，這種傳動(dòng)方式有泵體在齒輪與電機(jī)之間和齒輪在泵體與電機(jī)之間兩種結(jié)構(gòu)布局。第一種結(jié)構(gòu)布局重心過于偏向電機(jī)，主動(dòng)軸需要比第二種結(jié)構(gòu)布局多一個(gè)軸承，且在裝配拆卸齒輪時(shí)不便，故在實(shí)際中很少采用。本次設(shè)計(jì)采用第二種結(jié)構(gòu)布局。由于泵的功率較小，電機(jī)對(duì)主動(dòng)軸的傳動(dòng)方式選擇直接由聯(lián)軸器連接。2.4型線選擇與泵基本參數(shù)的計(jì)算2.4.1型線選擇：經(jīng)過第二章中對(duì)轉(zhuǎn)子型線與葉數(shù)對(duì)抽速影響的研究可知，漸開線型轉(zhuǎn)子應(yīng)用廣泛且面積利用系數(shù)較高。當(dāng)徑距比為1.50時(shí)，雙葉漸開線型轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)為0.519，雙葉擺線型轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)為0.500,雙葉圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)為0.508,雙葉漸開線型轉(zhuǎn)子是常見的三種型線轉(zhuǎn)子中抽氣性能最好的，且漸開線型轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)只與徑距比相關(guān)，與葉數(shù)無關(guān)。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的羅茨泵選用雙葉漸開線型線。2.4.2多級(jí)羅茨真空泵基本參數(shù)的選取計(jì)算：按任務(wù)書所給參數(shù)可知：抽速：，s=100L/s=0.1m3/s；吸入壓力：，pA=1.01325x105排氣壓力：pV吸氣溫度：TA選取計(jì)算可得：容積效率：選擇得，ηV幾何抽速：st?=s/ηA=0.167m3轉(zhuǎn)子相對(duì)長(zhǎng)度系數(shù):選擇得，kl型線的質(zhì)量系數(shù):選擇得，k0轉(zhuǎn)子頂?shù)膱A周速度：選擇得，u2轉(zhuǎn)子的半徑：R=st?轉(zhuǎn)軸的計(jì)算頻率：n=u2/(2π機(jī)械效率：取得ηM徑距比：選取得R/a=1.5；節(jié)圓半徑：a=R/1.5=0.038m;中心距:A=2a=0.076m;轉(zhuǎn)子腰寬：c=2a-R=0.0019m;轉(zhuǎn)子節(jié)圓壓力角:cosαt=2Z(D?A)π轉(zhuǎn)子基圓半徑：r0=D銷齒圓弧半徑:r=R-a=19mm(圓弧圓心取在節(jié)圓上);3羅茨真空泵轉(zhuǎn)子軸部分的設(shè)計(jì)3.1轉(zhuǎn)子型線的繪制建立分別以O(shè)、O1為圓心，以分別以O(shè)、O1為圓心，以過節(jié)點(diǎn)P作兩節(jié)圓的公切線t-t1，再過P點(diǎn)作兩基圓的公切線，切點(diǎn)分別設(shè)為N、N1,則直線NN1則為漸開線嚙合線段所在的直線分別以O(shè)、O1為圓心，（A-R）為半徑作圓，交直線NN1于S1、S作轉(zhuǎn)子漸開線GK，漸開線GK分別與NN1、AM相交于G、K兩點(diǎn)。A點(diǎn)為齒谷圓弧中心，且在節(jié)圓上，OA于X軸成0度角。AM為過A點(diǎn)所做基圓的切線，M為切點(diǎn)，G0為漸開線與基圓的交點(diǎn)，即漸開線的始點(diǎn)。易知∠AOM=∠PO1N1=∠OO1N=α令∠GOM=β在△GOM中，GM=Rtanβ在△AOM中，AM=Rtanα而AM=AG+GM,AG=PK=rRtantantanβ由漸開線性質(zhì)可知，MG=MG0而MG0=R（∠MOG0×π180∠MOG0=180π而∠GOG0=∠MOG0-∠MOG=1.334°本設(shè)計(jì)中G點(diǎn)為漸開線與銷齒圓弧的連接點(diǎn)，由漸開線展角的定義可知：φmin=∠AOG=∠AOM-∠MOG=27.387°∠AOG0=∠AOG-∠GOG0=26.053°∠AON=∠AOP+∠PON=90°+α=140.461°∠G0ON=∠AON-∠AOG0=114.408°由漸開線的展角定義可知：φmax=∠1/4轉(zhuǎn)子理論型線方程：GK漸開線段方程：(3.1)φ的范圍[24.408°，114.408°]IG圓弧段方程：(3.2)φ的范圍[140.461°，180°]KJ圓弧段方程：(3.3)φ的范圍[50.461°，90°]圖3.1漸開線轉(zhuǎn)子繪制圖用CAXA軟件繪制轉(zhuǎn)子理論型線圖轉(zhuǎn)子的斷面積A0：用CAXA計(jì)算得A0=4914mm型線的質(zhì)量系數(shù)k0:k0=1-一級(jí)轉(zhuǎn)子的計(jì)算長(zhǎng)度：lp取一級(jí)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度為l=170mm;理論抽速驗(yàn)算st?：st?=2設(shè)計(jì)各五級(jí)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度分別為：l1=170mm;l2=135mm;l33.2分配壓縮比計(jì)算各級(jí)壓力各級(jí)抽速計(jì)算：一級(jí)轉(zhuǎn)子：st?1二級(jí)轉(zhuǎn)子：s三級(jí)轉(zhuǎn)子：st?3四級(jí)轉(zhuǎn)子：st?4五級(jí)轉(zhuǎn)子：st?5羅茨泵中共存在四個(gè)特征間隙，分別分析如下：轉(zhuǎn)子與泵壁之間的間隙，該間隙較小圖3.2特征間隙示意圖在羅茨泵的壓縮過程中產(chǎn)生的熱量被傳到轉(zhuǎn)子和泵體上。轉(zhuǎn)子很難將熱量傳至泵外，而泵體的熱量很容易被泵體中水冷套中的冷卻水帶走。因而，轉(zhuǎn)子與泵體之間就出現(xiàn)了溫差，加劇了轉(zhuǎn)子的膨脹。當(dāng)泵負(fù)荷增大時(shí)，轉(zhuǎn)子膨脹會(huì)使間隙減小，甚至消失。因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了用經(jīng)冷卻后的氣體冷卻轉(zhuǎn)子的形式，如圖所示。這樣便減少了轉(zhuǎn)子與泵體間的溫差，提高了泵的抗熱能力。2、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間的間隙圖3.3特征間隙示意圖由于泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的壓縮功和摩擦熱，使得轉(zhuǎn)子溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹。為防止轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于膨脹而相互接觸摩擦，影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，所以的取值較大。3、軸活動(dòng)端（齒輪端）轉(zhuǎn)子側(cè)面與泵壁端蓋間的間隙4、軸固定端（電機(jī)端）與泵體端蓋間的間隙圖3.4特征間隙示意圖設(shè)計(jì)各級(jí)轉(zhuǎn)子特征間隙分別為：一級(jí)轉(zhuǎn)子：δ二級(jí)轉(zhuǎn)子：δ三級(jí)轉(zhuǎn)子：δ四級(jí)轉(zhuǎn)子：δ五級(jí)轉(zhuǎn)子：δ間隙流導(dǎo)的計(jì)算：羅茨泵正常工作時(shí)，由于轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵腔內(nèi)壁之間留有間隙，故會(huì)產(chǎn)生由高壓側(cè)向低壓側(cè)的返流，由于轉(zhuǎn)子的返流量大都來自通過間隙從高壓側(cè)想低壓側(cè)的返流，而由于泵轉(zhuǎn)速很高，而攜帶在轉(zhuǎn)子表面的氣體來不及從排氣側(cè)排出產(chǎn)生的返流量很小，故不考慮這部分返流量。設(shè)吸氣壓力為PA,排氣壓力為PV，間隙的流導(dǎo)為C，有效抽氣量為Qeff,理論抽氣量為Q綜合上式，有：(3.4)當(dāng)達(dá)到極限壓力時(shí)，泵的有效抽速s=0，則有：(3.5)故多級(jí)羅茨泵每一級(jí)的零流量壓縮比為：(3.6)當(dāng)羅茨泵正常工作時(shí)，各級(jí)間隙的返流在粘滯流和分子流之間變化。在計(jì)算間隙流導(dǎo)時(shí)我們把間隙近似成薄壁孔，則對(duì)于室溫（20℃）空氣當(dāng)處于分子流狀態(tài)時(shí)，其流導(dǎo)為：C=116A當(dāng)處于粘滯流狀態(tài)時(shí)，其流導(dǎo)為：C=200A設(shè)A為某級(jí)轉(zhuǎn)子四個(gè)特征間隙的總面積，Tp若處于分子流狀態(tài)，其流導(dǎo)為：C=若處于粘滯流狀態(tài)，其流導(dǎo)為：C=各級(jí)轉(zhuǎn)子間隙面積計(jì)算：計(jì)算公式：F一級(jí)轉(zhuǎn)子：F1==74.2二級(jí)轉(zhuǎn)子：F2==64.4三級(jí)轉(zhuǎn)子：F3==54.6四級(jí)轉(zhuǎn)子：F4==47.6五級(jí)轉(zhuǎn)子：F5==42.6各級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮比與壓力計(jì)算：五級(jí)轉(zhuǎn)子：排氣壓力為大氣壓Pair=1.01325間隙流導(dǎo)：C5零流量壓縮比：K5考慮到級(jí)間壓縮，五級(jí)轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣極限壓力為：P5A0四級(jí)轉(zhuǎn)子：排氣壓力為P5V=2.4002間隙流導(dǎo)：C4零流量壓縮比：K4考慮到級(jí)間壓縮，四級(jí)轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣極限壓力為：P4A0三級(jí)轉(zhuǎn)子：排氣壓力為P4V=2.280間隙流導(dǎo)：C零流量壓縮比：K3考慮到級(jí)間壓縮，三級(jí)轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣極限壓力為：P3A0二級(jí)轉(zhuǎn)子：排氣壓力為P3V=214.28Pa間隙流導(dǎo)：C零流量壓縮比：K2考慮到級(jí)間壓縮，二級(jí)轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣極限壓力為：P2A0一級(jí)轉(zhuǎn)子：排氣壓力為P2V=9.29Pa間隙流導(dǎo)：C1零流量壓縮比：K1一級(jí)轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣極限壓力為：P1A0即泵的極限壓力為：P各級(jí)穩(wěn)態(tài)壓力：一級(jí)轉(zhuǎn)子：P二級(jí)轉(zhuǎn)子：P三級(jí)轉(zhuǎn)子：P四級(jí)轉(zhuǎn)子：P五級(jí)轉(zhuǎn)子：P5A03.3功率計(jì)算與電機(jī)選取羅茨泵所需的功率由大部分壓縮氣體的有用功率和少部分克服摩擦所需的附加功率組成，我們先來求壓縮氣體的有用功率。該多級(jí)羅茨泵的壓縮功率示意圖如圖所示，橫坐標(biāo)為羅茨泵抽速()，縱坐標(biāo)為氣體壓力()，氣體排氣過程為A-B-C-D-E-F,該過程為一個(gè)壓縮循環(huán)過程，氣體不斷地從泵腔中被排入大氣。根據(jù)熱工學(xué)知識(shí)可以得出閉合曲線A-B-C-D-E-P1A0-Pair所包圍的面積(用表示)即為該羅茨泵單位時(shí)間內(nèi)壓縮氣體所做的功，即羅茨泵壓縮氣體的有用功率。由于縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的壓力為羅茨泵各級(jí)入口和出口的極限壓力，所以該功率為羅茨泵壓縮氣體的最大功率。圖中陰影部分面積為假設(shè)該羅茨泵是單級(jí)羅茨泵，只用一級(jí)壓縮氣體，即泵只用一個(gè)泵腔，出口直通大氣時(shí)功率與多級(jí)羅茨泵功率之差。可見當(dāng)排氣壓力升高時(shí)，單級(jí)羅茨泵與多級(jí)羅茨泵功率之差越大，這體現(xiàn)了多級(jí)羅茨泵相比于單機(jī)羅茨泵具有更低的能耗，其將每一級(jí)之間的壓力差降低從而降低了總體的壓縮功率。圖3.5羅茨泵的壓縮功率示意圖若將每一級(jí)轉(zhuǎn)子的功率近似為一個(gè)矩形，則多級(jí)羅茨泵壓縮氣體的總功率為：=5.65kW(3.7)若采用單級(jí)羅茨泵，則壓縮氣體的總功率為：(3.8)經(jīng)過比較，N2遠(yuǎn)大于N克服羅茨泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦所消耗的功率，通常以機(jī)械效率來表達(dá)，故消耗的總功率為(3.9)式中=0.5～0.85，它考慮了羅茨泵的熱力損失、氣體動(dòng)力損失和機(jī)械損失。對(duì)于該設(shè)計(jì)多級(jí)羅茨泵取為0.8。將和數(shù)值代入式中解得。電機(jī)的選取：該多級(jí)羅茨泵中的一些傳動(dòng)、支撐零部件由于摩擦等原因而導(dǎo)致能量消耗的，機(jī)械效率并非百分之百，我們只取其中比較重要的來分析。取齒輪嚙合效率=0.97（齒輪精度等級(jí)為8級(jí)）滾動(dòng)軸承效率=0.99聯(lián)軸器效率=0.99則傳動(dòng)總效率。設(shè)電動(dòng)機(jī)能提供的功率為，則應(yīng)滿足選Y系列（IP44）封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)Y132S2-2，額定轉(zhuǎn)速為n0=2900r/min,功率為P0P=滿足要求?？傮w傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：總體傳動(dòng)比i：i=傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算：Ⅰ軸：P=7.5kWTⅡ軸:PnT3.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核3.4.1選擇材料由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5－1選得主動(dòng)齒輪1材料選用40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度250~280HBS，斜齒輪，右旋。從動(dòng)齒輪材料2選用ZG310-570，正火處理，齒面硬度162~185HBS，斜齒輪，左旋。主從齒輪傳動(dòng)比。計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖5-17，?。ㄔ试S一定點(diǎn)蝕）。取。取。取。取。按齒面硬度250HBS和162HBS，得，計(jì)算許用接觸應(yīng)力因，計(jì)算中取。3.4.2確定中心距主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)矩根據(jù)泵主、從動(dòng)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，齒輪中心距。估算模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。初定螺旋角，計(jì)算：Z兩齒輪齒數(shù)比主動(dòng)齒輪齒數(shù)從動(dòng)齒輪齒數(shù)取。實(shí)際傳動(dòng)比，傳動(dòng)比誤差，在允許范圍內(nèi)。修正螺旋角，與初選螺旋角相近，、可不修正。齒輪分度圓直徑圓周速度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5－6取齒輪精度等級(jí)為8級(jí)。3.4.3驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度按電機(jī)驅(qū)動(dòng)，載荷平穩(wěn)，取使用系數(shù)。按8級(jí)精度和，得動(dòng)載系數(shù)齒寬按，考慮軸的剛度較大和齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置，得齒向載荷分布系數(shù)。由于齒輪是經(jīng)表面硬化的斜齒輪，精度等級(jí)為8級(jí)，取齒間載荷分配系數(shù)。齒輪載荷系數(shù)。計(jì)算重合度齒頂圓直徑端面壓力角齒輪基圓直徑端面齒頂壓力角端面重合度重合度系數(shù)基圓螺旋角節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)計(jì)算齒面接觸應(yīng)力安全。3.4.4驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度主、從齒輪齒數(shù)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，由于,取計(jì)算許用彎曲應(yīng)力,,得，因計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力故安全。故安全。3.4.5齒輪主要幾何參數(shù)，齒寬3.5軸的設(shè)計(jì)與校核3.5.1主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)校核1、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y132S2-2，滿載轉(zhuǎn)速n=2900r/min，額定功率，效率，齒輪嚙合效率η1=0.97，滾動(dòng)軸承效率η2=0.99，聯(lián)軸器效率η3=0.99，轉(zhuǎn)子和軸為一體式，主、從動(dòng)軸的材料都選用7001-T6鋁合金，為實(shí)心圓軸。7001-T6鋁合金的δb=675MPa,δ主動(dòng)軸傳遞功率為初估主動(dòng)軸直徑，因軸端處需開兩個(gè)鍵槽，軸徑加大5%，即主動(dòng)軸軸端處的最小直徑2、主動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度校核主動(dòng)轉(zhuǎn)子工作阻力矩時(shí)，主動(dòng)軸傳遞的扭矩最大，主動(dòng)軸切變模量，許用扭轉(zhuǎn)角分段計(jì)算單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角由式式中：切變模量：最大扭矩 ：截面極慣性矩，對(duì)實(shí)心軸 取用最細(xì)軸徑計(jì)算：校核結(jié)果合格。主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的強(qiáng)度校核多級(jí)羅茨泵主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的結(jié)構(gòu)如圖所示，齒輪分度圓直徑，則對(duì)齒輪受力分析得圓周力：徑向力：軸向力：圖3.6主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸繪軸的受力簡(jiǎn)圖，求支座反力圖3.7轉(zhuǎn)子受力分析圖垂直面支反力圖3.8垂直面受力分析圖由，得，即由，得b．水平面支反力圖3.9水平面受力分析圖由，得，即由，得作彎矩圖垂直面彎矩MY圖圖3.10垂直面彎矩圖B點(diǎn)水平面彎矩MX圖3.11水平面彎矩圖B點(diǎn)合成彎矩M圖圖3.12合成彎矩圖B點(diǎn)作轉(zhuǎn)矩T圖作計(jì)算彎矩Mca圖圖3.13計(jì)算彎矩圖該軸單向工作，由轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力考慮，取，則得B點(diǎn)：D點(diǎn)：(5)校核軸的強(qiáng)度由圖a、g可見，B點(diǎn)彎矩值最大，D點(diǎn)軸徑最小，所以該軸的危險(xiǎn)斷面是B點(diǎn)、D點(diǎn)和所在剖面，E點(diǎn)所在剖面即為Ⅶ剖面。參考45鋼調(diào)質(zhì)處理得，計(jì)算剖面直徑可得B點(diǎn)軸徑該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑35mm，安全。D點(diǎn)軸徑考慮鍵槽影響，有一個(gè)鍵槽，軸徑加大5%，該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑32mm，安全。(6)精確校核主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的疲勞強(qiáng)度圖中，Ⅰ~Ⅴ均為有應(yīng)力集中的平面，其中Ⅰ~Ⅴ剖面計(jì)算扭矩相同。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ剖面相比較，只是應(yīng)力集中影響不同，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者進(jìn)行驗(yàn)算即可。Ⅳ、Ⅴ剖面同樣如此。校核Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅰ剖面因鍵槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)查得：，。Ⅱ剖面因環(huán)槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)查得：，，；Ⅲ剖面因環(huán)槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)查得：，，；對(duì)Ⅰ、Ⅲ剖面進(jìn)行校核。Ⅰ剖面產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為參考45鋼機(jī)械性能得：，；表面質(zhì)量系數(shù)查得：，絕對(duì)尺寸影響系數(shù)查得：，；。查得：，。Ⅰ剖面的安全系數(shù)為取，，所以Ⅰ剖面安全。Ⅲ剖面產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為：絕對(duì)尺寸影響系數(shù)查得：，；Ⅰ剖面的安全系數(shù)為：，所以Ⅲ剖面安全。b.校核Ⅵ、Ⅶ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅳ剖面因環(huán)槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)查得：，，；Ⅴ剖面因鍵槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)查得：，對(duì)Ⅳ剖面進(jìn)行校核。Ⅳ剖面承受的彎矩和轉(zhuǎn)矩分別為Ⅳ剖面產(chǎn)生的正應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為，Ⅳ剖面產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為絕對(duì)尺寸影響系數(shù)查得：，，表面質(zhì)量系數(shù)查得：，。Ⅳ剖面的安全系數(shù)為，所以Ⅳ剖面安全。從動(dòng)軸的強(qiáng)度校核根據(jù)該羅茨泵設(shè)計(jì)的具體情況，從動(dòng)軸和主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、零件安裝位置和受力部位基本一致，而且從動(dòng)軸左端不接連軸器，不受轉(zhuǎn)矩的作用，所受齒輪的反作用力也小于主動(dòng)軸。上面已經(jīng)對(duì)主動(dòng)軸進(jìn)行了強(qiáng)度校核，滿足條件，則從動(dòng)軸的強(qiáng)度必然滿足條件，不必進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以省略。3.6滾動(dòng)軸承的選擇及其壽命計(jì)算為保證泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承選用角接觸球軸承7107C型和接觸球軸承7107C型,既承受軸向力，也承受徑向力。軸承壽命計(jì)算由機(jī)械設(shè)計(jì)表9－5查得，軸承C＝23.5KN,C0=17.5KN.當(dāng)泵剛啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子兩側(cè)無壓差，由斜齒輪施加的軸向載荷由齒輪端的軸承承擔(dān)。軸向載荷：A=Fa=152.13N徑向載荷：R＝A/C0＝0.0087,e=0.38,因?yàn)锳/R<eX=1,Y=0;X—徑向系數(shù)Y—軸向系數(shù)。當(dāng)量動(dòng)載荷P＝fmXR,fm――力矩載荷系數(shù)取fm＝1.5;所以，P=1.5×1×739.11=1108.67N計(jì)算軸承壽命，取溫度系數(shù)ft＝1.0;=54733h以一年工作300天，一天工作8小時(shí)，軸承工作年限：L10y＝54733/300×8＝23所以，壽命足夠。當(dāng)真空系統(tǒng)達(dá)到極限壓力時(shí)，轉(zhuǎn)子兩邊存在壓力差，對(duì)軸施加有軸向力FZFZ軸向載荷：A=徑向載荷：R＝A/C0＝0.020，e=0.38,因?yàn)锳/R>eX=0.44,Y=1.47;X—徑向系數(shù)Y—軸向系數(shù)。當(dāng)量動(dòng)載荷P＝fm（XR+YA）,fm――力矩載荷系數(shù)取fm＝1.5;所以，P=1.5(0.44×739.11+1.47×345.78)=1250.26N計(jì)算軸承壽命，取溫度系數(shù)ft＝1.0;=38164h以一年工作300天，一天工作8小時(shí)，軸承工作年限：L10y＝38164/300×8＝16所以，壽命足夠。鍵的校核：軸上的兩個(gè)鍵相同，鍵長(zhǎng)l=20mm,鍵寬d=8mm,鍵高h(yuǎn)=6mmσ取σp=110MPa，則σ強(qiáng)度足夠。

4密封與潤(rùn)滑設(shè)計(jì)4.1密封的設(shè)計(jì)主動(dòng)軸與電機(jī)連接端在機(jī)架處采用兩個(gè)骨架密封圈密封，主動(dòng)軸與從動(dòng)軸軸承處分別用四個(gè)骨架密封圈密封。泵體與前后端架連接處、前端架與機(jī)架連接處、后端架與后機(jī)架連接處、動(dòng)密封套與機(jī)架連接處均采用普通O型橡膠圈密封。主從動(dòng)軸由泵腔進(jìn)入大氣處前后端架與主從動(dòng)軸間、各級(jí)泵腔隔斷處泵體與主從動(dòng)軸間各處均用迷宮密封圈密封。上下泵體之間用真空橡膠密封條密封。4.2潤(rùn)滑的設(shè)計(jì)真空密封圈和真空密封條處均用高真空密封脂進(jìn)行密封與潤(rùn)滑。圖4.1潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)架油封處采用針閥式油杯滴油潤(rùn)滑，軸承與軸承處油封由甩油盤和齒輪濺起的油通過預(yù)設(shè)的油潤(rùn)滑通道滴入進(jìn)行潤(rùn)滑。

5葉數(shù)與型線對(duì)抽速的影響5.1面積利用系數(shù)在當(dāng)前已有的羅茨真空泵產(chǎn)品中雙葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子是得到最廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)子葉數(shù)，下面將在中心距與轉(zhuǎn)子外圓半徑相同的情況下對(duì)不同型線的雙葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子對(duì)羅茨泵抽速的影響做出比較。在轉(zhuǎn)子中心距A和轉(zhuǎn)子外圓半徑R不變的情況下，不同型線和葉數(shù)的轉(zhuǎn)子的端面面積是不同的，設(shè)轉(zhuǎn)子端面面積為A0(5.1)（k0為型線的質(zhì)量系數(shù)）(5.2)由上式易知其他條件不變A0設(shè)轉(zhuǎn)子外圓的面積為S，將面積利用系數(shù)定義為[17]：λ=S?A0圖5.1面積利用系數(shù)則面積利用系數(shù)λ越高，泵的抽氣性能越好。5.2漸開線型轉(zhuǎn)子圖5.21/4雙葉漸開線型轉(zhuǎn)子型線上圖為四分之一雙葉漸開線型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子型線由三部分組成：凸出葉峰部分的圓弧線部分（線段JK），凹入葉谷部分的圓弧線部分(線段GI)和連接葉峰與葉谷的漸開線部分(線段KG)。設(shè)轉(zhuǎn)子基圓半徑為r0,節(jié)圓半徑為a，由于嚙合關(guān)系，葉峰銷齒圓弧半徑與葉谷銷齒圓弧半徑相同，均為r，節(jié)圓壓力角為α圖5.3雙葉漸開線轉(zhuǎn)子理論型線葉峰銷齒圓弧和葉谷銷齒圓弧的圓心均在節(jié)圓上，銷齒圓弧半徑為：r=R-a(5.4)節(jié)圓壓力角為：(5.5)轉(zhuǎn)子基圓半徑為：(5.6)葉峰銷齒圓弧理論型線方程為：(5.7)葉谷銷齒圓弧理論型線方程為：(5.8)漸開線部分的理論型線方程為：(5.9)由漸開線型轉(zhuǎn)子端面面積公式得[18]：(5.10)取轉(zhuǎn)子半徑R=60mm，徑距比R/a=1.4，則a=42.857mm。則對(duì)于雙葉漸開線轉(zhuǎn)子：==6077.985對(duì)于三葉漸開線轉(zhuǎn)子：=2×==6078.025計(jì)算面積利用系數(shù)：計(jì)算并繪制漸開線型轉(zhuǎn)子徑距比（R/a）與面積利用系數(shù)的曲線圖。由于當(dāng)漸開線型轉(zhuǎn)子徑距比不斷增大時(shí)，漸開線起點(diǎn)與漸開線和葉谷圓弧的過渡交點(diǎn)越來越接近，從而引發(fā)漸開線終點(diǎn)附近的型線與另一轉(zhuǎn)子漸開線始點(diǎn)附近的型線在轉(zhuǎn)子工作時(shí)不能嚙合的問題，故雖然對(duì)于漸開線型轉(zhuǎn)子徑距比越大，面積利用系數(shù)越大，但徑距比是有上限的。徑距比的取值范圍：1<R/a≤1.6176(雙葉漸開線型轉(zhuǎn)子)表5.1漸開線型轉(zhuǎn)子面積利用系數(shù)表R/aλ雙葉三葉1.300.3910.3911.350.4290.4291.400.4630.4631.450.4920.4921.500.519——1.550.542——1.600.562——圖5.4漸開線型轉(zhuǎn)子面積利用系數(shù)曲線圖可見漸開線型轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)與葉數(shù)并無關(guān)系，只與徑距比R/a的大小有關(guān)。5.3擺線型轉(zhuǎn)子下圖為四分之一雙葉擺線型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子型線由兩部分組成：JG段為內(nèi)擺線部分，GI段為外擺線部分。圖5.51/4擺線型轉(zhuǎn)子型線設(shè)轉(zhuǎn)子基圓半徑為r0,滾圓半徑為Rb，滾圓Ob1圓心與基圓圓心連線與橫軸的夾角為α1，滾圓圖5.6擺線型轉(zhuǎn)子型線繪制擺線轉(zhuǎn)子的內(nèi)擺線JG段型線是由圓心距原點(diǎn)Rb+r0的滾圓Ob1沿著基圓順時(shí)針滾動(dòng)，滾圓上的一固定點(diǎn)延展成的軌跡，其滾圓圓心相對(duì)原點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)過π2Z弧度；擺線轉(zhuǎn)子的外擺線GI段型線是由圓心距原點(diǎn)滾圓半徑Rb與基圓半徑r(5.12)轉(zhuǎn)子外圓半徑R與滾圓半徑Rb(5.13)可推導(dǎo)得：(5.14)徑距比(5.15)轉(zhuǎn)子內(nèi)擺線部分理論型線方程為：(5.16)轉(zhuǎn)子外擺線部分理論型線方程為：(5.17)擺線轉(zhuǎn)子端面面積計(jì)算公式：??????????????????????????.????????4(5.18取轉(zhuǎn)子半徑R=60mm。對(duì)于雙葉擺線型轉(zhuǎn)子：對(duì)于三葉擺線型轉(zhuǎn)子：計(jì)算面積利用系數(shù)：由式（5.3）和式（5.18）可知擺線型轉(zhuǎn)子的面積利用系數(shù)只與轉(zhuǎn)子葉數(shù)Z有關(guān)，對(duì)于雙葉轉(zhuǎn)子，其面積利用系數(shù)為0.500，對(duì)于三葉轉(zhuǎn)子，其面積利用系數(shù)為0.406，顯然三葉轉(zhuǎn)子相比于雙葉轉(zhuǎn)子面積利用系數(shù)大大降低，故在轉(zhuǎn)子型線選用擺線型時(shí)，通常使用用雙葉轉(zhuǎn)子。5.4圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子圖5.7圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子理論型線上圖為相互嚙合的一對(duì)圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子，凸出的葉峰段型線為一段圓弧線（A1B1段），其圓心位于長(zhǎng)軸軸徑上，與轉(zhuǎn)子中心距離為b，凹入的葉谷段型線為一段圓弧包絡(luò)線（B1G段），圓弧包絡(luò)線相對(duì)于轉(zhuǎn)子中心O這些參數(shù)有以下關(guān)系：b=r=c=2a?R葉峰的理論型線方程：(5.22)式中圖5.8圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子理論型線繪制葉谷的理論型線方程：如圖以轉(zhuǎn)子中心O1為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系x?O1?y，轉(zhuǎn)子O1繞其中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角，轉(zhuǎn)子O2與轉(zhuǎn)子O1嚙合，逆時(shí)針繞O2旋轉(zhuǎn)α角。型線B1C1與型線A2B2的嚙合點(diǎn)為G點(diǎn)，型線B1C1與型線A2B2的公法線必過兩轉(zhuǎn)子節(jié)圓的節(jié)點(diǎn)P和葉峰圓弧的圓心O3，即G,P,O3三點(diǎn)共線。過O1于是有以下關(guān)系：(5.23)(5.24)(5.25)故有：(5.26)∵O∴∠GO3N=(5.27)其中α為參變量，其范圍為（0≤α≤當(dāng)圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)不合適時(shí)，在葉峰圓弧型線與葉谷圓弧包絡(luò)線的交接處會(huì)出現(xiàn)曲率突變的拐點(diǎn)，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子在此拐點(diǎn)無法嚙合，或是只有葉谷處沒有凹入，導(dǎo)致面積利用系數(shù)過小，轉(zhuǎn)子間密封性能差，無法使用。故對(duì)于包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子，其幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)必須遵循以下條件：對(duì)于雙葉圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子（Z=2）：0.51.2368<0.3302對(duì)于三葉圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子（Z=3）:0.51.1196<0.5230圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子端面面積公式：對(duì)于雙葉轉(zhuǎn)子（Z=2）：(5.28)對(duì)于三葉轉(zhuǎn)子（Z=3）：(5.29)取轉(zhuǎn)子頂圓半徑R=60mm，R/a=1.4,則有a=42.857mm對(duì)于雙葉轉(zhuǎn)子：==29.689mm==30.311mm=（2=6163.805mm對(duì)于三葉轉(zhuǎn)子：==38.525mm==21.475mm=（2=6152.495計(jì)算面積利用系數(shù)：計(jì)算并繪制漸開線型轉(zhuǎn)子徑距比（R/a）與面積利用系數(shù)的曲線圖。表5.2圓弧包絡(luò)線型轉(zhuǎn)子面積利用系數(shù)表R/aλ雙葉三葉1.400.4550.4561.420.4670.4691.440.4770.4811.460.4890.4941.480.498——1.500.508——1.520.519——圖