一种双螺杆泵的大流量螺杆转子及其设计方法与流程

本发明涉及双螺杆泵，特别涉及适用于双螺杆泵的一种大流量螺杆转子。

背景技术：

双螺杆泵是一种容积式液体泵，通过两个相互啮合的螺杆转子在泵体内形成多个封闭腔，在齿轮的带动下，一对螺杆转子在泵腔内做异向双回转运动，密封腔连续不断的从泵的进口移向泵的出口，完成介质的吸入、增压和排出过程，实现液体的输送。双螺杆泵具有无脉动、振动小、可靠性高、稳定性好、自吸能力强的显著特点，目前广泛应用在油田、造船业、石油化学工业、食品工业领域。

在螺杆泵的设计制造过程中，螺杆转子端面型线的设计对泵的性能有较大影响。常用的双螺杆泵端面型线由摆线和渐开线组成，且大多为1比1传动。为提高常用的双螺杆转子的性能，中国专利(专利号cn201720524780.9)提出了一种全光滑的双螺杆泵螺杆转子，该转子采用两段圆弧及其包络线代替常用的点啮合摆线，缓解了尖点处的磨损问题，构成曲线之间光滑连接，型线完全正确地啮合，具有良好的密封性能、受力特性好的优点，但造成了容积利用率低、流量小的问题。随着社会发展，对于小规格的螺杆泵需求量日益增加，传统双螺杆泵大多应用在大流量场合，且结构复杂。如何在小型化制造时满足流量要求且保证良好的密封和受力性能成为问题的关键。

技术实现要素：

本发明为了提高双螺杆泵的流量，同时为了丰富双螺杆泵螺杆转子端面型线类型，本发明提出一种双螺杆泵的大流量螺杆转子。两螺杆的顶圆和根圆半径相等，左螺杆转子和右螺杆转子的传动比为2比1，在相同壳体尺寸下流量比原有双螺杆泵提高15％～25％，在相同流量情况下比原有双螺杆泵结构更为简单紧凑。本发明采用变速螺旋线光滑连接左端面型线中的齿顶圆弧和齿根圆弧，并在传动比为2比1的情况下求得变速螺旋线的共轭曲线，采用圆弧啮合短幅外摆线等距曲线，在右端面型线实现齿顶圆弧和齿根圆弧的光滑连接，并结合长幅外摆线，形成对称结构。增加了双螺杆泵的流量，改善了螺杆转子受力情况，提高了双螺杆泵的性能，对丰富双螺杆泵螺杆转子端面型线的类型和提高其工作性能具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双螺杆泵的大流量螺杆转子，包括：左螺杆转子和右螺杆转子；左螺杆转子的左端面型线由4段曲线和1个点组成，按顺时针方向依次为：短幅外摆线等距曲线ab、点b、齿顶圆弧bc、变速螺旋线cd、齿根圆弧da；所述的左端面型线中的变速螺旋线cd光滑地连接齿顶圆弧bc与齿根圆弧da，不存在锐角尖点；

右螺杆转子的右端面型线由10段曲线组成，按逆时针方向依次为：第一长幅外摆线ab、第一齿根圆弧bc、第一变速螺旋线共轭曲线cd、第一齿顶圆弧de、第一齿尖圆弧ef、第二长幅外摆线fg、第二齿根圆弧gh、第二变速螺旋线共轭曲线hi、第二齿顶圆弧ij、第二齿尖圆弧ja；右端面型线关于其回转中心o2是中心对称的，即以回转中心o2为中心将右端面型线旋转180°后与其自身相重合。

所述的一种双螺杆泵的大流量螺杆转子，左端面型线和右端面型线在左螺杆转子和右螺杆转子传动比为2比1的异向双回转运动中能够实现正确的啮合，啮合关系为：左端面型线的点b与右端面型线的第一长幅外摆线ab、第二长幅外摆线fg相啮合；左端面型线的短幅外摆线等距曲线ab与右端面型线的第一齿尖圆弧ef、第二齿尖圆弧ja相啮合；左端面型线的齿顶圆弧bc与右端面型线的第一齿根圆弧bc、第二齿根圆弧gh相啮合；左端面型线的变速螺旋线cd与右端面型线的第一变速螺旋线共轭曲线cd、第二变速螺旋线共轭曲线hi相啮合；左端面型线的齿根圆弧da与右端面型线的第一齿顶圆弧de、第二齿顶圆弧ij相啮合。

所述的一种双螺杆泵的大流量螺杆转子的设计方法包括以下步骤：

1)给定以下参数：左节圆半径r1；齿根圆半径r2；齿顶圆半径r3；变速螺旋线cd中心角θ；短幅外摆线等距曲线ab中心角α；第一齿尖圆弧半径r；按以下关系求得右节圆半径r4、第一齿顶圆半径r5、第一齿根圆半径r6：r4＝2r1；r5＝r3；r6＝r2；

2)以左螺杆转子的回转中心o1为原点建立坐标系，按以下方程确定齿根圆弧da：

式中：t为角度参数，rad；

3)按以下方程确定齿顶圆弧bc：

4)按以下方程确定短幅外摆线等距曲线ab：

其中：

式中：mab为旋转变换矩阵，β为旋转角，为初始短幅外摆线等距曲线方程，l为转子中心距，l＝r1+r4；

5)按以下方程确定变速螺旋线cd：

6)以右螺杆转子的回转中心o2为原点建立坐标系，按以下方程确定第一齿根圆弧bc：

7)按以下方程确定第一齿顶圆弧de：

8)按以下方程确定第一变速螺旋线共轭曲线cd：

式中：为第一中间变量，由如下方程确定：

9)按以下方程确定第一长幅外摆线ab：

10)按以下方程确定第一齿尖圆弧ef：

式中：xef、yef分别为齿尖圆弧圆心的横坐标和纵坐标；

11)分别将所述的第一长幅外摆线ab、第一齿根圆弧bc、第一变速螺旋线共轭曲线cd、第一齿顶圆弧de、第一齿尖圆弧ef以回转中心o2为中心旋转180°得到第二长幅外摆线fg、第二齿根圆弧gh、第二变速螺旋线共轭曲线hi、第二齿顶圆弧ij、第二齿尖圆弧ja；

12)将所述的左端面型线沿左螺旋线作轴向螺旋展开生成左螺杆转子；将得到的右端面型线沿右螺旋线作轴向螺旋展开生成右螺杆转子；其中右螺杆转子的螺距为左螺杆转子螺距的2倍。

本发明的有益效果为：

①两螺杆的顶圆和根圆半径相等，左螺杆转子和右螺杆转子的传动比为2比1，在相同壳体尺寸下流量比原有传动比为1比1的双螺杆泵提高15％～25％，在相同流量情况下比原有双螺杆泵结构更为简单紧凑，在保证流量的前提下满足小型化制造需求。

②采用圆弧与短幅外摆线等距曲线的啮合方式，使端面型线中不存在锐角尖点，改善螺杆转子的受力特性，提高了螺杆转子的使用寿命。

③丰富了双螺杆泵螺杆转子端面型线类型。

附图说明

图1为左螺杆转子(1)的左端面型线图。

图2为右螺杆转子(2)的右端面型线图。

图3为两螺杆转子端面型线啮合图。

图4为变速螺旋线与第一变速螺旋线共轭曲线啮合时刻图。

图5为齿根圆弧与第一齿顶圆弧啮合时刻图。

图6为短幅外摆线等距曲线与第一齿尖圆弧啮合时刻图。

图7为齿顶圆弧与第一齿根圆弧啮合时刻图。

图8为左螺杆转子(1)三维图。

图9为右螺杆转子(2)三维图。

图10为两螺杆转子啮合图。

图中：1—左螺杆转子；2—右螺杆转子；101—左端面型线；201—右端面型线；r1—左节圆半径；r2—齿根圆半径；r3—齿顶圆半径；r4—右节圆半径；r5—第一齿顶圆半径；r6—第一齿根圆半径；r—第一齿尖圆弧半径；α—短幅外摆线等距曲线中心角；θ—变速螺旋线中心角；β—旋转角。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为左螺杆转子1的左端面型线图，左螺杆转子1的左端面型线101由4段曲线和1个点组成，按顺时针方向依次为：短幅外摆线等距曲线ab、点b、齿顶圆弧bc、变速螺旋线cd、齿根圆弧da；所述的左端面型线101中的变速螺旋线cd光滑地连接齿顶圆弧bc与齿根圆弧da，不存在锐角尖点；型线形成方式如下：

1)给定以下参数：左节圆半径r1；齿根圆半径r2；齿顶圆半径r3；变速螺旋线cd中心角θ；短幅外摆线等距曲线ab中心角α；第一齿尖圆弧半径r；按以下关系求得右节圆半径r4、第一齿顶圆半径r5、第一齿根圆半径r6：r4＝2r1；r5＝r3；r6＝r2；

2)以左螺杆转子1的回转中心o1为原点建立坐标系，按以下方程确定齿根圆弧da：

式中：t为角度参数，rad；

3)按以下方程确定齿顶圆弧bc：

4)按以下方程确定短幅外摆线等距曲线ab：

其中：

式中：mab为旋转变换矩阵，β为旋转角，为初始短幅外摆线等距曲线方程，l为转子中心距，l＝r1+r4；

5)按以下方程确定变速螺旋线cd：

如图2所示，为右螺杆转子2的右端面型线图，右螺杆转子2的右端面型线201由10段曲线组成，按逆时针方向依次为：第一长幅外摆线ab、第一齿根圆弧bc、第一变速螺旋线共轭曲线cd、第一齿顶圆弧de、第一齿尖圆弧ef、第二长幅外摆线fg、第二齿根圆弧gh、第二变速螺旋线共轭曲线hi、第二齿顶圆弧ij、第二齿尖圆弧ja；右端面型线201关于其回转中心o2是中心对称的，即以回转中心o2为中心旋转180°后与自身重合；型线形成方式如下：

1)给定以下参数：左节圆半径r1；齿根圆半径r2；齿顶圆半径r3；变速螺旋线cd中心角θ；短幅外摆线等距曲线ab中心角α；第一齿尖圆弧半径r；按以下关系求得右节圆半径r4、第一齿顶圆半径r5、第一齿根圆半径r6：r4＝2r1；r5＝r3；r6＝r2；

2)以右螺杆转子2的回转中心o2为原点建立坐标系，按以下方程确定第一齿根圆弧bc：

3)按以下方程确定第一齿顶圆弧de：

4)按以下方程确定第一变速螺旋线共轭曲线cd：

式中：为第一中间变量，由如下方程确定：

5)按以下方程确定第一长幅外摆线ab：

6)按以下方程确定第一齿尖圆弧ef：

式中：xef、yef分别为齿尖圆弧圆心的横坐标和纵坐标；

7)分别将所述的第一长幅外摆线ab、第一齿根圆弧bc、第一变速螺旋线共轭曲线cd、第一齿顶圆弧de、第一齿尖圆弧ef以回转中心o2为中心旋转180°得到第二长幅外摆线fg、第二齿根圆弧gh、第二变速螺旋线共轭曲线hi、第二齿顶圆弧ij、第二齿尖圆弧ja；

如图3所示，为两螺杆转子端面型线啮合图，左端面型线101和右端面型线201在左螺杆转子1和右螺杆转子2传动比为2比1的异向双回转运动中能够实现正确的啮合；啮合关系为：左端面型线101的点b与右端面型线201的第一长幅外摆线ab、第二长幅外摆线fg相啮合；左端面型线101的短幅外摆线等距曲线ab与右端面型线201的第一齿尖圆弧ef、第二齿尖圆弧ja相啮合；左端面型线101的齿顶圆弧bc与右端面型线201的第一齿根圆弧bc、第二齿根圆弧gh相啮合；左端面型线101的变速螺旋线cd与右端面型线201的第一变速螺旋线共轭曲线cd、第二变速螺旋线共轭曲线hi相啮合；左端面型线101的齿根圆弧da与右端面型线201的第一齿顶圆弧de、第二齿顶圆弧ij相啮合。

如图4所示，为变速螺旋线与第一变速螺旋线共轭曲线啮合时刻图，变速螺旋线与第一变速螺旋线共轭曲线正确啮合。

如图5所示，为齿根圆弧与第一齿顶圆弧啮合时刻图，齿根圆弧与第一齿顶圆弧正确啮合。

如图6所示，为短幅外摆线等距曲线与第一齿尖圆弧啮合时刻图，短幅外摆线等距曲线与第一齿尖圆弧正确啮合。

如图7所示，为齿顶圆弧与第一齿根圆弧啮合时刻图，齿顶圆弧与第一齿根圆弧正确啮合。

如图8所示，为左螺杆转子1三维图，将所述的左端面型线101沿左螺旋线作轴向螺旋展开生成左螺杆转子1，左螺杆转子1为单头定螺距螺杆。

如图9所示，为右螺杆转子2三维图，将得到的右端面型线102沿右螺旋线作轴向螺旋展开生成右螺杆转子2，右螺杆转子2为双头定螺距螺杆。

如图10所示，为两螺杆转子啮合图，其中右螺杆转子2的螺距为左螺杆转子1螺距的2倍。两个螺杆转子在传动比为2比1的异向双回转运动中能够实现正确啮合，不存在干涉或者未参与啮合的部分。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。