螺杆型干式真空泵转子特性的研究

论文摘要

干式真空泵也称无油真空泵，是为了满足工业生产对真空环境越来越严格的要求而发展起来的新型的真空获得设备。螺杆型干式真空泵以其优良的抽气性能得到迅速发展。由于国内螺杆干泵的研究起步较晚，目前还没有规模化的产品，同类产品全部依靠进口，价格十分昂贵。干式真空泵中最重要的部件就是阴、阳螺杆转子，转子型线及其热力学性能决定了泵的抽气性能。转子型线决定了泵的抽速和工作压力范围，而型线和转子热力学性能综合作用决定了泵的极限真空和工作介质。此外，进行泵的结构设计和产品开发，转子特性也是必须要首先解决的瓶颈问题。 本文正是以螺杆型干式真空泵转子为研究对象，通过对其型线、变形、运行状态监测和故障诊断的研究，深入了解转子的特性，为优化泵的结构设计、提高泵的整体性能，早日实现国产化做出贡献。 对几种典型的螺杆转子型线进行理论与实验研究，包括多齿型线和单齿型线，其中单齿型线又分为变螺距和等螺距。通过对各型线齿面方程、型线几何参数、齿面干涉问题的逐一讨论，得出面积利用系数、几何抽速等型线要素。在此基础上，对面积利用系数和几何抽速计算公式中的重要变量进行比较分析，并且考虑了加工、制造的可行性，得出最优的变量范围。 对单齿等螺距凹齿面转子型线进行了实验研究，通过斜齿面导程角测量和计算值的比较，几何抽速和实际抽速的对比，验证了推导理论和方法的正确性。 对单齿等螺距凹齿面型线转子的变形进行了有限元计算，以此为依据确定阴、阳转子之间，转子与泵腔内壁之间各间隙的大小。有限元计算采用与实验所用转子尺寸一致的三维几何模型，综合考虑热膨胀、气体压力、旋转惯性力对转子变形的影响，借助于商业有限元计算软件ANSYS进行力-热耦合的变形分析。 对转子不同位置的表面温度和各密封间隙进行了测量，实验对象为Busch生产的AC0400F型泵的转子。实验结果验证了有限元计算方法的可行性和结果的合理性。 转子运行状态的监测诊断包括：温度、压力及流量、N2冷却和清洗系统、振动。对监测方法和常见故障进行了讨论，指出振动是最主要的监测诊断方法。结合2个工程实例，利用振动分析所得的时域波形和频谱图，结合温度监测，对常见的运行故障进行诊断。在诊断结果的基础上，采取相应的解决故障的方法。

论文目录

• 独创性声明
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• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 干式真空泵的发展概况
• 1.1.2 螺杆型干式真空泵的发展概况
• 1.2 螺杆型干式真空泵转子研究现状
• 1.2.1 主要生产厂家所用转子概况
• 1.2.2 螺杆型干式真空泵转子研究概况
• 1.2.2.1 转子型线的研究进展
• 1.2.2.2 转子密封间隙泄漏的研究进展
• 1.2.2.3 转子的状态监测及故障诊断研究进展
• 1.3 课题研究内容
• 1.3.1 转子型线理论与实验研究
• 1.3.2 转子变形的有限元分析及实验验证
• 1.3.3 转子运行状态监测及故障诊断
• 1.4 课题研究方法及意义
• 1.4.1 转子型线理论与实验研究方法
• 1.4.2 转子变形的有限元分析及实验验证方法
• 1.4.3 转子运行状态监测及故障诊断研究方法
• 1.4.4 本课题研究的意义
• 第二章 转子型线理论与实验研究
• 2.1 螺杆型干式真空泵转子型线要素和设计原则
• 2.1.1 转子型线要素
• 2.1.2 转子型线设计原则
• 2.2 多齿转子型线
• 2.3 单齿转子型线
• 2.3.1 单齿变螺距梯形齿转子型线
• 2.3.1.1 单齿变螺距梯形齿型线方程
• 2.3.1.2 单齿变螺距梯形齿型线面积利用系数
• 2.3.1.3 单齿变螺距梯形齿型线几何抽速
• 2.3.2 单齿等螺距梯形齿转子型线
• 2.3.2.1 单齿等螺距梯形齿型线方程
• 2.3.2.2 单齿等螺距梯形齿型线面积利用系数
• 2.3.2.3 单齿等螺距梯形齿型线几何抽速
• 2.4 单齿转子型线干涉问题的研究
• 2.4.1 倾角法
• 2.4.2 曲齿面法
• 2.5 单齿等螺距凹齿面型线要素
• 2.5.1 型线方程
• 2.5.2 面积利用系数
• 2.5.3 几何抽速
• 2.6 单齿等螺距凹齿面型线要素实验验证
• 2.6.1 转子型线几何参数实验结果
• 2.6.2 转子型线理论推导结果的实验验证
• 2.7 各型线面积利用系数、几何抽速的比较分析
• 2.7.1 面积利用系数
• 2.7.1 几何抽速
• 2.8 本章小结
• 第三章 转子变形有限元计算及实验验证
• 3.1 ANSYS中有限元的计算方法
• 3.2 转子温度场的有限元计算
• 3.2.1 数学模型的建立
• 3.2.1.1 热传导计算数学模型
• 3.2.1.2 对流计算数学模型
• 3.2.1.3 ANSYS对数学模型的处理
• 3.2.2 实体几何模型
• 3.2.3 模型网格划分
• 3.2.3.1 单元类型的选择
• 3.2.3.2 网格划分
• 3.2.4 边界条件的处理
• 3.2.5 计算结果与讨论
• 3.3 转子温度场有限元计算的实验验证
• 3.3.1 实验仪器及方法
• 3.3.2 实验结果及讨论
• 3.4 转子变形的有限元计算
• 3.4.1 几何模型的修改
• 3.4.2 温度场计算结果
• 3.4.3 边界条件和载荷处理
• 3.4.4 计算结果及分析
• 3.5 转子变形有限元计算的实验验证
• 3.5.1 实验方法
• 3.5.2 实验结果与讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 转子运行状态监测及故障诊断
• 4.1 转子温度监测及故障诊断
• 4.2 压力和流量监测及故障诊断
• 2清洗和冷却系统的监测和故障诊断'>4.3 N₂清洗和冷却系统的监测和故障诊断
• 4.4 转子及轴承、齿轮振动监测和故障诊断
• 4.4.1 振动测试点的选择
• 4.4.2 振动测量信号类型的选择
• 4.4.3 衡量振动量大小的方法
• 4.4.4 振动故障诊断方法
• 4.5 转子工程故障监测诊断实例
• 4.5.1 转子振动监测诊断实例
• 4.5.2 转子振动与温度监测诊断实例
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与创新点
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 硕博连读期间发表的主要学术论文