雙螺桿空氣壓縮機的設計（含CAD源文件圖紙）

雙螺桿空氣壓縮機的設計（含CAD源文件圖紙）,螺桿,空氣壓縮機,設計,cad,源文件,圖紙 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 1 頁 目 錄 目 錄 ............................................................................................................................................1 1 選題背景 ........................................................................................................................................9 1.1 研究雙螺桿壓縮機的目的和意義 .............................................................................................9 1.2 雙螺桿壓縮機的特點和應用前景 .............................................................................................9 1.3 國內外雙螺桿壓縮機研究的進展 ...........................................................................................11 1.4 雙螺桿壓縮機的基本結構和工作原理 ...................................................................................12 1.4.2.工作原理 .................................................................................................................................13 2 雙螺桿壓縮機轉子型線設計 ......................................................................................................15 2.1 轉子型線設計原則 ...................................................................................................................15 2.2 型線方程和嚙合線方程 ...........................................................................................................16 2.2.2.齒曲線及其共軛曲線 .............................................................................................................18 （2）齒曲線的共軛曲線方程 ........................................................................................................18 1）求出陰轉子上組成齒曲線相對于陽轉子運動時的曲線簇方程 ............................................18 2）找出曲線簇的包絡條件 ............................................................................................................18 2.3 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線 ..............................................................................................20 1）AB 與 GH ..................................................................................................................................21 BC 方程 .......................................................................................................................................22 HI 方程 ........................................................................................................................................23 D 點方程 ......................................................................................................................................25 IJ 方程 .........................................................................................................................................25 J 方程 ........................................................................................................................................26 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 2 頁 嚙合線方程 ................................................................................................................................26 DE 方程 .......................................................................................................................................27 JK 方程 ........................................................................................................................................27 嚙合線方程 ..................................................................................................................................27 4 幾何特性 ......................................................................................................................................30 4.1 齒間面積和面積利用系數(shù) .......................................................................................................30 4.2 齒間容積及其變化過程 4.2.1.齒間容積 .................................................................................30 4.3 扭角系數(shù)及內容積比 ...............................................................................................................33 5.1 內壓力比 ...................................................................................................................................34 5.2 容積流量及容積效率 ...............................................................................................................34 5.3 軸功率及絕熱效率 ...................................................................................................................35 5.3.2.軸功率 .....................................................................................................................................36 5.3.4.絕熱指示效率 I......................................................................................................................37 5.4 電動機功率 ...............................................................................................................................37 5.4.2 電動機功率 .............................................................................................................................37 5.5 電功率 .......................................................................................................................................37 6 雙螺桿壓縮機的結構設計 ..........................................................................................................37 7 雙螺桿壓縮機的力學計算 ..........................................................................................................38 7.1 徑向力的計算 ...........................................................................................................................38 7.1.2.計算工況 .................................................................................................................................39 7.1.3.平面圖形的靜矩和重心 .........................................................................................................39 7.1.4.作用在轉子上的徑向力 .........................................................................................................40 7.2 軸承支反力 ...............................................................................................................................40 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 3 頁 8.1 吸氣孔口 ...................................................................................................................................42 8.2 排氣孔口 ...................................................................................................................................43 8.2.2. 徑向排氣孔口 .......................................................................................................................44 9 主要零部件設計和選材 ...............................................................................................................45 9.1.2.轉子 .........................................................................................................................................45 9.1.3.軸承 .........................................................................................................................................45 9.1.4.軸封 .........................................................................................................................................45 10.1.氣流脈動的數(shù)值模擬 ..............................................................................................................47 10.1.2 邊界條件處理 ......................................................................................................................48 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 4 頁 雙螺桿壓縮機的設計 【摘要】雙螺桿壓縮機是一種比較新穎的壓縮機，因其可靠性高、操作 維修方便、動力平衡性好、適應性強等優(yōu)點，而廣泛地應用于礦山、化工、 動力、冶金、建筑、機械、制冷等工業(yè)部門。雙螺桿壓縮機已經超過所有工 業(yè)壓縮機的 50 ，其市場份額超過 80 ，今后其市場份額還將繼續(xù)擴大。 可見，研究雙螺桿壓縮機具有十分重要的意義。本課題主要是設計通用的噴 油雙螺桿空氣壓縮機，采用單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型型線，陰、陽轉子 齒數(shù)比為 6：4。設計新型轉子型線，目的是使接觸線長度、泄漏三角形面 積和封閉余隙容積 3 者達到最優(yōu)化設計，以進一步提高雙螺桿壓縮機的機械 性能。重點研究的是雙螺桿壓縮機的轉子型線設計、幾何特性、受力分析、 熱力學計算。 【關鍵詞】雙螺桿壓縮機 轉子型線 嚙合線 齒間容積 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 5 頁 The design of twin screw compressor Abstract The twin-screw compressor is a kind of newly emerging compressor. Because of its high reliability, easy repair, good balance and good adaptability etc, and widely applied to such industrial departments as mine, chemical industry, power, metallurgy, architecture, machinery, refrigeration, etc. By designing the project, the volumetric efficiency is 70%, the compressed temperature is more 80。It is very important to design and research a twin-screw compressor in industrial. The project is to design a universal twin-screw air compressor, and to adopt single side asymmetric swept line unilaterally and dowel tooth circular rotor profile. There are six lobes on the female rotor and four lobes on the male rotor. The aim of designing a new rotor profile is to optimize the contact line length, blowhole area and clearance volume. That can improve the mechanical performance of a twin-screw compressor further. The project is mainly to research a twin-screw compressor rotor profile, geometry characteristic, mechanics analysis, thermodynamics calculation Keywords A twin-screw compressor, rotor profile, mesh curve, tooth space volume. 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 6 頁 前 言 雙螺桿壓縮機屬于回轉式壓縮機。回轉式壓縮機是一種工作容積作旋轉 運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮是通過容積的變化來實現(xiàn)，而容積 的變化又是借壓縮機的一個或幾個轉子在氣缸里作旋轉運動來達到?；剞D式 壓縮機的工作容積不同于往復式壓縮機，它除了周期性地擴大和縮小外，其 空間位置也在變更。 回轉式壓縮機靠容積的變化來實現(xiàn)氣體的壓縮，這一點與往復式壓縮機 相同，它們都屬于容積式壓縮機；回轉式壓縮機的主要機件（轉子）在氣缸 內作旋轉運動，這一點又與速度式壓縮機相同。所以，回轉式壓縮機同時兼 有上述兩類機器的特點。 回轉式壓縮機沒有往復運動機構，一般沒有氣閥，零部件（特別是易損 件）少，結構簡單、緊湊，因而制造方便，成本低廉；同時，操作簡便，維 修周期長，易于實現(xiàn)自動化。 回轉式壓縮機的排氣量與排氣壓力幾乎無關，與往復式壓縮機一樣，具 有強制輸氣的特征。 回轉式壓縮機運動機件的動力平衡性良好，故壓縮機的轉數(shù)高、基礎小。 這一優(yōu)點，在移動式機器中尤為明顯。 回轉式壓縮機轉數(shù)高，它可以和高速原動機（如電動機、內燃機、蒸汽 輪機等）直接相聯(lián)。高轉數(shù)帶來了機組尺寸小、重量輕的優(yōu)點。同時，在轉 子每轉一周之內，通常有多次排氣過程，所以它輸氣均勻、壓力脈動小，不 需設置大容量的儲氣罐。 回轉式壓縮機的適應性強，在較大的工況范圍內保持高效率。排氣量小時， 不像速度式壓縮機那樣會產生喘振現(xiàn)象。 在某些類型的回轉式壓縮機（如羅茨鼓風機、螺桿式壓縮機）中，運動 機件相互之間，以及運動機件與固定機件之間，并不直接接觸，在工作容積 的周壁上無需潤滑，可以保證氣體的潔凈，做到絕對無油的壓送氣體（這類 機器成為無油回轉壓縮機） 。同時，由于相對運動的機件之間存在間隙以及 沒有氣閥，故它能壓送污濁和帶液滴、含粉塵的氣體。 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 7 頁 但是，回轉式壓縮機也有它的缺點，這些缺點是： 由于轉數(shù)較高，加之工作容積與吸排氣孔口周期性地相通、切斷，產生 較為強烈的空氣動力噪聲，其中螺桿式壓縮機、羅茨鼓風機尤為突出，若不 采取消音措施，即不能被用戶所利用。 許多回轉式壓縮機，如螺桿式、羅茨式、轉子式等，運動機件表面多呈 曲面形狀，以其嚙合運動使工作容積改變，這些曲面的加工及其校驗均較復 雜，有的還需使用專用設備。 回轉式壓縮機工作容積的周壁，大多不是圓柱形，使運動機件之間或運 動機件與固定機件之間的密封問題較難滿意解決，通常僅以其間保持一定的 運動間隙達到密封，氣體通過間隙勢必產生泄漏，這就限制了回轉式壓縮機 難以達到較高的終了壓力。 回轉式壓縮機的形式和結構類型較多，分類也各有不同。 按轉子的數(shù)量區(qū)分：單轉子和雙轉子回轉式壓縮機，個別情況下還有多 轉子回轉式壓縮機； 按氣體壓縮的方式區(qū)分：有內壓縮和無內壓縮回轉式壓縮機； 按工作容積是否有油（液）區(qū)分：有無油（液）和噴油（液）回轉式壓 縮機。 通常都按結構元件的特征區(qū)分和命名，目前廣為使用的有羅茨鼓風機、 滑片式壓縮機和螺桿式壓縮機。此外，單螺桿壓縮機、液環(huán)式壓縮機、偏心 轉子式壓縮機以及旋轉活塞式壓縮機等在不同領域內也得到應用。 上述各種回轉式壓縮機，除羅茨鼓風機屬無內壓縮的機器外，其余均是 有內壓縮的機器。 雙螺桿壓縮機是一種很年輕的壓縮機型，在最近二十五年才發(fā)展成熟， 形成系列化。約在一百多年前，人們已經知道雙螺桿壓縮機的工作原理，但 類似今天設計的雙螺桿壓縮機的誕生日，則應該是在 1934 年，SRM 工廠的 總工程師 A利斯霍爾姆（ALysholm）的專利出現(xiàn)的時候。后來，又發(fā)明 了圓弧形齒，非對稱齒形 SRM 和今天的第四代節(jié)能型。 回轉式壓縮機大多作為中、小排氣量，中、低壓壓縮機或鼓風機之用。 目前，回轉式壓縮機在冶金、化工、石油、交通運輸、機械制造以及建筑工 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 8 頁 程等工業(yè)部門得到廣泛的應用；隨著人民生活水平的逐步提高，在耐用消費 品中也將得到廣泛的應用。 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 9 頁 1 選題背景 1.1 研究雙螺桿壓縮機的目的和意義 本設計題目來源是自選科研。本課題主要是設計通用的噴油雙螺桿空氣 壓縮機。在深刻理解前人研究的理論基礎上，在給定設計參數(shù)和設計要求的 條件下，研究雙螺桿壓縮機的轉子型線、幾何特性、工作過程、受力分析及 轉子的加工，以進一步提高雙螺桿壓縮機的機械性能。設計新型轉子型線， 使接觸線長度、泄漏三角形面積和封閉余隙容積 3 者達到最優(yōu)化。利用自備 砂輪修正器的轉子專用數(shù)控磨床，快速加工出新型線的轉子，使轉子的精度 和表面粗糙度預計超過現(xiàn)有的值。設計吸氣孔口的形狀和合理位置，來提高 壓縮機效率。同時，研究型線和孔口配置等因素對噪聲的影響指標，從而更 有效地降低噪聲。通過設計雙螺桿壓縮機，可以了解雙螺桿壓縮機的發(fā)展歷 程、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向；深入理解雙螺桿壓縮機的基本結構、特點、主要 零部件設計選型、主機結構設計和機組系統(tǒng)設計；重點研究的是雙螺桿壓縮 機的轉子型線、幾何特性、工作過程、受力分析、轉子加工和主要設計參數(shù) 的確定。通過設計，能了解設計的一般要求和規(guī)則，能將理論知識與生產實 際聯(lián)系起來。 雙螺桿壓縮機是一種比較新穎的壓縮機，因其可靠性高、操作維修方便、 動力平衡性好、適應性強等優(yōu)點，而廣泛地應用于礦山、化工、動力、冶金、 建筑、機械、制冷等工業(yè)部門。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，螺桿壓縮機的銷售量已占所 有容積式壓縮機銷售總量的 80%以上，在所有正在運行的容積式壓縮機中， 有 50%是螺桿壓縮機，今后螺桿壓縮機的市場份額仍將不斷擴大?？梢钥?出，螺桿壓縮機的設計研究在工業(yè)生產中具有十分重要的意義。通過本設計， 可以充分了解雙螺桿壓縮機的有關知識，以及如何進一步改善其性能和擴大 其應用范圍，使雙螺桿壓縮機能得到更好的發(fā)展，為生產和生活服務。可以 將所學理論知識與生產實際聯(lián)系起來，并積累了寶貴的經驗，為以后的工作 打下了一個堅實的基礎。 1.2 雙螺桿壓縮機的特點和應用前景 1.2.1.雙螺桿壓縮機的特點 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 10 頁 就氣體壓力提高的原理而言，螺桿壓縮機與活塞壓縮機相同，都屬于容 積式壓縮機。就主要部件的運動形式而言，又與透平壓縮機相似。所以，螺 桿壓縮機同時兼有上述兩類機器的特點。 （）螺桿壓縮機的優(yōu)點如下： 1）可靠性高。螺桿壓縮機零部件少，沒有易損件，因而它運轉可靠， 壽命長，大修間隔期可達 4-8 萬 h. 2)操作維護方便。螺桿壓縮機自動化程度高，操作人員不必經過長時間 的專業(yè)培訓，可實現(xiàn)無人值守運轉。 3）動力平衡好。螺桿壓縮機沒有不平衡慣性力，機器可平穩(wěn)地高速工 作，可實現(xiàn)無基礎運轉，特別適合用作移動式壓縮機，體積小、重量輕、占 地面積少。 4）適應性強。螺桿壓縮機具有強制輸氣的特點，容積流量幾乎不受排 氣壓力的影響，在寬廣的范圍內能保持較高的效率，在壓縮機結構不作任何 改變的情況下，適用于多種共質。 5）多相混輸。螺桿壓縮機的轉子齒面間實際上留有間隙，因而能耐液 體沖擊，可輸送含液氣體、含粉塵氣體、易聚合氣體等。 （）螺桿壓縮機的主要缺點： 1）造價高。由于螺桿壓縮機的轉子齒面是一空間曲面，需利用特制的 刀具在價格昂貴的專用設備上進行加工。另外，對螺桿壓縮機氣缸的加工精 度也有較高的要求。 2）不能用于高壓場合。由于受到轉子剛度和軸承壽命等方面的限制， 螺桿壓縮機只能用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不超過 3MPa。 3）不能用于微型場合。螺桿壓縮機依靠間隙密封氣體，目前一般只有 容積流量大于 0.2m3/min 時，螺桿壓縮機才具有優(yōu)越的性能。 1.2.2.雙螺桿壓縮機的應用前景 （1） 噴油螺桿空氣壓縮機 動力用的噴油螺桿壓縮機已系列化，一般都是在大氣壓力下吸入氣體， 單級排氣壓力有 0.7 MPa、1.0MPa 和 1.3 MPa（表壓）等不同形式。少數(shù)用 于驅動大型風鉆的兩級壓縮機，排氣壓力可達到 2.5 MPa（表壓） 。此類壓 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 11 頁 縮機目前的容積流量范圍為 0.2-100m3/min，越來越被用到對空氣品質要求 非常高的應用場合，如食品、醫(yī)藥及棉紡企業(yè)，占據(jù)了許多原屬無油壓縮機 的市場。 （2）噴油螺桿制冷壓縮機 目前，半封閉和全封閉式螺桿制冷壓縮機廣泛應用于住宅和商用樓房的 中央空調系統(tǒng)，產量遠遠超過開啟式。此外，螺桿制冷壓縮機還用于工業(yè)制 冷、食品冷凍、冷藏，以及各種交通運輸工具的制冷裝置。 在環(huán)境溫度下工作時，單級螺桿制冷壓縮機可達-25的蒸發(fā)溫度，采 用經濟器或雙級壓縮，可達-40的蒸發(fā)溫度。既能供冷又能供暖的冷熱兩 用螺桿機組，近年發(fā)展很快。目前螺桿制冷壓縮機標準工況下制冷量范圍為 10-2500KW。 （3） 噴油螺桿工藝壓縮機 噴油螺桿工藝壓縮機的工作壓力由工藝流程確定，單級壓力比可達 10，排氣壓力通常小于 4.5MPa，但可高達 9MPa，容積流量范圍為 1-200 m3/min。 （4） 干式螺桿壓縮機 目前一般干式螺桿壓縮機的單級壓力比為 1.5-3.5，雙級壓力比可達 8- 10，容積流量為 3-500m3/min。 （5） 噴水螺桿壓縮機 使噴入的水與潤滑油隔開，用于一些可能發(fā)生聚合反應的氣體，向壓縮 機入口噴入適當?shù)娜軇?，以沖掉這些化合物。 （6） 其他螺桿機械 螺桿壓縮機可作為油、氣、水多相流混輸泵使用，也可作為真空泵使用 單級真空度可達 98%，能耗較其他類型真空泵低 20%-50%。此外，螺桿機 械還可作為膨脹機。 1.3 國內外雙螺桿壓縮機研究的進展 螺桿壓縮機的螺桿齒形發(fā)展體現(xiàn)在以下四個階段：第一代為 Lysholm 齒 形，主要線段由點生成擺線組成，限于當年加工條件，主要用于無油螺桿壓 縮機；第二代為 1964 年的對稱圓弧齒形，4+6 齒，主要線段由圓弧和與之 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 12 頁 嚙合的圓弧包絡線組成，動力用螺桿壓縮機為主要應用對象；第三代為非對 稱齒形 SRM，4+6 齒，主要線段由生成擺線和圓弧包絡線組成，其效率較 第二代提高 10%，廣泛用于噴油和無油螺桿壓縮機；第四代，1982 年后以 SRM-D 齒形為代表， 5+6 齒，4+5 齒，5+7 齒，主要線段為線生成式曲線， 無尖點，凡第四代齒形均為節(jié)能型。 近年來，人們逐漸對內部進行噴油的雙螺桿壓縮機產生了興趣。由于精 密的專用數(shù)控轉子加工銑床和磨床已經使任何型線的加工變得很方便，大量 的研究工作在型線方面。其次陰、陽螺桿齒數(shù)從 6：4 發(fā)展到 6：5。 日本的神鋼與日立公司，在將近 50 年的時間里不斷成功地開發(fā)出了節(jié) 能明顯的各種系列螺桿壓縮機。從某種程度而言，日本的空壓機節(jié)能技術的 發(fā)展代表了當今世界空壓機技術的發(fā)展方向。 雙螺桿壓縮機在我國的發(fā)展歷程較短，是一種比較新穎的壓縮機，但其 發(fā)展很快。目前，我國的噴油內冷卻的動力用雙螺桿壓縮機比功率已達 5.56KW（ /min） ，已超過國外產品最好的比功率 5.54KW（ /min） 。封閉式 螺桿空壓機噪聲可達 60-85dB(A),國外螺桿壓縮機無故障運行在 7* h，國內 螺桿壓縮機壽命可達 4* h。西安交大刑子文教授開發(fā)的“SCCAD ”螺桿設 計計算軟件，已轉交給多家海內外企業(yè)應用。螺桿壓縮機在國外占據(jù) 80% 以上移動式空壓機市場，國內市場因柴油機方面的原因占份額不大，只有外 資產品占有較少市場，螺桿空氣壓縮機占螺桿壓縮機總量的 85%，制冷空 調方面螺桿壓縮機約占 12%?？梢哉f，我國的個別企業(yè)的螺桿壓縮機已經 達到國際先進水平。 今后螺桿壓縮機的市場份額仍將不斷擴大，特別是無油螺桿空氣壓縮機 和各類螺桿工藝壓縮機，會獲得更快的發(fā)展。目前，有人開始研究兩螺桿嚙 合過程中磨損問題和潤滑油在齒面上的分布，以提高轉子壽命。有文獻報道 已可做到無磨損嚙合。在制冷中，對于 Co 作制冷劑的跨臨界循環(huán)，用螺桿 壓縮機與螺桿膨脹機組成一體的機組已經被開發(fā)。未來主要是進一步提高螺 桿壓縮機的性能，擴大其應用范圍。 1.4 雙螺桿壓縮機的基本結構和工作原理 1.4.1.基本結構 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 13 頁 通常所稱的螺桿壓縮機指的是雙螺桿壓縮機。雙螺桿壓縮機的發(fā)展歷程 較短，是一種比較新穎的壓縮機。 雙螺桿壓縮機是一種容積式的回轉機械。由一對陰、陽螺桿，一個殼體 與一對端蓋組成。在倒“8”形的氣缸中，平行地配置著一對相互嚙合的螺 旋形轉子，分別稱為陰、陽轉子。它們和機體之間構成一個“V ”字形的一 對密封的齒槽空間隨著轉子的回轉而逐漸變小，并且其位置在空間也不斷從 吸氣口向排氣口移動，從而完成吸氣-壓縮-排氣的全部過程。 一般陽轉子與原動機連接，由陽轉子帶動陰轉子轉動。在壓縮機機體的 兩端，分別開設一定形狀和大小的孔口。一個供吸氣用，稱作吸氣孔口；另 一個供排氣用，稱作排氣孔口。雙螺桿壓縮機的總體結構見圖 1。 1.4.2.工作原理 螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為吸氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉子旋 轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)，這里只研究其中一對齒。 （1） 吸氣過程 圖 2 示出的螺桿壓縮機的吸氣過程，所討論的一對齒用箭頭標出，陽轉 子按逆時針方向旋轉，陰轉子按順時針方向旋轉，圖中的轉子端面是吸氣端 面。機殼上有特定形狀的吸氣孔口如圖 2 粗實線所示。 圖 2 雙螺桿壓縮機的吸氣過程 a）吸氣過程即將開始 b）吸氣過程中 c）吸氣過程結束 圖 2（a）示出的是吸氣過程即將開始時的轉子位置。在這一時刻，這 一對齒前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣孔口連通。 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 14 頁 隨著轉子開始運動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成齒間容積，這個 齒間容積的擴大，在其內部形成了一定的真空，而此齒間容積又僅與吸氣口 連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中，如圖 2（b）中陰影部分所示。 在隨后的轉子旋轉過程中，陽轉子齒不斷從陰轉子的齒槽中脫離出來，齒間 容積不斷擴大，并與吸氣孔口保持連通。 吸氣過程結束時的轉子位置如圖 2（c）所示，其最顯著的特征是齒間 容積達到最大值，隨著轉子的旋轉，所研究的齒間容積不會再增加。齒間容 積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結束。 （2） 壓縮過程 a）吸氣過程即將開始 b）吸氣過程中 c）吸氣過程結束、排氣過程 即將開始 圖 3 示出螺桿壓縮機的壓縮過程。這是從上面看相互嚙合的轉子，圖中 的轉子端面是排氣端面，機殼上的排氣孔口如圖中粗實線所示。在這里，陽 轉子沿順時針方向旋轉，陰轉子沿逆時針方向旋轉。 圖 3 雙螺桿壓縮機的壓縮過程 圖 3（a）示出壓縮過程即將開始時的轉子位置。 隨著轉子的旋轉，齒間容積由于轉子齒的嚙合而不斷減少。被密封在容 積中的氣體所占據(jù)的體積也隨之減少，導致壓力升高，從而實現(xiàn)氣體的壓縮 過程，圖 3（b） 。壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。 （3） 排氣過程 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 15 頁 圖 4 雙螺桿壓縮機的排氣過程 a）排氣過程中 b）排氣過程結束 圖 4 示出螺桿壓縮機的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始 排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔 口被排出，圖 4（a ） 。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合，圖 4(b) 。此時，齒間容積內的氣體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積變?yōu)?零。 2 雙螺桿壓縮機轉子型線設計 2.1 轉子型線設計原則 2.1.1.轉子型線及其要素 螺桿壓縮機最關鍵的是一對相互嚙合的轉子。轉子的齒面與轉子軸線垂 直面的截交線稱為轉子型線。 對于螺桿壓縮機轉子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封 性能，因為這些齒間容積是實現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對螺桿壓縮機性能有重 大影響的轉子型線要素有接觸線、泄漏三角形、封閉容積和齒間面積等。 （1）接觸線 。螺桿壓縮機的陰、陽轉子嚙合時，兩轉子齒面相互接觸 而形成的空間曲線稱為接觸線。如果轉子齒面間的接觸連續(xù)，則處在高壓力 區(qū)內的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓力區(qū)泄漏。 陰、陽轉子型線嚙合時的嚙合點軌跡，稱為嚙合線。嚙合線實質是接觸 線在轉子端面上的投影。顯然接觸線連續(xù)，意味著嚙合線應該是一條連續(xù)的 封閉曲線。 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 16 頁 （2）泄漏三角形 。在接觸線頂點和機殼的轉子氣缸孔之間，會形成一 個空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形。若嚙合線頂點距陰、陽轉子齒頂圓的 交點較遠，則說明泄漏三角形面積較大。 （3）封閉容積 。如果在齒間容積開始擴大時，不能立即開始吸氣過程， 就會產生吸氣封閉容積。吸氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。 從轉子型線可定性看出封閉容積的大小。 （4）齒間面積 。它是齒間容積在轉子端面上的投影。轉子型線的齒間 面積越大，轉子的齒間容積就越大。 2.1.2.轉子型線設計原則 （） 滿足嚙合要求。螺桿壓縮機的陰、陽轉子型線必須是滿足嚙合 定律的共軛型線。 （） 形成長度較短的連續(xù)接觸線。為了盡可能減少氣體通過間隙帶 的泄漏，要求設法縮短轉子間的接觸線長度。 （）應形成較小面積的泄漏三角形。 （）應使封閉容積較小。吸氣封閉容積導致壓縮機功耗增加、效率降 低、噪聲增大。所以轉子型線應使封閉容積盡可能小地。 （）齒間面積盡量大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少， 效率得到提高。 2.2 型線方程和嚙合線方程 2.2.1.坐標系建立及坐標變換 （1）坐標系建立 為了用數(shù)學方程描述螺桿型線中各段組成齒曲線，建立如圖 5 所示的四 個坐標系： 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 17 頁 圖 5 坐標系關系圖 1）固結在陽轉子的動坐標系 1yxo 2）固結在陰轉子的動坐標系 。2 3）陽轉子的靜坐標系 。1.YXO 4）陰轉子的靜坐標系 。2. 由于螺桿壓縮機的陰、陽轉子之間是定傳動比嚙合，故有: （1）izRnt211212 12)(iAtt1 式中， 2、 1 為陰、陽轉子轉角；n 2、n 1 為陰、陽轉子轉速； 2、 1 為陰、陽轉子角速度；R 2t、R 1t 為陰、陽轉子節(jié)圓半徑；z 2、z 1 為 陰、陽轉子齒數(shù)；i 為傳動比； A 為陰、陽轉子中心距。 2）坐標變換 螺桿壓縮機轉子型線上的每一點，都可以表示在上述四個坐標系中，這 些坐標之間的變換關系式如下： a) 動坐標系 與靜坐標系 的變換1yxo1.YXO （2）111cossiniyx b) 動坐標系 與靜坐標系 的變換2yxo2.Y （3）1212cossinicyx c) 靜坐標系 與靜坐標系 的變換1.YXO.YXO （4）12A 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 18 頁 d) 動坐標系 與動坐標系 的變換1yxo2yxo （5）112121 sincsinosicAkk e) 動坐標系 與動坐標系 的變換2yxoyxo （6）1112 sincsinosickk 2.2.2.齒曲線及其共軛曲線 （1）齒曲線方程及其參數(shù)變換范圍 螺桿壓縮機的轉子型線通常由多段組成齒曲線相接而成。在設計轉子型 線時，通常先在陽轉子或陰轉子上給定一些組成齒曲線，用如下的參數(shù)方程 表示在相應的轉子動坐標系中： （7）)(tyxebt 上式中，參數(shù) t 的始點 和終點 決定了此組成曲線的起點 b 和終點 ebte 的坐標 和 。),(byx),(e （2）齒曲線的共軛曲線方程 轉子組成齒曲線的共軛曲線，是指另一個轉子上與所選定的組成齒曲線 相嚙合的曲線段，現(xiàn)假定已在陰轉子上給定了一段組成齒曲線 2 為 （8）)(2tyx 1）求出陰轉子上組成齒曲線相對于陽轉子運動時的曲線簇方程 將方程（8）代入坐標變換式（5） ，得 （9）),(11tyx 2）找出曲線簇的包絡條件 把包絡條件的顯函數(shù)形式 代入曲線簇方程（9） ，就是曲線簇)(1t 的包絡線方程，即 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 19 頁 （10）)(,11tyx 此包絡線上任一點的切線斜率可微分上式，得 （11）dtxt ttdxy11 與包絡線共切于該點的曲線簇中的一條曲線（ 1 為常數(shù)） ，其斜率為 （12）tx yd1 由于是公切線，這兩切線的斜率應該相等，令式（11）與式（12）右邊 相等，整理得 （13）011tyxt 或 （14）1yt 同樣，若假定在陽轉子上給定了一段組成齒曲線 1，即 （15）)(2tyx 將曲線 1 的方程（15）代入動坐標變換式（6） ，得到曲線簇的方程為 （16）),(12tyx 經類似的推演，可得其包絡條件為 （17）012yt x 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 20 頁 3）求共軛曲線方程 若已在陰轉子上給定了一段組成曲線的 2 為 （18）)(2tyx 則其共軛曲線方程，可用方程（10）及補充條件聯(lián)立表示，即 （19） 0),(,1tfytx 同樣，若已在陽轉子上給定了一段曲線 1 為),(12t 則其共軛曲線方程，可用方程（16）及補充條件聯(lián)立表示，即 （20） 0),(,12tfytx 4）共軛曲線的嚙合線方程 共軛曲線的嚙合線方程一般可表示為 （21） 0),(,12tft 2.3 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線 本設計采用我國規(guī)定的螺桿壓縮機標準的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型 線。如圖 5 所示。其組成齒曲線和相應的嚙合線見附表 1。 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 21 頁 圖 5 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線 a）型線 b）嚙合線 這種單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線與原始不對稱型線的主要區(qū)別在于： 采用徑向直線 AB 及 DE 倒棱修正，去除了原始不對稱型線外圓上的擺 線形成點，并使擺線 IJ 的形成點向內移動。另外，將圓弧齒曲線擴大一角 度，形成保護角，使擺線 CD 的形成點 I 處于陽轉子外圓之內，保護了對嚙 合性能很敏感的擺線形成點。修正后，便于轉子在加工、安裝、運行及儲運 中保護擺線形成點。但使接觸線頂點與轉子齒頂圓交點之距離略有增大，使 通過泄漏三角形的泄漏量增加。為此，通常限制直線段 DE 的長度在 0.5- 2mm 的允許范圍之內。處在低壓側的直線段 AB 的長度，由于不影響氣密 性，通常從制造工藝出發(fā)，使其與圓弧 BC 光滑過度。 現(xiàn)在推導各段齒曲線方程、嚙合線方程及相應的參數(shù)變化范圍。 1）AB 與 GH AB 方程 陰轉子上的 AB 為一徑向直線，其方程為: （22）12sincoyx 參數(shù) 2 的變化范圍為 （23）tBR22 由三角形 O2BP,有 （24）22tB （25）tR21arcsin 即 （26）212ZAt 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 22 頁 式中,Z 2、Z 1 分別為陰、陽轉子齒數(shù)，R 為齒高半徑，在標準中，規(guī)定 R=25.625%A。 GH 方程 陽轉子上的 GH 為陰轉子上徑向直線 AB 的共軛曲線，將 AB 的方程 （22）代入（5） ，得曲線簇方程為 （27）1121 sin)sin(cocoAkyx 故有 2111 sin)sin(kkxi12y111 cos)cos(Akk 將上述諸式代入包絡條件式（14） ，可得位置參數(shù)與曲線參數(shù)的關系為 （28）iAk/)(arcos121 聯(lián)立（27）和（28）可得到 GH 的方程，可發(fā)現(xiàn) GH 的性質是一擺線。 嚙合線方程 AB 和 GH 嚙合時的嚙合線方程，可按式（21） ，通過把 AB 的方程 （22）代入坐標變換式（3） ，并與包絡條件式（28）聯(lián)立得到，即 （29） iAkiX/)(arcosn12121 1）BC 與 HI BC 方程 陰轉子上的曲線 BC 為一圓心在節(jié)點 P，半徑為 R 的圓弧，又稱銷齒圓 弧，其方程為 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 23 頁 （30）tRyxtsinco2 參數(shù) t 為 （31）21at 由直角三角形 O2BP，有 12 1 為保護角，通常為 5-10，標準規(guī)定為 5。 HI 方程 陽轉子上的曲線 HI 是陰轉子上銷齒圓弧 BC 的共軛曲線，將 BC 的方 程（30）代入坐標變換式（5） ，得曲線簇方程為 （32）11121 sin)sin(si cocoAtkRykxt 故有 tx11121 sin)sin(sitkkxtco1tRty11121 cos)s(sAtkkyt 將上述諸式代入包絡條件式（14） ，可得包絡條件為 0)sin(i122tRttt 即 （33） 由此可見，BC 與 HI 僅在 的位置嚙合，而且是整條曲線同時嚙合。01 把式（33）代入式（32） ，得到簡化后的 HI 方程為 （34）tRyAxtsinco)(12 銷齒圓弧的共軛曲線仍是一完全的銷齒圓弧，兩曲線僅在 的瞬01 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 24 頁 時嚙合，而且是沿著整個圓弧段同時嚙合。 嚙合線方程 把 BC 方程（ 30） ，代入坐標變換式（3） ，并與包絡條件（33）聯(lián)立， 得到嚙合線方程為 （35）tRtsinco2 式（35）表明，銷齒圓弧的嚙合線是與銷齒圓弧一樣的圓弧。 2）I 點與 CD I 點方程 陽轉子上的 I 點為一固定點，在 坐標系中的1yxo （36）11sincb 而由三角形 O1IP 可知： 1211costtRb1inarsb CD 方程 陰轉子上的 CD 曲線是與陽轉子上 I 點共軛的曲線，將 I 點的方程 （36）代入坐標變換式（6） ，得 （37）)sin(sico112 kbAyx 參數(shù)變化范圍為 （38）DC11 陰轉子 CD 曲線上任一點距陰轉子中心 O2 的距離可用下式表示： （39）yx 將式（37）代入式（39） ，整理得 )cos(21112Ab 本科畢業(yè)設計（論文）通過答辯 共 60 頁 第 25 頁 即 （40）1 221arcosAb 故 （41）1 221rCC （42）1 221arcosAbDD 其中 （43）22csttCRetD 其中 e 稱為徑向直線修正長度，標準規(guī)定為 e=0.625%A。 嚙合線方程 將 I 點方程（36）代入坐標變換式（2） ，并考慮到包絡條件自然滿足， 得到嚙合線方程為 （44）)sin(co11b 其參數(shù)變化范圍仍由式（38）確定。 I 點與其共軛曲線 CD 嚙合時，其嚙合線就是以陽轉子中心 O1 為圓心， 以 I 點到 O1 的距離 b1 為半徑的圓弧，即 I 點在靜坐標系中的運動軌跡。 3）D 點與 IJ D 點方程 陰轉子上的 D 點為一固定點，在 O2x2y2 坐標系中的坐標為 （45）22sin)(coeRt 其中， Dxyar 由曲線 CD 方程（37） ，有 （46）)sin(sicoc11DDDkbAyx 式中 由式（42）確定。D1 本