專利名稱：螺桿轉(zhuǎn)子組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于平衡螺桿轉(zhuǎn)子組的措施，該轉(zhuǎn)子組沿軸向平行布置并具有反向運(yùn)轉(zhuǎn)的外軸嚙合，并在單頭螺紋結(jié)構(gòu)時(shí)具有至少為720°的包角。
重心的中心線距離，端面和包角在此處確定了在具有單頭螺紋牙型的螺桿中所產(chǎn)生的靜態(tài)不平衡和動態(tài)不平衡的大小。
在日本的TaiKo公司的公報(bào)Sho 62(1987)-291486中描述了一種平衡螺桿的方法首先通過按螺距的整數(shù)倍數(shù)規(guī)定螺紋長度而達(dá)到靜平衡。通過在螺紋的兩側(cè)的端面?zhèn)鹊陌佳ǘ龅絼悠胶猓撗ㄗ龀煽招牡幕蛟谄渲刑钜暂p質(zhì)材料。
當(dāng)要求采用不能鑄造的特殊材料時(shí)，這種平衡方法是行不通的。當(dāng)采用特別的牙型幾何形狀時(shí)，這一方法也有其限度，這是因?yàn)?，一方面，由于穩(wěn)定性的原因，螺紋的壁厚不能隨便減少，另一方面，由于螺旋形引起的平衡穴的過大的軸向伸長將產(chǎn)生重大的制造問題；用輕質(zhì)材料充填凹穴使問題更加嚴(yán)重。
在瑞士的Busch S.A.公司的瑞士專利公報(bào)3487/95中描述了另一種平衡螺桿的方法使螺紋長度(=2W2)比螺距的
倍大(2W2=51/2,71/2,91/2……)螺距1(Steigung)的整數(shù)倍。
為了補(bǔ)償剩下的靜態(tài)不平衡和動態(tài)不平衡，可采用在吸入側(cè)改變外從動螺紋部分和/或一個(gè)或更多的端面?zhèn)鹊钠胶庋ê?或采用外附加質(zhì)量。
此方法一方面提供了采用特殊材料的可能性，另一方導(dǎo)致減少平衡穴，由此達(dá)到形狀穩(wěn)定性的提高。
將螺桿轉(zhuǎn)子用于泵送一定的介質(zhì)以及力圖減少輸出側(cè)的螺紋端部的溫度，就要求有小的、光滑的、無凹穴的螺紋表面，它不會被弄臟而且容易清潔。對維修、安裝、備件貯存方面的減少費(fèi)用的要求和對小型、緊湊的泵的要求使外附加質(zhì)量的應(yīng)用遇到困難。
本發(fā)明的目的在于規(guī)定各種措施，用于平衡具有無凹穴的、光滑的表面的單頭螺紋螺桿，而不必采用外附加質(zhì)量。
此目的在一個(gè)用于沿軸向平行布置并具有反向運(yùn)轉(zhuǎn)的外軸向嚙合、并在單頭螺紋結(jié)構(gòu)時(shí)具有至少為720°的包角、同時(shí)具有光滑的平行平面的轉(zhuǎn)子端面的螺桿轉(zhuǎn)子組中如此解決，即每個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子由多個(gè)彼此剛性地連接的單獨(dú)的部分組成，這些單獨(dú)的部分具有共同的旋轉(zhuǎn)軸線、可選擇的重心的偏心位置和可選擇的不同的材料密度在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的各個(gè)部分形成一偏心的、一直封閉到泵室的空穴即平衡穴。在轉(zhuǎn)子內(nèi)部調(diào)節(jié)各個(gè)部分的材料密度和幾何形狀將產(chǎn)生靜平衡并影響動態(tài)不平衡；通過由計(jì)算確定螺紋長度/螺距之比=a的值，使之略小于1/2的奇數(shù)倍，就可在對靜態(tài)不平衡的反作用微不足道的情況下達(dá)到動平衡。
在預(yù)先給定螺紋的幾何形狀的范圍內(nèi)，構(gòu)形的可能性將如從屬權(quán)利要求中所描述的那樣，在于選擇旋轉(zhuǎn)部分的數(shù)目、形狀和材料以及平衡穴3的構(gòu)形。
與制造中的額外費(fèi)用相對的是下列由本發(fā)明得到的優(yōu)點(diǎn)1．光滑的、無穴的、便于作業(yè)和維護(hù)的表面。
2．通過減少表面(面積)降低螺紋端部的溫度。
3．對具有不同化學(xué)和力學(xué)負(fù)荷的各個(gè)部分優(yōu)化材料選擇。
4．安裝、備件的購置和貯存都簡單。
5．小型的、緊湊的和形狀穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
6．用螺桿體與不同的轉(zhuǎn)子軸的組合的模塊設(shè)計(jì)原理。
7．轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻的可能性。
下面參考在附圖中所示的實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明

圖1示出了按照本發(fā)明的由各個(gè)部分組成的、做成單頭螺紋結(jié)構(gòu)的、用于螺桿泵的具有先導(dǎo)向齒輪驅(qū)動的螺桿轉(zhuǎn)子組，它具有偏心的內(nèi)部質(zhì)量集中，并在軸向截面中具有螺紋長度/螺距之比=2W2/l＜9/2。
圖2示出了圖1的右旋螺紋的端面牙型重心的螺旋形軌跡曲線。
圖3示出了圖1的螺桿轉(zhuǎn)子組的一個(gè)轉(zhuǎn)子的實(shí)施例，它在一第一變型中做成兩件的結(jié)構(gòu)，并在軸向剖面中具有分割成翼形的平衡穴。
圖4示出了圖3的轉(zhuǎn)子沿與A-A線對應(yīng)的剖面。
圖5示出了端面牙型重心的螺旋形軌跡曲線圖并用點(diǎn)劃線示出了圖3和4的分割成翼形的平衡穴的端截面重心的軌跡曲線分枝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
圖6示出了具有重心和最大的允許內(nèi)空穴的第一轉(zhuǎn)子變型的端截面幾何形狀。
圖7示出了平衡穴103的軸向位置W變化時(shí)的不同端截面輪廓。
圖8示出了圖1的螺桿轉(zhuǎn)子組的一個(gè)轉(zhuǎn)子的實(shí)施例，它在一第二變形中做成兩件的結(jié)構(gòu)并在軸向剖面中具有直的平衡穴。
圖9示出了圖8的轉(zhuǎn)子沿與B-B線對應(yīng)的剖面。
圖10示出了端牙型重心的螺旋形軌跡曲線圖并用點(diǎn)劃線示出了圖7和8的直線形平衡穴的重心軸線。
圖11以帶端側(cè)轉(zhuǎn)子軸的子變型示出了圖8的轉(zhuǎn)子實(shí)施例。
在一個(gè)實(shí)施例中，螺桿轉(zhuǎn)子101、201(圖3、4、8、9)都各自由兩部分形成，一部分是一圓柱形螺桿體，一部分是一共軸線的轉(zhuǎn)子軸。螺桿體104、204(圖3、8)具有一約9/2圈的螺紋和一共軸線的中心孔。在螺桿體104、204內(nèi)，將中心孔106、206(圖3、8)擴(kuò)大成一稱為平衡穴103、203(圖3、8)的偏心空穴。在螺桿體104、204的中心孔106、206中，通過壓配合固定轉(zhuǎn)子軸105、205(圖3、8)并以此向外封閉平衡穴103、203。一形狀配合區(qū)總是保證在轉(zhuǎn)子軸105、205和螺桿體104、204之間傳遞轉(zhuǎn)矩。由于制造和強(qiáng)度的原因，螺桿體104、204和轉(zhuǎn)子軸105、205用不同的金屬材料制造。
設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸105、205中的槽107、207(圖3、8)用于從相對泵送的介質(zhì)密封的地方通風(fēng)或冷卻平衡穴103、203；此構(gòu)形示出一在吸入側(cè)引出的具有橫向孔的中心孔，以用于在平衡穴的范圍內(nèi)通風(fēng)。
計(jì)算過程在直角坐標(biāo)系u、v、w中，在密度均勻的任意成形體在繞w軸旋轉(zhuǎn)并有伸長p≤w≤q時(shí)，下列關(guān)系一般地適用Pu=ω2·τ·∫pq(g<w>)·cos(φ<w>)dw----(1)]]>Pv=ω2·τ·∫pq(g<w>)·sin(φ<w>)dw----(2)]]>Mv,w=ω2·τ·∫pq(g<w>)·w·sin(φ<w>)dw----(3)]]>Muw=ω2·τ·∫pq(g<w>)·w·cos(φ<w>)dw----(4)]]>式中p,q=積分極限 〔cm〕pu,pv=分力 〔g〕Mu,w,Mv,w=分力矩 〔g·cm〕ω=2π/T=轉(zhuǎn)速〔Rad/sec〕π=圓周率=3.1415……T=周期 〔sec〕τ=γ/b 〔gsec2/cm4〕γ=比重 〔g/cm3〕b=重力加速度=981 〔cm/sec2〕g<w>=f<w>·r<w> 〔cm3〕f<w>=作為w的函數(shù)的端面積 〔cm2〕r<w>=作為w的函數(shù)的重心的中心線距離 〔cm〕φ<w>=作為w的函數(shù)的重心的位置角 〔Rad〕對于在u,v w系統(tǒng)(圖2)中的螺桿體，以其中間端截面位于u-v平面中，以其中間端截面的重心s0位于u軸上，并具有恒定的螺距1，恒定的端面f0和恒定的重心的中心線距離，則特別可得出下列情況g<w>=g0=f0·T0=constant (5)f<w>=α=(2π/1)·W (6)由于對應(yīng)于-α2…+α2的位置角的對稱性伸長-W2…+W2，可進(jìn)一步得出p=-W2(7)q=+W2(8)W2=α2·(1/2π)(6a)對于不平衡的螺紋(實(shí)心螺紋)可以對稱性直接得到下式Pv=φ(2a)Mu,w=φ(4a)其余各量可由下式得出由(1)、(5)、(6)、(6a)、(7)、(8)得到Pu=ω2·τ0·g0·∫-W2+W2cos(2πw/l)dw=ω2·τ0·(g0·(1/π)·sinα2)----(1a)]]>由(3)、(5)、(6)、(6a)、(7)、(8)得到Mv,w=ω2·τ0·g0·∫-W2+W2w·sin(2πw/l)dw]]>=ω2·τ0·(g0·(l/π)2·(sinα2-α2cosα2)/2)(3a)式中τ0=γ0/b 〔gsec2/cm4〕γ0=螺桿體的比重 〔g/cm3〕l=螺距〔cm〕r0=實(shí)心螺紋端面的重心的中心線距離〔cm〕f0=實(shí)心螺紋的端面積 〔cm2〕α2=1/2螺紋包角 〔Rad〕l與g0通過螺紋的幾何形狀確定；ω為一與運(yùn)行有關(guān)的量，ω＞φ；τ0與材料有關(guān)，因而在一定條件下為一變量，τ0＞φ；主變量為包角=2α2。
通過僅僅改變α2，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)Pu=φ和Mv,w=φ(靜平衡和動平衡)。在本專利申請中，不用外附加質(zhì)量和不用端面?zhèn)鹊钠胶庋ň湍茉诼菁y內(nèi)部形成偏心的質(zhì)量集中。
在此處所描述的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子軸對不平衡沒有影響；平衡穴在實(shí)心螺紋的內(nèi)部形成，而且它在此處只提供靜態(tài)不平衡與動態(tài)不平衡的補(bǔ)償；由此可將問題減少至單純的形狀結(jié)構(gòu)而不影響材料數(shù)據(jù)，也就是說，必須使實(shí)心螺紋與平衡穴的靜力值與動力值一致，以使能滿足下列4個(gè)方程式Pv/ω2τ0=φ=∫p3q3(g3<w>)·sin(φ3<w>)dw----(2b)]]>Mu,w/ω2τ0=φ=∫p3q3(g3<w>)·w·cos(φ3<w>)dw----(4b)]]>Pu/ω2τ0=g0·(1/π)·sinα2=∫p3q3(g3<w>)·cos(φ3<w>)dw----(1b)]]>
此處，下標(biāo)“3”總是指明屬于平衡穴。
在實(shí)施例的第一變型(圖3、4)中，所要求的螺紋深度t(圖3)較大，相當(dāng)于比較小的芯部直徑c(圖3)。有效的平衡穴103此處由三個(gè)沿軸向?qū)R的、等距離布置的、全等的、扭曲的翼108組成(圖4)，它們等距離而且平行地沿著螺紋線的路徑。圖5用點(diǎn)劃線示出了5個(gè)可能的翼的位置Ⅰ-Ⅴ；在此處實(shí)施的變型中，只配置中間位置Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(粗調(diào))。
在如此形成的平衡穴103中可通過改變翼的大小和形狀強(qiáng)烈地改變靜力值，但很少改變動力值。在不平衡的螺紋中，則可與之相反，通過在半個(gè)螺距的奇數(shù)倍數(shù)的附近改變螺紋長度(=2W2)做到強(qiáng)烈地改變動力值，但較弱地改變靜力值。
根據(jù)預(yù)先給定的螺紋端截面輪廓(圖6)可首先根據(jù)有關(guān)的已知方法確定面積f0和重心位置r0、φ2。得到f0=91.189[cm2]；r0=2.869[cm]；P2=84.178[≮°]由此得到g0=f0·r0=261.636[cm3]用(同樣預(yù)先給定的)螺距l(xiāng)=6.936〔cm〕，在改變α2時(shí)，可對實(shí)心螺紋由(1b)和(3b)直接得到表1中示出的數(shù)值。
平衡穴的形狀并不一定能由條件(2b)、(4b)、(1b)、(3b)導(dǎo)出；相反地，必須首先確定幾何形狀，對此要確定4個(gè)角的數(shù)據(jù)，然后修正幾何形狀，重新確定4個(gè)角的數(shù)據(jù)，等等，直至以足夠的精度滿足(2b)、(4b)、(1b)、(3b)。
平衡穴的膨脹極限通過由穩(wěn)定性決定的最小壁厚給出。由于螺紋表面的變化的空間曲率，端截面中的極限線只可能由計(jì)算確定端截面輪廓和螺距l(xiāng)對螺紋表面的每個(gè)點(diǎn)給出一個(gè)法向矢量，其大小等于最小壁厚。于是，矢量的終點(diǎn)將擰入一固定的平面(W=常數(shù))中并給出極限線的一個(gè)點(diǎn)。采用為此專門開發(fā)的、其子程序包含特別的牙型公式的計(jì)算機(jī)程序(EDV-programm)，可以算出在圖6中用虛線示出的用于0.7〔cm〕的壁厚極限線的曲線數(shù)據(jù)。
由于復(fù)雜的扭曲的形狀，可實(shí)現(xiàn)的函數(shù)g3<w>和φ3<w>只能特別費(fèi)錢地用下面的積分((1b)～(4b))中的附加問題用數(shù)學(xué)表示；用計(jì)算機(jī)程序?qū)⒆詈蟮脑S多小的分量求和的連似法此處可以獲得成功對此，可將平衡空間分割成N個(gè)沿軸向彼此錯(cuò)開地放置的具有同樣厚度ΔW的盤。每個(gè)盤的端面輪廓分別通過許多單個(gè)的點(diǎn)定義并按此方式被貯存。
計(jì)算機(jī)分程序首先由此對每個(gè)盤算出gn和φn的值，并將其貯存在場數(shù)據(jù)存貯器中。
另外一個(gè)計(jì)算機(jī)程序重新取出這些值并通過求和形成積分值Pv/ω2τ0=ΔW·Σn=1Ngn·sinφn----[cm4]----(2c)]]>Mu,w/ω2τ0=ΔW·Σn=1Ngn·Wn·cosφn----[cm5]----(4c)]]>Pu/ωλτ0=ΔW·Σn=1Ngn·cosφn----[cm4]----(1c)]]>Mv,w/ω2τ0=ΔW·Σn=1Ngn·Wn·sinφn----[cm5]----(3c)]]>現(xiàn)在可在結(jié)構(gòu)上在翼的中間區(qū)將盤的端截面輪廓優(yōu)化地延伸至極限線(圖6中的虛線)，同時(shí)使實(shí)心螺紋和平衡穴的重心角的位置108一致(圖4)。
中間區(qū)(首先)經(jīng)過一個(gè)數(shù)量m為變動的同樣的盤延伸，端面區(qū)各自有5個(gè)輪廓逐步變小的盤(圖7)。當(dāng)ΔW=0.108〔cm〕并變動m時(shí)，則對于3個(gè)翼的平衡穴可得到在表2中所示的值。
當(dāng)值α2=806.8～806.9[＜°]和m=10時(shí)可得到很好的近似。通過修正盤的幾何形狀可得到以后的精確的調(diào)整。螺紋長度/螺距之比的由計(jì)算確定的值此處為2W2/l=a=4.4825＜9/2。
在實(shí)施例的第二變型(圖8、9)中，所要求的螺紋深度t(圖8)較小，相當(dāng)于比較大的芯部直徑c(圖8)。有效的平衡穴203(圖8)的走向?yàn)橹本€的，與軸線平行，具有在螺桿芯部區(qū)內(nèi)部偏心的不變橫截面(圖9)，沿軸向布置(10)。
如此形成的平衡穴203對動態(tài)不平衡沒有影響。在計(jì)算過程中，也是首先借助(3a)在9/2圈的附近確定精確值a0=螺紋長度/螺距，對于它，螺紋的動態(tài)不平衡同樣等于“零”。此值a0與牙型無關(guān)。對于不同的纏繞的某些值示于表3中。由此用(1a)直接得到螺紋的(與牙型有關(guān)的)靜態(tài)不平衡值Pu/ω2τ0=g0·(1/π)sinα2α2=14.0662[rad]l=5.390 [cm]g0=150.374[cm3]
Pu/ω2τ0=257.347[cm4]此值將通過橫截面與長度的調(diào)整而與平衡穴203的值相等。
e=2.85[cm] d=1.6[cm]=＞j=20.3[cm]在一第二變形的子變型(圖11中)，螺桿轉(zhuǎn)子302懸臂地支承在單側(cè)地在螺桿體上共軸線地固定的轉(zhuǎn)子軸上。偏心平衡穴303可以螺桿轉(zhuǎn)子的無軸的端面?zhèn)仍竭^一大的共軸線的孔接近，因而可用多種方法制造。螺桿體與轉(zhuǎn)子軸最好做成一體的單件，共軸線的孔和轉(zhuǎn)子端面?zhèn)瓤扇芜x地用一塞子309封閉。受單側(cè)支承制約的螺旋體等的特殊的比例在同樣的計(jì)算過程中導(dǎo)致平衡穴303的不同的比例e、d、i。
具有按照在圖3、4、6、7、8、9中描述的比例的所述的實(shí)施例的兩個(gè)變形的牙型幾何形狀的螺桿轉(zhuǎn)子可以以理論為基礎(chǔ)并借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并按1個(gè)長度單位(L.E)=1cm實(shí)現(xiàn)并成功地實(shí)驗(yàn)。
表1
<p>表2
在具有不變截面的直平衡穴表3=a0=2W2/l時(shí)螺紋長度/螺距之比<
>etc.
權(quán)利要求
1．用于螺桿泵的沿軸向平行布置的螺桿轉(zhuǎn)子組，所述螺桿反向運(yùn)轉(zhuǎn)外軸向嚙合、并在單頭螺紋結(jié)構(gòu)時(shí)具有至少720°的包角，同時(shí)具有光滑的平行平面的轉(zhuǎn)子端面，其特征為，每個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子(1、2；101、102；201、202；301、302)由多個(gè)彼此剛性地連接的單獨(dú)的部分組成，這些單獨(dú)的部分具有共同的旋轉(zhuǎn)軸線、可選擇的重心的偏心位置和可選擇的不同的材料密度；并且在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的各個(gè)部分形成一偏心的、一直封閉到泵室的空穴即平衡穴(3、103、203、303)；在轉(zhuǎn)子內(nèi)部調(diào)節(jié)各個(gè)部分的材料密度和幾何形狀將產(chǎn)生靜態(tài)平衡并影響動態(tài)不平衡；通過由計(jì)算確定螺紋長度/螺距之比=a的值，使之略小于1/2的奇數(shù)倍數(shù)，就可在對靜態(tài)不平衡的反作用微不足道的情況下達(dá)到動平衡。
2．如權(quán)利要求1的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，每個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子(1、2；101、102；201、202)由一圓柱形螺桿體(104、204)和一共軸線的轉(zhuǎn)子軸(105、205)形成，它在螺桿體的內(nèi)部區(qū)形成一偏心的空穴即平衡穴(103、203)。
3．如權(quán)利要求1的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，每個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子(1、2)由一圓柱形螺桿體和一共軸線的轉(zhuǎn)子軸形成，它具有在螺旋體內(nèi)部區(qū)偏心地錯(cuò)開的橫截面，以及螺桿體與轉(zhuǎn)子軸用不同密度的材料制成。
4．如權(quán)利要求2或3的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，每個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子(1、2)由一圓柱形螺桿體和一共軸線的轉(zhuǎn)子軸形成，它具有在螺旋體內(nèi)部區(qū)偏心地錯(cuò)開的橫截面，以及螺桿體與轉(zhuǎn)子軸用不同密度的材料制成，在螺桿體的內(nèi)部區(qū)形成一偏心的空穴即平衡穴(3)。
5．如權(quán)利要求1的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，每個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子(1、2；301、302)由一具有單側(cè)共軸線地安裝的轉(zhuǎn)子軸的圓柱形螺桿(304)形成，螺桿體在內(nèi)部區(qū)有一偏心的空穴即平衡穴(303)，其從轉(zhuǎn)子的無軸的端面?zhèn)鹊娜肟诳捎羞x擇地用一塞子(309)封閉。
6．如權(quán)利要求2或4的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，平衡穴(103)有多個(gè)側(cè)面的翼形擴(kuò)大部分(108)，它們平行的中心線沿著螺紋線的路徑走向。
7．如權(quán)利要求2或4或5的作為權(quán)利要求6的另一方案的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，平衡穴(203)沿軸向按直線走向，具有不變的橫截面，使其對動態(tài)不平衡的影響等于“零”。
8．如權(quán)利要求2或4或6或7的螺桿轉(zhuǎn)子組，其特征為，平衡穴(103、203)通過一設(shè)在轉(zhuǎn)子軸中的槽(107、207)通風(fēng)或冷卻。
9．具有如權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)的螺桿轉(zhuǎn)子組的螺桿泵。
全文摘要
已知結(jié)構(gòu)形式的具有包角大于720°的單頭螺紋螺桿轉(zhuǎn)子以在螺紋端表上具有平衡穴的一體的鑄造結(jié)構(gòu)在平均轉(zhuǎn)速(≈3000min
文檔編號F04C15/00GK1230242SQ97197830
公開日1999年9月29日 申請日期1997年7月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月12日
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