螺杆转子组

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技术领域\n本发明涉及用于平衡螺杆转子组的措施，该转子组沿轴向平行布置 并具有反向运转的外轴啮合，并在单头螺纹结构时具有至少为720°的 包角。\n背景技术 重心的中心线距离，端面和包角在此处确定了在具有单头螺纹牙型 的螺杆中所产生的静态不平衡和动态不平衡的大小。\n在日本的TaiKo公司的公报Sho 62(1987)-291486中描述了一种 平衡螺杆的方法：首先通过按螺距的整数倍数规定螺纹长度而达到静平 衡。通过在螺纹的两侧的端面侧的凹穴而做到动平衡，该穴做成空心的 或在其中填以轻质材料。\n当要求采用不能铸造的特殊材料时，这种平衡方法是行不通的。当 采用特别的牙型几何形状时，这一方法也有其限度，这是因为，一方面， 由于稳定性的原因，螺纹的壁厚不能随便减少，另一方面，由于螺旋形 引起的平衡穴的过大的轴向伸长将产生重大的制造问题；用轻质材料充 填凹穴使问题更加严重。\n在瑞士的Busch S.A.公司的瑞士专利公报3487/95中描述了另一种 平衡螺杆的方法：使螺纹长度(＝2W2)比螺距的 倍大(2W2＝5l/2， 7l/2，9l/2……)螺距l(Steigung)的整数倍。\n为了补偿剩下的静态不平衡和动态不平衡，可采用在吸入侧改变外 从动螺纹部分和/或一个或更多的端面侧的平衡穴和/或采用外附加质 量。\n此方法一方面提供了采用特殊材料的可能性，另一方导致减少平衡 穴，由此达到形状稳定性的提高。\n将螺杆转子用于泵送一定的介质以及力图减少输出侧的螺纹端部的 温度，就要求有小的、光滑的、无凹穴的螺纹表面，它不会被弄脏而且 容易清洁。对维修、安装、备件贮存方面的减少费用的要求和对小型、 紧凑的泵的要求使外附加质量的应用遇到困难。\n发明内容\n本发明的目的在于规定各种措施，用于平衡具有无凹穴的、光滑的 表面的单头螺纹螺杆，而不必采用外附加质量。\n此目的在一个用于沿轴向平行布置并具有反向运转的外轴向啮合、 并在单头螺纹结构时具有至少为720°的包角、同时具有光滑的平行平 面的转子端面的螺杆转子组中如此解决，即：每个螺杆转子由多个彼此 刚性地连接的单独的部分组成，这些单独的部分具有共同的旋转轴线、 可选择的重心的偏心位置和可选择的不同的材料密度：在转子内部的各 个部分形成一偏心的、一直封闭到泵室的空穴即平衡穴。在转子内部调 节各个部分的材料密度和几何形状将产生静平衡并影响动态不平衡；通 过由计算确定螺纹长度/螺距之比＝a的值，使之略小于1/2的奇数倍， 就可在对静态不平衡的反作用微不足道的情况下达到动平衡。\n在预先给定螺纹的几何形状的范围内，构形的可能性将如从属权利 要求中所描述的那样，在于选择旋转部分的数目、形状和材料以及平衡 穴3的构形。\n与制造中的额外费用相对的是下列由本发明得到的优点：\n1.光滑的、无穴的、便于作业和维护的表面。\n2.通过减少表面(面积)降低螺纹端部的温度。\n3.对具有不同化学和力学负荷的各个部分优化材料选择。\n4.安装、备件的购置和贮存都简单。\n5.小型的、紧凑的和形状稳定的结构。\n6.用螺杆体与不同的转子轴的组合的模块设计原理。\n7.转子内部冷却的可能性。\n附图说明\n下面参考在附图中所示的实施例更详细地说明本发明：\n图1示出了按照本发明的由各个部分组成的、做成单头螺纹结构 的、用于螺杆泵的具有先导向齿轮驱动的螺杆转子组，它具有偏心的内 部质量集中，并在轴向截面中具有螺纹长度/螺距之比＝2W2/l＜9/2。\n图2示出了图1的右旋螺纹的端面牙型重心的螺旋形轨迹曲线。\n图3示出了图1的螺杆转子组的一个转子的实施例，它在一第一变 型中做成两件的结构，并在轴向剖面中具有分割成翼形的平衡穴。\n图4示出了图3的转子沿与A-A线对应的剖面。\n图5示出了端面牙型重心的螺旋形轨迹曲线图并用点划线示出了图 3和4的分割成翼形的平衡穴的端截面重心的轨迹曲线分枝I、II、 III、IV、V。\n图6示出了具有重心和最大的允许内空穴的第一转子变型的端截面 几何形状。\n图7示出了平衡穴103的轴向位置W变化时的不同端截面轮廓。\n图8示出了图1的螺杆转子组的一个转子的实施例，它在一第二变 形中做成两件的结构并在轴向剖面中具有直的平衡穴。\n图9示出了图8的转子沿与B-B线对应的剖面。\n图10示出了端牙型重心的螺旋形轨迹曲线图并用点划线示出了图7 和8的直线形平衡穴的重心轴线。\n图11以带端侧转子轴的子变型示出了图8的转子实施例。\n具体实施方式\n在一个实施例中，螺杆转子101、201(图3、4、8、9)都各 自由两部分形成，一部分是一圆柱形螺杆体，一部分是一共轴线的转子 轴。螺杆体104、204(图3、8)具有一约9/2圈的螺纹和一共轴线的 中心孔。在螺杆体104、204内，将中心孔106、206(图3、8)扩 大成一称为平衡穴103、203(图3、8)的偏心空穴。在螺杆体104、 204的中心孔106、206中，通过压配合固定转子轴105、205(图3、 8)并以此向外封闭平衡穴103、203。一形状配合区总是保证在转子轴 105、205和螺杆体104、204之间传递转矩。由于制造和强度的原因， 螺杆体104、204和转子轴105、205用不同的金属材料制造。\n设置在转子轴105、205中的槽107、207(图3、8)用于从相 对泵送的介质密封的地方通风或冷却平衡穴103、203；此构形示出一 在吸入侧引出的具有横向孔的中心孔，以用于在平衡穴的范围内通风。\n计算过程：\n在直角坐标系u、v、w中，在密度均匀的任意成形体在绕w轴旋 转并有伸长p≤w≤q时，下列关系一般地适用： $P_u={\omega }^2·\tau ·\underset{p}{\overset{q}{\int }}(g<w>)·\cos (\phi <w>)\mathrm{dw}.....\left(1\right)$ $P_v={\omega }^2·\tau ·\underset{p}{\overset{q}{\int }}(g<w>)·\sin (\phi <w>)\mathrm{dw}.....\left(2\right)$ $M_{v,w}={\omega }^2·\tau ·\underset{p}{\overset{q}{\int }}(g<w>)·w·\sin (\phi <w>)\mathrm{dw}.....\left(3\right)$ $M_{uw}={\omega }^2·\tau ·\underset{p}{\overset{q}{\int }}(g<w>)·w·\cos (\phi <w>)\mathrm{dw}.....\left(4\right)$\n式中：p，q＝积分极限                    〔cm〕\npu，pv＝分力                            〔g〕\nMu，w，Mv，w＝分力矩                    〔g·cm〕\nω＝2π/T＝转速                         〔Rad/sec〕\nπ＝圆周率＝3.1415……\nT＝周期                                 〔sec〕\nτ＝γ/b                                〔gsec2/cm4〕\nγ＝比重                                〔g/cm3〕\nb＝重力加速度＝981                      〔cm/sec2〕\ng＝f·r                        〔cm3〕\nf＝作为w的函数的端面积               〔cm2〕\nr＝作为w的函数的重心的中心线距离     〔cm〕\nφ＝作为w的函数的重心的位置角        〔Rad〕\n对于在u，v w系统(图2)中的螺杆体，以其中间端截面位于u-v 平面中，以其中间端截面的重心s0位于u轴上，并具有恒定的螺距l， 恒定的端面f0和恒定的重心的中心线距离，则特别可得出下列情况：\ng＝g0＝f0·r0＝constant           (5)\nf＝α＝(2π/l)·W                    (6)\n由于对应于-α2…+α2的位置角的对称性伸长-W2…+W2，可 进一步得出：\np＝-W2(7)    q＝+W2(8)    W2＝α2·(1/2π)  (6a)\n对于不平衡的螺纹(实心螺纹)可以对称性直接得到下式：\nPv＝    (2a)            Mu，w＝  (4a)\n其余各量可由下式得出：\n由(1)、(5)、(6)、(6a)、(7)、(8)得到 $P_u={\omega }^2·{\tau }_0·g_0·\underset{-W2}{\overset{+W2}{\int }}\cos (2\mathrm{\pi w}/l)\mathrm{dw}={\omega }^2·{\tau }_0·(g_0·(l/\pi )·\sin {\alpha }_2)...\left(1a\right)$\n由(3)、(5)、(6)、(6a)、(7)、(8)得到 $M_{v,w}={\omega }^2·{\tau }_0·g_0·\underset{-W2}{\overset{+W2}{\int }}w·\sin (2\mathrm{\pi w}/l)\mathrm{dw}$\n＝ω2·τ0·(g0·(1/π)2·(sinα2-α2cosα2)/2)    (3a)\n式中：\nτ0＝γ0/b                                   〔gsec2/cm4〕\nγ0＝螺杆体的比重                             〔g/cm3〕\nl＝螺距                                        〔cm〕\nr0＝实心螺纹端面的重心的中心线距离            〔cm〕\nf0＝实心螺纹的端面积                          〔cm2〕\nα2＝＝1/2螺纹包角                            〔Rad〕\nl与g0通过螺纹的几何形状确定；ω为一与运行有关的量，ω＞φ； τ0与材料有关，因而在一定条件下为一变量，τ0＞φ；主变量为包角＝2α2。\n通过仅仅改变α2，不能同时实现Pu＝φ和Mv，w＝φ(静平衡和动 平衡)。在本专利申请中，不用外附加质量和不用端面侧的平衡穴就能 在螺纹内部形成偏心的质量集中。\n在此处所描述的实施例中，转子轴对不平衡没有影响；平衡穴在实 心螺纹的内部形成，而且它在此处只提供静态不平衡与动态不平衡的补 偿；由此可将问题减少至单纯的形状结构而不影响材料数据，也就是说， 必须使实心螺纹与平衡穴的静力值与动力值一致，以使能满足下列4个 方程式： $P_u/{\omega }^2{\tau }_0=g_0·(l/\pi )·\sin {\alpha }_2=\underset{p3}{\overset{q3}{\int }}(g_3<w>)·\cos ({\phi }_3<w>)\mathrm{dw}....\left(1b\right)$\n此处，下标“3”总是指明属于平衡穴。\n在实施例的第一变型(图3、4)中，所要求的螺纹深度t(图3) 较大，相当于比较小的芯部直径c(图3)。有效的平衡穴103此处由 三个沿轴向对齐的、等距离布置的、全等的、扭曲的翼108组成(图4)， 它们等距离而且平行地沿着螺纹线的路径。图5用点划线示出了5个可 能的翼的位置I-V；在此处实施的变型中，只配置中间位置II、III、 IV(粗调)。\n在如此形成的平衡穴103中可通过改变翼的大小和形状强烈地改变 静力值，但很少改变动力值。在不平衡的螺纹中，则可与之相反，通过 在半个螺距的奇数倍数的附近改变螺纹长度(＝2W2)做到强烈地改变 动力值，但较弱地改变静力值。\n根据预先给定的螺纹端截面轮廓(图6)可首先根据有关的已知方 法确定面积f0和重心位置r0、2。得到\nf0＝91.189[cm2]；r0＝2.869[cm]；2＝84.178[≮°]\n由此得到    g0＝f0·r0＝261.636[cm3]\n用(同样预先给定的)螺距l＝6.936〔cm〕，在改变α2时，可对 实心螺纹由(1b)和(3b)直接得到表1中示出的数值。\n平衡穴的形状并不一定能由条件(2b)、(4b)、(1b)、(3b) 导出；相反地，必须首先确定几何形状，对此要确定4个角的数据，然 后修正几何形状，重新确定4个角的数据，等等，直至以足够的精度满 足(2b)、(4b)、(1b)、(3b)。\n平衡穴的膨胀极限通过由稳定性决定的最小壁厚给出。由于螺纹表 面的变化的空间曲率，端截面中的极限线只可能由计算确定：端截面轮 廓和螺距l对螺纹表面的每个点给出一个法向矢量，其大小等于最小壁 厚。于是，矢量的终点将拧入一固定的平面(W＝常数)中并给出极限 线的一个点。采用为此专门开发的、其子程序包含特别的牙型公式的计 算机程序(EDV-programm)，可以算出在图6中用虚线示出的用于 0.7〔cm〕的壁厚极限线的曲线数据。\n由于复杂的扭曲的形状，可实现的函数g3和φ3只能特别费 钱地用下面的积分((1b)～(4b))中的附加问题用数学表示；用 计算机程序将最后的许多小的分量求和的连似法此处可以获得成功：\n对此，可将平衡空间分割成N个沿轴向彼此错开地放置的具有同样 厚度ΔW的盘。每个盘的端面轮廓分别通过许多单个的点定义并按此方式 被贮存。\n计算机分程序首先由此对每个盘算出gn和φn的值，并将其贮存在场 数据存贮器中。\n另外一个计算机程序重新取出这些值并通过求和形成积分值： $P_v/{\omega }^2{\tau }_0=\mathrm{\Delta W}·\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{g}_n·{\sin \phi }_n\left[{\mathrm{cm}}^4\right]....\left(2c\right)$ $M_{u,w}/{\omega }^2{\tau }_0=\mathrm{\Delta W}·\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{g}_n·{W_n·\cos \phi }_n\left[{\mathrm{cm}}^5\right]....\left(4c\right)$ $P_u/{\omega }^2{\tau }_0=\mathrm{\Delta W}·\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{g}_n·{\cos \phi }_n\left[{\mathrm{cm}}^4\right]....\left(1c\right)$ $M_{v,w}/{\omega }^2{\tau }_0=\mathrm{\Delta W}·\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{g}_n·{W_n·\sin \phi }_n\left[{\mathrm{cm}}^5\right]....\left(3c\right)$\n现在可在结构上在翼的中间区将盘的端截面轮廓优化地延伸至极限 线(图6中的虚线)，同时使实心螺纹和平衡穴的重心角的位置108一 致(图4)。\n中间区(首先)经过一个数量m为变动的同样的盘延伸，端面区各 自有5个轮廓逐步变小的盘(图7)。当ΔW＝0.108〔cm〕并变动m 时，则对于3个翼的平衡穴可得到在表2中所示的值。\n当值α2＝806.8～806.9[＜°]和m＝10时可得到很好的近似。通 过修正盘的几何形状可得到以后的精确的调整。螺纹长度/螺距之比的由 计算确定的值此处为2W2/l＝a＝4.4825＜9/2。\n在实施例的第二变型(图8、9)中，所要求的螺纹深度t(图8) 较小，相当于比较大的芯部直径c(图8)。有效的平衡穴203(图8) 的走向为直线的，与轴线平行，具有在螺杆芯部区内部偏心的不变横截 面(图9)，沿轴向布置(10)。\n如此形成的平衡穴203对动态不平衡没有影响。在计算过程中，也 是首先借助(3a)在9/2圈的附近确定精确值a0＝螺纹长度/螺距，对于 它，螺纹的动态不平衡同样等于“零”。此值a0与牙型无关。对于不同 的缠绕的某些值示于表3中。由此用(1a)直接得到螺纹的(与牙型有 关的)静态不平衡值：\n        Pu/ω2τ0    ＝  g0·(l/π)sinα2\n                                 α2＝14.0662      [rad]\n                                  l ＝5.390         [cm]\n                                  g0＝150.374      [cm3]\nPu/ω2τ0    ＝  257.347                [cm4] 此值将通过横截面与长度的调整而与平衡穴203的值相等。\ne＝2.85[cm]    d＝1.6[cm]＝＞j＝20.3[cm] 在一第二变形的子变型(图11中)，螺杆转子302悬臂地支承在单 侧地在螺杆体上共轴线地固定的转子轴上。偏心平衡穴303可以螺杆转 子的无轴的端面侧越过一大的共轴线的孔接近，因而可用多种方法制 造。螺杆体与转子轴最好做成一体的单件，共轴线的孔和转子端面侧可 任选地用一塞子309封闭。受单侧支承制约的螺旋体等的特殊的比例在 同样的计算过程中导致平衡穴303的不同的比例e、d、j。\n具有按照在图3、4、6、7、8、9中描述的比例的所述的实施 例的两个变形的牙型几何形状的螺杆转子可以以理论为基础并借助计算 机进行计算，并按1个长度单位(L.E)＝1cm实现并成功地实验。\n表1： α2 [＜°]  Pu/ω2τ0  [cm4]  Mv，w/ω2τ0  [cm5]  807.4  807.3  807.2  807.1  807.0  806.9  806.8  806.7  806.6  577.045  576.998  576.950  576.900  576.848  576.794  576.739  576.682  576.623  229.381  213.715  198.053  182.394  166.739  151.087  135.438  119.793  104.151 表2：   m  Pu/ω2τ0  [cm4]  Mv.w/ω2τ0  [cm5]  Pv/ω2τ0  [cm4] Mu，w/ω2τ0 [cm5]  13  12  11  10  9  8  7  641.926  619.980  596.549  571.692  545.467  517.937  489.169  231.623  199.530  170.234  143.681  119.803  98.519  79.735 -3.902 -4.081 -4.251 -4.410 -4.559 -4.697 -4.824 3.970 3.574 3.192 2.824 2.473 2.140 1.827 表3： a0=2W2/l=2α2/2π 2.459  3.471  4.477  5.481  6.484  7.486   1/2的非簦数倍 5/2  7/2  9/2  11/2  13/2  15/2\n                                                                 etc.