單螺桿泵幾種型線的分析及工藝探討

在牛頓流體、非牛頓流體和氣一液兩相流體輸送中，螺桿泵有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。而應(yīng)用廣泛的單、雙和三螺桿泵的結(jié)構(gòu)、工作原理截然不同。從經(jīng)濟(jì)適用角度考慮，此三類螺桿泵都有其它泵不能取代的應(yīng)用領(lǐng)域。單螺桿泵由于型線簡(jiǎn)單、型面精度要求不高，可采用無屑加工的高效工藝，所以價(jià)格低，在其結(jié)構(gòu)及適應(yīng)性等方面也有諸多優(yōu)點(diǎn)，在非潤滑介質(zhì)、含固體介質(zhì)和腐蝕性介質(zhì)的輸送方面獨(dú)樹一幟。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)單螺桿泵的企業(yè)遠(yuǎn)多于生產(chǎn)雙、三螺桿泵企業(yè)。單螺桿泵中單頭單螺桿泵(即1／2型面)占絕大多數(shù)，而國際上已逐步推廣先進(jìn)的雙頭單螺桿泵(即2／3型面)。本文分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)并探討其工藝途徑和橫截面型線(各公式推導(dǎo)過程從略)，為新型線的推廣和應(yīng)用提供參考。

1、型線種類

1.1  常規(guī)型線(1／2型面橫截面型線如圖l例所示，簡(jiǎn)稱A型，是古老的型線，由法國工程師Myan0首先提出。轉(zhuǎn)子截形為圓。其直徑D=2 a，偏心距e，節(jié)距t，單頭。定子截形是兩半徑為a，圓心相距4e的長圓。其參數(shù):節(jié)距T=2t，雙頭。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡是轉(zhuǎn)子截面重心以e為半徑在2 e為半徑的圓內(nèi)滾動(dòng)r即所謂卡丹諾圓問鄹的行星運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子頭數(shù)與定子頭數(shù)之比為12。

1.2新型線(2/3型面)

橫截面如圖l（b）(c)所示，簡(jiǎn)稱B型、C型，是近幾年國內(nèi)外提出的新型線。

B型轉(zhuǎn)子截形為半徑a，圓心相距4 e的長圓，其直徑D=2 a，

偏心距e，節(jié)距t，雙頭。C型轉(zhuǎn)子截形是類橢圓，其直徑D=2a，偏心距e，大半徑b=a+2e，節(jié)距t，雙頭。 

定子截形的形成如圖I(d)圳所示。如前述卡丹諾圓運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)半徑為1．5 e，以e為半徑的圓上一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡謂之骨線(圖2的三棱狀內(nèi)擺線K)。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)稱軸線4 9問線段與骨線共軛，運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子外廓的展成線即為定子型線。雖運(yùn)動(dòng)軌跡相同，由于轉(zhuǎn)子截形不同，所展成的定子型線差異甚大，B型為三瓣花形C型為類三角形。其節(jié)距丁=1．5 t，三頭。轉(zhuǎn)子頭數(shù)與定子頭數(shù)之比為23。

2、型線方程

A B型轉(zhuǎn)子型線方程相同i C型轉(zhuǎn)子型線方程為類橢圓。

新型線定予方程與骨線相關(guān)。圖2中，滾圓上的A1點(diǎn)，當(dāng)圓心轉(zhuǎn)過由角時(shí)運(yùn)動(dòng)至赴點(diǎn)，其骨線方程為式(I)。B型定子廓形是以a為半徑的骨線等距線(侶線)與以a為半徑的圓弧組成。侶線方程為式(2)。純圓弧段是圓心不在原點(diǎn)的圓方程為式(3)。X0和Y0為骨線尖點(diǎn)坐標(biāo)。C型定子型線方程與B型類似，故略。

3各型面優(yōu)缺點(diǎn)

 (1) A型

優(yōu)點(diǎn):轉(zhuǎn)子和定子型線簡(jiǎn)單，生產(chǎn)歷史長，加工經(jīng)驗(yàn)豐富，有高效、經(jīng)濟(jì)的工藝方法。如轉(zhuǎn)子采用連續(xù)沖壓工藝制造空心螺桿廠(圖3)，不僅高效、省材，而且可提高泵的效率和壽命。通常，定  子多采用模具加工的橡膠制品。然而在高壓情況，因橡膠受壓變形，使介質(zhì)回流，泵效率急劇下降，有的高壓泵效率僅l．0％左右。解決此問題，剛性套是一個(gè)有效途徑。因A型定子型線簡(jiǎn)單，使其剛性套的制造較容易（圖3）

缺點(diǎn)：由于轉(zhuǎn)子和定子接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并非純滾動(dòng)，尤其在定子兩直線段滑動(dòng)速率較大，易磨損。

2：2／3型

同參數(shù)情況下，2／3型較A型流量大，因而同流量時(shí)體積較小。例如．．e=0．2cm，D亍1．75cm，理論流量Q（m/r）:

A型:Q=1．36 T

B型 Q=1.612T

C型 Q=1.6041T

同參數(shù)情況下，B型理論流量較A型大2πe2值,C型流量略小于B型。

轉(zhuǎn)子是雙頭，因而其重心偏移率是A型的一半。從而可允許較高的轉(zhuǎn)速，且噪聲較小。每轉(zhuǎn)的腔室由2x3代替1x2，使泵脈動(dòng)降低較多。腔室的增加也使滑動(dòng)速率較大的區(qū)問瞬時(shí)速度比A型低，由此可減少磨損，提高壽命。此外，新型面密封性強(qiáng)，可提高容積效率。

在新型線中，由于B型定子型線是由非連續(xù)方程曲線展成，廓形存在6個(gè)硬過渡點(diǎn)(，骨線侶線與尖點(diǎn)圓弧過度處)，顯然對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命有所影響。然而C型定子廓形是由連續(xù)方程曲線展成，故無此現(xiàn)象。

綜合分析，目前我國宜推廣C型泵。據(jù)悉，C型在一些國家已商品化，如德國阿爾維勒AG公司推出的AED系列等泵。

4、工藝探討．

A型轉(zhuǎn)子工藝較成熟，可采用成形車、靠模車、旋風(fēng)銑、連續(xù)沖壓等方法。連續(xù)沖壓成型目前是A型轉(zhuǎn)子佳生產(chǎn)方式之一。國外采用多軸腔機(jī)床加工2／3型轉(zhuǎn)子，成本較高。國內(nèi)已有單位引進(jìn)其加工機(jī)床，如WEIN-GARTNER公司的VARID型五軸數(shù)控銑床，可加工很多種類螺桿的精密型面以及單螺桿泵的轉(zhuǎn)子、模芯和剛性套。但單螺桿泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)廠多為硬轉(zhuǎn)子、軟定動(dòng)是屬于型面復(fù)雜并非精密(相對(duì)雙、三螺桿泵而言)的產(chǎn)品，因此如僅將其作為加工單螺桿泵的專用機(jī)床，則顯然功能過剩。況且該型中等規(guī)格設(shè)備，價(jià)位約1000萬元，也是值得考慮的問題。據(jù)作者經(jīng)驗(yàn)分析，樣機(jī)或小批生產(chǎn)用帶靠模裝置的普通機(jī)床即能完成,若大批生產(chǎn)，在現(xiàn)有A型轉(zhuǎn)子加工機(jī)床上安裝仿型銑頭，作者已完成結(jié)構(gòu)設(shè)訓(xùn)即可勝任。

A型橡膠定子模芯加工可采用車、銑、磨等多種方法，各廠對(duì)此已有豐富經(jīng)驗(yàn)。新型線模芯的工藝方法與A型類同。關(guān)鍵是要有正確的型線坐標(biāo)信線性或非線性收縮的補(bǔ)償匐。A型剛性套的加工用普通萬能機(jī)床即可,2／3型剛性套加工則需極昂貴的設(shè)備。

5、CAD型線設(shè)計(jì)實(shí)例

本文用類似三螺桿泵型線改進(jìn)所用的軌跡法進(jìn)行編程。該方法簡(jiǎn)單可靠，無需建立包絡(luò)方程，該程序已用于雙、三螺桿泵的型線設(shè)計(jì)。

程序?yàn)槟�塊化設(shè)計(jì)，將其以程序包納入刀具設(shè)計(jì)軟件后，不僅可計(jì)算單螺桿泵轉(zhuǎn)子、定子的端、軸、法截面，還可計(jì)算轉(zhuǎn)子、定子模芯的成形車、銑、滾、磨等刀具型線以及該刀具的鏟磨砂輪工藝參數(shù)。程序還具有各類橡膠模芯收縮量的補(bǔ)償功能，為單螺桿泵新舊型線的研究和生產(chǎn)提供了方便。

表l為CAD計(jì)算實(shí)例。其計(jì)算參數(shù)為e=20、D=1 70。實(shí)用時(shí)，點(diǎn)的密度可任意設(shè)定。型線坐標(biāo)值，轉(zhuǎn)子為l／4型線段;定子為1／6型線段。使用時(shí)將其對(duì)稱排列即全廓形。

表中第3點(diǎn)是B型線的硬過渡點(diǎn).

(1)雙頭單螺桿泵性能優(yōu)越，在原單頭單螺桿泵基礎(chǔ)上改型簡(jiǎn)便。 

(2)例根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，幾乎原生產(chǎn)1／2型單螺桿泵的企業(yè)轉(zhuǎn)型生產(chǎn)2／3型產(chǎn)品，工藝上不存在太大困難。

(3)本文CAD軟件能滿足不同條件的企業(yè)對(duì)2／3型單螺桿泵產(chǎn)品開發(fā)的要求。