一種適用于無(wú)油螺桿真空泵的單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子新型線，其端面型線依次由齒根圓、擺線、齒頂圓和漸開(kāi)線線順序相接組成；該型線的主要特征是：當(dāng)端面型線沿軸向作變螺距螺旋展開(kāi)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子螺旋導(dǎo)程由排氣端向吸氣端逐漸增大，同時(shí)其漸開(kāi)線的發(fā)生圓半徑則逐漸變小，使轉(zhuǎn)子齒形面的齒頂寬可以保持不變，因此能夠增大吸氣端的吸氣容積，降低排氣端的氣體返流泄漏，從而提高泵的抽速和極限真空度.文章中給出了端面型線的極坐標(biāo)方程、軸向展開(kāi)方程和漸開(kāi)線發(fā)生圓半徑的計(jì)算方程，可供設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

　　無(wú)油螺桿泵具有抽速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抽氣腔元件無(wú)摩擦、壽命長(zhǎng)、能耗低、無(wú)油污染等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、醫(yī)藥、食品、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域。螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿真空泵中最關(guān)鍵的抽氣部件，直接決定著泵的工作性能和使用壽命，其加工制造成本約占整個(gè)螺桿泵總成本近一半。螺桿轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計(jì)則是整個(gè)螺桿泵設(shè)計(jì)中的最關(guān)鍵技術(shù)。

　　無(wú)油螺桿真空泵中的螺桿轉(zhuǎn)子具有等螺距和變螺距兩類(lèi)結(jié)構(gòu)形式。其中單頭變螺距的螺桿轉(zhuǎn)子，因其具有內(nèi)部預(yù)壓縮的排氣方式，與等螺距螺桿轉(zhuǎn)子相比，具有突出的節(jié)能降噪優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越備受無(wú)油螺桿真空泵的設(shè)計(jì)者和使用者的青睞。已有許多技術(shù)人員設(shè)計(jì)出了多種結(jié)構(gòu)形式的單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線或?qū)ζ溟_(kāi)展了深入的研究。然而，已有的各種變螺距螺桿轉(zhuǎn)子普遍存在著齒頂寬在吸氣端大而在排氣端小的特征，并因此影響泵的性能。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)推薦一種具有近似等齒頂寬的單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

問(wèn)題的提出

　　盡管已有的單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線的結(jié)構(gòu)構(gòu)成多種多樣，但其共同的結(jié)構(gòu)特征是：隨著螺桿轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程(節(jié)距)由吸氣端向排氣端逐漸變小的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子齒型中的齒頂寬(以及對(duì)應(yīng)的齒根寬)也隨之等比例地逐漸變窄，如圖1所示。這一結(jié)構(gòu)特征會(huì)直接導(dǎo)致螺桿泵的抽氣性能變差。因?yàn)檗D(zhuǎn)子齒頂面與泵體內(nèi)表面之間的間隙是轉(zhuǎn)子排氣過(guò)程中氣體級(jí)間返流的最主要泄漏通道，而轉(zhuǎn)子齒型的齒頂寬則相當(dāng)于該泄漏通道的深度，齒頂寬越寬，泄漏通道越深，對(duì)級(jí)間泄漏的阻擋能力越強(qiáng)，則相鄰兩級(jí)之間的氣體返流量就越小。已有的單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線的齒頂寬由吸氣端向排氣端逐漸變窄，則對(duì)級(jí)間泄漏的阻擋能力越來(lái)越弱。而螺桿真空泵在工作過(guò)程中，恰恰是越靠近排氣端，氣體壓力和級(jí)間壓力差就越大。這種在壓力差變大處齒型齒頂寬反倒變小的結(jié)構(gòu)，會(huì)直接導(dǎo)致靠近排氣端處氣體返流量增大，是明顯的不合理狀況。反之，在靠近泵的吸氣端處，氣體壓力和級(jí)間壓力差均比較小，而此處的齒型齒頂寬卻變得很大，則明顯是不必要地。同時(shí)，過(guò)于寬大的齒頂寬反而會(huì)導(dǎo)致泵的入口吸氣容積(以容積利用系數(shù)表征)偏小，降低了其實(shí)際抽氣速率。

圖1普通的變螺距螺桿轉(zhuǎn)子立體圖

　　總而言之，以往的變螺距螺桿轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會(huì)直接導(dǎo)致如下不合理狀況：在轉(zhuǎn)子吸氣端，齒型齒頂寬不必要地增大，從而降低了泵的容積利用系數(shù)；而在轉(zhuǎn)子排氣端，級(jí)間氣體壓力差很大，齒型齒頂寬反倒變小，致使氣體返流量增大。這會(huì)直接造成螺桿真空泵的極限真空度降低和抽氣速率下降的后果。

端面型線的構(gòu)成

　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文介紹一種能夠保持齒型齒頂寬近似恒定(當(dāng)然，對(duì)應(yīng)地，齒根寬也會(huì)保持恒定)的單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子型線。如圖2所示，一個(gè)變螺距螺桿轉(zhuǎn)子，當(dāng)螺旋導(dǎo)程由排氣端向吸氣端逐漸增大時(shí)(P1<P2<P3<P4)，而齒頂寬卻始終保持不變(B1=B2=B3=B4)；僅僅是斜齒面所占據(jù)的軸向長(zhǎng)度不斷增加(L1<L2<L3<L4)。

　　本文所介紹的這一轉(zhuǎn)子型線，其端面型線的構(gòu)成比較常見(jiàn)，由4段曲線順序相接組成，如圖3所示，依次為齒根圓1、擺線2、齒頂圓3和漸開(kāi)線4。將該端面型線沿軸向做變螺距螺旋展開(kāi)，則形成一個(gè)單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子。由4段曲線所對(duì)應(yīng)生成的螺桿轉(zhuǎn)子齒型面，則分別為如圖2中所示的齒根面5、凹齒面6、齒頂面7和斜齒面8。其中擺線2可以采用多種形式的具有自嚙合特性的過(guò)渡段曲線，所生成的過(guò)渡齒面也隨之改變。

　　雖然這種端面型線看上去就是實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用、最為常見(jiàn)的一種型線，卻能夠達(dá)到螺桿轉(zhuǎn)子保持齒頂寬不變的效果。其實(shí)現(xiàn)方法是隨著端面型線的變螺距展開(kāi)，型線中漸開(kāi)線4的發(fā)生基圓的半徑也隨之改變，從而使齒根圓、漸開(kāi)線和齒頂圓三段曲線各自所占據(jù)的角度范∠aoc=θC、∠coe、∠eog=θE也隨之變化，可以保證在轉(zhuǎn)子的螺旋導(dǎo)程(節(jié)距)隨螺旋展開(kāi)角成正比變化的情況下，轉(zhuǎn)子齒形面的齒頂寬近似地保持不變。

設(shè)計(jì)實(shí)例

　　最后，給出一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。一個(gè)無(wú)油變螺距等齒頂寬螺桿轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：齒根圓半徑為r=36mm，齒頂圓半徑為R=96mm；節(jié)圓直徑e=R+r=132mm；排氣端面處的轉(zhuǎn)子初始導(dǎo)程P1=48mm；吸氣端面處的轉(zhuǎn)子終止導(dǎo)程P2=192mm；轉(zhuǎn)子工作區(qū)總長(zhǎng)度L=540mm；計(jì)算得到變螺距系數(shù)λ=1/(6π)，其螺旋圈數(shù)為4.5圈。設(shè)計(jì)取右旋螺桿轉(zhuǎn)子的下齒頂寬保持為B(τ)=20mm，由上述各個(gè)公式，計(jì)算得到漸開(kāi)線基圓半徑a(τ)與螺旋展開(kāi)角τ及軸向坐標(biāo)z之間的關(guān)系如表1所示，其結(jié)構(gòu)圖如前面圖2所示。由圖2中可以看出，轉(zhuǎn)子的螺旋節(jié)距由吸氣端向排氣端逐漸增大，與螺旋展開(kāi)角成正比；但齒頂寬始終保持B=20mm不變；而斜齒面所占據(jù)的軸向長(zhǎng)度L不斷增加。

　　與該右旋轉(zhuǎn)子配對(duì)使用的左旋轉(zhuǎn)子，其各截面上的漸開(kāi)線基圓半徑a(τ)必須與右旋轉(zhuǎn)子相同，因此其軸向齒頂寬無(wú)法保持恒定。表1中同時(shí)給出了對(duì)應(yīng)螺旋展開(kāi)角τ處左旋轉(zhuǎn)子朝向排氣端一側(cè)的上齒頂寬值B'(τ)，可以發(fā)現(xiàn)，該值由吸氣端向排氣端是呈逐漸增大的趨勢(shì)的，這與普通變螺距螺桿轉(zhuǎn)子的變化趨勢(shì)恰好相反，是有利于提高螺桿泵的抽氣性能的；而且總體變化量不大，近似保持著等齒頂寬的特點(diǎn)。此外，表1中還對(duì)照給出了常規(guī)變螺距左旋螺桿轉(zhuǎn)子的上齒頂寬值B″(τ)和右旋螺桿轉(zhuǎn)子的下齒頂寬B��(τ)(在漸開(kāi)線基圓半徑恒等于24mm條件下)，可以看出該值在吸氣側(cè)極大而排氣端偏小。具有同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的常規(guī)變螺距螺桿轉(zhuǎn)子的形狀如圖1所示。

表1設(shè)計(jì)實(shí)例的漸開(kāi)線基圓半徑與齒頂寬計(jì)算值

結(jié)論

　　本文提出了一種適用于無(wú)油螺桿真空泵的新型單頭變螺距等齒頂寬螺桿轉(zhuǎn)子型線，給出了端面及軸向變螺距的全部型線方程。這種型線的主要特征是：隨著端面型線的變螺距展開(kāi)，轉(zhuǎn)子螺旋導(dǎo)程逐漸變大，斜齒面的軸向長(zhǎng)度也逐漸變大，但齒頂面寬度始終不變。與以前的各種單頭變螺距螺桿轉(zhuǎn)子相比，該型線轉(zhuǎn)子在吸氣端的齒頂寬度相對(duì)較小，端面型線的容積利用系數(shù)大，從而形成更大的級(jí)間吸氣容積，因此在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下具有更大的理論抽速；反之，該型線轉(zhuǎn)子在排氣端的齒頂寬度卻相對(duì)較大，具有更強(qiáng)的級(jí)間泄漏阻擋能力，能夠使氣體級(jí)間泄漏返流量降低，從而有利于提高真空泵的極限真空度和實(shí)際有效抽速。并且排氣端的容積利用系數(shù)變小，會(huì)使泵的吸排氣壓縮比變大。

　　本文所給出的僅僅是轉(zhuǎn)子理論型線的設(shè)計(jì)方程，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮留有必要的嚙合間隙。此外，這一種轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)和加工制造工藝設(shè)計(jì)，還有待更進(jìn)一步的研究。