真空滤油机用涡旋真空泵涡旋盘优化研究

发布时间：2016-10-23 08:15

第 1 章 绪论

真空滤油机作为典型油净化设备之一，根据水的沸点比油低、真空状态下水沸点大大下降的真空干燥原理设计而成，可高效脱除废油中的水分、气体和机械杂质[1]。图 1.1 展示了真空滤油机基本工作流程：先经粗过滤器滤除待处理油液中粒径较大的杂质，粗滤后的油液进入加热系统升温，高温油液粘度降低，经精滤器进一步滤除粒径较小的杂质，精滤后的油液经真空分离系统中完成脱水、脱气，最终由高精度过滤器进行深度过滤。在真空滤油机真空过滤、真空蒸发、真空脱气等工艺过程中，真空泵机组提供必须的真空环境，其中粗抽泵的作用尤为突出，它为主泵工作创造必需的真空条件。这是由于用于较高真空的滤油机主泵不可直排大气，否则会造成主泵吸气口与排气口之间压差过大，使主泵过载而影响正常工作。所以必须先使用前级粗抽泵快速抽气，将工作系统内的压力降低至一定范围内，该范围内的压力适合启动滤油机主泵工作，从而有效避免主泵的超载运作。早期在滤油机中应用较为广泛的是罗茨泵-水环泵机组，当真空系统需要处理大量水蒸汽时，利用水环泵粗抽较为适宜，水环泵还能提供罗茨主泵所需的预备真空条件，有利于罗茨泵的工作。但由于水环泵极限真空度不高，通常在 2000～4000Pa 之间，致使整个机组的极限真空度较低；此外，水环泵耗电量大，噪声大，效率很低，仅 30%～50%，若在真空干燥长时间需求的系统中使用水环泵作为前级泵，显得很不经济实用。

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第 2 章 真空滤油机用涡旋真空泵涡旋盘及涡旋型线分析

2.1 真空滤油机用涡旋真空泵涡旋盘

真空滤油机用涡旋真空泵主要由泵头、电动机、机座等构成。泵头内的静涡旋盘与动涡旋盘组成涡旋盘副为涡旋真空泵的基本抽气机构。涡旋盘由一个圆形端板和从圆形端板平面上垂直拉伸一定高度，并在径向具有一定厚度的一条螺旋形涡旋齿构成。渐开线型涡旋盘的基本结构如图 2.1 所示，构成涡旋齿的轮廓型线是包括外侧型线和内侧型线，齿头处的啮合点为两种型线的分界点。

2.2 基于通用型线的涡旋盘型线研究

通用型线顾名思义强调通用与统一，是基于普遍性的涡旋型线表征方式。其他任何单一涡旋型线均可作为通用型线中的特例，如圆渐开线、线段渐开线等，是基于特殊性的涡旋型线表征方式。由于不同的涡旋型线可加工出性能各异的涡旋盘。当采用单一型线进行涡旋盘设计与加工时，涡旋盘的性能将完全由该种型线的数学特性决定，也就因此限制了涡旋性能的进一步延伸。基于通用型线的涡旋盘，在数学特性上不受任何限制，可结合涡旋盘结构、性能、加工等多方面需求进行涡旋盘设计[32]。

第 3 章 基于通用型线的涡旋盘型线生成与优化研究 .............18

3.1 基于通用型线的涡旋盘型线生成原理分析 ............. 18
3.2 基于通用型线的涡旋盘型线生成方法研究 .............. 19
3.3 基于通用型线的涡旋盘型线参数优化研究 ................... 25
3.4 本章小结 ........... 26
第 4 章 基于优化型线的涡旋盘运动仿真研究 ................28
4.1 基于优化型线涡旋盘的三维实体虚拟建模 .................... 28
4.2 真空滤油机用涡旋真空泵其余部件的三维实体建模 ....... 30
4.3 基于优化型线涡旋盘的运动仿真前处理 ............. 33
4.4 基于优化型线涡旋盘的运动仿真与结果分析 .......... 35
4.5 本章小结 ........... 37
第 5 章 基于优化型线涡旋盘的应力与变形仿真研究 ......................38
5.1 基于优化型线涡旋盘应力与变形的有限元基础 ........ 38
5.2 基于优化型线涡旋盘的应力与变形仿真模型 ................. 39
5.3 基于优化型线涡旋盘的应力与变形仿真结果与分析 .................. 42

5.4 本章小结 ................. 51

第 5 章 基于优化型线涡旋盘的应力与变形仿真研究

5.1 基于优化型线涡旋盘应力与变形的有限元基础

本章所做的涡旋盘应力与变形仿真分析，主要是为了研究动、静涡旋盘在恒定温度下，吸排气过程中，气体载荷作用对涡旋盘结构的影响，从而根据应力和变形情况，对涡旋盘的设计提出要求。构成涡旋盘通用型线的复杂性使得涡旋盘在气体力作用下应力与变形分析比较困难，而运用有限元思想，对涡旋盘模型进行离散化处理，即将整个模型划分为足够多个较为规则的单元网格，这些单元网格之间彼此以节点连接，运用有限个小单元体代替原模型，迭代求解每一个单元网格的受力情况，运用弹性力学的相关原理，可构建单元节点应力与单元位移之间的关系，通过构造一系列以节点位移为变量的方程组，可求出各离散节点处的位移分量值，进而求得各节点单元的应变分量和应变值。同理可以得到单元节点与应力之间的关系，最终求得各单元体的应力值。

5.2 基于优化型线涡旋盘的应力与变形仿真模型

由于涡旋盘结构特征比较复杂，在人工进行有限元分析时需要对大量的单元和节点信息数据进行编制和处理，计算过程不仅繁琐而且困难。由于软件自带有限元分析的前处理文件，可方便进行有限元网格自动划分，并可以有效检验有限元单元网格划分的合理性。动涡旋盘和静涡旋盘的结构大同小异，方法大致相同，且均可用软件进行有限元前处理。为了更加准确地计算和分析有限元模型中涡旋齿以及涡旋齿与圆盘相连接处的应力和变形情况，本次仿真将最小单元尺寸设置为 1.6mm，选择十节点四面体单元法对涡旋盘进行自动网格划分，材料方向依据材料自身的物理属性表，网格划分完成后还需要对有限元模型进一步检查，主要是检查最小单元网格大小是否为正值，检查是否有划分失败的单元或不连续的单元。最后确定动涡旋盘有限元网格中的单元数为 208303，节点数为 332080；静涡旋盘有限元网格中的单元数为 215493，节点数为 341862，有限元网格划分情况如图 5.1 和 5.2 所示。
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第 6 章 结论与展望

本文围绕真空滤油机用涡旋真空泵的涡旋盘进行研究。目的在于探索和总结涡旋盘设计过程中需要遵循的步骤及方法，并对其中存在的关键性问题进行分析，主要做了如下工作：(1) 在研究真空滤油机用涡旋真空泵的涡旋盘结构特性与工作原理的基础上，对构成涡旋盘的涡旋型线展开研究。在明确了运用通用型线理论研究涡旋盘型线的必要性及优越性的基础上，给出了基于通用型线的涡旋齿型线、内外侧型线的的表征方程；讨论了切向角阶次对涡旋盘齿形及壁厚的影响。(2) 研究了基于通用型线理论的涡旋盘型线生成方法与优化。首先对采用型线方程生成涡旋盘型线的方法进行研究。研究表明该方法需要对型线方程求微分得到曲率半径函数，进一步由积分表达变换式对曲率半径函数求积分，最终得到涡旋型线在平面坐标系下的表征，至此才能编程绘制基于通用型线的涡旋盘型线。该方法涉及复杂的微分与积分运算，降低了涡旋盘型线的设计效率；然后对比研究了基于向量关系的涡旋盘型线生成方法。研究表明以切向角为参数的啮合点处法向分量的多项式亦可表征通用型线，，建立了基于向量关系的涡旋盘型线表征方程，并编写了 MATLAB 程序，通过对通用型线方程的待定系数向量赋值，即可得到任意待定系数下的基于通用型线的涡旋盘型线方程；最后对基于通用型线的涡旋盘型线进行优化，得到圈数 N =3.25，节距 P =1 7.26mm，齿厚t=4.71mm ，齿高h  26.15mm的涡旋型线，优化后型线的主要性能得到有效提升，压缩面积比原来约增加了 11.22%，体积利用率约上升了 6.26%，压缩比约提高了8.28%。

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参考文献（略）

本文编号：150012