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制冷压缩机是蒸气制冷系统中的核心部件，压缩机的性能直接决定了制冷系统的效率和性能。螺杆制冷压缩机由于其结构紧凑、运行高效及适应性强等优点，应用领域不断扩大，对螺杆压缩机设计计算水平的要求也越来越高。此外由于能源和环保要求，制冷剂也在不断更新，而制冷剂替代问题对制冷螺杆压缩机的研发设计存在深远影响。 本文推导了基于离散数据计算其共轭型线的方法，利用三次参数样条函数拟合计算双螺杆压缩机阴转子型线的一阶导数，然后根据一阶导数和包络条件通式计算其共轭型线。结果发现，利用三次参数样条函数拟合计算一阶导数的方法，针对目前由多段二次曲线连接而成的转子型线，其计算存在“奇异点”的问题，本文对奇异点出现原因进行了解释并提出了消除奇异点的解决办法。本文还通过衡量计算型线和理论型线的法向间隙误差来反映共轭型线计算方法的优劣，将数值法计算得到的共轭型线与理论共轭型线数据进行了对比分析，发现消除奇异点后计算型线和理论型线的法向间隙误差很小，完全满足实际工业生产的需要。 本文推导了基于离散数据计算型线几何特性的数值计算方法，包括螺杆转子的接触线、泄漏三角形、齿间面积、齿间容积以及齿顶密封线等几何特性的计算。通过这些数值计算方法，可以快速准确地计算离散数据型线的接触线长度、泄漏三角形大小、齿顶密封线等几何特性参数，从而快速衡量转子型线的优劣，为转子型线开发设计提供参考。 本文分析了双螺杆制冷压缩机工作过程数学模型，并建立了包括质量守恒、能量守恒、换热模型、泄漏模型以及补气模型在内的方程，根据工作过程数学模拟，得到了螺杆制冷压缩机p-V指示图以及对应工况下压缩机的宏观热力性能，并将计算结果与实验结果进行对比。结果表明，模拟结果与实验结果误差较小，所建立的螺杆制冷压缩机工作过程模型和程序可以用于压缩机性能预测。 本文在型线计算、几何特性计算以及工作过程模拟的基础上对计算程序进行集成，在MATLAB平台上编制了用于螺杆压缩机设计计算的图形用户界面（GUI），集成后的软件不仅可应用于双螺杆制冷压缩机，还可应用于螺杆空压机和三转子压缩机的设计计算，具有良好的通用性。此外，基于MATLAB编写的图形用户界面具有良好的开放性和可移植性，可以方便移植应用于不同系统和不同电脑上，还可与NIST相连接，将新工质应用于螺杆压缩机设计计算软件当中。

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工作过程模拟 离散数据 螺杆压缩机 型线计算 性能预测

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Abstract ：

采用爪式型线的双转子类型泵，由于其特有的“爪”结构可以有效增加转子密封性，产生内压缩过程，而被广泛应用于抽取真空环境。爪式型线的设计直接决定了泵的整体性能，也是造成国内外差距的关键技术。然而，目前国内对爪式型线的设计与研究仍停留在组合传统型线层面上，型线可变的形状空间非常有限，多为点啮合摆线，渐开线等传统曲线的组合，这制约了采用爪式型线的相关泵型的性能提升。为了进一步扩展现有的爪式型线，本文将复杂曲线引入爪式型线的设计中，提出了伪多项式及其包络线组成的爪式型线，该类型线囊括了传统的渐开线形式并扩展出了无尖点的爪式型线，引入了多齿爪式型线，从能否在空间中形成完整密封腔的角度分析了多齿爪式型线的设计方法，从而增加了爪式型线形状的可变空间。 本文具体进行了两类新型爪式型线的设计，给出了型线的数学模型与求解过程，两类型线分别应用于螺杆真空泵转子与爪式泵转子的设计中。应用于螺杆真空泵转子的新型双齿型线可以通过平衡设计实现完全的动平衡，且在无间隙的条件下可以达到完全密封，避免了传统对称形螺杆真空泵转子空间中存在的泄漏三角形，增加了转子密封性能。应用于爪式泵转子的新型型线应用于一种新型的双电机驱动双转子泵结构。在该结构中，两转子分别由两个电机同步驱动，省去了同步齿轮箱。本文详细分析了应用该新驱动结构的爪式泵的型线设计问题，提出了一种通过间隙设计来匹配双电机的同步驱动精度以防止转子相撞的型线设计方法，分析了间隙与驱动精度之间的关系，给出了一种型线修正方法用来降低对同步驱动精度的要求，并进行了双电机同步驱动爪式泵的样机试制与运行试验。试验结果表明：通过间隙设计来控制双电机同步驱动精度要求的方法可以有效的防止爪式泵两转子的碰撞且能保持较为均匀的间隙，验证了本文爪式型线设计方法的有效性，为采用双电机同步驱动结构的其他类双转子泵的转子型线设计提供了参考。

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螺杆真空泵转子 双电机驱动泵 爪式泵吸排气孔口 爪式泵转子 爪式型线设计

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一种严格密封型双齿双螺杆真空泵转子型线，其中一个转子包括首尾依次相连的第一齿顶圆弧段ab、第一渐开线段bc、第一点啮合外摆线段cd、第一齿根圆弧段de、第二点啮合外摆线段ef、第二渐开线段fg、第二齿顶圆弧段gh、第三渐开线段hi、第三点啮合外摆线段ij、第二齿根圆弧段jk以及第四点啮合外摆线段ka，另一个转子具有相同的结构。在转动过程中，型线处处连续，每个转角下，都存在一个至多个啮合点，降低了功耗，提高了极限真空度。双螺杆真空泵采用此型线能够使阴阳转子的动平衡性能得到改善，运行过程中无泄漏三角形，具有易损件少，结构紧凑，抽气速率高，无喘振，振动噪音小等优点。

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单螺杆压缩机具有易损件少、维修简单、体积小、噪音低、长时间连续运行等特点，但目前存在型线比较单一、加工工艺差、工件耐磨性差等问题，有一定的工程研究价值。 首先，本文结合已提出的多圆柱包络原理，根据多段啮合、分散磨损的设计方法，提出了一种三圆柱包络型线各包络圆柱的排列方式。对三圆柱包络区域进行划分，进而得到了三圆柱包络型面方程，并依此建立三圆柱包络型面数学模型，利用此数学模型进行仿真加工，证实了三圆柱包络型线的加工可行性。同时在原有单螺杆压缩机最大基元容积计算方法的基础上，提出了一种针对多圆柱包络型线的单螺杆压缩机最大基元容积的计算方法，经过计算，型线采用三圆柱包络型线时的最大基元容积比采用单直线包络型线时提高了约的容量。 其次，论述了啮合型面气密性、型面加工干涉、楔形动力液膜承载能力三个方面对于三包络圆柱位置的影响，在此基础上建立了单螺杆压缩机三圆柱包络型线各包络圆柱位置定位规则与调整方法，经过调整后可将泄漏三角形面积控制在 左右保证了其气密性，同时可使得型面具有良好的楔形动力液膜承载能力及加工工艺性。据此得到了螺杆与星轮的反馈调整加工方法，进而对三圆柱包络型线单螺杆压缩机星轮与螺杆的加工工艺性进行了评定，并且对得到的星轮与螺杆转子进行啮合实验，实验结果证明了其具有良好的气密性和拥有较长的使用寿命，证实了三圆柱包络型线的优良特性。 最后，还针对三圆柱包络单螺杆压缩机进行了工作性能分析，证实其具有良好的力学性能，寻找到了易损件星轮失效原因及星轮轴因摩擦力矩而失效的危险位置，并且将排气孔口位置设计精度提高了，同时针对工作中存在的性能问题提出了三圆柱单螺杆压缩机的型面改善与结构改善方案，提升了其容积效率以及使用寿命。

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单螺杆压缩机 技术改善 模拟加工 三圆柱包络 数学模型

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本发明公开了一种双螺杆真空泵转子型线，该型线包括点啮合摆线、齿根圆弧、类阿基米德螺线及其共轭包络线和齿顶圆弧。本发明的双螺杆真空泵转子型线组成曲线简单，通过与圆弧的一阶导数连续确定类阿基米德螺线，并添加类阿基米德螺线共轭包络线，各段曲线光滑连接，完全满足啮合定理，具有泄漏三角形小、透孔面积小、容积效率高的特点。所设计的两螺杆转子型线相同，从而可以降低转子加工成本。本发明进一步通过对摆线段与齿顶圆弧段相交形成的尖点进行摆线或圆弧修正，消除了型线尖点，从而延长了转子的使用寿命，提高了双螺杆真空泵的工作效率。

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本实用新型公开了一种双螺杆真空泵及其转子，所述转子由摆线，齿根圆弧，过渡圆弧，阿基米德螺线，阿基米德螺线共轭包络线，过渡圆弧共轭包络线，齿顶圆弧组成。本实用新型所形成的螺杆真空泵，两转子端面形状完全相同且共轭，无泄漏三角形，并解决了干涉问题。

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齿间容积 齿数 接触线 螺杆转子 密封性能 泄漏三角形 泄漏通道 型线

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螺杆机械作为通用机械中的主要机型，是国民经济中耗能和产生噪声污染的大户。影响螺杆机械耗能和噪声的主要因素是其转子的齿形构造和加工水平。当前，我国虽然是生产和使用螺杆机械的大国，但在螺杆转子齿形设计研究及型线优化方面的工作还不够深入和系统。在国内外，螺杆转子生产商均将转子齿形视为核心技术，齿形资料一直较少公开。学术领域虽然持续将转子齿形作为研究热点，但大量的研究大都集中于某一种齿形的推导和改进，对转子齿形的设计方法较少介绍与更新。本文的研究目的为提供一种快速准确的螺杆机械转子齿形的先进设计方法，在将目前分散存在的齿形方法归纳为转子法、齿条法和啮合线法的基础上，任意从中选用，设计转子齿形的组成曲线，简洁高效地计算转子齿形，同时可以精确地计算特征参数以预测转子副性能以及计算刀具刃形以加工转子，为设计和加工用于各种工况的高效转子齿形建立理论基础和设计依据。通过对各种螺杆机械分别进行了齿形优化，展示了主要的有效优化手段。最后设计并加工了某转子齿形，验证了本文所采用设计方法的准确有效。本文建立了转子齿形的数学模型，分别构建了转子法、齿条法和啮合线法设计螺杆机械转子齿形的理论体系，包括坐标系选取、基于矩阵表示的坐标变换和基于齿轮原理的啮合条件求解，并以常见曲线为例，快速准确地求解出与之共轭的包络曲线方程。基于矩阵表示的坐标变换和基于齿轮原理的啮合条件求解的结合使用，使得螺杆机械转子齿形的计算过程大为简化易行，也利于转子副的各种特征参数和加工转子的刀具刃形的高效准确求解。本文推导出转子几何特征的精确计算方法。以齿间面积、接触线长度、泄漏三角形面积、齿面距离、齿槽容积、转子受力等特征量为例，通过分析各特征量的决定因素及相互关系，提出有效的优化设计手段。优秀的转子齿形，通常满足齿间面积大、接触线段、泄漏三角形面积小、齿面距离近、转子受力小等特点，或者满足其中的大部分特征。本文用齿轮原理在基于矩阵的四阶齐次坐标系下求解转子的加工刀具刃形。通过计算、分析刀具―转子轴线距离、刀具安装角、奇异点和刀具切削量等加工特征参数对转子加工的影响，为设计加工性能良好的转子齿形提供理论依据。优秀的转子齿形应该具有较小的最小刀具―转子轴线极限距离，较宽的刀具安装角可选范围，无奇异点存在的光滑型线以及加工量尽可能沿型线均匀分布的特征。本文首次突破了以往齿形设计中采用一种设计法设计整个转子齿形的局限，提出可以任意采用齿形设计方法计算设计转子齿形某组成段，使整个转子齿形由多种齿形设计方法共同设计形成。其次，突破了以往只选用一次曲线和二次曲线及其包络线作为螺杆机械转子齿形组成曲线的局限，引入四次曲线、六次曲线、八次曲线等高次曲线及其包络线作为转子齿形的组成曲线。在曲线求解过程中，应用齿轮原理，在基于矩阵表示的三阶齐次坐标系和四阶齐次坐标系下分别求解出转子的端面型线和加工刀具的刃形，物理意义明晰，计算过程简捷且精度高。最后，综合采用各齿形设计方法，灵活选用包括高次曲线在内的各种基本曲线设计出若干种适合各种特定工况的的转子齿形，并选择其中一种加工出样机，初步测试性能良好。

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螺杆机械转子齿形构造方法刀具刃形齿形优化

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与传统的机械真空泵相比，双螺杆真空泵由于其结构简单，易损件少，运转平稳，无喘振现象、极限真空度高、抽气量大的特点被广泛应用于各种真空行业。双螺杆真空泵的转子型线优劣决定了其抽气性能和极限真空度，要提高优化双螺杆真空泵的性能，就必须对转子的型线特性进行研究。本文首先研究了双螺杆真空泵转子型线的几种典型齿曲线方程，根据共轭包络原理求解得到其共轭条件及共轭曲线。编译了三种常见的双螺杆真空泵转子的型线，在此基础上计算比较了接触线、泄漏三角形、面积利用系数等几何性特性。由计算结果可知：渐开线单摆线型线和阿基米德螺线单摆线型线阴阳转子不完全共轭，接触线不连续，泄漏较大。双摆线圆弧型线阴阳转子完全啮合，接触线连续，泄漏少，但其面积利用系数较低。修正后的双摆线阿基米德螺线阴阳转子完全啮合，接触线连续且和前两种型线相比单位抽气量的接触线长度小，泄漏最少，面积利用系数最高，是一种比较理想的螺杆真空泵型线。在研究双摆线阿基米德螺线型线时发现增大阿基米德螺线中心角时螺杆真空泵的接触线长度降低，单位体积的泄漏三角形面积减少，面积利用系数增大，这对合理选择阿基米德螺线中心角大小具有参考意义。将双螺杆真空泵中工质流动简化为螺旋管内的流动模型，将实验测试的进排气温度作为边界条件计算出转子的温度场，简化转子两端的约束情况进行热力耦合计算，得出转子热力变形情况，对合理的设定螺杆真空泵的冷态间隙和螺杆真空泵的选型有参考意义。

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几何特性 螺杆真空泵 型线 有限元分析

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干式螺杆真空泵，也称无油螺杆真空泵，是近些年迅速发展起来的新型真空获得设备，由于其清洁度高、动力平衡性好、适应性强、操作维护简单，迅速在无油洁净真空领域占据重要地位。国内螺杆真空泵的起步较晚，发展较慢，此类产品一直依赖进口。本文主要针对干式螺杆真空泵的内部工作过程、性能等进行了理论模拟计算及试验研究。首先，对等螺距和变螺距两种螺杆真空泵分别进行了分析，利用已有型线计算了这两种真空泵的几何特性，包括齿间容积大小、接触线长度、齿顶圆长度及泄漏三角形面积随转子转角的变化。通过能量守恒、质量守恒方程及泄漏通道泄漏模型分别计算了上述两种真空泵的工作过程气体压力变化及极限真空度、功耗、抽速等性能参数，分析了两种真空泵性能差别的原因及变螺距螺杆真空泵的优势。同时进行了变螺距转子温度场及热变形的有限元分析，得到真空泵运行过程中啮合间隙和齿顶间隙值。其次，开展了变螺距螺杆真空泵的性能试验，测试了冷却水流量对真空泵性能的影响、排气温度及功率随进气压力的变化曲线、极限真空度、抽速曲线等，并使用数据采集系统获得了真空泵工作过程的部分压力曲线。最后，利用试验数据对理论模型进行了验证，所建立的计算模型能够进行螺杆真空泵工作过程分析及性能预测。利用现有模型对理论抽速150m3/h的变螺距螺杆真空泵进行了极限真空度、抽速、指示功率等主要性能参数的计算，并分析了泄漏间隙大小、排气孔口开设位置、变螺距系数对真空泵性能的影响。

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变螺距 实验研究 性能分析 真空泵

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