螺杆泵容积效率特性分析与螺杆齿面精确成型方法研究.pdf

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1、螺杆泵容积效率特性分析与螺杆齿面精确成型方法研究重庆大学博士学位论文学生姓名：张元勋指导教师：唐倩教授副导师：唐炯教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一四年三月 CharacteristicAnalysisofVolumetricEfficiencyandPrecisionFormingResearchofRotorsforScrewPumpAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDo

2、ctor'sDegreeofEngineeringByZhangYuanxunSupervisedbyProf.TANGQianViceSupervisedbyProf.JiongTangSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMarch,2014 中文摘要摘要课题来源于国家自然科学基金面上项目“高效三螺杆泵转子型线设计新方法及关键技术研究”（项目编号：50875268

3、）和“多级变速螺杆泵基础理论与关键技术研究”（项目编号：51175522）。螺杆泵因具有优越的工程适应性和经济实用性在海洋钻井平台、舰船、精密机床、石油化工等领域应用日趋广泛。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》明确指出，高端装备制造业处于七大战略性新兴产业的核心地位，将在重点领域集中力量加快推进。螺及杆泵作为重点发展的高端装备部件，将为我国高端装备制造业的发展增加动力，成为战略性新兴产业发展的重要支撑。同时，“十二五”期间我国将投入3000亿重点发展海洋工程装备，包括海洋钻井平台、各种海洋工程船舶及潜艇

4、等。因此，螺杆泵作为重要的高端装备基础部件，需求量巨大，具有广阔的发展前景。然而，螺杆泵属于高精度机械产品，其对设计和制造的精度很敏感。由于我国生产企业对螺杆泵工作机理认识不清晰，设计及加工方面的技术不够完善，使得生产出的产品存在容积效率低、流量特性不稳定、齿面磨损严重、功耗大等技术瓶颈，长期以来高端螺杆泵产品基本上依赖进口。为此，为提高我国高端装备制造业的国际化水平，减小我国在螺杆泵等高端装备部件对国外的依赖，开展螺杆泵系统创新设计理论与方法研究，突破螺杆泵设计制造关键技术难题，对提高我国机械装备配套自主创新能力具有十分重要的

5、社会经济意义和工程实用价值。本文以螺杆泵关键核心部件螺杆副为研究对象，利用流体动力学、泄漏理论、接触理论、空间包络理论等，深入分析泵腔内流场运动学、动力学特性，研究探讨螺杆构型原理及其结构与螺杆泵容积效率特性参数匹配的设计理论和方法，建立考虑啮合间隙的螺杆齿形设计模型，形成螺杆齿面成型刀具精确齿形设计方法。论文主要工作如下：①在定义容积式机械吸入能力的基础上，建立螺杆泵吸入能力计算数学模型，详细分析螺杆泵转速、螺杆螺旋升角、输送介质等对螺杆泵吸入能力的影响；研究螺杆泵吸入能力对容积效率特性的影响，得到螺杆泵关键设计参数与螺杆泵吸

6、入能力的匹配关系，提出提高螺杆泵吸入能力的设计方法。②基于流体力学边界层分离理论，在深入分析螺杆泵吸入能力的基础上，结合圆柱绕流现象，对圆柱绕流迹线及其分离点进行计算，建立圆柱绕流边界层分离优化模型，运用图形和解析的方法求解优化方程，结合螺杆转子端面几何特性，获得优化流线型体三维模型，通过理论分析的方法验证优化模型的合理性。I 重庆大学博士学位论文③内泄漏是泵泄漏的主要因素。针对螺杆泵桶壁间隙、啮合间隙等决定螺杆泵性能的关键间隙的设计问题，在研究螺杆各项间隙构成原理的基础上，运用流体力学间隙泄漏理论和小孔泄漏理论，分别建立泵腔间

7、隙泄漏压差流和剪切流模型，分析螺杆泵桶壁间隙和啮合间隙的泄漏量，得到螺杆泵不同间隙泄漏的数学模型；以主动螺杆2头、从动螺杆3头的双螺杆泵为例，理论计算与试验对比分析螺杆转速、压差对泵泄漏的作用机理，揭示螺杆转速、泵进出口压差对螺杆泵流量特性及容积效率特性的影响规律。④针对螺杆泵关键部件螺杆转子设计过程复杂、加工难度高导致啮合间隙不均匀的问题，在分析螺杆啮合间隙形成机理基础上，运用空间解析几何基础理论，提出基于啮合间隙的螺杆齿形优化设计新方法，建立螺杆加工过程进刀轨迹—螺杆齿形—啮合间隙转换方程，深入分析轴向、径向、法向等不同进刀

8、方式对螺杆啮合间隙、螺杆齿形偏差的影响规律；结合微分几何等距曲面构型原理，得到预定加工间隙的螺杆端面齿形。⑤针对由离散点组成的任意端截面螺杆齿形，基于齿轮啮合原理，运用三次样条插值方法求得螺杆成型刀具齿形；研究螺杆与刀具在加工过程中的空间包络特性与几何特性，结合