直联旋片式真空泵叶片气体压力分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京科技大学机械工程学院 作者:万静

  在对双级直联泵的叶片进行受力分析的基础上,建立了一种新的气体压力模型,该模型给出了叶片所受气体压力与转子转角和泵的主要设计尺寸的关系,并且根据泵入口压强的大小而选择相应的计算公式,可计算在不同入口压强下的叶片气体压力,达到了对叶片进行连续受力分析的目的。此外,还根据该模型运用Matlab 对2XZ-4 型直联真空泵进行了实例计算,为直联旋片泵优化设计和合理使用提供了依据,拓宽了直联真空泵的设计理论。

1、前言

  近年来由于直联旋片式真空泵(下文简称直联泵)具有抽速高、体积小、重量轻、没有皮带摩擦的粉尘污染等优点,从而广泛用于冰箱、空调机、灯泡、瓶胆、生产包装机等真空应用工业。尽管直联泵在设计理论和研究方法上已经趋于成熟,然而在受力分析方面尤其是叶片的气体压力分析上仍不够完善。这是因为在设计尺寸一定的条件下,由于泵每次工作循环时入口压强不同,从而导致每次压缩过程结束后所对应的临界转角也随之变化,而临界转角的变化也会导致气体压力的表达式的变化,因此泵每循环一次,都需要重新求解一次临界转角和气体压力表达式,这是个非常复杂的过程。因此,目前气体压力分析只是停留在定性分析阶段或者只能求解在特定转角、特定入口压强下的气体压力,这显然不能满足连续性求解气体压力的要求。

2、气体压力模型的建立

  本文根据直联泵的工作原理,通过理论分析和推导,在确定了压缩腔体积变化公式、临界压强和临界转角之后,建立气体压力模型,具体过程如下。

  2.1、压缩腔体积公式的确定

  如图1 所示,直联泵的叶片把工作腔分为3 个空间,分别为A(吸气腔),B(压缩腔),C(排气腔)。

直联泵叶片气体压力分析

图1 直联泵叶片气体压力分析

  由泵工作原理可知,随着转子的转动,吸气腔(A)容积增大,压强减小,而吸入气体;压缩腔(B)容积减小而压缩气体,当压缩腔内气体压强达到排气压强PE 时,此时压缩过程结束,排气阀打开,转子继续转动,而将气体排出,从而完成了一个工作循环。随着工作循环的持续进行,泵不断抽取容器内的气体,从而使容器内气体压强(因为容器和泵进气口相连,因此,也是泵进气口处的气体压强,习惯称为入口压强P0)逐渐减小,直至达到一个稳定的最低值(习惯称为极限压强Pg),此时,泵再继续工作,而容器内气体压强却不再减小,从而完成整个抽气过程[2] 。如图2 所示,直联真空泵有两个叶片,由于转子不断的旋转,两个叶片可以循环交替运转,因此对每个叶片而言,都可以到达图2 中1、2 叶片所示的位置。

直联泵叶片位置示意图

图2 直联泵叶片位置示意图

  对图2 中两叶片所处状态进行分析可知,叶片两侧具体所处的状态随着叶片的位置以及其两侧的压强的变化而变化。其叶片两侧具体状态如表1 所示,其中PA、PB、PC 分别表示A、B、C腔内的气体压强。

4、结论

  本文根据叶片实际受力状况,提出一种新型气体压力受力模型,其主要思路为:首先将已知的入口压强与临界压强相比较,从而判断出入口压强的范围,再根据范围判断出应选用的气体压力求解公式,最后根据公式求出转子转角连续情况下的气体压力。通过运用matlab 编程模拟2XZ-4 型直联泵在不同入口压强下的气体压力与转子转角的关系,结果表明气体压力模型很好地模拟了直联泵在不同入口压强下叶片所受气体压力的情况,达到了对叶片进行连续受力分析的目的。

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