一种全光滑的直爪爪式转子的制作方法

本实用新型涉及一种全光滑的直爪爪式转子。

背景技术：

爪式流体机械是一种在生产中广泛使用的新型干式流体机械，其设计的关键是爪式转子的型线设计；爪式转子由一对形状相同且能够实现共轭啮合的转子组成，通过同步齿轮实现转子的同步异向双回转运动，使工作腔容积发生周期性变化，完成气体的吸入、压缩和排出。

爪式转子型线的啮合特性直接决定着爪式转子的工作性能，现有的直爪转子型线包括：3段圆弧、2段摆线、1段线段、1段线段的包络线。中国专利(专利号：ZL201510400518.9)提出了一种直爪转子，由5段圆弧、2段摆线的等距曲线、1段线段和1段线段的包络线组成的直爪转子，实现了转子曲线的啮合，但该爪式转子型线存在着以下缺点：①左侧转子爪背EF和右侧转子爪背ef存在完全不参与啮合的部分，导致转子的啮合性能变差，密封性降低，会产生较大泄漏和噪声，降低了爪式流体机械的工作效率；②线段的包络线GH和摆线的等距曲线HI的连接处存在1个尖点H，且这个尖点又不参与曲线啮合，尖点处易造成泄漏磨损、应力集中和受力变形，降低了爪式转子的使用寿命和稳定性。中国专利(专利号：ZL201610321238.3)提出了一种曲爪转子，由6段圆弧和3段摆线的等距曲线组成，实现了转子型线的全光滑连接，但该爪式转子型线存在以下缺点：①受力性能比直爪转子差，爪背处应力集中现象高于直爪转子；②曲爪转子的余隙容积比直爪转子的大，较大的余隙容积会造成较大的噪声、振动和能耗，降低爪式转子的实用性能和可靠性。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种全光滑的直爪爪式转子和构建方法，在爪尖处采用一段圆弧IJ，将线段的包络线HI和摆线的等距曲线JK光滑连接，在爪背处采用1段摆线的等距曲线EF，与第二爪尖圆弧DE和线段FG光滑连接，实现了爪式转子的全光滑连接，消除了现有爪式转子存在尖点和不光滑连接的缺陷，解决了爪背处线段不完全啮合的问题；该爪式转子型线不但能够实现全部型线的光滑连接，而且能够有效地避免应力集中、受力变形和磨损泄漏，提高了爪式转子的受力特性和啮合密封性，使得该转子型线能够适用于更高转速、更高压力和更高温度的使用场合，提高了转子的性能和使用寿命；对于丰富爪式转子型线类型和促进爪式真空泵、爪式压缩机和爪式膨胀机的发展都具有重要的意义。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种全光滑的直爪爪式转子，其组成型线包括：6段圆弧、3段摆线的等距曲线、1段线段和1段线段的包络线，其特征是：从节圆开始按逆时针方向依次为：节圆圆弧GH、线段的包络线HI、第三爪尖圆弧IJ、摆线的等距曲线JK、爪底圆弧KA、摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、摆线的等距曲线EF和线段FG，相邻曲线均光滑连接，一种全光滑的直爪爪式转子的组成型线不存在不光滑的连接点。

两个全光滑的直爪爪式转子完全相同且相互啮合，且左侧爪式转子(转子1)和右侧爪式转子(转子2)完全相同，左侧爪式转子(转子1)的摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、线段的包络线HI、第三爪尖圆弧IJ、摆线的等距曲线JK、爪底圆弧KA，分别与右侧爪式转子(转子2)的第一爪尖圆弧bc、摆线的等距曲线ab、爪底圆弧ka、摆线的等距曲线jk、第三爪尖圆弧ij、线段的包括线hi、节圆圆弧gh、线段fg、摆线的等距曲线ef、第二爪尖圆弧de、爪顶圆弧cd相啮合，实现爪式转子全部型线的正确啮合。

一种全光滑的直爪爪式转子，爪顶圆弧CD和爪底圆弧KA对应的圆心角相等，为α；

线段的包络线HI，是初始线段的包络线H₁I₁以原点O为旋转中心，顺时针旋转α+β角度后得到，初始线段的包络线H₁I₁的方程为：

角度β由以下公式确定：

其中，R₁为爪顶圆弧半径，R₂为节圆半径，R₅为第二爪尖圆弧半径；

摆线的等距曲线AB的方程为：

其中，矩阵R₄为第一爪尖圆弧半径；

摆线的等距曲线JK，是初始摆线的等距曲线J₁K₁以原点O为旋转中心，顺时针旋转α角度后得到，初始摆线的等距曲线J₁K₁的方程为：

其中，矩阵

摆线的等距曲线EF，是初始摆线的等距曲线E₁F₁以原点O为旋转中心，逆时针旋转γ+ζ角度后得到，初始摆线的等距曲线E₁F₁的方程为：

其中，矩阵R₆为第三爪尖圆弧半径；

角度γ由以下公式确定：

其中坐标(x₀,y₀)是下面两条曲线的交点：

角度ζ由以下公式确定：

其中坐标(x₁,y₁)是下面两条曲线的交点：

将摆线的等距曲线AB向外等距偏移R₄，得到的等距曲线与圆心为O，半径为R₁-R₄的圆的交点，就是第一爪尖圆弧BC的圆心(X_BC,Y_BC)，以该点为圆心，作半径为R₄的圆，同时与摆线的等距曲线AB和爪顶圆弧CD相切，切点分别是：B点和C点，得到第一爪尖圆弧BC；第二爪尖圆弧DE的圆心(X_DE,Y_DE)位于圆心为O，半径为R₁-R₅的圆上，且圆心(X_DE,Y_DE)与圆心O的连线，与x正半轴的夹角为α+γ，以该点为圆心，作半径为R₅的圆，同时与爪顶圆弧CD和摆线的等距曲线EF相切，切点分别是：D点和E点，得到第二爪尖圆弧DE；将摆线的等距曲线JK向外等距偏移R₆，再将线段的包络线HI向内等距偏移R₆，得到的两条曲线的交点，就是第三爪尖圆弧IJ的圆心(X_IJ,Y_IJ)，以该点为圆心，作半径为R₆的圆，与线段的包络线HI和摆线的等距曲线JK相切，切点分别是：I点和J点，得到第三爪尖圆弧IJ；

以上：t—角度参数，rad；R₂—节圆半径，mm；R₁—爪顶圆弧半径，mm；R₃—爪底圆弧半径，mm；且2R₂＝R₁+R₃；R₄,R₅,R₆—爪尖圆弧半径，mm；且R₄＝R₅＝R₆；α、β、γ、ζ—角度，rad。

全光滑的直爪爪式转子型线的构建过程：①以O为原点，根据以上方程，得到节圆圆弧GH、初始线段的包络线H₁I₁、第三爪尖圆弧IJ、初始摆线的等距曲线J₁K₁、爪底圆弧KA、摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、初始摆线的等距曲线E₁F₁和初始线段F₂G₂；②将初始摆线的等距曲线J₁K₁以原点O为旋转中心，顺时针旋转α角度后，得到摆线的等距曲线JK；③将初始线段的包络线H₁I₁以原点O为旋转中心，顺时针旋转α+β角度后，得到线段的包络线HI；④将初始摆线的等距曲线E₁F₁以原点O为旋转中心，逆时针旋转γ+ζ角度后，得到摆线EF；⑤将初始线段F₂G₂以原点O为旋转中心，逆时针旋转α+β+γ角度后，得到线段FG。

一种全光滑的直爪爪式转子，其转子型线如一种全光滑的直爪爪式转子所述的型线一致。

一种爪式真空泵，使用上述的一种全光滑的直爪爪式转子。

一种爪式压缩机，使用上述的一种全光滑的直爪爪式转子。

一种爪式膨胀机，使用上述的一种全光滑的直爪爪式转子。

本实用新型的有益效果为：

①该爪式转子实现了爪背段曲线的全啮合，除摆线的等距曲线AB和第一爪尖圆弧BC外，其余曲线上所有的点都参与啮合，解决了爪式转子中线段不完全参与啮合的问题，避免了爪背处因啮合不完全而造成的泄漏，优化了爪式型线的组成；

②该爪式转子实现了组成型线全光滑，不存在不光滑点，改善了爪式转子的受力特性和啮合密封性，提高了爪式转子的使用性能和寿命；

③减小了爪式转子工作时的余隙容积，降低了使用功耗，提高了爪式流体机械的工作效率。

附图说明

图1是所提出的全光滑的直爪爪式转子初始型线图。

图2是所提出的全光滑的直爪爪式转子型线图。

图3是2个所提出的全光滑的直爪爪式转子的啮合关系图。

图4是2个所提出的全光滑的直爪爪式转子在工作中各曲线的啮合图。

图中：AB为摆线的等距曲线；BC为第一爪尖圆弧；CD为爪顶圆弧；DE为第二爪尖圆弧；EF为摆线的等距曲线；FG为线段；GH为节圆圆弧；HI为线段的包络线；IJ为第三爪尖圆弧；JK为摆线的等距曲线；KA为爪底圆弧；转子1—左侧爪式转子；转子2—右侧爪式转子。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，为一种全光滑的直爪爪式转子的型线的生成过程，按照各型线方程直接生成各型线：节圆圆弧GH、初始线段的包络线H₁I₁、第三爪尖圆弧IJ、初始摆线的等距曲线J₁K₁、爪底圆弧KA、摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、初始摆线的等距曲线E₁F₁、初始线段F₂G₂；

如图2所示，为一种全光滑的直爪爪式转子，由6段圆弧(BC、CD、DE、GH、IJ、KA)、3段摆线的等距曲线(AB、EF、JK)、1段线段(FG)和1段线段的包络线(HI)连接而成，所构成的爪式转子的全部型线都是光滑连接的。

将图1中的初始摆线的等距曲线J₁K₁以原点O为旋转中心，顺时针旋转α角度后，得到图2中的摆线的等距曲线JK；将初始线段的包络线H₁I₁以原点O为旋转中心，顺时针旋转α+β角度后，得到线段的包络线HI；将初始线段F₂G₂以原点O为旋转中心，逆时针旋转α+β+γ角度后，得到线段FG；将初始摆线的等距曲线E₁F₁以原点O为旋转中心，逆时针旋转γ+ζ角度后，得到摆线的等距曲线EF。

所提出的爪式转子型线的特点是：该爪式转子型线由圆弧、摆线的等距曲线、线段和线段的包络线构成，该爪式转子型线不存在不光滑连接点，即不存在尖点连接，除摆线的等距曲线AB和第一爪尖圆弧bc的啮合外，全部曲线都能够完全啮合。因而所提出的爪式转子具有更高的密封性，改善了使用性能，适用于较高转速、较高压力和较高温度的使用场合，扩大了爪式压缩机和爪式真空泵的应用范围。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：根据爪式转子在工作中的同步异向双回转运动规律，根据型线的共轭啮合原理，确定该运动方式下与圆弧共轭啮合的曲线为摆线的等距曲线，得到其型线方程，确定圆弧和摆线的等距曲线的相对位置，使之光滑连接，得到整个爪式转子型线。

如图3所示，为2个所提出的全光滑的直爪爪式转子型线的啮合关系图，相互啮合的2个爪式转子型线相同，在工作啮合时，2个爪式转子进行同步异向双回转运动；左侧爪式转子(转子1)的摆线的等距曲线AB、第一爪尖圆弧BC、爪顶圆弧CD、第二爪尖圆弧DE、摆线的等距曲线EF、线段FG、节圆圆弧GH、线段的包络线HI、第三爪尖圆弧IJ、摆线的等距曲线JK和爪底圆弧KA，分别与右侧爪式转子(转子2)的第一爪尖圆弧bc、摆线的等距曲线ab、爪底圆弧ka、摆线的等距曲线jk、第三爪尖圆弧ij、线段的包括线hi、节圆圆弧gh、线段fg、摆线的等距曲线ef、第二爪尖圆弧de和爪顶圆弧cd相啮合。

如图4所示，为2个所提出的全光滑的直爪爪式转子在工作中各曲线间的啮合图，(a)～(i)图中各相邻图所对应的主轴转角相错10°；即(a)图到(b)图左侧爪式转子顺时针旋转10°，右侧爪式转子逆时针旋转10°；(b)图到(c)图左侧爪式转子顺时针旋转10°，右侧爪式转子逆时针旋转10°；以此类推。在(a)图中，左侧爪式转子的线段的包络线HI与右侧爪式转子的线段fg相互啮合；在(b)、(c)和(d)图中，左侧爪式转子的摆线的等距曲线AB与右侧爪式转子的第一爪尖圆弧bc相互啮合，左侧爪式转子的第三爪尖圆弧IJ与右侧爪式转子的摆线的等距曲线ef相啮合；在(c)和(d)图中，左侧爪式转子的摆线的等距曲线JK与右侧爪式转子的第二爪尖圆弧de相啮合；在(e)图中，左侧爪式转子的第一爪尖圆弧BC与右侧爪式转子的摆线的等距曲线ab相啮合；在(f)和(g)图中，左侧爪式转子的摆线的等距曲线EF与右侧爪式转子的第三爪尖圆弧ij相啮合；在(h)和(i)图中，左侧爪式转子的线段FG与右侧爪式转子的线段的包络线hi相啮合。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。