一种齿轮式膨胀机的制作方法

[0001]
本实用新型属于膨胀机工程技术领域，特别是涉及一种齿轮式膨胀机。


背景技术：

[0002]
齿轮式膨胀机是一种新型的回转式膨胀机，齿轮式膨胀机主要由前端盖(1)、第一齿轮式转子(2)、第二齿轮式转子(3)、第三齿轮式转子(4)、第四齿轮式转子(5)、气缸(6)、后端盖(7)和隔板(8)组成。前端盖(1)上开设：第一吸气口(101)；所述的后端盖(7) 上开设：第二排气口(701)；前端盖(1)、气缸(6)、后端盖(7)与隔板(8)之间形成两个容积相同的腔体：第一工作腔(601)、第二工作腔(602)，一对相互啮合的第一齿轮式转子(2)、第二齿轮式转子(3)安放在第一工作腔(601)中，另一对相互啮合的第三齿轮式转子(4)、第四齿轮式转子(5)安放在第二工作腔(602)中；所述第一齿轮式转子(2)、第二齿轮式转子(3)、第三齿轮式转子(4)、第四齿轮式转子(5)的型线组成完全相同。其工作原理是：第一齿轮式转子(2)带动第二齿轮式转子(3)做同步异向双回转运动，第三齿轮式转子(4)带动第四齿轮式转子(5)做同步异向双回转运动，通过密闭工作腔容积的周期性变化，进而实现吸气、膨胀、排气和混合的全过程；设置两级转子交叉180
°
串联，保证连续传动；齿轮式膨胀机能够提高机器传动性，工作可靠；结构简单对称，受力均衡；驱动力大，易启动，应用于石油、化工、冶金、空分等行业；其关键技术是齿轮式转子端面型线与机械结构，将直接影响膨胀机的工作性能。
[0003]
随着膨胀机应用邻域的增加，对齿轮式膨胀机传动性能以及工作效率的要求也在提高，现有的齿轮式膨胀机，其工作过程中需外加同步齿轮，多采用多级工作的方式来提高工作效率，投资成本较高；中国专利(熊伟.齿轮式压缩(膨胀)机.西安：cn1240257,1999-06-17.)提出一种齿轮状啮合副接触工作，提高了压缩比，虽去掉同步齿轮，简化了设备，但作为膨胀机使用时，整体传动性没有很好地得到提高，且工作效率较低，尚未给出型线构造方法。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型为了提高齿轮式膨胀机的传动性能，进而提高其工作效率，同时为了丰富回转式流体机械转子型线的类型，提出了一种齿轮式膨胀机，构建出能够实现完全啮合的齿轮式转子，并给出所构建新型转子端面的型线方程与啮合关系，采用完全对称的转子啮合，保证了转子的密封性能、啮合性能和力学性能；构造两级转子交叉180
°
串联，提高传动性，使力矩输出平稳，同时增强驱动力，易于启动；而且所提出的齿轮式膨胀机转子型线简单，对于丰富齿轮式膨胀机转子型线类型和促进膨胀机的发展都具有重要的意义。
[0005]
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]
一种齿轮式膨胀机，包括：前端盖、第一齿轮式转子、第二齿轮式转子、第三齿轮式转子、第四齿轮式转子、气缸、后端盖和隔板；所述的前端盖上开设第一排气口，所述的后端盖上开设第二排气口，吸气口设置在气缸顶部；在同步异向双回转运动的工作过程中，第一
齿轮式转子与第二齿轮式转子能够完全啮合，由此形成了吸气腔、膨胀腔、排气腔和混合腔，分别用于气体的吸气、膨胀、排气和混合过程；在工作过程中，所述的吸气腔的容积逐渐增大且始终与吸气口相连通，所述的膨胀腔的容积封闭且逐渐增大，所述的排气腔的容积逐渐减小且始终与排气口相连通；
[0007]
第三齿轮式转子与第四齿轮式转子的工作过程与第一齿轮式转子与第二齿轮式转子的工作过程完全相同；设置两级转子交叉180
°
串联，保证连续传动，两级转子在各自工作腔内分别独立工作，互不影响，提高工作效率；
[0008]
第一齿轮式转子、第二齿轮式转子、第三齿轮式转子、第四齿轮式转子装配在气缸中，前端盖和后端盖装配在气缸的轴向两侧；前端盖、气缸、隔板、第一齿轮式转子与第二齿轮式转子形成第一工作腔；后端盖、气缸、隔板、第三齿轮式转子与第四齿轮式转子形成第二工作腔；在工作过程中，第一工作腔始终与第一排气口相连通，第二工作腔始终与第二排气口相连通。
[0009]
所述的第一齿轮式转子、第二齿轮式转子、第三齿轮式转子、第四齿轮式转子的形状完全相同；
[0010]
所述的第一齿轮式转子，其端面型线包括：左第一摆线cd、左爪顶圆弧bc、左第二摆线 ab、左爪底圆弧fa、左第三摆线ef以及齿轮部分型线，齿轮选用渐开线标准直齿圆柱齿轮，型线包括齿顶圆、齿根圆、渐开线及齿根过渡圆弧；
[0011]
所述的第二齿轮式转子，其端面型线包括：右第一摆线cd、右爪顶圆弧bc、右第二摆线 ab、右爪底圆弧fa、右第三摆线ef以及齿轮部分型线，齿轮选用渐开线标准直齿圆柱齿轮，型线包括齿顶圆、齿根圆、渐开线及齿根过渡圆弧；
[0012]
在同步异向双回转运动的工作过程中，第一齿轮式转子的端面型线与第二齿轮式转子的端面型线能够实现正确的啮合；啮合关系为：右爪尖尖点b与左第二摆线ab相啮合，右爪侧尖点c与左第三摆线ef相啮合，左爪底尖点e与右第一摆线cd相啮合，左尖点d在整个工作过程中不参与啮合，右爪顶圆弧cb与左爪底圆弧af相啮合，以及其他型线间的啮合属于齿轮之间的啮合，即渐开线与渐开线之间的啮合；
[0013]
所述的一种齿轮式膨胀机，以第一齿轮式转子的回转中心o1为原点建立坐标系，构建一个半径为r2的圆作为齿轮节圆构建齿轮，齿轮选用渐开线标准直齿圆柱齿轮，由齿顶圆、齿根圆、渐开线及齿根过渡圆弧组成，所述渐开线方程为：
[0014][0015]
以o1为圆心，构建两个半径都为r2的圆o1和圆o2，以圆o1为定圆，圆o2与其相距l 且绕着圆心o1以角速度ω顺时针旋转，同时圆o2以相同的角速度ω绕着圆心o2顺时针转动，固定在圆o2上的点a的运动轨迹就是左第二摆线ab，所述的第一齿轮式转子上左第二摆线ab的方程为：
[0016][0017]
两个半径为r2的圆o1和圆o2相切于点d，以圆o1为定圆，圆o2绕着圆心o1以角速度ω顺时针旋转，同时圆o2以相同的角速度ω绕着圆心o2顺时针转动，固定在圆o2上的点d 的运
动轨迹就是左第一摆线cd所在的摆线，所述的第一齿轮式转子上左第一摆线cd的方程为：
[0018][0019]
将左第二摆线ab所在的摆线顺时针旋转α角度，得到左第三摆线ef所在的摆线；将左第一摆线cd所在的摆线逆时针旋转α+β角度，得到由3段摆线和2段圆弧构成的第一齿轮式转子(2)的突爪部分；
[0020]
为保证第一齿轮式转子与第二齿轮式转子各部分啮合的平稳过渡，对转子进行构造时，需对转子各部分连接点处的角度进行校正；
[0021]
上述：r1为第一齿轮式转子(2)爪顶圆弧半径，r2为第一齿轮式转子(2)节圆圆弧半径， r3为第一齿轮式转子(2)爪底圆弧半径，α、β为摆线旋转角度。
[0022]
本实用新型的有益效果为：
[0023]
①
所提出的一种齿轮式膨胀机，由两个工作腔独立输出气体，互不影响，从而提高膨胀机的工作效率。
[0024]
②
所提出的一种齿轮式膨胀机结构简单、驱动力大，易于启动。
[0025]
③
所提出的一种齿轮式膨胀机，构造的齿轮式转子型线新颖，丰富了齿轮式膨胀机的转子型线类型。
[0026]
④
所提出的一种齿轮式膨胀机采用形状相同的转子相互啮合，互换性好，在气缸内安装方便。
[0027]
⑤
所提出的一种齿轮式膨胀机，两级转子错开180
°
串联，保证连续传动、力矩输出平稳，提高工作过程的稳定性；对称布置，无轴向力；省去了同步齿轮，降低投资成本。
附图说明
[0028]
图1是一种齿轮式膨胀机的主要组成零件图。
[0029]
图2是第一齿轮式转子(2)端面型线图。
[0030]
图3是第一齿轮式转子(2)和第二齿轮式转子(3)的端面型线之间的啮合图。
[0031]
图4是一种齿轮式膨胀机吸气过程开始时刻图。
[0032]
图5是一种齿轮式膨胀机排气过程图。
[0033]
图6是一种齿轮式膨胀机排气过程结束时刻图。
[0034]
图中：1—前端盖(1)；2—第一齿轮式转子(2)；3—第二齿轮式转子(3)；4—第三齿轮式转子(4)；5—第四齿轮式转子(5)；6—气缸(6)；7—后端盖(7)；601—第一工作腔(601)；602—第二工作腔(602)；8—隔板(8)；600—吸气口(600)；101—第一排气口(101)；701—第二排气口(701)；r1—第一齿轮式转子(2)爪顶圆弧半径；r2—第一齿轮式转子(2)节圆半径；r3—第一齿轮式转子(2)爪底圆弧半径。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0036]
如图1所示，为一种齿轮式膨胀机的组成零件图，包括：前端盖1、第一齿轮式转子2、第二齿轮式转子3、第三齿轮式转子4、第四齿轮式转子5、气缸6、后端盖7和隔板8；所述的
前端盖1上开设第一排气口101，所述的后端盖7上开设第二排气口701，吸气口600设置在气缸6顶部；第一齿轮式转子2、第二齿轮式转子3、第三齿轮式转子4、第四齿轮式转子5 装配在气缸6中，前端盖1和后端盖7装配在气缸6的轴向两侧；前端盖1、气缸6、隔板8、第一齿轮式转子2与第二齿轮式转子3形成第一工作腔601；后端盖7、气缸6、隔板8、第三齿轮式转子4与第四齿轮式转子5形成第二工作腔602；在同步异向双回转运动的工作过程中，两级转子交叉180
°
串联，保证连续传动，结构对称；被抽送气体通过气缸6上的吸气口 600进入第一工作腔601实现吸气过程，在第一工作腔601中完成膨胀做功后，被抽送气体从前端盖1上的第一排气口101排出，实现一次膨胀做功过程；同样，被抽送气体经吸气口600 进入第二工作腔602，经过膨胀后，被抽送气体从后端盖7上的第二排气口701排出，又实现一次膨胀做功过程；两级转子独立工作，互不影响；如此周而复始，从而实现两级转子连续工作，提高工作效率。
[0037]
如图2所示，为第一齿轮式转子2端面型线图，其端面型线包括：左第一摆线cd、左爪顶圆弧bc、左第二摆线ab、左爪底圆弧fa、左第三摆线ef以及齿轮部分型线，齿轮选用渐开线标准直齿圆柱齿轮，型线包括齿顶圆、齿根圆、渐开线及齿根过渡圆弧，所述渐开线方程为：
[0038][0039]
所述的第一齿轮式转子2上左第二摆线ab的方程为：
[0040][0041]
所述的第一齿轮式转子2上左第一摆线cd的方程为：
[0042][0043]
将左第二摆线ab所在的摆线顺时针旋转α角度，得到左第三摆线ef所在的摆线；将左第一摆线cd所在的摆线逆时针旋转α+β角度，即得到由3段摆线和2段圆弧构成的第一齿轮式转子2的突爪部分；
[0044]
为保证第一齿轮式转子2与第二齿轮式转子3各部分啮合的平稳过渡，对转子进行构造时，需对转子各部分连接点处的角度进行校正；
[0045]
上述：r1为第一齿轮式转子2爪顶圆弧半径，r2为第一齿轮式转子2节圆圆弧半径，r3为第一齿轮式转子2爪底圆弧半径，α、β为摆线旋转角度。
[0046]
如图3所示，为第一齿轮式转子2和第二齿轮式转子3的端面型线之间的啮合图，在同步异向双回转运动的工作过程中，第一齿轮式转子2上各部分端面型线与第二齿轮式转子3上各部分端面型线能够实现正确的啮合；啮合关系为：尖点b与摆线ab相啮合，尖点c与摆线ef 相啮合，尖点e与摆线cd相啮合，尖点d在整个工作过程中不参与啮合，爪顶圆弧cb与爪底圆弧af相啮合，以及其他型线间的啮合属于齿轮之间的啮合，即渐开线与渐开线之间的啮合。
[0047]
如图4所示，为一种齿轮式膨胀机吸气过程开始时刻图，此时吸气口600即将开启，
新的气体经吸气口600进入第一工作腔601，同时排气口101即将开启，膨胀后的气体经排气口 101排出第一工作腔601。
[0048]
图5为一种齿轮式膨胀机排气过程图，排气过程的任意时刻轮齿都处于完全啮合状态，减少气体泄露；排气过程中排气口打开面积大，排气速度小，降低气体对排气口101的冲击，延长使用寿命。
[0049]
图6为一种齿轮式膨胀机排气过程结束时刻图，排气口101关闭，未排出的气体将与吸气腔中气体混合，参与到下一次的工作循环之中。
[0050]
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。