本文關(guān)鍵詞：螺桿泵容積效率特性分析與螺桿齒面精確成型方法研究　出處：《重慶大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：課題來源于國家自然科學(xué)基金面上項目“高效三螺桿泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計新方法及關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號：50875268）和“多級變速螺桿泵基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號：51175522）。 螺桿泵因具有優(yōu)越的工程適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)實用性在海洋鉆井平臺、艦船、精密機(jī)床、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議》明確指出，高端裝備制造業(yè)處于七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心地位，將在重點領(lǐng)域集中力量加快推進(jìn)。螺及桿泵作為重點發(fā)展的高端裝備部件，將為我國高端裝備制造業(yè)的發(fā)展增加動力，成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐。同時，“十二五”期間我國將投入3000億重點發(fā)展海洋工程裝備，包括海洋鉆井平臺、各種海洋工程船舶及潛艇等。因此，螺桿泵作為重要的高端裝備基礎(chǔ)部件，需求量巨大，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，螺桿泵屬于高精度機(jī)械產(chǎn)品，其對設(shè)計和制造的精度很敏感。由于我國生產(chǎn)企業(yè)對螺桿泵工作機(jī)理認(rèn)識不清晰，設(shè)計及加工方面的技術(shù)不夠完善，使得生產(chǎn)出的產(chǎn)品存在容積效率低、流量特性不穩(wěn)定、齒面磨損嚴(yán)重、功耗大等技術(shù)瓶頸，長期以來高端螺桿泵產(chǎn)品基本上依賴進(jìn)口。為此，為提高我國高端裝備制造業(yè)的國際化水平，減小我國在螺桿泵等高端裝備部件對國外的依賴，開展螺桿泵系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計理論與方法研究，突破螺桿泵設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)難題，對提高我國機(jī)械裝備配套自主創(chuàng)新能力具有十分重要的社會經(jīng)濟(jì)意義和工程實用價值。 本文以螺桿泵關(guān)鍵核心部件螺桿副為研究對象，利用流體動力學(xué)、泄漏理論、接觸理論、空間包絡(luò)理論等，深入分析泵腔內(nèi)流場運動學(xué)、動力學(xué)特性，研究探討螺桿構(gòu)型原理及其結(jié)構(gòu)與螺桿泵容積效率特性參數(shù)匹配的設(shè)計理論和方法，建立考慮嚙合間隙的螺桿齒形設(shè)計模型，形成螺桿齒面成型刀具精確齒形設(shè)計方法。論文主要工作如下： ①在定義容積式機(jī)械吸入能力的基礎(chǔ)上，建立螺桿泵吸入能力計算數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析螺桿泵轉(zhuǎn)速、螺桿螺旋升角、輸送介質(zhì)等對螺桿泵吸入能力的影響；研究螺桿泵吸入能力對容積效率特性的影響，得到螺桿泵關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)與螺桿泵吸入能力的匹配關(guān)系，提出提高螺桿泵吸入能力的設(shè)計方法。 ②基于流體力學(xué)邊界層分離理論，在深入分析螺桿泵吸入能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合圓柱繞流現(xiàn)象，對圓柱繞流跡線及其分離點進(jìn)行計算，建立圓柱繞流邊界層分離優(yōu)化模型，運用圖形和解析的方法求解優(yōu)化方程，結(jié)合螺桿轉(zhuǎn)子端面幾何特性，獲得優(yōu)化流線型體三維模型，通過理論分析的方法驗證優(yōu)化模型的合理性。 ③內(nèi)泄漏是泵泄漏的主要因素。針對螺桿泵桶壁間隙、嚙合間隙等決定螺桿泵性能的關(guān)鍵間隙的設(shè)計問題，在研究螺桿各項間隙構(gòu)成原理的基礎(chǔ)上，運用流體力學(xué)間隙泄漏理論和小孔泄漏理論，分別建立泵腔間隙泄漏壓差流和剪切流模型，分析螺桿泵桶壁間隙和嚙合間隙的泄漏量，得到螺桿泵不同間隙泄漏的數(shù)學(xué)模型；以主動螺桿2頭、從動螺桿3頭的雙螺桿泵為例，理論計算與試驗對比分析螺桿轉(zhuǎn)速、壓差對泵泄漏的作用機(jī)理，揭示螺桿轉(zhuǎn)速、泵進(jìn)出口壓差對螺桿泵流量特性及容積效率特性的影響規(guī)律。 ④針對螺桿泵關(guān)鍵部件螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計過程復(fù)雜、加工難度高導(dǎo)致嚙合間隙不均勻的問題，在分析螺桿嚙合間隙形成機(jī)理基礎(chǔ)上，運用空間解析幾何基礎(chǔ)理論，提出基于嚙合間隙的螺桿齒形優(yōu)化設(shè)計新方法，建立螺桿加工過程進(jìn)刀軌跡-螺桿齒形-嚙合間隙轉(zhuǎn)換方程，，深入分析軸向、徑向、法向等不同進(jìn)刀方式對螺桿嚙合間隙、螺桿齒形偏差的影響規(guī)律；結(jié)合微分幾何等距曲面構(gòu)型原理，得到預(yù)定加工間隙的螺桿端面齒形。 ⑤針對由離散點組成的任意端截面螺桿齒形，基于齒輪嚙合原理，運用三次樣條插值方法求得螺桿成型刀具齒形；研究螺桿與刀具在加工過程中的空間包絡(luò)特性與幾何特性，結(jié)合機(jī)床、螺桿、刀具的協(xié)同運動所生成的接觸線的形狀和空間位置參數(shù)，創(chuàng)新性地提出一種基于離散點齒形的螺桿加工成型刀具設(shè)計方法--形位幾何法，與齒輪嚙合原理的方法進(jìn)行對比表明：形位幾何法簡化刀具-工件包絡(luò)求解模型，克服傳統(tǒng)嚙合理論設(shè)計刀具時無法精確計算齒形曲線尖點的關(guān)鍵技術(shù)難點，提高螺桿成型刀具齒形設(shè)計精度，并通過試驗驗證形位幾何法的可行性及精確性。
[Abstract]:The subject is derived from the project " High - efficiency three screw pump rotor profile design new method and key technology research " ( Project No . : 50875268 ) and " Multi - stage variable speed screw pump basic theory and key technology research " ( Project No . : 51175522 ) . Because of its excellent engineering adaptability and economic practicability , the screw pump is widely used in the fields of offshore drilling platform , ship , precision machine tool and petrochemical industry . Taking the screw pair of the key core parts of the screw pump as the research object , using the fluid dynamics , the leakage theory , the contact theory , the space envelope theory , etc . , the kinematics and dynamic characteristics of the flow field in the pump cavity are analyzed in detail , the design theory and the method for matching the screw configuration principle and the parameter matching of the volume efficiency characteristic parameters of the screw pump are deeply analyzed , the screw tooth profile design model considering the meshing clearance is established , and the precise tooth profile design method of the screw tooth surface forming tool is formed . On the basis of defining the mechanical suction capacity of the screw pump , the mathematical model of the suction capacity of the screw pump is established , the influence of the screw pump speed , the screw lifting angle , the conveying medium and the like on the suction capacity of the screw pump is analyzed in detail , and the influence of the suction capacity of the screw pump on the volume efficiency characteristics is studied , and the matching relation between the key design parameters of the screw pump and the suction capacity of the screw pump is obtained , and the design method for improving the suction capacity of the screw pump is proposed . ( 2 ) Based on the theory of fluid mechanics boundary layer separation , based on the in - depth analysis of the suction capacity of the screw pump , combining the cylinder winding phenomenon , the cylinder winding trace and its separation point are calculated , the optimization equation is solved by means of the graph and the analysis method , the three - dimensional model of the optimized streamline body is obtained by combining the geometric characteristics of the end face of the screw rotor , and the rationality of the optimization model is verified by the method of theoretical analysis . In this paper , the main factors of pump leakage are the internal leakage . Based on the principle of screw pump barrel wall clearance , meshing clearance and so on , a mathematical model of pump cavity clearance leakage differential pressure flow and shear flow model is established by using the theory of fluid mechanics gap leakage theory and small hole leakage theory . On the basis of analyzing the formation mechanism of screw meshing gap , a new method of screw tooth profile optimization design based on meshing gap is put forward . On the basis of gear meshing principle , the shape and space position parameters of the contact line generated by the cooperative motion of the machine tool , screw and cutter are studied . The key technology difficulties of the tooth profile curve point can not be accurately calculated when the cutter is designed by the geometric method . The feasibility and accuracy of the geometric method of the shape position are verified by the test .

【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH327

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1441139