第 1 章 緒論

真空濾油機(jī)作為典型油凈化設(shè)備之一，根據(jù)水的沸點(diǎn)比油低、真空狀態(tài)下水沸點(diǎn)大大下降的真空干燥原理設(shè)計(jì)而成，可高效脫除廢油中的水分、氣體和機(jī)械雜質(zhì)[1]。圖 1.1 展示了真空濾油機(jī)基本工作流程：先經(jīng)粗過(guò)濾器濾除待處理油液中粒徑較大的雜質(zhì)，粗濾后的油液進(jìn)入加熱系統(tǒng)升溫，高溫油液粘度降低，經(jīng)精濾器進(jìn)一步濾除粒徑較小的雜質(zhì)，精濾后的油液經(jīng)真空分離系統(tǒng)中完成脫水、脫氣，最終由高精度過(guò)濾器進(jìn)行深度過(guò)濾。在真空濾油機(jī)真空過(guò)濾、真空蒸發(fā)、真空脫氣等工藝過(guò)程中，真空泵機(jī)組提供必須的真空環(huán)境，其中粗抽泵的作用尤為突出，它為主泵工作創(chuàng)造必需的真空條件。這是由于用于較高真空的濾油機(jī)主泵不可直排大氣，否則會(huì)造成主泵吸氣口與排氣口之間壓差過(guò)大，使主泵過(guò)載而影響正常工作。所以必須先使用前級(jí)粗抽泵快速抽氣，將工作系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低至一定范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)的壓力適合啟動(dòng)濾油機(jī)主泵工作，從而有效避免主泵的超載運(yùn)作。早期在濾油機(jī)中應(yīng)用較為廣泛的是羅茨泵-水環(huán)泵機(jī)組，當(dāng)真空系統(tǒng)需要處理大量水蒸汽時(shí)，利用水環(huán)泵粗抽較為適宜，水環(huán)泵還能提供羅茨主泵所需的預(yù)備真空條件，有利于羅茨泵的工作。但由于水環(huán)泵極限真空度不高，通常在 2000～4000Pa 之間，致使整個(gè)機(jī)組的極限真空度較低；此外，水環(huán)泵耗電量大，噪聲大，效率很低，僅 30%～50%，若在真空干燥長(zhǎng)時(shí)間需求的系統(tǒng)中使用水環(huán)泵作為前級(jí)泵，顯得很不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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第 2 章 真空濾油機(jī)用渦旋真空泵渦旋盤及渦旋型線分析

2.1 真空濾油機(jī)用渦旋真空泵渦旋盤

真空濾油機(jī)用渦旋真空泵主要由泵頭、電動(dòng)機(jī)、機(jī)座等構(gòu)成。泵頭內(nèi)的靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤組成渦旋盤副為渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。渦旋盤由一個(gè)圓形端板和從圓形端板平面上垂直拉伸一定高度，并在徑向具有一定厚度的一條螺旋形渦旋齒構(gòu)成。漸開線型渦旋盤的基本結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示，構(gòu)成渦旋齒的輪廓型線是包括外側(cè)型線和內(nèi)側(cè)型線，齒頭處的嚙合點(diǎn)為兩種型線的分界點(diǎn)。

2.2 基于通用型線的渦旋盤型線研究

通用型線顧名思義強(qiáng)調(diào)通用與統(tǒng)一，是基于普遍性的渦旋型線表征方式。其他任何單一渦旋型線均可作為通用型線中的特例，如圓漸開線、線段漸開線等，是基于特殊性的渦旋型線表征方式。由于不同的渦旋型線可加工出性能各異的渦旋盤。當(dāng)采用單一型線進(jìn)行渦旋盤設(shè)計(jì)與加工時(shí)，渦旋盤的性能將完全由該種型線的數(shù)學(xué)特性決定，也就因此限制了渦旋性能的進(jìn)一步延伸�；谕ㄓ眯途�的渦旋盤，在數(shù)學(xué)特性上不受任何限制，可結(jié)合渦旋盤結(jié)構(gòu)、性能、加工等多方面需求進(jìn)行渦旋盤設(shè)計(jì)[32]。

第 3 章 基于通用型線的渦旋盤型線生成與優(yōu)化研究 .............18

3.1 基于通用型線的渦旋盤型線生成原理分析 ............. 18
3.2 基于通用型線的渦旋盤型線生成方法研究 .............. 19
3.3 基于通用型線的渦旋盤型線參數(shù)優(yōu)化研究 ................... 25
3.4 本章小結(jié) ........... 26
第 4 章 基于優(yōu)化型線的渦旋盤運(yùn)動(dòng)仿真研究 ................28
4.1 基于優(yōu)化型線渦旋盤的三維實(shí)體虛擬建模 .................... 28
4.2 真空濾油機(jī)用渦旋真空泵其余部件的三維實(shí)體建模 ....... 30
4.3 基于優(yōu)化型線渦旋盤的運(yùn)動(dòng)仿真前處理 ............. 33
4.4 基于優(yōu)化型線渦旋盤的運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)果分析 .......... 35
4.5 本章小結(jié) ........... 37
第 5 章 基于優(yōu)化型線渦旋盤的應(yīng)力與變形仿真研究 ......................38
5.1 基于優(yōu)化型線渦旋盤應(yīng)力與變形的有限元基礎(chǔ) ........ 38
5.2 基于優(yōu)化型線渦旋盤的應(yīng)力與變形仿真模型 ................. 39
5.3 基于優(yōu)化型線渦旋盤的應(yīng)力與變形仿真結(jié)果與分析 .................. 42

5.4 本章小結(jié) ................. 51

第 5 章 基于優(yōu)化型線渦旋盤的應(yīng)力與變形仿真研究

5.1 基于優(yōu)化型線渦旋盤應(yīng)力與變形的有限元基礎(chǔ)

本章所做的渦旋盤應(yīng)力與變形仿真分析，主要是為了研究動(dòng)、靜渦旋盤在恒定溫度下，吸排氣過(guò)程中，氣體載荷作用對(duì)渦旋盤結(jié)構(gòu)的影響，從而根據(jù)應(yīng)力和變形情況，對(duì)渦旋盤的設(shè)計(jì)提出要求。構(gòu)成渦旋盤通用型線的復(fù)雜性使得渦旋盤在氣體力作用下應(yīng)力與變形分析比較困難，而運(yùn)用有限元思想，對(duì)渦旋盤模型進(jìn)行離散化處理，即將整個(gè)模型劃分為足夠多個(gè)較為規(guī)則的單元網(wǎng)格，這些單元網(wǎng)格之間彼此以節(jié)點(diǎn)連接，運(yùn)用有限個(gè)小單元體代替原模型，迭代求解每一個(gè)單元網(wǎng)格的受力情況，運(yùn)用彈性力學(xué)的相關(guān)原理，可構(gòu)建單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與單元位移之間的關(guān)系，通過(guò)構(gòu)造一系列以節(jié)點(diǎn)位移為變量的方程組，可求出各離散節(jié)點(diǎn)處的位移分量值，進(jìn)而求得各節(jié)點(diǎn)單元的應(yīng)變分量和應(yīng)變值。同理可以得到單元節(jié)點(diǎn)與應(yīng)力之間的關(guān)系，最終求得各單元體的應(yīng)力值。

5.2 基于優(yōu)化型線渦旋盤的應(yīng)力與變形仿真模型

由于渦旋盤結(jié)構(gòu)特征比較復(fù)雜，在人工進(jìn)行有限元分析時(shí)需要對(duì)大量的單元和節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行編制和處理，計(jì)算過(guò)程不僅繁瑣而且困難。由于軟件自帶有限元分析的前處理文件，可方便進(jìn)行有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分，并可以有效檢驗(yàn)有限元單元網(wǎng)格劃分的合理性。動(dòng)渦旋盤和靜渦旋盤的結(jié)構(gòu)大同小異，方法大致相同，且均可用軟件進(jìn)行有限元前處理。為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算和分析有限元模型中渦旋齒以及渦旋齒與圓盤相連接處的應(yīng)力和變形情況，本次仿真將最小單元尺寸設(shè)置為 1.6mm，選擇十節(jié)點(diǎn)四面體單元法對(duì)渦旋盤進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，材料方向依據(jù)材料自身的物理屬性表，網(wǎng)格劃分完成后還需要對(duì)有限元模型進(jìn)一步檢查，主要是檢查最小單元網(wǎng)格大小是否為正值，檢查是否有劃分失敗的單元或不連續(xù)的單元。最后確定動(dòng)渦旋盤有限元網(wǎng)格中的單元數(shù)為 208303，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 332080；靜渦旋盤有限元網(wǎng)格中的單元數(shù)為 215493，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 341862，有限元網(wǎng)格劃分情況如圖 5.1 和 5.2 所示。
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第 6 章 結(jié)論與展望

本文圍繞真空濾油機(jī)用渦旋真空泵的渦旋盤進(jìn)行研究。目的在于探索和總結(jié)渦旋盤設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循的步驟及方法，并對(duì)其中存在的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行分析，主要做了如下工作：(1) 在研究真空濾油機(jī)用渦旋真空泵的渦旋盤結(jié)構(gòu)特性與工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)成渦旋盤的渦旋型線展開研究。在明確了運(yùn)用通用型線理論研究渦旋盤型線的必要性及優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，給出了基于通用型線的渦旋齒型線、內(nèi)外側(cè)型線的的表征方程；討論了切向角階次對(duì)渦旋盤齒形及壁厚的影響。(2) 研究了基于通用型線理論的渦旋盤型線生成方法與優(yōu)化。首先對(duì)采用型線方程生成渦旋盤型線的方法進(jìn)行研究。研究表明該方法需要對(duì)型線方程求微分得到曲率半徑函數(shù)，進(jìn)一步由積分表達(dá)變換式對(duì)曲率半徑函數(shù)求積分，最終得到渦旋型線在平面坐標(biāo)系下的表征，至此才能編程繪制基于通用型線的渦旋盤型線。該方法涉及復(fù)雜的微分與積分運(yùn)算，降低了渦旋盤型線的設(shè)計(jì)效率；然后對(duì)比研究了基于向量關(guān)系的渦旋盤型線生成方法。研究表明以切向角為參數(shù)的嚙合點(diǎn)處法向分量的多項(xiàng)式亦可表征通用型線，，建立了基于向量關(guān)系的渦旋盤型線表征方程，并編寫了 MATLAB 程序，通過(guò)對(duì)通用型線方程的待定系數(shù)向量賦值，即可得到任意待定系數(shù)下的基于通用型線的渦旋盤型線方程；最后對(duì)基于通用型線的渦旋盤型線進(jìn)行優(yōu)化，得到圈數(shù) N =3.25，節(jié)距 P =1 7.26mm，齒厚t=4.71mm ，齒高h(yuǎn)  26.15mm的渦旋型線，優(yōu)化后型線的主要性能得到有效提升，壓縮面積比原來(lái)約增加了 11.22%，體積利用率約上升了 6.26%，壓縮比約提高了8.28%。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：150012