結(jié)合現(xiàn)有干式螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子型線的特點(diǎn)，提出了一種嚴(yán)格密封的單頭螺桿轉(zhuǎn)子端面新型線，其端面型線依次由齒頂圓、齒頂圓弧過渡曲線、漸開線、齒根圓過渡曲線、齒根圓、長幅外擺線順序相接組成；采用該型線螺桿轉(zhuǎn)子的主要特征是： 兩段圓弧、兩段過渡曲線和漸開線相切過渡，嚴(yán)格密封且沒有滯留區(qū)，不會形成泄露三角，從而提高泵的抽速和極限真空度。文中通過嚙合理論給出了端面型線推導(dǎo)過程和曲線參數(shù)方程，可供設(shè)計人員參考借鑒；從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，采用螺旋面等距面法設(shè)計嚙合間隙均勻的成對螺桿，從而得到帶嚙合間隙的端面型線。

　　干式螺桿真空泵是螺桿壓縮機(jī)演變過來，屬于非接觸型干式泵，核心元件是一對有一定間隙、相互嚙合的螺桿轉(zhuǎn)子，泵腔內(nèi)沒有金屬與金屬間的接觸，抽氣腔元件無摩擦，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易損件少，真空度高，使用壽命長，能耗低，無油污染，使用場地小等優(yōu)點(diǎn)，因此在抽除可凝性氣體、帶有粉塵及微小顆粒物的氣體時不易堵塞且清洗方便，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、微電子、半導(dǎo)體、精密加工、冶金、太陽能光伏、LED 等行業(yè)。

　　螺桿轉(zhuǎn)子端面型線包含的曲線必須滿足曲線嚙合的基本定律，還要有良好的密封性，要求泄漏三角形面積盡量小，接觸線盡量短；其次，要求有較大的面積利用系數(shù)，這樣不僅機(jī)器的尺寸可以小一些，而且單位容量的泄漏損失也要少一些，可使效率相對提高；另外，還要求嚙合區(qū)域盡量避免滯留區(qū)，型線流線化以減少氣體流動損失，也要便于加工；還要提高抽氣效率和降低工作溫度。

　　單頭、爪形的螺桿轉(zhuǎn)子型線是目前國內(nèi)外廠商最為常用的一種型線，采用單頭其綜合性能優(yōu)秀，加工相對于多頭螺桿要簡單得多，爪形式的設(shè)計解決了轉(zhuǎn)子的齒面干涉問題，故為廣泛采用。這種螺桿采用基圓半徑相等、端面曲線相同而螺桿旋向相反的型線，齒根圓弧與齒頂圓弧過渡一般采用阿基米德線、漸開線或擺線及其共軛曲線。

1、問題的提出

　　目前市場上螺桿真空泵常用的有三種型線：

　　(1) 由阿基米德曲線及對應(yīng)的包絡(luò)曲線、大小兩段圓弧、長幅外擺線五段線組成，如圖1 所示，存在奇異點(diǎn)a1，形成三角區(qū)域a2d1 f，該區(qū)域形成氣體的滯留區(qū)和泄漏區(qū)，影響抽氣效率。

圖1 帶阿基米德曲線的螺桿轉(zhuǎn)子端面型線

圖2 帶有漸開線的螺桿轉(zhuǎn)子端面型線

　　(2) 漸開線也是螺桿端面型線常選用的基本型線，如圖2 所示，但若漸開線與根部圓弧直接相連，會形成一定的泄露區(qū)e2d2 f，故漸開線和根部圓弧采用擺線e2d2過渡，該過渡區(qū)域解決了泄露的問題，尖點(diǎn)與線嚙合，在過渡區(qū)域也會形成一定的滯留區(qū)，影響排氣效率內(nèi)部工作溫度。

　　(3) 帶有三段長幅外擺線螺桿端面型線由大小兩段圓弧、三段長幅外擺線五段線組成，如圖3 所示，但文獻(xiàn)已經(jīng)描述過型線b1 c1 d1段形成較小的泄露三角，影響排氣效率。

圖3 帶3 段長幅外擺線的螺桿轉(zhuǎn)子端面型線

2、設(shè)計實(shí)例與驗(yàn)證

　　最后，給出五種螺桿的設(shè)計實(shí)例，干式螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 齒根圓半徑為ρ3 = 37mm，齒頂圓半徑為ρ3 = 83 mm；中心距2rp = ρ1 + ρ3= 120 mm；螺桿轉(zhuǎn)子每節(jié)導(dǎo)程P = 68 mm，轉(zhuǎn)子工作區(qū)總長度L = 306 mm，其螺旋圈數(shù)為4.5 圈，為了便于比較，前三種螺桿齒頂圓弧弧度統(tǒng)一接近π/2，漸開線型的圓角過渡半徑為30 mm，基圓半徑為15mm。五種螺桿主要參數(shù)比較，如表2。

表2 五種螺桿主要參數(shù)比較

　　由表2 可知，帶阿基米德和漸開線的螺桿面積利用率最高；三段擺線和圓角擺線過渡型的螺桿，面積利用率固定；圓角過渡兩種螺桿無泄漏、無滯留區(qū)。綜合比較圓角過渡的漸開線型線比較理想，面積利用率高，且無泄漏、無滯留區(qū)，漸開線嚙合區(qū)域嚙合線短，密封效果好。

　　圖14 是采用本設(shè)計方案制造的成對螺桿，在實(shí)際的使用過程中，螺桿真空泵工作的初始階段，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.203scouts.com/)認(rèn)為螺桿真空泵要比三段擺線型的螺桿真空泵吸氣能力要強(qiáng)很多，內(nèi)部工作溫度也要低得多。

圖14 成對螺桿

　　如圖15(a) 所示，螺桿真空泵在極限真空狀態(tài)下運(yùn)行，打開吹氣閥，放入空氣，對極限真空度幾乎沒有影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計的型線密封好，幾乎無氣體返流。圖15(b) 是測試極限壓力和壓力曲線試驗(yàn)，測試條件、冷卻水流量相同，在吹氣閥位置安裝PT100 的溫度傳感器，在測試圓角過渡的漸開線型、圓角擺線型和三段擺線型螺桿真空泵時，三種泵的測試溫度分別是90，100， 120℃。用精密噪聲頻譜分析儀測試噪聲和頻譜分析，采用同樣類型的消聲器，采用圓角過渡型型線的等螺距螺桿真空泵噪聲可以達(dá)到70 dB 以下，三段擺線型75 dB 以下。圖15(c) 是圓角過渡型和三段擺線型的壓力曲線，在同樣的設(shè)計間隙中，圓角過渡型的螺桿真空泵壓力曲線整體向左上角偏移，極限壓力、最大抽氣速度都要提高，冷機(jī)啟動的抽氣效率要高很多。可以看出良好的密封，可以減少氣體返流量，進(jìn)而影響著真空泵的排氣效率、內(nèi)部工作溫度、極限壓力、工作噪聲等。

圖15 性能測試試驗(yàn)

5、結(jié)論

　　(1) 建立了螺桿轉(zhuǎn)子共軛端面型線的設(shè)計理論，可針對任意型線雙螺桿轉(zhuǎn)子型線進(jìn)行設(shè)計，并且可以針對現(xiàn)有型線不足展開分析與改進(jìn)。

　　(2) 建立了螺桿螺旋面理論齒面的等距面方程，在設(shè)計階段實(shí)現(xiàn)了基于嚙合間隙的螺桿齒形設(shè)計，從而建立帶間隙的螺桿端面型線方程。

　　(3) 在型線的奇異點(diǎn)增加圓弧過渡，既可以避免泄漏區(qū)的形成，也能避免滯留區(qū)域的形成，同時采用漸開線，螺桿齒面可以獲取較短的接觸線，提高密封效果。其外，螺桿真空泵實(shí)際運(yùn)行時，內(nèi)部工作溫度低、噪聲較低。上述效果在實(shí)際中應(yīng)用中獲得驗(yàn)證。

　　本文研究結(jié)果為干式螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計、型線選取以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)與實(shí)踐參考。