涡旋干式真空泵转子的有限元分析

摘要

无油涡旋真空泵作为一种清洁无油的真空获得设备，它以体积小、机构紧凑、噪声低、运行平稳等优点广泛的应用于各个行业。在以往的生物制品行业与半导体行业中，油蒸汽污染与工艺系统返油一直给用户使用造成困扰。而无油涡旋真空泵不需要更换真空泵油，并且其运转振动小、运行平稳、能耗低、重量轻，突破了普通油封机械真空泵的使用范围限制。在很多领域中，已经逐步取代了普通的油封机械真空泵。 本课题建立了无油涡旋真空泵的三维实体模型，并利用ANSYS有限元分析软件对动涡盘进行模拟和仿真，获得涡旋干式真空泵运转稳定后的转子体温度分布，以及其在运转过程中产生的形变和外部激励响应等重要信息。 在本课题的研究过程中，作者首先对涡旋干式真空泵的基础理论进行了细致研究和调研，阐述了涡旋机械的发展历史，以及涡旋真空泵的产生及对各行业的普遍影响。并对目前双级无油涡旋真空泵的整体结构、啮合原理、运行特点以及应用场合进行了详细的讨论;之后，作者应用三维设计软件结合涡旋泵实体及设计参数对整个涡旋泵进行了三维建模。并对转子模型进行反复修改得到了适合有限元分析的几何模型，进而结合绝热壁面热力学边界条件下真空涡旋泵流场区域的CFD模拟分析结果，通过与流场的壁面耦合获得不同时刻转子壁面的节点温度作为循环加载的边界条件，在此基础上模拟了涡旋真空泵转子体的温度分布，分析体温度变化对转子整体的应力与应变的影响规律，以及气体力、温度场以及惯性力共同耦合作用下动涡盘的应力与应变结果，得到实际工作状态下的变形情况;最后，对动涡盘进行模态分析，提取转子前六阶模态的固有频率和振型，为瞬态动力学分析提供数据基础。以轴向气体力为输入载荷，对转子进行谐响应分析，分析转子在轴向气体力作用下所发生的形变规律，规避转子因受迫振动而导致泵腔内的间隙尺寸过大的现象。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1涡旋真空泵的发展历史

1．2涡旋真空泵的结构特点

1．2．1涡旋真空泵的结构

1．2．2单侧涡旋齿和双侧涡旋齿的区别

1．3课题来源与意义

1．3．1课题来源

1．3．2课题意义

1．4课题研究内容

1．5创新点

1．6本章小结

第2章涡旋干式真空泵及有限元分析基础理论

2．1涡旋干式真空泵的型线理论与主要参数

2．1．1型线理论

2．1．2涡旋泵的主要参数

2．2有限元分析的理论基础

2．2．1有限元分析的基本概念

2．2．2 ANSYS软件简介

2．2．3 ANSYS分析步骤

2．2．4单元的选择与分析过程

2．3弹性力学的基础理论

2．3．1弹性力学的基本假设

2．3．2弹性问题的基本方程

2．4耦合分析基础理论

2．4．1耦合场分析类型

2．4．2载荷传递耦合分析

2．4．3载荷传递耦合物理分析

2．5机构动力学基础理论

2．6本章小结

第3章涡旋泵干式真空泵的几何模型及转子温度场分析

3．1涡旋泵干式真空泵的几何模型

3．1．1模型参数

3．1．2涡旋干式真空泵的几何模型

3．1．3转子有限元模型的建立

3．2转子温度场分析

3．2．1转子的传热模型

3．2．2单元类型的选择

3．2．3材料选择与网格划分

3．2．4温度场分析的边界条件

3．2．5结果分析

3．3本章小结

第4章多场耦合下转子的静力学分析

4．1热载荷作用下转子结构变形分析

4．1．1单元类型的选择

4．1．2模型的约束条件

4．1．3热载荷作用下的边界条件

4．1．4热载荷作用下转子结构变形模拟分析

4．2气体力作用下转子结构变形分析

4．2．1气体力载荷下的边界条件

4．2．2气体力载荷下的结构变形分析

4．3惯性载荷作用下转子结构变形分析

4．4多场耦合作用下转子的结构变形分析

4．5本章小结

第5章转子动力学分析

5．1前处理

5．2模态分析

5．2．1模态分析的概念和基本方法

5．2．2动涡盘的振型分析

5．3谐响应分析

5．3．1谐响应分析的基本概念

5．3．2轴向气体力的计算

5．2．3谐响应分析结果

5．3本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录