刚性转子还需要静平衡（螺杆转子的动平衡设计）

螺杆真空泵中使用的螺杆转子通常可视为刚性转子，广义上的刚性转子动平衡，包括静平衡（惯性力为零）和动平衡（惯性力偶为零）两方面要求，分别是转子的质心恰好落在转动轴线上和转子各部分对于垂直于转动轴线的任一转轴的转动力矩互相抵消。

对于等螺距螺杆转子，不论转子采用何种端面型线，当螺杆长度等于节距的整数倍时，都能自动保证质心处于转动轴线上，从而满足静平衡要求；但由于其偏心质量是分布在不同的回转平面上，所产生的离心惯性力不能完全相互抵消，因而无法保证惯性力偶为零，且转子越长，惯性力偶的扭矩越大。

而当转子长度不等于螺旋导程的整数倍时，则转子的整体质心会偏离轴线，甚至静平衡的条件也无法满足了，所以在螺杆转子的设计、制造过程中，必须进行专门的动平衡设计计算和采取动平衡加工处理。

实际生产中广泛采用质量补偿法来实现转子的动平衡，即在转子适当的位置处去除或添加一部分材料，来调节转子质量的空间分布，从而满足惯性力和惯性力偶同时为零的条件。根据螺杆真空泵中螺杆转子制造材料和工艺的不同，去除质量的方法目前有铸造法和机加法两种方式。

图1 等螺距螺杆转子的二种动平衡质量补偿方法

对于转子毛坯采用铸造成型的螺杆转子，可以在铸造转子毛坯时直接预留出质量补偿孔，即铸造法。等螺距铸造转子的质量补偿孔通常开设在转子两端的侧面，随转子的螺旋展开方向向内自然延伸，如图 1（a）所示。确定质量补偿孔的形状、位置和延伸深度等结构参数，就是转子动平衡设计的主要任务。

本文作者提出过一种适用于等螺距铸造转子的动平衡设计理论，对于任意长度的螺杆转子，都可以通过在转子两端侧面开设几何结构完全相同的质量补偿孔，来实现转子的完全动平衡，并给出了质量补偿孔的形状、位置和延伸深度的计算公式，可供相关设计人员参考，避免其盲目试验摸索。

对于没有采用铸造成型工艺的纯机械加工转子，只能通过在转子体上直接加工质量补偿孔来实现动平衡。受加工方式的限制，等螺距机加转子的质量补偿孔大多设置在转子的齿顶面上，且尽可能向两端排布，如图1（b）所示。

虽然目前公开的转子动平衡设计理论，尚没有关于这种质量补偿孔的大小、深度和位置的直接计算方法，但利用 PRO/E 等实体造型工具软件中的分析功能来分析模型的质量属性，可以直观地得到模型的质心位置及惯性张量，经动平衡自动搜索优化计算，也可以得到满足转子动平衡条件的设计方案。

对于变螺距螺杆转子，由于排气端的齿形通常偏于薄小，很难在其内部或外表面上过多去除质量了，所以其动平衡设计习惯于主要在吸气端去除补偿质量。变螺距螺杆转子的吸气端不但齿形通常十分厚重，而且二螺杆转子在与泵吸气口相对应的区域不需要双向全封闭啮合，因此可以在此处直接切削偏向吸气侧的齿形面以实现转子动平衡，仅保留偏向排气侧的齿形面用于引导被吸入气体。

图2 一种渐变式变螺距螺杆转子的动平衡质量补偿

图2是一种渐变式变螺距螺杆转子的动平衡质量补偿体示意图。理论上，任何种类端面型线的渐变式变螺距螺杆转子，都能够同时满足惯性力和惯性力偶同时为零的动平衡条件；确定去除质量补偿体形状、位置的方法，仍然可以借助 PRO/E 等软件的质量属性分析和自动搜索优化功能来完成。

不过通过这种方法实现动平衡的变螺距螺杆转子，沿轴向质量分布更加不均匀，转子体内部的应力更大，所以设计时转子体应具有更好的刚性。

本文作者：张世伟，赵 凡，张 杰，张志军，韩 进

本文摘自《无油螺杆真空泵螺杆转子设计理念的回顾与展望》

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