動葉輪作為分子泵的關鍵部件，與芯軸過盈裝配，要求在高速狀態下仍保持一定的過盈量。本文計算了動葉輪在高速轉動時的徑向變形、過盈裝配時的初始應力狀態和轉動時應力狀態，根據徑向變形量的差異和應力優化了裝配過盈量，既保證了動葉輪轉子強度又使過盈聯接可靠。

　　分子泵作為獲得潔凈真空環境的重要設備在現代工業中得到了越來越廣泛的應用，高速、小型化是其發展方向之一，最高轉速達到90000 rpm^[1]。分子泵的動葉輪通常與芯軸過盈聯接，并要求在任何狀態下保持一定的過盈量。如果初始過盈量太小，在高速轉動時，動葉輪內圈的徑向變形量大于轉子的徑向變形量，當二者的差值大于初始過盈量時，兩者會發生相對滑動而發生破壞。但如果過盈量太大，裝配產生的預應力會造成動葉輪開裂。因此，真空技術網(http://shengya888.com/)認為設計合理的裝配過盈量，對于保證結構的可靠運行具有十分重要的意義。

1、動葉輪和芯軸徑向變形計算

　　分子泵葉輪結構如圖1 所示，葉輪共有六級，傾角分別為40°(1 片)、30°(2 片)、20°(3 片)，它們通過過盈裝配的方式與芯軸聯接。動葉輪材料為鋁合金，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2770 kg/m³。芯軸材料為不銹鋼，彈性模量E=193 GPa，泊松比μ=0.31，密度ρ=7750kg/m³。

圖1 分子泵葉輪結構示意圖

　　計算單個零件在最大設計轉速30000 r/min下的變形情況^[2]。20 度葉輪的徑向變形如圖2 所示，其內圈的徑向伸長量約為8μm。30°葉輪和40°葉輪的徑向伸長量分別為6μm和5μm。芯軸的徑向變形如圖3 所示，其與20°葉輪聯接部分的徑向伸長量約為0.6μm，與30°葉輪和40°葉輪聯接部分的徑向伸長量約為2.3μm�？梢姡�20°、30°和40°動葉輪與芯軸的徑向變形差分別為7.6μm、3.7μm、2.7μm。

圖2 20°葉輪的徑向變形　圖3 芯軸的徑向變形

2、動葉輪和芯軸的裝配應力計算

　　根據上述計算結果，20°、30°、40°葉輪的單邊過盈量分別取10μm、6μm、5μm。計算在該過盈量下葉輪轉子結構的裝配應力^[3]，結果如圖4 所示。

圖4 動葉輪的裝配應力

　　20°葉輪的最大等效應力約為62.8 MPa;30°葉輪的最大等效應力約為33.6 MPa;40°葉輪的最大等效應力約為25.7 MPa;轉子的最大等效應力約為23.6 MPa。最大應力均產生于動葉輪與芯軸的聯接處，而葉片上應力很小。

3、離心力與裝配應力合成效果分析

　　分子泵葉輪轉動時離心力會使結構產生應力和變形。在最高轉速下，裝配預應力和離心力的共同作用使結構產生如圖5 所示的等效應力狀態。20°葉輪的最大等效應力約為61.8 MPa;30°葉輪的最大等效應力約為40.1 MPa;40°葉輪的最大等效應力約為31.1 MPa;轉子與葉輪連接面上的最大等效應力約為37.7 MPa。

圖5 裝配應力和離心力共同作用的等效應力

　　葉輪轉動產生的離心力一方面會使結構產生應力，另一方面會使動葉輪產生大于芯軸的徑向變形而減小接觸應力，二者的綜合作用使結構在最高設計轉速內各部件的等效應力沒有隨著轉速增加而顯著增大。該結論可從圖6 等效應力隨著轉速的變化關系中得到印證。設計的裝配過盈量一方面保證了結構的可靠連接，另一方面沒有使結構的等效應力顯著增加，是較為合理的。

圖6 等效應力隨著轉速的變化關系

4、結語

　　計算了分子泵動葉輪和芯軸轉動時的徑向變形，根據其徑向變形量的差異設計了裝配過盈量，并計算了在該過盈量下結構的初始應力狀態和轉動應力狀態，保證了葉輪和芯軸強度足夠并且連接可靠。

參考文獻

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