無油渦旋真空泵的設(shè)計與操作
無油渦旋真空泵的設(shè)計與操作
楊廣衍 郭海洋 張鵬
摘要：本文總結(jié)了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計原則與經(jīng)驗、制造要點和使用注意事項；介紹了渦旋真空泵的設(shè)計與加工方法；討論了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計與選擇、間隙的確定以及泵體的動平衡等問題并闡明這些問題是影響泵性能指標(biāo)的幾個重要因素；同時指出了渦旋真空泵使用的幾個注意事項。
關(guān)鍵詞：真空泵；無油渦旋技術(shù)
1.簡介 渦旋真空泵是近年來國內(nèi)外備受重視并得到迅速發(fā)展的一種真空泵。渦旋真空泵具有抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點，得到了真空獲得行業(yè)的歡迎與市場的青睞。而其在設(shè)計、制造方面較高的技術(shù)含量，也受到國內(nèi)外科技界的廣泛重視。國際上真空獲得設(shè)備的著名廠商爭先投資研發(fā)生產(chǎn)這種先進(jìn)的真空獲得設(shè)備。到上個世紀(jì)后期，真空獲得廠商應(yīng)用渦旋概念與原理制造出了對真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒有污染、抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均優(yōu)于普通油真空泵的單級、雙級渦旋真空泵。渦旋真空泵在需要清潔無油、廉價和長壽命真空泵的場所被大量應(yīng)用，實現(xiàn)了全無油、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、節(jié)省能源的清潔真空獲得技術(shù)的實用化?，F(xiàn)在世界上渦旋真空泵的生產(chǎn)廠家主要包括美國的Varian, 英國的Edwards，德國的Leybold，日本的Iwata等。國內(nèi)還沒有生產(chǎn)廠家，市場上都是進(jìn)口產(chǎn)品。 在這種背景下，本文從我國目前真空獲得與應(yīng)用行業(yè)的實際需要出發(fā)，介紹了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計原則；闡述了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計與選擇、間隙的確定以及泵體的動平衡等幾個關(guān)鍵技術(shù)問題；同時還論述了正確操作的要點，包括氣鎮(zhèn)的需要、抽水氣的操作和泵與被抽真空室隔離的問題?！ ?br />
2.渦旋真空泵的工作原理 渦旋真空泵的工作原理來源于Creux 1905年的一項發(fā)明專利。該發(fā)明采用一個在另一個內(nèi)部，一個固定，另一個轉(zhuǎn)動的具有連續(xù)的分離、連續(xù)的閉合性能的“等螺距漸開線”，研發(fā)一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。渦旋的形狀被定義為繞固定的軸心展開直線的軌跡。渦旋上任意一點的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示： X= α*（cosθ+θ*sinθ） Y= α*（sinθ-θ*cosθ） 其中常數(shù)α代表軸半徑，θ代表展開角。 渦旋真空泵的渦旋盤付就是一個一端與平面相接的一個或幾個漸開線螺旋形成的一個渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交叉組裝在一起，兩者之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差，這樣結(jié)合組成的一對渦旋盤付構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤與動渦旋盤彼此之間在幾條直線上接觸形成對稱的幾對月牙腔，動渦旋盤在曲軸的驅(qū)動下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動，使靜渦旋盤與動渦旋盤的接觸點沿渦旋曲面移動實現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。例如在雙級渦旋真空泵中，有兩個方向?qū)?yīng)的靜渦旋盤，一個位于兩個渦旋盤之間的動渦旋盤。動、靜渦旋盤相對運(yùn)動形成容積不斷變化的新月形真空腔使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，完成吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)。曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，就有一組新的月牙腔形成，所以渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)以近1500轉(zhuǎn)/分的頻率被連續(xù)重復(fù)，對被抽氣體形成包容和強(qiáng)制輸送。
3.渦旋真空泵的設(shè)計與加工 渦旋概念對于真空應(yīng)用真正有吸引力的特性是：
(1)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，零部件數(shù)量少
(2)潔凈無污染，真空抽氣通道內(nèi)無油
(3)節(jié)約能源，一臺30 m3/h（8.33 l/s）的渦旋真空泵僅需要0.6-0.75kW的電機(jī)
(4)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，渦旋真空泵無油工作，密封或冷卻都不需要油
(5)運(yùn)動部件完全動平衡，振動小、噪音低渦旋的概念自1905年由Creux發(fā)明到1973年世界上第一臺渦旋模型被制造出來，其間經(jīng)歷了漫長的70年。渦旋機(jī)構(gòu)不能加工制造的根本原因就是缺乏精密的加工技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)渦旋型線之間的精確包容與嚙合，也就不能控制工作介質(zhì)的泄漏,達(dá)不到渦旋真空泵得性能指標(biāo)。但是渦旋機(jī)構(gòu)具有的抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點，對于真空應(yīng)用行業(yè)具有極大的吸引力和潛在的應(yīng)用價值。為了將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實用的渦旋真空泵產(chǎn)品，近二十多年來，人們借鑒渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計與加工方面的經(jīng)驗，成功設(shè)計并生產(chǎn)出了主要由動、靜渦旋盤副與基座、曲軸、密封圈、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電機(jī)等五個部分組成的渦旋真空泵。為了保證渦旋真空泵的工作性能指標(biāo)、高效率和可靠性，人們開展了大量理論研究與實驗探索。到目前為止這方面的工作主要集中在：
3.1設(shè)計原則 要將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實用的渦旋真空泵產(chǎn)品，必須解決下述關(guān)鍵技術(shù)問題： ?。?）改進(jìn)密封、減少泄漏； ?。?）減小余隙、提高壓縮比； ?。?）優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性； ?。?）簡化生產(chǎn)加工工藝、降低對制造精度的要求、降低成本。 在渦旋真空泵的設(shè)計當(dāng)中要從泵的工作效率和可靠性出發(fā)，選擇泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。s*先考慮的是泵的性能指標(biāo)，如極限真空度、抽速、能耗、轉(zhuǎn)速、體積、重量以及外部尺寸等；然后根據(jù)性能指標(biāo)來確定泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，如渦旋線型、基圓尺寸、渦旋壁厚、渦旋壁高和曲軸徑向偏心量等；在實現(xiàn)了性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行泵的整體優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、泵體以及密封材料選擇、軸承選擇、表面處理與驅(qū)動電機(jī)的選配等。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了提高渦旋真空泵的工作效率，渦旋真空泵采用了雙面動渦旋盤，使動渦旋盤兩面具有完全相同的型線結(jié)構(gòu)，動渦旋盤型線工作時分別與兩側(cè)的靜渦旋盤型線嚙合，這樣可以使整個渦旋泵頭運(yùn)轉(zhuǎn)時受力平衡，有利于空間的有效利用并減小軸向磨損。設(shè)計時在圓漸開線的基礎(chǔ)上，通過給出漸開線曲線的軸向高度和徑向厚度，形成第二個渦旋，兩個渦旋交叉重疊（相差180°），一個靜止，一個旋轉(zhuǎn)，形成新月形氣腔。一系列這樣的氣腔將渦旋機(jī)構(gòu)的內(nèi)部與外部分離。根據(jù)配合的渦旋相對運(yùn)動的方向，將這些氣腔設(shè)計成徑向內(nèi)移壓縮以實現(xiàn)真空抽氣。在確定了渦旋真空泵的渦旋線型后，為了實現(xiàn)使泵能夠有效工作的目的，必須使渦旋型線在各個真空氣腔能夠良好嚙合。在渦旋型線的中心段，圓漸開線型線由于刀具的干涉形成，使高壓區(qū)渦旋壁厚變薄，加上相鄰真空腔壓差大等復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致渦旋壁受力情況惡劣、容易熱變形，還可能使排氣腔一部分高壓氣體潴留，降低渦旋真空泵的工作效率。為了解決這些問題，人們采用圓漸開線線型修正的方法，改進(jìn)高壓區(qū)渦旋型線結(jié)構(gòu)。這個方法，使渦旋壁的剛度和強(qiáng)度有所提高，并且提高了泵的可靠性。 為防止兩個動、靜渦旋盤相對運(yùn)動，設(shè)計時通常在外圓周上安裝幾個偏心量相等的小曲軸來束縛動渦旋盤與靜渦旋盤，保證動渦旋盤相對于靜渦旋盤繞行卻不旋轉(zhuǎn)。
3.3泄漏與密封 渦旋真空泵的泄漏主要包括通過渦旋型線軸向嚙合間隙的徑向泄漏和通過型線徑向嚙合間隙的切向泄漏。徑向泄漏可以采用頂部密封來解決，而切向泄漏則采用控制動渦旋盤與靜渦旋盤壁之間間隙的方法來解決。渦旋真空泵的密封主要包括頂部密封和軸承密封等。頂部密封件就是幾個細(xì)長的分別安裝在動、靜渦旋盤頂部的密封條，密封條相對對面渦旋盤底面作圓周向滑動，使氣腔在渦旋盤頂部的泄漏減到z*小。由于是無油運(yùn)轉(zhuǎn)，要求密封件耐磨、耐高溫、具有一定的抗蠕變性能。頂部密封件的材質(zhì)、尺寸、位置對于渦旋真空泵的成功長期運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。軸承密封考慮的是將真空抽氣通道與含潤滑油脂部分隔離，實現(xiàn)渦旋真空泵的有效清潔無油抽真空。 解決了渦旋盤的加工和渦旋頂部密封后，就要考慮泵氣腔之間的間隙與密封了。渦旋頂端的有效軸向密封足以防止氣體軸向泄漏。但是渦旋盤本身密封（氣腔之間的密封）還要求渦旋壁面之間的間隙z*小，以盡量減小相鄰氣腔之間的泄漏。小一些的間隙或者另外再加一些氣腔，對改善泵的極限真空度很有必要。雖然在實際應(yīng)用當(dāng)中，對于加工要求有些地方可以放松，但是真空氣腔在整個泵運(yùn)動過程當(dāng)中必須與大氣密封隔絕，間隙大小的確定對設(shè)計者是一個挑戰(zhàn)，特別是靠近曲軸的小氣腔之間的間隙。因為通過熱力學(xué)試驗、模擬與分析發(fā)現(xiàn)，由于動、靜渦旋盤的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的影響，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動渦旋盤的溫升與變形高于靜渦旋盤，尤其是在靠近曲軸處。從整個渦旋真空泵動、靜渦旋盤副的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)現(xiàn)，由于動、靜渦旋盤工作時會產(chǎn)生熱變形，而且變形量并不相同，動、靜渦旋盤之間z*小轉(zhuǎn)動間隙會隨工作狀況而變化。間隙過大，會導(dǎo)致泵的極限真空度難以達(dá)到，間隙過小，動、靜渦旋盤之間會發(fā)生摩擦甚至咬合，導(dǎo)致溫升急劇上升，泵的效率大大下降，或者破壞動、靜渦旋盤壁面，導(dǎo)致泵的咬死失效。理論研究與試驗證實，渦旋盤頂端的軸向密封對于泵的性能，尤其是泵的極限真空度，具有決定性的作用，渦旋盤本身即氣腔之間的間隙與密封對于泵的性能則起著相當(dāng)重要的作用，這兩點應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計者的足夠重視?！ ?br />
3.4振動與平衡 現(xiàn)在越來越多的渦旋真空泵應(yīng)用在分析測試儀器設(shè)備當(dāng)中，這些儀器對工作條件與環(huán)境要求較高。包括泵在內(nèi)的儀器設(shè)備一般安放在安靜的房間內(nèi)的桌面上，泵的振動不可以影響到被測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此必須將振動減至z*小或者隔離振動，這一點設(shè)計者應(yīng)當(dāng)通過渦旋技術(shù)和設(shè)計平衡來實現(xiàn)?！ ?br />
3.5材料選擇與加工 渦旋盤副的材料選擇是從降低能耗、提高可加工性等方面考慮的。為了進(jìn)一步減少動、靜渦旋盤的磨損、降低泵的能耗、提高可加工性，確定選擇合金鑄鋁為動、靜渦旋盤基材，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ず捅砻嫣幚砗?，在高速相對運(yùn)動條件下能夠耐高溫、耐磨和自潤滑，保證實現(xiàn)泵的性能指標(biāo)?！ ≡缙诔晒χ圃鞙u旋真空泵的z*大障礙是不能將漸開線型加工得足夠精確以使氣腔間的泄漏減至z*小，這要求開發(fā)一種高速、數(shù)字控制、能夠保證穩(wěn)定公差的加工中心。自上個世紀(jì)70年代渦旋模型成功制造出來，到現(xiàn)在渦旋機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用到真空獲得行業(yè)為止，渦旋盤的加工根據(jù)加工工藝、成本與工作效率的需要主要采用了兩種不同的方法，即展成法和數(shù)值逼近法。為了提高渦旋盤的加工精度與效率，世界上有些機(jī)械制造公司已經(jīng)生產(chǎn)出了適用于渦旋盤展成法加工的專機(jī)。這類專機(jī)采用四軸聯(lián)動和閉環(huán)控制，以展成法為基礎(chǔ)，結(jié)合圓弧插補(bǔ)與專用夾具，一次裝卡可以完成渦旋盤的加工。這種專機(jī)自動化程度高，可以自動上、下料、自動換刀和在線自動監(jiān)測。可以在幾分鐘內(nèi)完成加工，加工誤差保證在10μm以內(nèi)，大大提高了加工效率和加工精度、降低了加工成本。設(shè)計與加工中遇到的其他問題還包括密封材料、泵腔表面處理、軸承、抽水氣、防碎屑返流以及真空泵的一些特殊要求等等?！ ?br />
3.6裝配與調(diào)試 渦旋泵的安裝與調(diào)試主要包括泵頭的安裝：即泵頭與機(jī)座和電機(jī)的連接。在泵頭的安裝與調(diào)試階段，能夠解決的z*重要的問題就是提高泵的密封性能。密封包括渦旋頂部密封和氣腔之間的密封。目前渦旋頂部密封的形式有兩種，分別為壓差式密封和彈性式密封：壓差式密封和彈性式密封各有優(yōu)點，多數(shù)渦旋真空泵采用的是彈性式密封。彈性式密封的原理很簡單，靠彈性密封條的彈性壓緊起到密封作用。在安裝與調(diào)試過程中，安裝時s*先要注意將密封條沿中心向外輕輕的按壓入頂部密封槽中，安裝前要注意各部件的清潔。各氣腔的密封是由渦旋體的側(cè)壁之間的縫隙和相對滑動速度的大小決定的，側(cè)壁的縫隙大小一般控制在0.005mm左右。初步安裝完成后，s*先要試運(yùn)行一段時間，再拆開，去除試運(yùn)行產(chǎn)生的碎屑，清理泵腔，然后重新裝上，安裝好泵頭，再連接泵頭與電機(jī)和機(jī)座，完成安裝與調(diào)試?！ ?br />
4.渦旋真空泵的使用
4.1渦旋真空泵與真空室的隔絕 正常操作條件下，頂部密封經(jīng)過一段時間將會磨損并產(chǎn)生少量的微粒，而且用戶的工作過程也可能產(chǎn)生過量的微粒，集結(jié)在泵中。這樣如果出現(xiàn)斷電或者泵電源故障導(dǎo)致泵停止運(yùn)行、或者泵沒有被正常操作時，泵內(nèi)的微粒就可能被抽回到真空系統(tǒng)中去。在這種情況下，泵應(yīng)當(dāng)在斷電時立即關(guān)閉，或者在真空室與泵接口附近給泵通風(fēng)，使得微粒排出排氣口，當(dāng)電恢復(fù)后或者直到泵內(nèi)沒有微粒時再打開。為了避免泵自身產(chǎn)生的或外來的微粒返回到真空系統(tǒng)中去，可以通過幾種方法實現(xiàn)這一功能：既可以是閥門，也可以是時間延遲程序控制器，這一措施必須作為渦旋真空泵的設(shè)計與工作標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。實際上油封真空泵都有一個模擬防反油閥，用來防止斷電時油的返流。這一技術(shù)現(xiàn)在在真空獲得設(shè)備上是作為通用技術(shù)來應(yīng)用的?！ ?br />
4.2自動氣鎮(zhèn) 如果進(jìn)入渦旋真空泵入口的水蒸汽量太大，水蒸汽被壓縮時將發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化成液體。這樣泵內(nèi)積存的水會迅速污染和腐蝕泵體內(nèi)部，特別是軸承。z*后導(dǎo)致泵內(nèi)積存的水使泵達(dá)不到極限真空度指標(biāo)。這個問題的解決采用氣鎮(zhèn)技術(shù)，在壓縮的z*后階段充入少量的干燥空氣，防止蒸汽變成液體。采用氣鎮(zhèn)技術(shù)可以稀釋被抽氣體中的水含量并同時將水清除出泵?，F(xiàn)在這項技術(shù)已經(jīng)成為渦旋真空泵的通用技術(shù)?！ ?br />
5.總結(jié) 經(jīng)過一個世紀(jì)的研發(fā)，渦旋技術(shù)已經(jīng)成功地發(fā)展成為清潔無油真空抽氣的有效手段。目前在我國，清潔無油真空獲得設(shè)備的生產(chǎn)、研制處于發(fā)展階段，筆者愿與同行共享通過渦旋真空泵的研究、開發(fā)與生產(chǎn)，在渦旋真空泵的設(shè)計、制造、試驗、分析與擇優(yōu)方面獲得的經(jīng)驗。
參考文獻(xiàn)：（1）楊乃恒.真空獲得設(shè)備.第二版. 北京，冶金工業(yè)出版社，2001.1（2）楊乃恒.干式真空泵的原理、特征及其應(yīng)用.真空，2000，（3）：1（3）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 3163-93 真空技術(shù)術(shù)語（4）L.Creux，美國專利 No.801.182（1905）
楊廣衍 郭海洋 張鵬
摘要：本文總結(jié)了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計原則與經(jīng)驗、制造要點和使用注意事項；介紹了渦旋真空泵的設(shè)計與加工方法；討論了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計與選擇、間隙的確定以及泵體的動平衡等問題并闡明這些問題是影響泵性能指標(biāo)的幾個重要因素；同時指出了渦旋真空泵使用的幾個注意事項。
關(guān)鍵詞：真空泵；無油渦旋技術(shù)
1.簡介 渦旋真空泵是近年來國內(nèi)外備受重視并得到迅速發(fā)展的一種真空泵。渦旋真空泵具有抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點，得到了真空獲得行業(yè)的歡迎與市場的青睞。而其在設(shè)計、制造方面較高的技術(shù)含量，也受到國內(nèi)外科技界的廣泛重視。國際上真空獲得設(shè)備的著名廠商爭先投資研發(fā)生產(chǎn)這種先進(jìn)的真空獲得設(shè)備。到上個世紀(jì)后期，真空獲得廠商應(yīng)用渦旋概念與原理制造出了對真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒有污染、抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均優(yōu)于普通油真空泵的單級、雙級渦旋真空泵。渦旋真空泵在需要清潔無油、廉價和長壽命真空泵的場所被大量應(yīng)用，實現(xiàn)了全無油、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、節(jié)省能源的清潔真空獲得技術(shù)的實用化?，F(xiàn)在世界上渦旋真空泵的生產(chǎn)廠家主要包括美國的Varian, 英國的Edwards，德國的Leybold，日本的Iwata等。國內(nèi)還沒有生產(chǎn)廠家，市場上都是進(jìn)口產(chǎn)品。 在這種背景下，本文從我國目前真空獲得與應(yīng)用行業(yè)的實際需要出發(fā)，介紹了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計原則；闡述了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計與選擇、間隙的確定以及泵體的動平衡等幾個關(guān)鍵技術(shù)問題；同時還論述了正確操作的要點，包括氣鎮(zhèn)的需要、抽水氣的操作和泵與被抽真空室隔離的問題?！ ?br />
2.渦旋真空泵的工作原理 渦旋真空泵的工作原理來源于Creux 1905年的一項發(fā)明專利。該發(fā)明采用一個在另一個內(nèi)部，一個固定，另一個轉(zhuǎn)動的具有連續(xù)的分離、連續(xù)的閉合性能的“等螺距漸開線”，研發(fā)一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。渦旋的形狀被定義為繞固定的軸心展開直線的軌跡。渦旋上任意一點的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示： X= α*（cosθ+θ*sinθ） Y= α*（sinθ-θ*cosθ） 其中常數(shù)α代表軸半徑，θ代表展開角。 渦旋真空泵的渦旋盤付就是一個一端與平面相接的一個或幾個漸開線螺旋形成的一個渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交叉組裝在一起，兩者之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差，這樣結(jié)合組成的一對渦旋盤付構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤與動渦旋盤彼此之間在幾條直線上接觸形成對稱的幾對月牙腔，動渦旋盤在曲軸的驅(qū)動下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動，使靜渦旋盤與動渦旋盤的接觸點沿渦旋曲面移動實現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。例如在雙級渦旋真空泵中，有兩個方向?qū)?yīng)的靜渦旋盤，一個位于兩個渦旋盤之間的動渦旋盤。動、靜渦旋盤相對運(yùn)動形成容積不斷變化的新月形真空腔使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，完成吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)。曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，就有一組新的月牙腔形成，所以渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)以近1500轉(zhuǎn)/分的頻率被連續(xù)重復(fù)，對被抽氣體形成包容和強(qiáng)制輸送。
3.渦旋真空泵的設(shè)計與加工 渦旋概念對于真空應(yīng)用真正有吸引力的特性是：
(1)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，零部件數(shù)量少
(2)潔凈無污染，真空抽氣通道內(nèi)無油
(3)節(jié)約能源，一臺30 m3/h（8.33 l/s）的渦旋真空泵僅需要0.6-0.75kW的電機(jī)
(4)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，渦旋真空泵無油工作，密封或冷卻都不需要油
(5)運(yùn)動部件完全動平衡，振動小、噪音低渦旋的概念自1905年由Creux發(fā)明到1973年世界上第一臺渦旋模型被制造出來，其間經(jīng)歷了漫長的70年。渦旋機(jī)構(gòu)不能加工制造的根本原因就是缺乏精密的加工技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)渦旋型線之間的精確包容與嚙合，也就不能控制工作介質(zhì)的泄漏,達(dá)不到渦旋真空泵得性能指標(biāo)。但是渦旋機(jī)構(gòu)具有的抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點，對于真空應(yīng)用行業(yè)具有極大的吸引力和潛在的應(yīng)用價值。為了將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實用的渦旋真空泵產(chǎn)品，近二十多年來，人們借鑒渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計與加工方面的經(jīng)驗，成功設(shè)計并生產(chǎn)出了主要由動、靜渦旋盤副與基座、曲軸、密封圈、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電機(jī)等五個部分組成的渦旋真空泵。為了保證渦旋真空泵的工作性能指標(biāo)、高效率和可靠性，人們開展了大量理論研究與實驗探索。到目前為止這方面的工作主要集中在：
3.1設(shè)計原則 要將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實用的渦旋真空泵產(chǎn)品，必須解決下述關(guān)鍵技術(shù)問題： ?。?）改進(jìn)密封、減少泄漏； ?。?）減小余隙、提高壓縮比； ?。?）優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性； ?。?）簡化生產(chǎn)加工工藝、降低對制造精度的要求、降低成本。 在渦旋真空泵的設(shè)計當(dāng)中要從泵的工作效率和可靠性出發(fā)，選擇泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。s*先考慮的是泵的性能指標(biāo)，如極限真空度、抽速、能耗、轉(zhuǎn)速、體積、重量以及外部尺寸等；然后根據(jù)性能指標(biāo)來確定泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，如渦旋線型、基圓尺寸、渦旋壁厚、渦旋壁高和曲軸徑向偏心量等；在實現(xiàn)了性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行泵的整體優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、泵體以及密封材料選擇、軸承選擇、表面處理與驅(qū)動電機(jī)的選配等。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了提高渦旋真空泵的工作效率，渦旋真空泵采用了雙面動渦旋盤，使動渦旋盤兩面具有完全相同的型線結(jié)構(gòu)，動渦旋盤型線工作時分別與兩側(cè)的靜渦旋盤型線嚙合，這樣可以使整個渦旋泵頭運(yùn)轉(zhuǎn)時受力平衡，有利于空間的有效利用并減小軸向磨損。設(shè)計時在圓漸開線的基礎(chǔ)上，通過給出漸開線曲線的軸向高度和徑向厚度，形成第二個渦旋，兩個渦旋交叉重疊（相差180°），一個靜止，一個旋轉(zhuǎn)，形成新月形氣腔。一系列這樣的氣腔將渦旋機(jī)構(gòu)的內(nèi)部與外部分離。根據(jù)配合的渦旋相對運(yùn)動的方向，將這些氣腔設(shè)計成徑向內(nèi)移壓縮以實現(xiàn)真空抽氣。在確定了渦旋真空泵的渦旋線型后，為了實現(xiàn)使泵能夠有效工作的目的，必須使渦旋型線在各個真空氣腔能夠良好嚙合。在渦旋型線的中心段，圓漸開線型線由于刀具的干涉形成，使高壓區(qū)渦旋壁厚變薄，加上相鄰真空腔壓差大等復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致渦旋壁受力情況惡劣、容易熱變形，還可能使排氣腔一部分高壓氣體潴留，降低渦旋真空泵的工作效率。為了解決這些問題，人們采用圓漸開線線型修正的方法，改進(jìn)高壓區(qū)渦旋型線結(jié)構(gòu)。這個方法，使渦旋壁的剛度和強(qiáng)度有所提高，并且提高了泵的可靠性。 為防止兩個動、靜渦旋盤相對運(yùn)動，設(shè)計時通常在外圓周上安裝幾個偏心量相等的小曲軸來束縛動渦旋盤與靜渦旋盤，保證動渦旋盤相對于靜渦旋盤繞行卻不旋轉(zhuǎn)。
3.3泄漏與密封 渦旋真空泵的泄漏主要包括通過渦旋型線軸向嚙合間隙的徑向泄漏和通過型線徑向嚙合間隙的切向泄漏。徑向泄漏可以采用頂部密封來解決，而切向泄漏則采用控制動渦旋盤與靜渦旋盤壁之間間隙的方法來解決。渦旋真空泵的密封主要包括頂部密封和軸承密封等。頂部密封件就是幾個細(xì)長的分別安裝在動、靜渦旋盤頂部的密封條，密封條相對對面渦旋盤底面作圓周向滑動，使氣腔在渦旋盤頂部的泄漏減到z*小。由于是無油運(yùn)轉(zhuǎn)，要求密封件耐磨、耐高溫、具有一定的抗蠕變性能。頂部密封件的材質(zhì)、尺寸、位置對于渦旋真空泵的成功長期運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。軸承密封考慮的是將真空抽氣通道與含潤滑油脂部分隔離，實現(xiàn)渦旋真空泵的有效清潔無油抽真空。 解決了渦旋盤的加工和渦旋頂部密封后，就要考慮泵氣腔之間的間隙與密封了。渦旋頂端的有效軸向密封足以防止氣體軸向泄漏。但是渦旋盤本身密封（氣腔之間的密封）還要求渦旋壁面之間的間隙z*小，以盡量減小相鄰氣腔之間的泄漏。小一些的間隙或者另外再加一些氣腔，對改善泵的極限真空度很有必要。雖然在實際應(yīng)用當(dāng)中，對于加工要求有些地方可以放松，但是真空氣腔在整個泵運(yùn)動過程當(dāng)中必須與大氣密封隔絕，間隙大小的確定對設(shè)計者是一個挑戰(zhàn)，特別是靠近曲軸的小氣腔之間的間隙。因為通過熱力學(xué)試驗、模擬與分析發(fā)現(xiàn)，由于動、靜渦旋盤的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的影響，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動渦旋盤的溫升與變形高于靜渦旋盤，尤其是在靠近曲軸處。從整個渦旋真空泵動、靜渦旋盤副的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)現(xiàn)，由于動、靜渦旋盤工作時會產(chǎn)生熱變形，而且變形量并不相同，動、靜渦旋盤之間z*小轉(zhuǎn)動間隙會隨工作狀況而變化。間隙過大，會導(dǎo)致泵的極限真空度難以達(dá)到，間隙過小，動、靜渦旋盤之間會發(fā)生摩擦甚至咬合，導(dǎo)致溫升急劇上升，泵的效率大大下降，或者破壞動、靜渦旋盤壁面，導(dǎo)致泵的咬死失效。理論研究與試驗證實，渦旋盤頂端的軸向密封對于泵的性能，尤其是泵的極限真空度，具有決定性的作用，渦旋盤本身即氣腔之間的間隙與密封對于泵的性能則起著相當(dāng)重要的作用，這兩點應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計者的足夠重視?！ ?br />
3.4振動與平衡 現(xiàn)在越來越多的渦旋真空泵應(yīng)用在分析測試儀器設(shè)備當(dāng)中，這些儀器對工作條件與環(huán)境要求較高。包括泵在內(nèi)的儀器設(shè)備一般安放在安靜的房間內(nèi)的桌面上，泵的振動不可以影響到被測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此必須將振動減至z*小或者隔離振動，這一點設(shè)計者應(yīng)當(dāng)通過渦旋技術(shù)和設(shè)計平衡來實現(xiàn)?！ ?br />
3.5材料選擇與加工 渦旋盤副的材料選擇是從降低能耗、提高可加工性等方面考慮的。為了進(jìn)一步減少動、靜渦旋盤的磨損、降低泵的能耗、提高可加工性，確定選擇合金鑄鋁為動、靜渦旋盤基材，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ず捅砻嫣幚砗?，在高速相對運(yùn)動條件下能夠耐高溫、耐磨和自潤滑，保證實現(xiàn)泵的性能指標(biāo)?！ ≡缙诔晒χ圃鞙u旋真空泵的z*大障礙是不能將漸開線型加工得足夠精確以使氣腔間的泄漏減至z*小，這要求開發(fā)一種高速、數(shù)字控制、能夠保證穩(wěn)定公差的加工中心。自上個世紀(jì)70年代渦旋模型成功制造出來，到現(xiàn)在渦旋機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用到真空獲得行業(yè)為止，渦旋盤的加工根據(jù)加工工藝、成本與工作效率的需要主要采用了兩種不同的方法，即展成法和數(shù)值逼近法。為了提高渦旋盤的加工精度與效率，世界上有些機(jī)械制造公司已經(jīng)生產(chǎn)出了適用于渦旋盤展成法加工的專機(jī)。這類專機(jī)采用四軸聯(lián)動和閉環(huán)控制，以展成法為基礎(chǔ)，結(jié)合圓弧插補(bǔ)與專用夾具，一次裝卡可以完成渦旋盤的加工。這種專機(jī)自動化程度高，可以自動上、下料、自動換刀和在線自動監(jiān)測。可以在幾分鐘內(nèi)完成加工，加工誤差保證在10μm以內(nèi)，大大提高了加工效率和加工精度、降低了加工成本。設(shè)計與加工中遇到的其他問題還包括密封材料、泵腔表面處理、軸承、抽水氣、防碎屑返流以及真空泵的一些特殊要求等等?！ ?br />
3.6裝配與調(diào)試 渦旋泵的安裝與調(diào)試主要包括泵頭的安裝：即泵頭與機(jī)座和電機(jī)的連接。在泵頭的安裝與調(diào)試階段，能夠解決的z*重要的問題就是提高泵的密封性能。密封包括渦旋頂部密封和氣腔之間的密封。目前渦旋頂部密封的形式有兩種，分別為壓差式密封和彈性式密封：壓差式密封和彈性式密封各有優(yōu)點，多數(shù)渦旋真空泵采用的是彈性式密封。彈性式密封的原理很簡單，靠彈性密封條的彈性壓緊起到密封作用。在安裝與調(diào)試過程中，安裝時s*先要注意將密封條沿中心向外輕輕的按壓入頂部密封槽中，安裝前要注意各部件的清潔。各氣腔的密封是由渦旋體的側(cè)壁之間的縫隙和相對滑動速度的大小決定的，側(cè)壁的縫隙大小一般控制在0.005mm左右。初步安裝完成后，s*先要試運(yùn)行一段時間，再拆開，去除試運(yùn)行產(chǎn)生的碎屑，清理泵腔，然后重新裝上，安裝好泵頭，再連接泵頭與電機(jī)和機(jī)座，完成安裝與調(diào)試?！ ?br />
4.渦旋真空泵的使用
4.1渦旋真空泵與真空室的隔絕 正常操作條件下，頂部密封經(jīng)過一段時間將會磨損并產(chǎn)生少量的微粒，而且用戶的工作過程也可能產(chǎn)生過量的微粒，集結(jié)在泵中。這樣如果出現(xiàn)斷電或者泵電源故障導(dǎo)致泵停止運(yùn)行、或者泵沒有被正常操作時，泵內(nèi)的微粒就可能被抽回到真空系統(tǒng)中去。在這種情況下，泵應(yīng)當(dāng)在斷電時立即關(guān)閉，或者在真空室與泵接口附近給泵通風(fēng)，使得微粒排出排氣口，當(dāng)電恢復(fù)后或者直到泵內(nèi)沒有微粒時再打開。為了避免泵自身產(chǎn)生的或外來的微粒返回到真空系統(tǒng)中去，可以通過幾種方法實現(xiàn)這一功能：既可以是閥門，也可以是時間延遲程序控制器，這一措施必須作為渦旋真空泵的設(shè)計與工作標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。實際上油封真空泵都有一個模擬防反油閥，用來防止斷電時油的返流。這一技術(shù)現(xiàn)在在真空獲得設(shè)備上是作為通用技術(shù)來應(yīng)用的?！ ?br />
4.2自動氣鎮(zhèn) 如果進(jìn)入渦旋真空泵入口的水蒸汽量太大，水蒸汽被壓縮時將發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化成液體。這樣泵內(nèi)積存的水會迅速污染和腐蝕泵體內(nèi)部，特別是軸承。z*后導(dǎo)致泵內(nèi)積存的水使泵達(dá)不到極限真空度指標(biāo)。這個問題的解決采用氣鎮(zhèn)技術(shù)，在壓縮的z*后階段充入少量的干燥空氣，防止蒸汽變成液體。采用氣鎮(zhèn)技術(shù)可以稀釋被抽氣體中的水含量并同時將水清除出泵?，F(xiàn)在這項技術(shù)已經(jīng)成為渦旋真空泵的通用技術(shù)?！ ?br />
5.總結(jié) 經(jīng)過一個世紀(jì)的研發(fā)，渦旋技術(shù)已經(jīng)成功地發(fā)展成為清潔無油真空抽氣的有效手段。目前在我國，清潔無油真空獲得設(shè)備的生產(chǎn)、研制處于發(fā)展階段，筆者愿與同行共享通過渦旋真空泵的研究、開發(fā)與生產(chǎn)，在渦旋真空泵的設(shè)計、制造、試驗、分析與擇優(yōu)方面獲得的經(jīng)驗。
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