（机械电子工程专业论文）旋片式真空泵的研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 旋片式真空泵是一种基本的真空获得设备，可以用来获取真空，或者用于其它中高 真空泵的前级泵。旋片泵与其他的真空泵相比，具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪声 低、振动小等优点。能够广泛地应用于冶金、机械、电子、化工、石油、医药等行业的 真空冶炼、真空镀膜、真空热处理、真空干燥等工艺过程中。 本文对旋片式真空泵的基本构造，以及影响旋片泵工作性能的主要参数进行了分析 研究提出了目前国内旋片泵在性能上存在的问题，主要是极限真空、抽气速率、噪声、 喷油漏油等几个指标。针对问题，提出一些解决办法。 针对现有旋片式真空泵的抽气速率问题，提出了一种改进型定子曲线的构建方法及 旋片泵新的结构，确定了新曲线的数学模型，建立了新的工作腔容积截面积的计算数学 方程，并推导出旋片式真空泵工作腔截面积的具体计算公式和变化规律，确定抽气速率 与转子直径的关系。对旋片泵进行了抽气速率、运动特性的分析，与原有曲线进行比较， 考察其应用的可能性。 按照新的曲线对旋片式真空泵建立运动学、动力学计算，根据叶片的受力分析建立 动力学模型。对旋片式真空泵的运动部件，主要是转子、旋片等进行了结构分析，即对 运动部件进行了受力、运动学分析。结合有限元分析软件对旋片及转子的受力和变形进 行了分析校核。为旋片式真空泵的进一步设计研究完成了主要的准备工作。 关键词：旋片式真空泵定子曲线抽气速率运动学分析 兰州理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yv a n ev a c u u mp u m pi sa ne l e m e n t a r ye q u i p m e n ti nv a c u u mt e c h n o l o g y , i tc o u l d b eu s e dt og e tl o wv a c u u m , o rc o m b i n e dw i t ho t h e rr o u g ho rf i n ev a c u u mp u m p sa sb a c k i n g p u m p c o m p a r e dw i t h o t h e rv a c u u mp u m p s ，t h er o t a r yv a n ev a c u u mp u m ph a st h e a d v a n t a g e so fm i n i a t u r e ，l i g h tw e i g h t ，l o wn o i s ea n dm i n i m u mv i b r a t i o n n o wr o t a r yv a n e v a c u u mp u m ph a sc o m ei n t ow i d eu s ei nm a n yf i e l d s ，s u c ha sm e t a l l u r g y , m a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n g ，e l e c t r o n i c a n dc h e m i c a li n d u s t r ye t c i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r eo fr o t a r yv a c u u mp u m pi sf i r s td e s c r i b e d ，t h e na n a l y st h e e f f e c tf a c t o ro ft h er o t a r yv a n ep u m p sp e r f o r m a n c e 。n em a i np r o b l e m so fp r e s e n tp r o d u c t s a r cd e s c r i b e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d eu l t i m a t ev a c u u m ，p u m p i n ge f f i c i e n c y , n o i s e ，o i l i n j e c t i o n ，e t c b ya n a l y z i n gt h e s ep r o b l e m s ，t h es o l v i n gp l a n sa n dt h ed e s i g nt a r g e ta r eg i v e n c o m eu pw i t ht h ep r o b l e mo fp u m p i n gs p e e d ，t h en e wc o n s t r u c t i o nm e t h o do fs t a t o r c u r v ea n dt h en e ws t r u c t u r eo fr o t a r yv a n ev a c u u mp u m pa r eg i v e n 。1 1 l em a t h e m a t i cm o d e l o fn e wc u r v ei s d e t e r m i n e da n dt h em a t h e m a t i c a le q u t i o no nt h ec a l c u l a t i o no ft h es e c t i o n a l a r e ao ft h ew o r k i n gc h a m b e ri sg i v e nt o o ，c o n c l u d et h ee v o l u t i o no ft h es e c t i o n a la r e ao ft h e w o r k i n gc h a m b e rw i t hr o t a t i o na n g l e s u m m a r i z e dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np u m p i n gs p e e d a n dr o t o rd i a m e t e r 1 n h ev a c u u mp u m p sp u m p i n gs p e e da n dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r c a n a l y z e d ，i ti sc o m p a r e dw i t ht h eo l dc u r v et od e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t yo ft h en e ws t a t o r c u r ，e 1 n h ed y n a m i cm o d e lo ft h en e ws t a t o rc u r v eh a sb e e np r o p o s e dt h r o u g hk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c so b j e c t 。n em o v e m e n tp a r to ft h ev a n ec o m p r e s s o rc o m p r i s er o t o ra n dv a n e i m p o r t a n t l y i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y s i st h ek e yp a r t s ，m a i n l yc o n c l u d er o t a r yv a n ea n dr o t o r n a m e l ye n d u r ef o r c ea n a l y s i s ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s i no r d e rt os e r i a l i z et h ec o m p r e s s o r ，i ti s n e c e s s a r yt os e tu pt h ed e s i g nf o r m r o t o rf o r c ea n dd e f o r m a t i o ni sa n a l y z e db yf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e n ep r e m i l i n a r yw o r kf o rf u r t h e rd e s i g nw o r kh a sb e e nc o m p l e t e db yt h i s p a p e r k e yw o r d s ：r o t a r yv a n ev a c u u mp u m p ，s t a t o rc u r v e ，p u m p i n gs p e e d ， k i n e m a t i ca n a l y s i s 兰州理工大学硕士学位论文 插图索引 图1 1 下偏心式旋片泵2 图2 1 旋片泵工作原理示意图6 图2 2 旋片式真空泵基元的理论工作循环7 图2 3 油浸式旋片泵8 图2 4 油封式真空泵。8 图2 5 旋片泵的泵体9 图2 6 旋片泵的转子体9 图2 7 泵的入口压力与时间的关系曲线1 0 图2 8 油量与极限压力的关系1 0 图2 9 泵的有害空间示意图1 1 图2 1 0 旋片泵的p _ v 图1 3 图2 1 1 功率与入口压力、泵温的关系1 4 图2 12 喷管的流动模型图1 5 图2 1 3 平行平板问缝隙的泄漏。1 6 图3 1 两种旋片结构2 1 图3 2 平衡式叶片泵的定子曲线2 3 图3 3 新型定子曲线的轮廓2 4 图3 4 不同转子半径的定子曲线2 5 图3 5 定子曲线的外包络线2 5 图3 6 旋片与定子的接触点2 6 图3 7 旋片式真空泵几何示意图2 7 图3 8 旋片泵工作腔截面积随转角的变化曲线2 9 图3 9 两条曲线的截面积3 0 图3 1 0 定子曲线的相对速度分析。3 1 图3 1 1 定子曲线的相对加速度3 1 图3 1 2 定子曲线的相对加速度变化率分析一3 2 图3 13 转子直径与基元截面积的关系。3 3 图3 1 4 旋片径向放置接触点变化3 4 i i i 兰州理工大学硕士学位论文 图3 1 5 旋片倾斜放置接触点变化3 4 图3 1 6 旋片顶部圆弧半径对接触点的影响3 5 图4 1 旋片的速度3 7 图4 2 旋片的加速度3 9 图4 3 旋片的受力分析4 0 图4 4 转子的受力分析4 5 图4 5 作用于旋片上的弯矩4 7 图4 6 转子应力5 0 图4 7 转子在载荷下的变形5 0 图4 8 转子旋片组合应力5 1 图4 9 旋片载荷下的变形5 1 l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中已明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名麦t ) 土波 日期f 。年歹月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，e p - 学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：泰) 立；良日期：加年罗月刁日 导师签名：哆“魄，。年乡肜7 日 兰州理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 真空设备包括三大类产品：真空获得设备、真空应用设备、真空测量仪表。其中， 真空获得设备是基础设备。真空获得设备也称真空泵。人们用它来得到真空环境，以达 到不同的应用目的。就真空获得设备的应用来说，可以简单的分为通用型和专用型。其 中，通用型真空泵的工作温度为5 4 0 。c ，而且不能作为输送泵用。国内目前大部分产 品都属于这一类。 由于科学技术的高速发展，使得真空领域不断发展扩大并且变得多样化，对真空泵 提出了更新、更多的要求，原来通用型的设备已完全不能满足要求了，迫使真空厂家不 得不向专用型真空泵方面发展，例如干式泵用于半导体行业的，化工行业的，各有其优 点，这也是今后的发展趋势。 真空获得设备主要包括：旋片真空泵、滑阀真空泵、罗茨真空泵、蒸汽流真空泵、 往复真空泵、液环真空泵、分子、低温泵、离子泵、干泵、分子筛吸附泵等。其中，前 四种产品产量最大。其中，我们主要针对旋片泵进行研究。 在所有的真空获得设备中，以旋片泵的产量最大，用处最广。它的体积小重量轻， 构造简单，成本较低。既可以单独使用，也可以与其他真空设备配合，作为其他真空泵 的前级使用，被广泛的应用于医药生产、食品加工等行业。 旋片式真空泵是真空技术中最根本的真空获得设备之一。它的工作压力范围为 1 0 1 3 2 5 - - , 1 3 3 x1 0 。2 p a 。它可以单独使用或者作为其他真空泵的前级泵，用以抽出密封 容器中的干燥气体。如果附有气镇装置，还可以抽出一定量的可凝性气体，被广泛应用 于冶金、机械、电子、化工、轻工、石油及医药等领域。但旋片泵不适合用于抽出含氧 过高的、有爆炸性的、对金属有腐蚀性的、与泵油会发生化学反应的、含有颗粒尘埃的 气体妇。 1 2 真空泵的发展状况 自1 9 0 9 年盖德( w g a e d e ) 发明旋片泵并取得德国专利，1 9 3 6 年又发明气镇泵， 1 9 4 1 年取得专利以来，旋片真空泵得到广泛应用和不断完善。6 0 年代末，国际上出现 了提高转速、直联的小型化趋势，7 0 年代初出现了直联系列产品，到8 0 年代初，又推 出了改进的系列产品，有多种可供用户选配的附件，可以保护泵，或保护环境，泵本身 结构也有改进而使可靠性提高。在泵的结构方面，为了能在停泵时防止返油，有的设有 能自动切断油路的止回阀，有的设有进气通道截止阀，有的为了能在泵开气镇运转突 然停电时自动切断气路来保持泵口处于真空状态而设有油泵和控制结构。在附件方面， 有消雾器、气味过滤器、阻挡碎玻璃等杂物用的入口过滤器、灰尘过滤器、蒸汽凝结阱、 化学阱，有控制泵温以提高水蒸气抽除率和保护泵的温控水量调节阀。到了8 0 年代末， 兰州理工大学硕士学位论文 9 0 年代初，又推出了油过滤器、能监视油温、油压、油质等的电子显示器，甚至可以 与计算机联接，进行自动控制，采用强制润滑和风冷，使泵的连续工作入口压力达l o k p a ，甚至更高，同一台泵的适用范围因而更大“1 。在转子与定子的相对位置上，也有 人傲了研究，例如采用偏侧心，下偏心等。例如，德国的v a r 0 v c s 4 0 0 f f l 、$ 6 3 0 f f l 型单级油封旋片泵，采用下偏心结构，重心低，运转平稳易安装，为制造大型旋片泵 刨造了条件“1 ，如图1 1 。最近几年，我国的旋片泵生产取得了很大的进步，但由于加工 工艺和设备落后，机械的加工水平不足，导致我国的旋片泵的技术水平仍然相对落后， 难以满足各大新兴行业的需求。 图1 1 下信心式旋片泵 另外，近年来，为了满足一些特殊行业，如航天、电子、医疗、食品等行业对清洁 真空的需求，国内外学者对真空泵的干式密封也进行了相应的研究“”“”，并取得了 一定的进展。就目前来讲，干式真空泵主要是多级罗茨泵油1 、多轾螺杆泵1 、爪形泵、 多级活塞泵和涡旋泵等”“1 。目前，国内对旋片式真空泵的干式密封的研究也取得了一 定的成果，而且有干式旋片泵投入生产。但总体来说干式旋片泵虽然也有生产，如k r s 一6 型无油旋片式真空泵 1 0 j i 却在很多方面都存在着不足，其普及性和可靠性远远不能满足 生产发展的要求。 因此，如何获得清洁有效的真空，是目前真空获得设备的主要研究方向。除了使用 干式泵外，也有通过其他方法来实现清洁真空。例如，把膜片泵和旋片泵复合，把两种 泵的优势结合在一起解决了化学侵蚀、被抽环境污染等问题，获得较高的极限真空度 j i o 又如，日本将螺杆泵和碳旋片泵进行复合，不仅可以实现清洁真空的获得，而且可 以达到较低的极限压力。还有一种设置干式真空级的方法，可以防止对真空室的污染“ 也可以采用添加一些附届设备的方法来保证清洁真空的获得，如除尘器、油路过滤器等 n ” 兰州理工大学硕士学位论文 1 3 国内外现状比较 近年来，随着我国电子科技、食品加工、医疗生产等方面的不断进步，对旋片式真 空泵的各项性能指标的要求也越来越高，急切需要更可靠、更高效的旋片泵产品来满足 国内生产的需求。国外生产的旋片泵在性能上要领先国内很多。我们可以就2 x z 一8 旋片 泵的经济技术指标，对国内外的产品，进行比较 1 4 1 分析国内外存在的技术差距，见 表1 1 。 ( 1 ) 国内外的旋片泵产品性价比参数相差巨大 虽然近几年来，国产旋片泵的性能指标，像；抽气速率、极限真空、用油量、最高 使用温度等方面取得了一定的进步。但是在一些用户比较关心的方面，如密封、重量、 比功率、使用寿命、外形、噪声等方面，与国外的同类产品相比还存在着很大的差距。 与国外产品相比，国产旋片泵存在的问题具体表现在以下几个方面鸫1 4 9 1 ： ( a ) 抽气效率过低 泵的抽气效率是指实际抽速与理论抽速之比。按照j b t 6 5 3 3 1 9 9 7 旋片真空泵 标准规定，2 p a 时双级泵的抽气效率不应低于4 5 ，1 5 k p a 时不低于8 0 。该项指标表 示了泵的抽气能力，旋片泵不合格产品中有8 0 是因为该项指标过低。 ( b ) 存在喷油漏油现象 不喷油、不漏油是关系着环境保护的重要指标，对于制冷、半导体、电子、食品包 装行业来说都是不允许有喷油漏油现象的。当前旋片泵不合格产品中有2 0 是因为该问 题的存在。 ( c ) 噪声过大 噪声过高也是迫切需要解决的问题之一，旋片泵不合格产品中因为噪声过高而导致 不合格的产品占了2 0 。例如，按照j b t 6 5 3 3 - 1 9 9 7 旋片真空泵波安排自己买规定， 2 升旋片泵的噪声不得大于7 2 d b ，而实际上现实中有些泵的噪声甚至高于7 5 d b 。 以上三个方面是目前国产旋片泵存在问题比较严重的地方。此外，在极限压力、比 功率、用油量、重量、最高使用温度、外观造型上都还有待提高。 序号 项目j b 2 x 乙8国产优选i e y b o l du u 托b a i z e r se 】口w a i s e 2 m 2 8 t r i 、，a c d 2 5 bv d 3 0 1u n 0 0 3 5 d 1抽气速率l s 888 1 98 39 7 28 9 4 2 1 0 1 2极限压力p a s6 x l o - 24 x l o - 27 5 x 1 0 - 26 7x 1 0 - 25 x 1 0 - 2 ( s x l 0 。2 ) 32 p a 时抽气效率 4 5 3 7 5 7 4 7 6 7 5 7 7 6 4噪声db ( a )s 7 8 6 95 25 4 5电机功率k w1 10 7 51 11 5 o 7 5 3 兰州理工大学硕士学位论文 6比功率w s ls 1 3 71 3 7 59 1 61 3 2 51 5 4 8 3 9 7用油量l1 o 帕60 6 1 41 o 2 5 3 2 1 2 ，1 5 8 重量k g 6 13 25 93 4 4 0 9最高使用温度8 5环境：卜4 0 8 0 表1 12 x z - 8 旋片泵技术指标对比 ( 2 ) 国产真空泵的设计方案落后，缺乏创新，无法满足市场 目前，真空泵的市场十分巨大。虽然我国目前的真空设备的销售情况旋片泵占据了 第一位，但这是由于我国缺乏相应的干式泵所造成的。相对于国外市场，我国的市场上 还没有干式密封泵。另外，由于国内经济的迅速发展，对真空设备的需求日益增加。不 得不采用现有的大量的油封式旋片泵代替，使得对油封式旋片泵的要求也相应升高。 虽然旋片式真空泵结构相对简单，但国内已有的设计方案缺乏创新。仅仅局限于对 现有设计方法的改进。在加工及装配精度、工艺设计一时难以提高的情况下，很难从根 本上解决现有的问题，真正实现旋片泵产品技术参数的提高。为此，需要一种新的设计 方法，在现有的加工装配及工艺水平下，从根本上提高旋片泵的工作参数。 1 4 旋片式真空泵理论研究现状 目前，真空泵的理论研究主要集中在泵的材料、结构、流体流动、传热、喷油、可 靠性等方面的计算和简化模型的分析和实验，以及对整体或部分的计算机模拟仿真。其 中，相对于其他的真空泵，如涡旋泵、罗茨泵、螺杆泵、水环泵等，旋片泵的理论研究 更少。综合各文献，真空泵的理论研究主要集中在以下几个方面： 结构研究t t s l t e l t t 7 lt t s i ：包括真空泵的整体和部件结构，如吸气口和排气口的确定， 工作腔局部的位置和形状，工作副的间隙大小，以及结构的有限元分析等。 传热研究i 1 9 1 2 0 1 ：包括对传热模型的简化分析计算和实验以及计算机模拟分析。 材料研究2 嵋貂捌 2 4 1 ：主要是对材料的测试和分析，对其强度及耐磨性等相关信息 进行比较。在满足强度要求的情况下，求取最合适的摩擦副。 真空泵性能研究晒1 ：包括对真空泵的运动特性、功率损耗、振动噪声等整体性能的 分析比较和实验。 泵油的研究协铘：油液对真空泵的工作过程和内部参数的影响，包括喷油对其的 影响和对喷油状态的测试分析。 在真空泵的理论研究文献中，以旋片式真空泵作为研究对象的很少，主要集中在涡 旋泵、罗茨泵、螺杆泵、滑阀泵等方面。而且，在现有的旋片泵研究中，对主题结构研 究主要集中在材料和局部结构“3 1 “1 上，对整体结构的改进的研究较少 1 5 本文研究内容 目前，我国旋片式真空泵的研究水平远远低于国外。在旋片泵的结构设计有待于进 一步改进。 4 兰州理工大学硕士学位论文 本文的研究内容如下： ( 1 ) 对现有旋片式真空泵的计算分析 对现有的真空泵的一些主要参数进行计算，分析其对旋片泵工作性能的影响，总结 对目所前存在问题的改进方案。 ( 2 ) 对旋片式真空泵提出了新型的定子曲线 对于旋片式真空泵的定子曲线，提出了一种新的确定方法，取代原有的曲线方程。 并对其基元容积的计算进行数学建模。 ( 3 ) 利用计算机软件对两种曲线进行比较。 对对现有曲线进行分析的基础上，对比了新曲线的运动特性，以及对旋片泵工作性 能的影响，验证其可行性。 ( 4 ) 对旋片式真空泵进行了运动学、动力学分析 根据运动学、力学原理，对旋片式真空泵建立了运动学和动力学模型，对旋片进行 了受力分析，建立动力学模型，对旋片的运动情况、受力情况以及强度进行了计算，对 旋片与气缸间的应力和旋片与转子槽之间的正应力和摩擦力进行了求解。利用a n s y s 工 具对旋片及转子的受力和变形进行有限元分析，分析其力学特性对泵性能的影响。 5 兰h 理i 大学颠学位论文 第二章旋片式真空泵的工作原理和结构 2 1 工作原理和结构 2 1 1 旋片泵的原理 旋片泵是一种依靠转子和可以在转子槽内滑动的旋片与定子共同实现容腔体积变 化来实现真空的的变容积式机械真空泵“”m 1 。其结构如图2 1 ：偏心放置在定子中的转 子与旋片分割定子的容腔，成为 、b 、c - - 个独立的工作腔，分别为吸气腔、压缩腔和 排气腔。转子上开有纵向的转子槽，槽内装有沿径向可以自由滑动的旋片。当转子转动 时，旋片在离心力及弹簧力的作用下从槽中甩出，实现a 、b 、c 三个工作腔的分割。其 中，旋片分割成的独立工作腔，称之为基元。随着转子的转动，基元容积从小到大实现 周期性的变化，从而达到抽除气体的目的。 孙山； 一& 日一e 骑脏 * 图2 t 旋片泵工作原理示意图 定子上有吸气口和捧气口。基元容积增大时，与吸气1 3 连接，不断吸气，直到达到 基元的最大容积为止，这时形成基元的后部旋片越过吸气口，完成基元的吸气过程。随 后基元容积随着转子的转动开始减小，直到形成基元的前旋片滑过排气口- 开始排气。 当后滑片越过捧气口时，在有害空间中的气体通过侧板上的排气槽排出，减少噪声和振 动。当基元的前旋片通过转子与定子接触点并到达吸气口边缘时，该基元开始重新吸气。 这就是旋片泵基元吸排气的周期。由于旋片泵的排气口装有单向止回阀，防止外部大气 计入旋片泵，当气体压缩到特定值时，基元才能开始捧气。随着被抽容器的压强越来越 接近极限压力，负载不断增加真空泵的功率越来越大，直到到达真空泵的极限工作压力， 旋片泵的功率达到最大值。 2 1 2 旋片泵的工作过程 旋片式真空泵的转子在每个运动周期内，分别有多个基元在进行相同的工作循环过 程。只需要研究其中一个基元的整个循环过程。就可以了解真空泵的工作情况。 兰州理工大学硕士学位论文 设转子旋转一个周期t 时，基元完成真空泵的一个完整循环过程，基元的容积随着 转子转角的变化而变化。如果假设最小基元容积为零，且以此时基元的位置作为转子转 角的计算起点。那么最大基元容积就是基元吸入气体的体积。 在理想状态下，在基元容积不断增加的情况下，基元始终是与吸气口连接的，直到 达到最大容积体积时停止吸气；随后气体开始压缩，随着基元内气体压力的升高，基元 与排气口接通，当基元内气体压力足够高时，开始排气。其具体关系如图2 2 。( a ) 是 在转子旋转过程中基元容积和转子转角的关系；( b ) 是基元中气体的容积和压力的关系。 ( b ) 中由1 到2 是旋片泵的吸气过程，2 到3 是气体的压缩过程，其中2 3 。、2 3 ：、2 3 。 分别是考虑压缩过程为绝热、多方、等温过程的情况。 v p 4 b ) v 图2 2 旋片式真空泵基元的理论工作循环 上述的分析室理想状态下旋片式真空泵的工作循环状况，即理论循环。在旋片泵的 实际工作环境中，它的实际循环情况还会受到其具体结构等很多具体不可逆因素的影响 1 4 7 11 5 0 1 。结构因素如封闭容积、吸排气的提前或滞后、最小基元容积，不可逆因素如气 体通过间隙的泄漏、气体流动损失、流动动力损失，以及气体与外界的热交换等。 2 2 旋片泵的主要结构分类 旋片式真空泵，属于通用型真空泵。对于旋片泵的结构分类，主要可以按照密封方 式、与电机的联接方式、泵体结构方式几个方面进行分类。 2 2 1 按照密封方式分类 旋片真空泵按照密封方式的不同分为两种，油密封式旋片真空泵和干式旋片真空 泵。利用工作液来进行润滑并填充死隙实现密封的，称为油密封封式旋片真空泵；无工 作液时，即为干式旋片真空泵。 对于油密封封式旋片泵，根据其用油量的大小，又可以分为油浸式( 图2 3 ) 和油封 式( 图2 4 ) 。大泵主要采用油封式结构，油封式结构的油箱多设置在泵腔的上方或侧方， 7 兰州理i 大学日士学位论文 泵油只是用于密封排气阀，需要外加风冷或水冷散热设备，其泵和电动机的连接均采用 地盘连接结构憎1 ；油浸式是指整个泵泡在泵油中，泵油起密封和冷却作用。油浸式与 油封式相比，装油量大密封性能好，多用于小型皮带泵和直联泵。 2 2 2 按照联接电机的方式分类 围23 油浸式旋片泵 围24 油封式真空泵 按照与电机的联接方式不同，旋片式真空泵又可以分为皮带式和直联式。对于皮带 式旋片泵和直联式旋片泵，其转速也不同。皮带式旋片泵的转速一般不超过8 0 0 r s ，而 壹鞋式旋片泵的转速一般为1 4 0 0 r s 左右。由于直联泵没有皮带摩擦的粉尘的污染，体 积小、重量轻、材料节约、功能日趋完誊，应用更加广泛。但是它对旋片材料和泵油的 性能要求较高。 在油封式旋片泵中，国内习惯称皮带传动的为旋片真空泵，而把泵与电机直接连接 或通过联轴器连接的称为直联旋片真空泵。对于每种泵，还有有单级和双级之分。在单 级泵中，由于选用的结构形式和参数不同，泵的极限压力和用途也不同”1 。 兰州4 t 学砸十学位论空 2 2 3 按照泵体结构分类 泵体是旋片泵的主体，根据其安装结构的不同，可以分为三种类型：整体式( 图2 5 a ) 、中壁压入式( 图2 5b ) 和组合式( 图25c ) 。整体式结构要求加工精度高，高低真 空级的两腔同心度不易保证；中壁压入式结构中，高、低真空腔为一体，中壁经冷却后 由压力机装入，结构简单加工和装配量小，但中壁尺寸公差要求严格：组合式结构各 零件易于加工，加工面多，精度高，废品率低，互换性好，适合于大批量生产“1 。 2 3 转子的结构 图25 旋片泵的象体 转子是旋片泵的核心部件。转子结构有三种形式：压套式( 圈2 6a ) 、转子盘式( 图 2 6b ) 和整体式( 图26 c ) 。其中，整体式结构加工件和装配量小，但旋片槽加工困难， 难以达到高精度，适用于大泵；转子盘式结构中如图，两半转子盘用螺钉和锥销紧固后， 两转子体之日j 形成旋片槽，这种结构零件多，加工装配量大，有较高的加工精度；压套 式结构如图，两半转子中间用衬块儿保证旋片槽宽，要求加工精度较高，装配较复杂。 其中，转子盘式结构最常见“1 。 簋。苍醉 圉2 6 旋片泵的转子体 9 兰州理工大学硕士学位论文 2 4 旋片泵的性能参数 旋片泵的性能参数有极限压力、抽气速率、功率、温升、泄漏、振动、噪音、使用 寿命等。其中，极限压力、抽气速率和功率为主要性能参数。 2 4 1 极限压力的影响因素及解决办法 极限压力是指旋片式真空泵稳定工作时所能达到的最低压力值。旋片泵的最低工作 压力出现在泵开始工作后不久，但一段时间后由于温度的升高会导致油液的饱和蒸汽压 和黏性等参数变化，极限压力会有小幅度的回升，最终达到一个稳定值( 图2 7 ) 。这个 稳定值就是旋片泵的极限压力。油封旋片式真空泵来说，影响其极限压力的因素有很多， 主要是抽气时间、油液、加工精度、齿顶间隙以及有害空间等。 图2 7 泵的入口压力与时间的关系曲线 2 4 1 1 泵油的影响 油液对极限压力的影响主要包括油液的高度和油液的温度。 a 油液高度的影响 对于油液的高度，即泵的循环油量。旋片泵的循环油量也大，密封效果就越好，极 限压力就越低：但是，由于在真空泵的运转过程中，旋片泵的油液中吸收的空气和水蒸 气会释放出来影响其极限压力，所以循环油量并非越大越好，应有一个合适的值。 油液循环量与旋片泵极限压力的关系如图2 8 所示： 采 皇 h h 图2 8 油量与极限压力的关系 1 0 ! 州理i 大学碰学位论文 其中，d e 为理想状态下( 油液不释放空气和水蒸气) 循环油量与极限压力的关系， 即循环油量越大极限压力越低；f g 为实际情况( 主要考虑空气和水蒸气的释放) 下循环 油量和极限压力的关系，随着循环油量的增加而越来越高；a b c 为综合考虑两点因素的 影响时两者的关系图，在油量处于某一特定值时，极限压力最低，其后随着油量的增加 而升高。 b 油温的影响 随着油温的升高，油液的饱和蒸汽压也随之升高，挥艘的气态油液也多，大大升高 旋片泵的极限压力，所以应该尽可能的降低油液的温度以降低旋片泵的极限压力。目前 采用的方法主要包括对泵油实施水冷或风冷、增大散热片等。 2 4 1 2 有害空间的影响 有害空间的存在也会升高旋片式真空泵的极限压力。有害空间是指旋片式真空泵的 转子与定子在定子内腔顶端的接触点a 到排气口之间的空间，如图2 9 。这个空间内的气 体在循环终结时，难以从排气口派出。在旋片继续旋转的压缩作用下，会从a 点接触点 的间隙溢出，从顶点溢出的气体进入吸气腔，从而升高旋片式真空泵的极限压力。可以 通过对有害空间填充油液或者在该空间的侧板上开导气槽( 在自润滑的干式泵中采用) 来解决。 个渺 嘲 围29 泵的有害空间示意图 2 4 1 3 间隙的影响 旋片式真空泵的间隙指的是顶点间隙和断面间隙。间隙对旋片式真空泵的极限压力 影响很大。间隙的存在是必然的，这跟旋片泵生产过程中的加工精度和装配精度有关， 也是功能设计的需要。间隙过大会导致旋片泵高压腔的气体向低压腔泄露严重影响旋 片泵的极限压力：小的间隙虽然能降低旋片泵的极限压力，但会导致摩擦力的上升，继 而引发功率、磨损和散热等一系列问题。所以确定一个合理的间隙很重要。间隙取值并 非越小越好，一般情况下，问隙的取值时除了考虑润滑和泄漏外，还要考虑热膨胀的因 素。 在双级泵中，低级泵的间隙取值非常重要。因为低级泵的空气阻力小，所以一般来 兰州理工大学硕士学位论文 说低级泵的间隙应该小于高级泵的间隙。例如英国e d w a r d s 公司的e 2 m4 0 旋片泵，低 真空级端面间隙为0 0 6 m n ，而高真空级端面间隙为0 0 9 5 r a m ；又如日本u l v a c ( 真空技 术株式会社) 的d 6 5 0 k 旋片泵低真空级端面间隙为0 0 5 m m ，高真空级端面间隙为0 0 8 m m 剐。 2 4 2 旋片泵的抽气速率 抽气速率是指旋片式真空泵在单位时间内排除气体的体积。主要包括名义抽速、几 何抽速( 理论抽速) 和实际抽速。 a 名义抽速 名义抽速是指泵在出厂时，标牌上锁表明的抽气速率。 b 几何抽速 几何抽速是泵按照额定转速运转时，在单位时间内抽出气体的体积。几何抽速s 埔 是吸气终了时吸气腔容积v s 与转子转数n ，以及旋片数目z 的乘积，即： s 曲一n 屹。z = 苊。a f z ( 2 1 ) 式中彳吸气终了时吸气腔的截面积； ，泵腔宽度。 c 实际抽速 实际抽速是在实际应用中测得的泵的抽气速率。实际抽速是入口处压力的函数，在 实际抽气过程中，随着入口处压力的下降而下降。当入口处压力等于极限压力时，实际 抽速变为零。此时，泵抽取的空气的体积等于泵内气体通过间隙返回吸气腔的气体体积。 在正常大气压下，泵在设计时要考虑使实际抽速等于名义抽速，考虑到实际运转中存在 的泄漏损失等问题，一般设计几何抽速为名义抽速的1 1 到1 2 5 倍。 提高泵的抽气速率可以从以下方面入手： ( 1 ) 减小泵的间隙，增强泵的密封性，减少气体的泄漏及反流。 ( 2 ) 增大泵内管道的流导。管道中气体的流量q c 一只) ，可见进气口和出气 口压力差( 丑一p ：) 一定时，增大管道的流导，可以增大气体流量，即增大抽气速率。增 加管道的截面积可以提高其流导。例如，一台2 x z - 4 型旋片泵，由于高低真空级间流导 的不足，在2 p a 时抽速只有o 3 l s ，抽气效率只有3 0 。适当增加它的通道截面积，就 提高到2 l s 。再增加通道截面积，就提高n 2 5 6l s ，抽气效率提高到了5 9 。此外， 使高真空级出口略高于低真空级进气口，以及降低排气速度均有利于泵抽气速度的提 高湖。 2 4 3 旋片泵的功率 旋片泵的每一个工作周期都包括吸气、压缩、排气的过程，其过程如图2 1 0 所示： 兰州理工大学硕士学位论文 p p 2 p l o 毋 蛭 图2 1 0 旋片泵的p - v 图 其中，a b 为入1 ：3 压力p 。的吸气过程，b c 为压缩过程，c d 为出口压力p ：的排气过程。 贝, l j b c 段气体压缩功率为： w ；( 2 脚 ( 2 2 ) 考虑到这一过程并非理想状态，而是多变过程，b c 段应该满足： 只吁一只曙 ( 2 3 ) 式中，r 多数指数，1 m k 泵的每一个循环周期的压缩功w 为： 咭协川舻- 1 】 亿4 ) 则每一个循环的功率为 咭嘞陟- 1 】 泣5 ) p 广吲 气压力；： 由于抽速受到入口压力的影响，旋片泵的功率也会受到入口压力的影响，其关系如 图2 1 1 所示： 功率在署一。时达到最大值， n m 只s 曲册磊 ( 2 6 ) 最大功率是对应的入口压力为： 兰州理工大学硕士学位论文 p 车 ( 2 7 ) m 磊 除了压缩气体做功外，泵还要克服摩擦、负载等外力做功。由于温度对泵油的黏性 有较大影响，所以旋片泵克服摩擦所需要的的功率也受到温度影响2 1 s 3 l 毋 s 饿o 枷o 参 癸，o c o 1 蓐 2 o i o o l o 、 r r 、 ， 、 爿 r ? 1 2 0 _ 一 。 j 、 、l 3 0 一一 ， 一一 一 多 ，e 一 1 i ) 一 乞e ，o 虿 多 一” i ；、6， 、弛 l o cl ii 2 4 5 1 气体的泄漏 a 旋片与侧板之间间隙的泄漏 在旋片的运动过程中，旋片与侧板的端面始终进行滑动摩擦，存在一定的泄漏。接 触面的泄漏通道长度等于旋片的厚度。由于泄漏的通道比较短，借鉴滑片压缩机的泄漏 分析此时可以将其简化为收缩喷管n ，流动模型如图2 1 2 。假定泄漏过程中是等墒的， 则气体通过接触面出口截面的质量流量为： 、 ；0 。，p ：，仍) 一 1 4 ( 州南) 历 亿9 ， ( 南) 西 兰州理工大学硕士学位论文 考虑到流道的阻力，则在出口截面处的质量流量为： m 一九4 量h ，n ，p ：) ( 2 1 0 ) 其中，b q 体的等墒指数，一般取值k = 1 4 p 。、p ：流体在喷管进、出口截面上的压力( 此处为真空泵旋片分隔的两 个工作腔的压力) n 流体在喷管进口截面( 真空泵工作腔高压腔一侧) 上的密度 毒0 。，p 。，p ：) 喷管单位出口截面积的质量流量 九流量系数，综合反映流道的阻力，数值取决于实验的实际大小 鸽通道面积 在旋片泵的工作过程中，主要的端面间隙泄漏主要产生在压力差较大的工作腔之 间。由于泄漏面有两个，所以其质量流量为： m 一2 九j l l l 毒0 。，n ，p ：) ( 2 1 1 ) 其中，毛旋片与端盖的工作间隙； i ，一旋片伸出旋片槽的长度； 】 p 1 p l 。 t 1 p2 够 乃 l 图2 1 2 喷管的流动模型图 b 通过转子与定子内壁的间隙泄漏 在旋片泵的工作过程中，转子与定子将吸气腔与排气腔分开。随着旋片泵工作时间 的增加，吸气腔的压力越来越低，两腔的压力差变大，排气腔的气体可能通过转子与定 子曲线内表面的接触间隙泄漏到吸气腔，影响旋片泵的极限压力。转子与定子的接触位 置长而窄，分析这类泄漏时就必须考虑到抽除的气体的粘性影响。研究中，可以吧这种 模型简化为“收缩喷管+ 有摩擦截面直管”3 。由于这种模型的求解过程通常比较复 杂，所以一般研究中都会取经验值代替。 1 5 兰州理工大学硕士学位论文 2 4 5 2 液体的泄漏 氖旋片与旋片槽之间的间隙泄漏 对于滑片与转子槽之间的间隙泄漏，可以看成是液体通过两平行平板间的泄漏，如 图2 1 3 所示： h 卜 v r 6 图2 1 3 平行平板间缝隙的泄漏 即相对速度为k 的两个平行平板之间形成大小为6 的缝隙，其泄漏量为： 叫筹+ _ 1 叫啊风 亿 其中，卸间隙前后的压力差 流体的动力粘度 h 间隙的宽度，即定子的宽度 风液体的密度 日平板长度 在旋片泵的工作过程中，通过滑片侧面间隙泄漏到工作腔的质量流量为： 小z 1 - h h 2 p o 剖+ 叫 亿 其中，k 旋片与转子槽之间的间隙 旋片的相对运动速度 h ，旋片在转子槽中的长度 p ，旋片的背部压力 b 通过转子与侧板接触间隙的泄漏 转子与侧板接触面的间隙泄漏可以简化看成液体通过两平行圆盘问的泄漏，其泄漏 1 6 兰州理工大学硕士学位论文 量为： 南。鱼：! ：坚，塑 6 | e l d r ( 2 1 4 ) 其中，鬼转子与侧板间隙 对于转子与侧板间隙的泄漏中有：塑。业，则： 出 r r l 疡，掣掣啤鱼掣 ( 2 1 5 ) 6 z 。【，一rj 其中，卜定子的内腔直径 r 转子半径 r 。转轴半径 2 5 旋片泵的其他问题及解决办法 除了上面提到的旋片泵的主要参数外，传统的旋片泵在设计中还要解决喷油漏油、 噪声、旋片寿命、振动