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东北欠学硕士学位论丈 摘要 爪型干式真空泵流动场的数值模拟 摘要 近年来，随着电子工业、化学工业、薄膜及冷冻干燥行q p 的蓬勃发展，越米 越多的行业要求有清洁的、没有油蒸汽存在的真卒环境作为其生产摹础，凶此r | j 场对r 泵的需求也越来越迫切。本课题所研究的四级全爪型干式真空泵就是丁象 的一种，这种四级爪型干式真空泵在较宽的压力范围内有较大的抽速：可以4 i 接 f 订级采而直排大气；在工作过程中，抽气腔内无任何工作液，保证了被抽窄| h j 不 受污染；还能够抽除气体携带的会属粉尘和矿物颗粒。它主要应用于半导体、“ 化、冶金、食品、医药等行业。 本课题采用有限体积法( f v m ) ，在专q k 流体有限元分析软件c f x5 7 的耶 境f ，对爪型二f 式真空泵内部流动场进 ：了分析，并在此基础上对气体巾所挟带 的氮化铝杂质颗粒的运动进行了模拟。 作者在现有的资料和实验条件下，首先根据样本数据对样本中的抽速为 3 0 l s 四级全爪型干式真空泵进行r 设计计算及核箨，而且根据设计j t 寸建找r 二维实体模型，并进行了拟实装配，确保设计尺、j 与样本尺寸无太人的偏差。 作者查阅了大量相关文献，在流体力学方面。埘现有的几个计算流体j 学模 ，型进行r 分析研究，最终选择了k 一占二方程模型，并埘其进行r 些修正，使 其能够符合本次模拟的条件。在颗粒运动方面，作者借鉴了流佬床模拟汁算中的 颍粒运动模型，并根据本次模拟的具体愤况对其进行了修正。 作者在之前建立的四级爪型千式真空泵实体模型的基础i ：，根据分析问题的 儒要，又建立了分析用的实体模型。在c f x5 7 及其相关软件的帮助下，进行了 网格划分、模型的前处理、数值计算以及结果的后处理等工作。并对所祷的结果 进行了一系列分析与讨论。 关键词： 爪型泵；有限体积法；c f x ；流动场：颗粒运动 东北失学硕士学位论文a b s tr a c t n u m e r i cs i m u l a t i o no ff l o wf i e l di n d r y c l a w t y p ev a c u u mp u m p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to t e l e c t r o n i c ，c h e m i c a l ，f i l ma n df r e e z e d r y i n gi n d u s t r i e s o i l - f r e ev a c u u n le n v i r o n m e n ti sn e e d e db ym o r ea n dm o r ei n d u s t r i e sa st h e i rp r o c e s s e s c o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，d r yp u m pi sm o r ea n dm o l ed e s i r a b l ei n t h em a r k e t ，a n d f o u r - s t a g ed r yc l a wt y p ev a c u u mp u m pi so n eo ft h e m t h i sp u m ph a sh i g hp u m p i n g s p e e do v e raw i d er a n g eo fp r e s s u r e s ，a n dc a l lo p e r a t i o nw i t h o u tt h ec o n n e c t i o no l b a c kp u m p d t m n gt h eo p e r a t i o n ，t h e r ei sn os e a l i n gf l u i di nt h ep u m p i n gc h a m b e r , w h i c hc a l lp r o t e c tt h ev a c u u n 3e n v i r o n m e n tf r o mp o l l u t i o n i tc a np u m pn f f m e t a l p o w d e ra n dm i n e r a lp a r t i c l e a l s o t h ep u m pi s a p p l i e d i nt h ep r o c e s s e so l 、 s e m i c o n d u c t o r , c h e m i s t r y , m e t a l l u r g y , f o o d ，m e d i c i n e ，e t c i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s et h ef l o wf i e l di nd r yc l a wt y p ev a c u u mp u m p ，w i t ht h e f i n i t e v o l u m em e t h o d ( f v m ) b yc f x5 7w h i c hi so f t e nu s e dt os i m u l a t et h el l u i d t h e nb a s e st h i sr e s u l t ，w es i m u l a t et h em o v e m e n to fa l u m i n i a r nn i t r i d ep a r t i c l ei n t l u i d ， b a s et h ei n f o r m a t i o na n de x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，w ed e s i g nal g 一3 0d r yc l a w t y p ev a c n u i np u m p ，a n db u i l d3 ds o l i dm o d e l s r ob ec o n f i r m e dt h ed i m e n s i o n w e a s s e m b l et h e mi ns o l i d w o r k s2 0 0 4 w er e a dl o t so fl i t e r a t u r e i nh y d m d y n n m i c sf i e l d ，w es t u d ys e v e r a lm a t h e m a t i c m o d e l s f i n a l l yw es e l e c t 一t w oe q u a t i o nm o d e l a n dm o d i f yi tt om a k ei tf i tt h i s a n a l y s i s i np a r t i c l em o v e m e n tf i e l d ，w ec o n s u l tt h em a t h e m a t i cm o d e lw h i c h i su s e d t os i m u l a t ef l u i d i z e d b e d ，b a s e ss i m u l a t i v ec o n d i t i o n ，w em o d i 玲i ta l s o b a s et h es o l i dm o d e l sw eb u i l db e t o r e ，w er e b u i l dn e wr n o d e l st of i tt h i s s i m u l a t i o n w i t ht h eh e l po fc f x5 7a n ds o m ea s s i s t a n ts o f t w a r e ，n e x tw o r k s p l o w i n gm e s h ，p r e - p r o c e s s i n g ，s o l v i n ga n dp o s t p r o c e s s i n ga r ew e l ld o n e f i n a l l yw e a n a l y s et h er e s u l t s ，a n dg e ts o m ec o n c l u s i o n s k e yw o r d ：c l a wt y p ep u m p ：f v m ；c f x ；f l o wf i e l d ；p a r t i c l e sm o v e m e n t i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论定， ， 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一剜：t ：作的同志对木研究所做的任何贡献均己在论文中f 二， 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：右咒一! 乌 期：j j ，6 ? ，2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向圈家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在f 方签名：否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字l l 期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 近二、三十年来，在各工业部门所使用的高真率系统中，由油扩散象和作为 f m 级泵的油封式机械泵组成的排气系统占据了卜体地位，得到了普遍的胁用并发 挥r 至关重要的作用u 】。但是，在这样的真空系统中小可避免的要发生油蒸汽的 返流，使真空容器遭到污染。而在腐蚀环境中的各种应_ 蚪j ，腐蚀蒸汽及磨损粒r 往彳手会造成泵的污染，润滑剂的污染更为土要，这l 司时也缩短_ r 泵的寿命。斟此， 直以来在腐蚀和清洁的工作环境下广泛使用的油封式机械泵，确有定的缺 点。 近年来，随羲半导体、电子i 业及l t 产、业等新行业的迅速发展，人们对其 所处真窀环境的洁净度的要求也不断提高因而也对真空系统提出了许彩特殊要 二r 1 2 j2 1 。真空泵是半导体工业中芯片、光学通讯元器件及平板显示器等加l ：l 岂 的关键设备之一 3 1 。其中，作为中高真空的无油分子泵、低温泵等得到了j “泛的 j 畦用。但是，与这些干式中高真空泵相配合的静级低真空采却是传统的油封式真 窄泵，尽管设计者在中高真空泵与低真空泵之问串接入冷阱，但现在已经越来越 小能满足实际工作中对环境洁净度的要求了”1 “。尤其是在等离子刻蚀及低艇化 学气象沉积等丁芝过程，需要排出的气体多为具有懂腐蚀性并禽宵大量磨损粒于 的气体。如果用油旋转泵进行排气，则要求使用昂贵的氟油( 约每公斤2 0 0 廷兀) ， j = 需配有粉尘过滤及油循环装置等辅助设施，无疑增加了设备的成本。为了更有 效地解决问题，最好将反应气体、反麻物及微小粒子不与泵油混合而单独地排山 泉外，而且泵的转子有自清除作用，即反应物和微小粒子不附着在泵体内表斑】丽 彼转予刮掉并排出泵外h 】。在这样一种形势下，大家很自然的希望 h 现币中新犁 的真空获得设备，使其能够成为排出大量有强腐蚀性蒸汽和含磨损粒子气体的无 油抽气系统。爪型干式真空泵便是应这样一种需求而产生的。 瓜型干式真空泵从大气压到0 0 1 m b a r 都可以l f 常工作，而在泵腔内没有 任何润滑荆，是一种容积式机械真空泵。 f 式真空泵技术含量很高，目前主要生产，家集中在德副( l e y b o l d ，p f i f f e r ， b u s c h 等) 、英国( b o c ，e d w a r d s ) 、法国( a l c a t e l ) 、 本( e b a r a ，k a s h i y a r n a ， u l v a c ) 、和美国( v a r i a n ) 等少数发达国家。9 0 年代在高利润回报驱动下，卜爱 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 干式真空泵厂家超前投入研发及扩产。 同前，| 1 本半导体行业已经全部用于式真空泵替代油封机械泵 1 6 1 ，欧洲、 ! 导体行业干式真窀泵的应用达到4 5 以上。而月，在世界范潮内，半导体行、i k 对 于二f 泵的需求还在增长。以韩国为例，其半导体行业对二千二式真空泵的需求侮年达 l 亿美元。我国台湾地区半导体行业也有同样的需求量。 随着国内半导体芯片及光学通讯等行业迅猛发展，f 二式真空泵需求也将很快 达到或超过韩国和台湾。华东地区近年兴建的各种大型芯片j 一家如中芯国际 条半导体芯片，e 产线所需干式真空泵数以千计。中国现在已成为世界最人的f n 、 s t n 璎液晶生产基地。另外如武汉和长春的“光谷”及众多的半导体和显o i 器 件，e 产厂家急需千式真空泵。 蚓内半导体工业用的千式真空泵全部从国外进口，其价格1 分昂贵。日前， 令球真空泵市场的年销售额约2 5 亿美7 i ，年增长率存7 左右。其中，卜泵的f j 场份额达到2 3 ，市场年增长率达到1 3 5 i ”l 。我国生产真空泵的厂家很多， 令邦真空泵的年销售额大约在1 5 亿元左右，仅相当_ 二美国k i n n e y 公t 小一家舆 空泵的年销售额1 1 8 1 。 d i 十远离市场( 韩幽、台湾、大陆) 及受半导体h 场周期性影响，部分1 一式 真窄泵厂家出现重组及向韩国、台湾和中国大陆地区转移生产线的趋势。比如l ： 有1 5 0 年历史的德国莱采公司在天津，r 设的菜宝( 天津) 真卒设备制造钉限公r 司、 同本株式会社u l v a c 在宁波开设的宁波爱发科真空技术有限公司等等。这4 b 场结构真空为我国建立干式真空设备的研发和生产基地提供了有利时机。 在我国，特别是北方地区，生产成本比韩国和台湾低，而且主要机械加1 + 能 力相当。一f j 式真守泵具有利润回报率高的特点，以某欧洲厂家1 0 0 m h f 式真 空泉为例，其重量约为1 5 0k g ，大部分部件为铸铁加】：件。除转子及轴承为精密 件外其余均为普通加工件。而其市场售价为1 万5r 美元( 约合人民币1 2 ，j ) 、， 如在国内= j i i - e ，成本可控制在3 万元人民币左右，如售价仅为国际同类价格的 半，即每台6 万元人民币，利润率仍可达1 0 0 。而目前的现状是，我闻的真卒 泵生。家，许多还停留在计划经济时代的生产模式，绝大多数都存在设备陈i h 老 化、产品利润低( 工人称作“卖铁”) 、重要部件加工精度难以保证、产拍更新极 慢等问题。众所周知，市场的国际化带柬了全球化的竞争，快速开发掰产品，抓 住市场机遇，已成为赢得竞争的重要闲素。 加入w r o 后的冲击给企业家带来了压力f 的馓醒。国内一蟛眼光长远的真 宅获得设备厂家已经感觉到，不能再像以前那样组织简单的作坊式j - j “，也0 i 能 2 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 儿十，f 如一同的单靠种或者几种“明星产品”维持下去。要想在现在和未来的 真空获得设备行业中立足，必须创建新的产品行发机制。 f 二泵在我国乃至全世界的应用前景极为广阔。如此强烈的l 订场需求也促使我 们，埘怎样使千泵更好的应用_ f 生产实际阿存多个方面进行不断深入的研究。本 课题对于促使新型干式真空泵的研发、加速真窄泵的更新换代和研制性能哩优良 的泵种，具有4 定的现实意义。 】2 目前国内外对爪型转子真空泵的研究进展 爪型干式真j 宁泵在半导体、电子材料、化l 核t 业、薄膜、仪器、医药、 ，i 三物制晶和食品等领域都有着广泛的应用1 1 2 , 3 , 1 4 1 。 世界上第一台爪型干式真空泵予1 9 8 5 年存| 1 本卜市，并尺量应用十f 1 本。1 时发展迅速的半导体工业】。作为最早面世的于式真空泵之一，它除r 其有杂 脏内不含油或任何介质、清洁抽空尤返油这些十式真空泵的共性外，还具有很多 独特的优点1 7 1 ： ( 1 ) 转予对悬浮在泵腔内，转子对间与采腔间均无摩擦； ( 2 ) 可直排大气独立工作： ( 3 ) 可在高压强下长期连续工作： ( 4 ) 能够完全抽除可凝性气体( 如水蒸气、酒精和汽油等) ( 5 ) 能抽出腐蚀性、剧毒性、放射件和易燃易爆气体； ( 6 ) 能做气体传输泵使用，良好的压缩比，可达到1 0 1 0 5 ( 7 ) 能够抽除气体携带的金擒粉尘和矿物颗粒。 爪型干式真空象所用电机转速较高，+ 般为1 5 0 0r t m i n 或3 0 0 0r m i na - ：有| 4 i 。 泵在运转时，高温气体在泵腔中生成高速的内流动，这对于可能会乍成潜在污染 的场合是很理想的。当抽除腐蚀和潮湿的蒸汽的时候，因为泵体内部形成的赢温 高速的内流动会阻【 = 气体腐蚀泵体；而且，泵的高温可以阻止在室温下易凝结的 体在泵内的凝结。带有冷却装置的爪型干式真空泵可以安令的抽除易爆和温度 敏感气体1 8j 。 爪型于式真空泵可以做成单级，也可以做成多级。英国的爱德华公刊，产：了 一种将罗茨转子与爪型转子相组合的一种干式真空泵 9 , 1 0 1 。它利用了在低f i 卜罗 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 茨泵抽气比较有效，在高压强下爪型泵抽气比较有效的特点，将这两种杂各自的 优势匹配起来组成的干式真空泵，其性能比较优良。这种泵第一一次以最低的运行 成本和维护费用真正实现了干式的预抽泵和前级泵l q 。 爪型卜式真空泵特别适用于真空度达1p a 含水分、硬质腐蚀颗粒的半导体 芯片、光学通讯设各及平板显示器等高科技业苛刻的工艺流程i , 9 1 。在众多的 f 式真空泵巾，爪型干式真空象是备受半导体| 9 】、光学器件1 ”1 等高科技行业爵 睐的一种容积式干式真空泵。 在国外，爪型干式真卒泵也作为液环泵+ 水蒸气喷射象的静代产品成功应州 于v d v o d 中，并取得了良好的经济效益和环境效益：不仅可以节约趣过9 0 的操作成本而且大大减少了产生的废水量和粉尘的排放茸【8 l ， 在幽内，对干泵的开发多数走的是埘国外干泉的仿制和自t 开发的道路，牛 产舰模并不是很人，例如：北京领帆真宁科技有限公一j 开发生产：的l f 系列爪型 泉等。除此之外，东北大学真空j 流体研究中心也致力】：干式真空泵的j r 发与研 制。出东北大学设计，卜海真空象厂制造的我缉第一台多级瓜型卜r 真窀泵r 1 9 9 4 年通过号家鉴定，主要性能指标达到图际先进水平，从此结束了中闱多级 i 式真窄泵零记录的历史，拉丌了1 式真率泵从无到有、从单晶种到多品种系列化 的研制历程。 从i9 9 4 年到今天，国内的干式真空泵研究历经十年的时间，虽然取得了定 的进步，但是发展的速度还是受鲻技术和资会投入不足的褥扰，特剐是国内r 泵 1 i 场的需求还处于初级阶段。 1 3 课题的目的 尽管对爪型干式真空泵的研究耿得了很多成果，但目前陶内外对其仵【= 作时 泵腔内的。t 体流动情况还知之甚少，相关的义献更是儿乎为零。为了填补这 。卜 门，笔者借助电子计算机的强大的计算能力，对这一领域进行了初步的探究。 1 1 1 于爪型千式真空泵经常被片j 于抽除携带会属粉尘和矿物颗粒的e 体， 此，笔者认为，在搞清楚泵腔内气体流动状沙6 之后，有必要丌肢微粒在泵腔内运 动_ _ f u 沉积方面的研究，这对于提高爪型r 式真窄泵的工作性能以及改进其部分圳 ： 艺方面具有1 定的现实意义。 i 4 本论文所做的工作 一4 一 东北太学硕士学住论文 第聿绪论 莰泉抽气比较有效，在高压强f 爪型泵抽气比较有效的特点，将这两种泵嚣自的 优势匹配起来组成的千式真空泵，奠性能比较优良。这种泵薄- 一次以最低的运打 成本和维护费用真t f 实现了十式的颈抽泵和前级泉1 9 1 。 爪型r 式真空泵特别适用丁真空度达1p a ，含水分、硬质腐蚀颗粒的半导体 芯片、光学通讯设备及平板显示器等高科技行业苛刻的工艺流程1 39 i 。在众多的 十式真空泵中。爪型干式真空荥是备受半导体i ”、光学器件i i q 等高科技：f f , l k 青 睐的一种容积式干式真空泵。 在国外，爪型干式真空泵也作为液环泉+ 水蒸气喷射泉的替代产品成功应川 于v d v o d 中并取得了良好的经济效益和环境效益：小仪i j 以节约超过9 0 的操作成本而且人大减少了产生的废水量和粉尘的排放量”i 。 在国内，对干象的外发多数走的是对国外f 泵的仿制和自主开发的道路，| j 产：规模并卜是很大，例如：北京领帆真空科技有限公司开发生产的l f 系列爪犁 泵等。除此之外，东北大学真空与流体研究中心也致力于干式真空泉的开发i 研 制。由东北大学设计，上海真空泵厂制造的我国第一台多级爪型干式真率泉，： 1 9 9 4 年通过专家浆定，主要性能指标达到国际先进水平，从此结束了中陶多缀 ，真空采零记录的历史，拉爿：了干式真空泵从无到有、从单品种到多品利- 系列化 的研制历程。 从1 9 9 4 年到今天国内的干式真空泵研究历经十年的时州，虽然取碍f定 的进步但是发展的速度还是受到技术和资金投入不足的困扰，特别足困内卜泵市 场的需求还处于初级阶段。 1 3 课题的目的 尽管对爪埠【干式真空泵的研究取得了很多成果，但t 4 村国内外对其在工 1 咐 采腔内的气体流动情况还知之甚少，相关的文献更是几乎为零。为了填补这。i ! 门，笔者借助电子计算机的强大的计算能力，对这5 领域进行了初步的探究。 山于爪型干式真空泵经常被用于抽除携带金属粉尘和矿物颗粒的气体， 此，笔者认为，在搞清楚泵腔内气体流动状况之后，有必要开展微粒往泵聆内运 动和沉积方面的研究这对于提高爪型下式真空泵的l 作性能以及改进其部分加 3 2e 艺方面具有1 定的现实意义。 1 4 本论文所做的工作 1 4 本论文所做的工作 一4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 i 回顾前人所做的工作，笔者发现刁i 论国内还是国外，对爪掣十式真卞泉泉腔 内气流状况的相关研究几乎为零。 为了更细致的探讨爪型千式真空泵在工作时，泵腔内的气流分前彳情况，笔者 首先根据手头的一份样本数据，设计了一台抽速为3 0l s 的四级全爪型1 二式良卒 泵，从而确定了泵的各部分的尺寸；并在实体建模软件s o l i d w o r k s2 0 0 4 - h 根 据设计尺寸建立了实际大小的泵的三维实体模型；在此基础上，针对所要进行的 分析建立了分析模型；然后将所要分析的各个模型分别导入有限元分析软件 a n s y sw o r k b e n c h9 0 中，用其中的c f x m e s h 前处理器对其进行网格划分；援 f 来在a n s y s 公司旗下的c f x5 7 软件中将划分好的网格模型导入，进一步调 蹙网格模型并添加边界条件；待建亩起适合的数学模型后，使用c f x5 7 中的求 解器对泵腔内的气流作数值模拟计算，进而得到气体在泵腔内的流场分布；最后 使用c f x5 7 中的后处理器查看并分析所得出的结聚。 本论文中，泵腔内的气体流动是连续、可压缩、非定常流动。在数学模型的 选取、添加边界条件以及最后的模拟计算的过程中，笔者仝面考虑了以i ：问题： 经过对各种经典模型的讨论分析，最终建立了经过修if ：的可压缩流体的k f 疗程模型；针对抽气过程的非定常的特性，对其进行了瞬态模拟计算。分别对各 缎泵腔内气体的压力场和速度场进行了细致的分析与处理。 采用了基于颗粒动力学理论的双流体模型，通过考虑颗粒间的碰掩求获得颗 粒相的参数如颗粒粘度和颗粒压力等，在商品软件包c f x5 7 的环境下对本文提 f f j 的爪碰泵进行数值模拟研究，其目的是考察转子和泵体结构对泵腔内携带少锩 固体颗粒的气体流动的影响，为爪型泵的优化设计提供指导。 笔者相信，奉论文的研究思路以及最后所得出的结论，埘那些致力j 二爪型t 式真空泵方面研究的读者有一定的启发。 5 东j e 大学硕士学位论文 第二章瓜形转子真空幕的结构及功能特点 第二章爪型干式真空泵的结构及功能特点 2 1 爪型干式真空泵的结构特点 2 1 1 爪型干式真空泵的工作原理 图2 1 表示爪型泵的工作过程。两个转子按箭头方向旋转时，吸气口与泵 腔接通，此时泵腔因容积变大而吸气；当转予继续旋转，进气口关闭，吸气终 了；以后泵腔逐渐变小，气体被压缩；转予继续旋转，直到排气口打开，压缩 结束，开始排气；当排气口关闭时，则完成了一次吸、摊气过程。如此循环：l _ - 作，转子旋转一周暧、摊气两次。 图2 l 抽气原理示意图 f i g 2 1 秘m 咖i x i n c i p l es o h e m a t i cd r a w i n g 2 i 2 爪型转子的理论型线 如图2 2 所示，曲爪型转子的理论型线为a b c d e f g h a 组成的轮廓，由六 段曲线构成。 ( 1 ) 曲线互吾是由如圈所示坐标系中乏西曲线经过坐标翻转、旋转得到。 ( 2 ) 曲线庭是一段圆弧，其圆心角为a ，半径r = 2 r r m 。 6 东北太学硕士学位论文 第二章爪形转子真空泵的结构及功能特点 ( 3 ) 曲线锄的坐标方程为：x = 2 r c o s 0 r 。c o s 2 0 y = 2 r s i n e r m s i n 2 0 ( 4 ) 曲线e f 是一段圆弧，其圆心角为旺，半径为r 。 ( 5 ) 皓线f g 是由图示坐标系中f g 经坐标旋转得到。 ( 6 ) 曲线a 士好是半径为r 的圆弧。 i r 厂。 、支 lj删 f 一彳- 人 图2 2 爪型转子型线 f 遮2 2c l a wt y p er o t o rt y p el i n e 2 2 冷却、润滑和密封 2 2 1 冷却 工 冷却的部位主要是摩擦副、气体压缩区域的泵体、轴承、以及油池的冷却。 ( 1 ) 摩擦副的冷却 该处的冷却主要是指传动齿轮的冷却。由于本次设计的电机转速较高，达 到了3 0 0 0r m i n ，因此齿轮传动等接触面的摩擦产生的热量比较大。本次设计 对齿轮传动采用漫油润滑，因为润滑油可以携带大量的热量，起到了既润滑又 冷却的作用。综上所述，本设计中对齿轮传动摩擦副采用了油冷的方式。 7 东北大学硕士学住论文 第二章瓜彤转子真空泵的结构及功能特点 ( 2 ) 油池的冷却 阿面讲到齿轮采用了浸油润滑冷却的方式，那么自然随着象【作时问的加 长，润滑油的温度也会随之升高。为了防卜油箱内润滑油温度过商，产q ? 油蒸 汽污染象腔，同时也为了防止油温过高，使奠润滑性能下- 降，本设汁对油箱内 的润滑油采用了水冷却。即在油箱周围设胃了水冷腔，可以大面积刈。油进行冷 却。 ( 3 ) 轴承的冷却 d r 轴承随轴一起做高速旋转，必然会产生大量的热，如果这些热不能及 时散发出去，势必会影响轴承的正常工作，特别是轴承中润滑油的性能。i 1 此， 在轴承座内设水冷腔用以通入冷却水来降低轴承的温度，以保证轴承的n ! 常i 作。 ( 4 ) 泵体的冷却 爪型转。f 真空泵是变容积式泵，它在f 丘缩过程中会产生大量的热，l n 川转 了：与泵体之间以及各级泵体之闻究金是靠l 锖j 隙来保证配台，斟此如粜夫是热不 能及时传导出去，便会造成转子过热膨胀，严重时会导致转子卡死，影响泵的 爪常工作。所以对于泵体的冷却必须采用快速，有效上上经济、环保的冷上目方式。 那么存泵体外部设水冷通道，既可以解决这个问题，又使得整个泵结构简单、 紧凑而日美观。冷却水从上轴承座内的管接头流入其内的水槽，再通过泵体外 部的水冷通道流入下轴承座内的水冷腔，最后由f 端管接头流出泵外。随着冷 却水的不断循环流动，达到对轴承、泵体及贮油池的冷却。 2 2 2 润滑 在摩擦而加入润滑剂可以降低摩擦，减少磨损，保护零件不遭锈蚀，延 零件的使用寿命，减少噪音和振动。 ( 1 ) 齿轮传动的润滑方式 一般对于齿轮传动，多采用润滑油进行润滑。本次设计考虑到应浚对传动 齿轮进行直接冷却，因而采用了将齿轮浸入其中的浸油润滑。这样既起到了涧 滑的作用，义起到了冷却的作用。 ( 2 ) 轴承的润滑方式 般对于轴承有油润滑和脂润滑两种方式。对于奉泵来说，由1 i 轴 ：端的 轴承拆装较方便，打开轴承端盖便可对轴承进行更换拆卸。因此采削定期 s 一 东北大学硕士学位论文 第二毒爪彤转子真空泵的结构及功能特点 更换的j l l j 滑脂来润滑比较合适。而轴下端的轴承，u j 与贮油池中的润滑油直接 接触只要加入适当的润滑油量，便可使下部轴承被润滑。因此，轴下端的轴承 司齿轮一样，采用浸油润滑。 2 2 3 密封 真空获得设备中，密封的优劣直接影响该设备所能获得的极限真卒、抽速 等重要性能参数。因此，在设计时对密封的考虑及选择至关重要。 爪型1 二式真空泵的结构中，需要密封的部位可以分为两类，即静密封和动 密封。下面就这两类密封作一下说明： ( 1 ) 泵体与隔板、上f 轴承座之间的静密封 众所周知，真空耐油橡胶密封不仅密封可靠而且拆卸方便，但是本泵的浚 处静密封的两个密封面均为平面，且轴向尺j j 要求严格蓿采用耐油橡胶密封， j 紧程度的不同就会带来辘向尺、j 的误差。同时，这些端丽并非蜮形，加l ：密 封槽不太方便，因此，本次设计决定不采用给装配和加工都带来困难的瓯空酬 油橡胶密封。 在本次设计中，这些地方的静密封主要采用有机硅室温硫化橡胶密封，也 就是通常所说的胶密封。这种材料密封可靠，无须加1 密封檎，能满足轴向尺 亍的要求，而且装配简单，价格低廉。目前，久多数j 家都使嗣这种材科密封。 ( 2 ) 轴端的动密封 泼处的密封主要是密封润滑脂、润滑油，防l e 脂或油进入泵腔，以保证转 f 在无油的情况下工作，以便获得清洁的无油真空。以往爪式真空泉在该处密 _ 埘的选择卜主要是涨圈密封，但它用在此处有一定的局限性。因为此处为动街 寸，对r 密封件来讲极易磨损。这便影响了密封的可靠性。丽对于l 州产的橡胶 涨圈束说尤其如此，损坏频率相当高，这就要求经常更换密封嘲，而对于个 连续生产的设备来讲，显然这是刁i 符合生产要求的，所以本次设计在浚处采j j j 的是金属骨架密封。金属骨架密封的最大特点是它在产生微弱磨损后，金属骨 架可以给密封橡胶一个展紧力，使橡胶圈依然紧贴轴密封。显然会届骨架密封 的密封可靠性要好于涨圈密封，也_ e 因为如此金属骨架密封的使用寿命远高 _ 二涨圈密封。因此无论从密封的可靠性来讲，还是从经济性、实用性来讲，参 擒骨架密封都是比较好的选择。 外，四级爪型干式真空泵还有一螋其它密封，如进气法兰处的0 形橡胶 9 东北大学硕士学位论文 第二章爪形转子真空泵的结构及功能特点 圈密封，以及为了防止油的渗漏而采用的耐油橡胶挚密判。 2 3 泵体的主要几何尺寸与主妻零件的校核 2 3 1 爪型转子尺寸的确定 爪型转子的结构尺寸如图2 3 所示： 为保证转子轴运转的平稳性以及泵的啮合间隙，各级转了节圆与顶圃半行 均相同。 决定转子结构尺寸的因素如下： ( 1 ) 容积利用系数九 丸越大，泵的抽气性能越好。但九越大，势必会使o t 角和r ，r i i 变小，此九的 选取应在适当的范围内尽量人。 ( 2 ) 爪型转予伸出爪的根部强度 _ ，一 产弋 k ：涔1 8 ，o 斗 圈2 3 爪喇转千轮廓线 f i g 2 3c l a wt y p er o t o rc o n t o u rl i n e i 爪型转子在啮合时，由于爪部伸出较长，所受扭转力矩最大，再加：爪的 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章爪形转予真空泵的结构及功能特 宽度较窄，因此爪部是整个爪型转f 中强度最弱的部分。i 叮旺角度的大小，直接 决定着爪部的宽度，因此要保证伸出的爪具有足够的强度，就必须保证h 角足够 夫，而这又与增人容积利用系数颁减小q 角矛盾，所以o f , 角的选取同样要矗：适“j 的范 匐，既小能过大也不能过小，要综合考虑容积利用系数与瓜根部强度两方 面的凼素。 由以 ：囡索呵知，为了尽最提高泵的抽气速率，应尽可能的降低第级泵 的出i s i 压力，这样才能更有效的减少转予在外压缩后的返流气体量，从嘶提商 抽气速率，也同时达到降低极限压强的同的。 本次设计初步选定a = 3 0 0 ，冈为旺角过大会使容积利用系数变小，降低抽气 速率；过小则会使爪根部强度减弱。根据困内钋同类产品的参数选择，t z = 3 0 0 屉较为合理的。由于第一级爪型转予的厚度是6 0m m ，后三级泵的总抽速要比 笫一级的抽速略大，根据已有的爪型泵的设计参数初选后三级转子的厚度为 i = 4 0 m m ， i l j 已知尺寸计算爪型泵的几何抽速： s t h = 丽# 1 v ：i _ v ? - k v c ? l 兰 ( 川) lk + 屹j 6 0 ：a 2 - k a y 2 ：x l x # i 1 6 0 。1 0 。 4 + 4 式中盯转子转速，n = 3 0 0 0r m i n ，转子厚度，= 6 0 m i l l ； 矿吸气腔体积最大时的体积 k 图示携带容积： 4 l 对应的截_ f l i 积( m m 2 ) ； 4 屹对应的截面积( m m 2 ) ； d k 压缩比，符= 卫。 f 求爿，如图2 4 所示 4 = 一m f 一a _ ( ”2a ，i k m a n ， 东北大学硕士学位论文第二章爪彤转子真空泵的结构及功能特点 则 州枷十。s 孕 叫2 叫业铲 4 = = 一凡，( x ) 出 4 = 。= 一k f ( x ) , x 4 ，= a u w = ，( z ) 出 ( 其中，( x ) 中的如换成r ) 经计算得4 = 9 5 8 3 r a m 2 求生 a s = a e 铀n + a 懋c + a m 也七a m l w + a h f p + a p j x n + a c n 刚+ a p p 叫+ a b “ 经计算得a s = 1 5 3 3 6 7 r a m 2 求容积利用系数 五= 鑫2 器一0 4 ，s e 以上计算可查文献【4 】表7 - 1 。查表得 数据如下 表2 1 数据 r a b l e2 1x d a t a 与本次计算结果相吻合。 将以上结果带入式( 2 1 ) 得 1 2 蔓些垄芏翌主主苎篓圭 苎三主尘翌笠三查窒墨垃兰塑垒翌! ! 壁：墨o o _ o o o - - _ l _ _ _ _ - - _ _ l - _ - _ o _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ l _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ 二一 = 堕9 5 箸83 4 0 嚣9t 塑5 3 3 6 筹7 6 一塑6 0 枷“硼加，s u s + 。 图2 4 爪型转子的型线 f i g 2 4t y p el i n eo f c l a wt y p er o t o r 根据以往的经验，可以认为泵的理论抽速是实际抽速的1 1 5 a ! 右。因而， 可求出泵的实际抽速s = ( 1 1 5 ) 圭3 4 2 6 9 l s 。由此可见，初步选定的 r = 5 0 r a m ，民= 7 5 r a m ，口= 3 0 。结构尺寸，是适合于设计要求的3 0 “s 泵的抽速 的。因此这些尺寸从抽速的角度来考虑是正确的。 2 3 2 转子轴的结构与强度校核 ( 1 ) 转子轴的结构 1 3 东北大学硕士学位论文 第= 章爪形转子真空泵的结构及功能特点 整个转子轴的中问较长一段是用来和转f 配合的，为了保证转子啮合的、r 稳、可靠，此段设计成光轴；往两端延伸部分，按强度要求设计成阶梯轴。l l 中的轴肩均用来限制轴卜各部件的轴向定位：光轴部分按刁：同位相留有键槽， 以阿定转子。轴两端分别攻螺纹，以便用圆螺母来调攀轴向| h j 隙。其结构q 意 冈如陶2 5 所示。 ( 2 ) 强度校核 由于转子轴主要受扭转力矩，i i 轴向力比较小，因此可忽略4 j 计，只校核扭 矩。即可按扭转强度计算。 丁 r = 一 雕 i 玺| 2 ，5 转f 轴 f i g 2 5r o t o ra x i s 9 9 5 0 。1 0 31 面_ s m 式中f ，轴的扭剪应力，n m m t ； 丁轴传递的转矩，n ，m m ： 矿轴的抗扭截面模鼍，l l u r l l 3 p 轴传递的功率，k w ： 轴的转速，r m i n ； 【 轴的扭剪应力，n m m 2 ： 对实心轴 w 7 = 等z 0 - 2 ，则轴的直径为 d d m m 式中p = 7 5k w n = 3 0 0 0r m i n 商文献 1 5 1 中表8 - 1 得： l 】1 5 5n m m 2 1 4 一 ( 2 2 ) ( 2 ： ) 东北大学硕士学位论丈 第二章爪形转子真空泵的结构及功能特点 则d。= j 9 5 5 0 1 0 pf 9 5 5 0 1 0 1 7 5 1 而2 q 0 2 x 1 5 5 3 0 0 0 由于所设计轴的最小直径为3 2m m 大于d ，所以设计满足要求。 2 4 泵的主要性能 2 4 1 理论抽速 爪型干式真卒泵的理论抽速是存不考虑漏损等实际l ：作情况卜，所获得的 理论抽气速率，它主要取决于泵的几何尺、几 本设计中的四级瓜式真空泵的抽速主要取决于第一级爪型转子的抽速。 r 第一级泵腔排出的气体量要火于第二级和以后各级的吸气量，这样就会产乍 级1 2 】的过压缩现象，通过级问隔板中设计的缓冲腔结构，就l j r 避免这种情况的 发生。 图2 6 表示了该四级全爪型真空泵的抽速随进气压强而变化的情况： 2 4 2 极限压强 ，) 卜3 l |l 除_ - _ l 垒瓜委f 蹬曩) 、 入 i g p 莨 t - 瓜蠢 四曩、 l li lii 五li 入口压力瓤 蚓2 6 抽选曲线 f i g 2 6p u m p i n gs p e e dc u r v e 网级爪型真空泵的极限压强是在泵f1 安装测试罩，经较长时问的运转，罩内 所能达到的最低压力。此时，泵入口的m 向气流量为零，即泵的实际抽速为零。， 1 5 一 一飞、锵幕 东北大学硕士学位论文 第二聿爪形转子真空象的结构及功能特， 倘若足与河级泵串联工作，由于气流的连续性，前级泵也同时达到极限真空。财 j ：本次设计而言，就是四级泵腔内同时达到各自的极限真空。 f 面，我们就来求该泵的极限压强： 1 、“ f a l 图2 7 转子的二二个笑键位置 f i g 2 7t h r e ek e yp l a c e so f r o t o r ( b ) 从途中携带气体的两次膨胀过程，我们可以求出单级泵的理论极限压姒。 携带容积的第一次膨胀，也就是转子从图2 7 中( a ) 的位臀转到图2 7 中( b ) 的位胃的过程，有如下的关系式： 尸0 t + f = ：( 一+ ) 户 p 一璺生墨匕 则 c v , + r ，) ( 2 4 ) 携带容积的第：次膨胀，也就是转子由幽2 ，7 中( c ) 的位嚣转刽阁2 7 巾( a ) 的位霄的过程，这时由于泵腔处于极限真审，也就足泵的实际抽速为零，l 嗣此， 虽然泉腔和进气口接通，但是进气鼍为零。1 习此有如下关系式存在： p 2 只一 ( 2 5 ) 将( 2 4 ) 式代入( 2 5 ) 式时，可得 一1 6 一 墨7 f i + 只k 。k ：一+ - - 7 7 - 、c ，x ， l1 “。 矗曙+ e o v = e k + 只f 3 咒曙= 只r 2 小昂 s ， 其中 极限压强 只排气压强 屹、t 一分别为携带容积和扫过容秘。 另外，如果我们能够求出单级泵的最人报缩比，那么据此，我们就。，r 以求 h 单级泉的理论极限压强。 在第一次膨胀过程中 咒k + 只t = ( _ + _ ) 尸 ( 2 7 ) 式中尸一进气压强 在第二次膨胀过程中及其后 p k = p k 从式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 0 消去p k e g o 戈( 2 8 ) 和式( 2 9 ) ，我们很容易发现这两个等式实际魁个等式 每= 忐= rkl k ，中厶。一最大压缩比， 。 从以上的分析计算我们知道： k = 4 三= 1 5 3 3 6 7 x 6 0 = o 9 2 0 l k = a l = 9 5 8 3 x 6 0 = o 0 5 7 5 l 所以爪型泵的最大压缩比为 ( 2 9 ) 晓 p 盟 k + t jj中ll， k k k 只，l 卜 = 职 心一p 查苎查兰堡主兰竺丝查 墨三主垒兰笪墨窒墨竺茎塑墨兰些笪：! ： 无：f 里翌1 。：2 5 6 2 i 丽2 从图2 8 中可阻看出，爪型机构在排气压强处j 一1 0 0 0p a 数量级时矮有较 人的j f i 缩比。所以可以选取爪型泵排气压强为1 0 0 0p a 。由此可得： p ：量：1 0 0 _ _ 0 0 ：3 9 p “ 九。 2 5 6 由此可见，爪型泵的极限压强可达3 9p a 。 丑 舞 崔 爪