（流体机械及工程专业论文）新型旋片泵的结构及性能研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 新型旋片泵的结构及性能研究 摘要 旋片泵是最基本的一种真空获得设备，它既可以单独用来获取低中真 空，也可以作为其它中高真空泵的前级泵来使用。近些年来，直联式旋片泵 随着电子、半导体、制药以及食品包装行业的发展而得到了迅速发展。但是 国内的直联旋片泵在性能上满足不了行业需求，而国外进口泵价格又太高， 在这种情况下，有必要研发新的直联式旋片泵，在性能上追赶国外进口泵， 同时在价格上让国内用户容易接受。 在这次新型2 x z _ 4 双级直联旋片泵的研发中，首先分析了当前的真空 获碍设备的市场情况以及国内外旋片泵在性能、价格上的差异，肯定了新型 直联旋片泵研发的必要性。随后，详细分析了国内旋片泵在性能上存在的问 题，主要是极限真空、抽气效率、噪声、喷油及漏油这几个指标。针对问题， 结合现有技术水平，给出解决方案和设计目标。根据解决方案，提出了结构 上几个关键的改进和创新，即新式轴承油路结构、改进的挡油板和排气口结 构、油泵强制供油系统，以及外形的变动设计。定子与转子之间的顶点间隙 根据经验值控制在0 0 1 0 0 2 m m 之间。在本文中运用a n s y s 8 0 对此进行了 分析，从理论上证实了该取值范围是安全的，并根据分析结果提出了可取较 小值的建议。 新型2 x z 4 双级直联旋片泵样机经过检测，完全达到了预期设计目标。 新产品也于2 0 0 4 年8 月底通过了辽宁省科技厅的新产品鉴定。 新型2 x z 4 双级直联旋片泵的研发成功提高了国内旋片泵行业的技术 水平，也为其它型号的直联泵的研发做了一次成功尝试。 关键词双级直联旋片泵结构性能 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n s t r u c t i o na n dp e r f b r m a n c eo fn e w r o t a r yv a ep u m p a b s t r a c t r o t a r y v a n ev a c u u mp u m pi sa n e l e m e n t a r ye q u i p m e n t i nv a c u u m t e c h n o l o g y ，a n di sa p p l i e di nm a n yf i e l 【1 s i tc a nb ee i t h e rs i n g l yu s e d ，o r c 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 s b a c k i n gp 啪p i n p a 埘c u j a r ，j nr e c e n ty e a r s ，w j i b 曲ef a p j dd e v e i o p m e n to fl r a d e ss u c h a s e l e c t r o n i c s ，s e m i c o n d u c t o r ，m e d i d n e ，f o o dp a c k i n g ，d j r c c tc o u p l e df o t a r yv a n e p u m p sa r eg e t t i n gw i d e l yu s e d b u t ，a sam a t t e ro ff a c t ，p u m p sp f o d u c e db y d o m e s t i cp l a n t sc a n tm e e tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sc o n t r a s tt oo v e r s e a s p r o d u c t s o nt h eo t h e rh a n d ，o v e r s e a sp u m p s p r i c ei st 0 0h i g h s oi l su r g e n ti o d e v e l o pn e wd i f e c tc o u p l e dr o t a r yv a n ep u m pw h i c hc a nm a t c hf o r e i g np r o d u c t i np e r f o r m a n c ea n di sa e c e p t a b l et ot h ec u s t o m e r si np f i c em e a n w h i l e i nt h i sp a p e r ，v a c u u mp u m p s m a r k e ti sf i r s td e s c f i b e d ，t h e nt h ep r i c ea n d t h ep e r f o r m a n c eo fd o m e s t i cp r o d u c c sa f ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fo v e r s e a s p r o d u c t s t h e s es h o wt h eu r g e n c yo fd e v e l o p i n gn e wr o t a r yv a n ep u m p s t h e m a j np r o b l e m so fp r e s e n tp r o d u c t sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e u 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 li n j e c t i o n ，e t c b ya n a l y z i n g t h e s ep r o b i 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 a c c o r d i n gt o t h ep i a n s ，s e v e r a lk e yi m p r o v e m e n t sa n di n n o v a t i o n sa r ec a r r i e do u t ，i n c l u d i n g n e wo i ls u p p l ym e t h o d sf o rb e a r i n g s ，i m p r o v e do i lb a m ea n do u t l e t ，o i lf o r c e s u p p l ys y s t e mw i t ho i lf e e dp u m p ，a n d n e wf i g u r a t i o nf o rt h ep u m p a tt h es a m e t i m e ，t h ea p i c a ld e a f a l l c eb e t w e e nt h er o t o ra n dt h es t a t o rd e s i g n e da c c o r d i l l gt o e x p e r i e n c e i sav a l u eb e t w e e no 0 1 n h na n d0 0 2 m m ，w h i c hi s p r o v e d r e a s o n a b l et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h er o t o r sa n dl h es t a t o r sd e f o r m a t i o nu n d e r t e m p e r a t u r er i s ea n dr o t a t i o nw j t ha n s y s 8 0s o f t w a r e a l s o ，i ti sa d v i s e dt o a d o p lt h es m a l l e fv a l u e n e w2 x z 4d u a l s t a g ed i r e c tc o u p 】e dr o l a r yv a n ep u m ph a sb e e nt e s ta n d 东北走学硕士学位论丈 a b s t r a c t t h er e s u l ti se x c e l l e n t a l s ot h en e wp u m ph a sp a s s e dt h ea p p r a i s a lo fn e w s c i e n t i f i cp r o d u c t si n i t i a t e db yl i a o n i n g 1 1 e c h n 0 1 0 9 yo m c ei na u g u s t ，2 0 0 4 t h ed e v e l o p m e n ta d v a n c e st h el e v e lo fd o m e s t i cr o t a r yv a n ev a c u u mp u m p t r a d e ，a n ds e tag o o de x a m p l ef o r t h ed e v e l o p m e n to fo t h e rd i r e c tc o u p l e dr o t a r y v a n ev a c u u mp u m p s k e yw o r d sd u a l s a g e ， d i r e c t c o u p l e d ，r o t a r y v a n ep u m p ， c o n s t r u c t i o n ， p e r f o r m a n c e i v 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。论文 中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它学位而使 用过的材料。与我同工作过的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：包爱，肿 日 期：伽t 多卵冶 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国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。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 旋片泵在真空获得设备中，其生产量最大，其应用也是最广。它可以单 独使用，也可以用作其它高真空泵、超高真空泵的前级泵，构成配套真空机 组。新型旋片泵研发的背景主要基于以下两个方面。 ( 1 ) 旋片泵市场巨大 真空泵的市场广大，下面我们分别对真空泵的国际市场和国内市场的现 状和前景进行一下介绍。 其中真空泵的国际市场的介绍我们以日本真空泵市场为例。因为日本是 世界上名列前茅的发达国家，了解日本真空市场，就可以了解真空泵市场的 发展趋势。据日本真空工业协会在第十二届国际真空会议上介绍，日本从 1 9 8 7 年至1 9 9 1 年真空设备的销售额年增长率高达1 1 9 6 ，1 9 9 1 年达到2 1 7 6 亿美元。1 9 9 6 年第1 2 期真空上林立税博士的文章中提到，1 9 9 3 年日本 的真空设备年销售额为4o o o 亿日元( 约合2 8 亿美元) 。从日本通产大臣官房 调查统计部提供的资料得知，日本1 9 9 7 年销售真空泵1 3 44 9 5 台，而1 9 9 6 年销售真空泵约1 2 1o o o 台，1 9 9 7 年比1 9 9 6 年销售量增加1 0 左右。按销 售收入分：旋片泵占2 3 、罗茨泵占1 0 、干式泵占2 8 、分子泵占2 0 ， 其余为低温泵、扩散泵、离子泵等。 我国的真空行业在十年间发展迅速真空设备生产厂家由原来的二十多 家发展到1 9 9 8 年的六十五家。其中主要的十六个生产厂家在1 9 9 4 年销售收 入4 4 亿元人民币，1 9 9 5 年达到5 9 5 亿元。根据1 9 9 5 年的初步统计，真 空获得产品年产量约在9 0o o o 台左右，其中旋片泵约60 0 0 台；滑阀泵约 为50 0 0 台；罗茨泵50 0 0 台；扩散泵5o o o 台；分子泵3 0 0 刽。而在2 0 0 3 年4 8 家真空行业协会成员单位获得产品分类情况调查中，旋片泵产量1 9 9 4 8 7 台，水环泵产量1 20 6 4 台，罗茨泵产量40 2 1 台，扩散泵产量27 5 4 台， 滑阀泵23 2 4 台。旋片泵的产量占据了绝对优判2 1 。 由以上数字可以看出，作为国际真空市场代表的日本真空市场中，旋片 泵的销售收入占全部真空获得设备销售收入的2 3 ，仅次于干式泵的销售 1 塑! 查兰翌主兰竺丝圭 釜二主壁堡 济指标来进行一下国内外产品的对比( 见表1 ) 【2 1 。 综合上面谈论到的市场情况和国内旋片泵产品的现状，我选择了新型 2 x z 一4 双级直联旋片泵的研发这一课题。选择直联泵做研发是考虑到制冷、 电子等新兴行业对其需求量大，而且在旋片泵中，从技术创新和市场效益两 方面综合来说，直联泵都是最好的选择。 1 2 旋片泵的特点及应用 旋片泵是一种油封式变容真空泵。偏心放置在定子腔中的转子，与定子、 端盖一起构成一月牙形空间，该空问又被旋片分隔为吸气腔、压缩腔和排气 腔三部分。当泵连续运转工作时，不断进行吸气、压缩和排气过程，从而达 到连续抽气的目的( 见图1 1 ) 。 雌 】一旋片| 2 一旋片彝置；3 象体 4 一蟠盖；5 一转子 a 一吸气腔；b 一压缩腔；c 一捧气腔 图1 1 旋片泵工作原理示意图 f j g 】1t h e 叩e 蝌n o np i n c j p l es k e t c bo f r o l a 叮v 彻ep u m p 旋片泵作为真空技术中最基本的真空获得设备之一，其工作压强范围为 l 叭3 2 5 1 _ 3 3 1 0 2 p a ，属于低真空泵。它可以单独试用，也可以作为其它 高真空泵或超高真空泵，如扩数泵、罗茨泵、分子泵等的前级泵。旋片泵可 抽除密封容器中的干燥气体，在附有气镇装置时，还可以抽除一定薰的可凝 性气体。它被广泛地应用于电子、冶金、医药、化工、机械等工业生产过程。 做前级泵时，供电子仪器、医疗仪器等配套和实验研究应用。在适应缩小泵 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的体积、减轻泵的重量、降低电耗、减小泵的噪声、防止泵的喷油等迫切发 展要求下，采用提高泵的转速作为解决措施而出现的直联泵，由于没有皮带 摩擦的粉尘的污染，体积小、重量轻、材料节约、功能日趋完善，得到了广泛 推广应用( 3 j 。近些年来，随着技术水平的提高，高速直联泵也逐渐由小型泵 向中型泵的方向发展。 1 3 旋片泵的发展概述、分类及主要产品介绍 1 3 1 旋片泵的发展概述 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，并于1 9 4 1 年取得专利。此后，旋片式真空泵得到了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，甚至可以与计算机连接，进行自动控制。采用强制润滑和 风冷，使泵连续工作入口压力达i 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，也有人做了研究，例如采用侧偏心， 下偏心等。例如，德国的v a r o v a cs 。f f l 、s 。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，为制造大型旋片泵创造了条件 “1 ( 图1 2 ) 。近些年来，国外旋片泵无论是技术研究或加工生产都已趋于成 熟，而国内虽然在技术上取得了很大的进步，但是由于机械加工设备落后， 机械加工水平太低，使得国产旋片泵不能满足新兴行业的发展要求。 d 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的体积、减轻泵的重量、降低电耗、减小泵的噪声、防止泵的喷油等迫切发 展要求下，采用提高泵的转速作为解决措施而出现的直联泵，由于没有皮带 摩擦的粉尘的污染，体积小、重量轻、材料节约、功能日趋完善，得到了广泛 推广应用( 3 j 。近些年来，随着技术水平的提高，高速直联泵也逐渐由小型泵 向中型泵的方向发展。 1 3 旋片泵的发展概述、分类及主要产品介绍 1 3 1 旋片泵的发展概述 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，并于1 9 4 1 年取得专利。此后，旋片式真空泵得到了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9 0 年代初，又推出了油过滤器，能监视油温、 x 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 旋片泵分油浸式和油封式两种。油浸式与油封式相比，装油量多，外密 封好，散热差，对油水、杂质有分离作用，多用于小型皮带泵和直联泵。火 型皮带泵多采用油封式，与油浸式相比，装油量少，外密封性差，散热好。 油封式泵的油箱置于泵腔的上方和侧方，泵和电动机的连接均采用底盘连接 结构“。 根据转子与电机的连接方式，旋片泵又分为皮带式和直联式两种。皮带 式旋片泵转速较低，一般不超过8 0 0r m i n 。直联泵转速一般为1 4 0 0 ，m i n 左 右。直联泵因转速高而在体积和重量上都较皮带泵要小，但是它对旋片的材 料以及泵油的性能要求较高。 根据转子相对于泵体的安装位置，旋片泵分为正偏心、侧偏心以及下偏 心三种结构。正偏心结构可参见图1 3 和图1 4 ，该种结构在实际应用中很 普遍。下偏心结构如图1 2 。下偏心和侧偏心在实际中应用的相对较少。 泵体作为旋片泵的主体，其结构有三种类型：整体式( 图1 5 a ) 、中壁 压入式( 图1 5 b ) 和组合式( 图1 5 c ) 。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，适于大批量生产。 鼢良 一盼 狰蚴 髟p “”j 磊 ( b ) 图1 5 旋片泵的泵体 f i g 1 5r o t a r yv a n ep u m p ss t a t o r 转子是旋片泵的核心部件。转子结构有三种形式：压套式( 图1 6 a ) 、转 子盘式( 图1 6 b ) 和整体式( 图1 6 c ) 。其中，压套式结构是两半转子中间用衬 7 查! ! 查兰堡主望垒丝墨墨二兰壁笙 加工装配量大，有较高的加工精度，该结构最常见；整体式结构加工件和装配 量少，但旋片槽加工较困难，难以达到高精度，适于大泵。 1 3 3 直联式旋片泵产品介绍 生产直联式旋片泵的厂家很多，国内的如四川南光有限公司、上海真空 泵厂、上海富斯特真空泵厂等，国外的有德国莱宝( l e y b 0 1 d ) 、德国普发 ( p f e i f f e r ) 、英国爱德华( e d w a r d s ) 、法国阿尔卡特( a 1 c a t e l ) 、日本爱发科 ( u l v a c ) 、日本岛津( s i m a d z u ) 、美国瓦里安( v a 订a n ) ，以及瑞士的巴尔才斯 ( b a l z e r s ) 等。在极限真空指标上，国产泵已经做得不错，但是在抽气效率、 图l _ 7 英国爱德华公司的产品 f i g 1 7t h ep r o d u c to fe d w a r d sc o m p a n y ( e n 9 1 a n d ) 图1 8 美国瓦里安公司的产品 f i g 1 8t h ep r o d u c to fv a r i a nc o m p a n y ( u s a ) 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 9 德国莱宝公司的产品 f i g 1 9t h ep r o d u c to fl e y b o l dc o m d a n y ( g e r m a n y ) 噪声、比功率上与国外还有差距。而且作为产品来说，外观包装上国内外的 差距也是很大的。图1 7 、图1 8 以及图1 9 给出了国外产品的图例。 1 ，4 课题任务 通过前文的课题背景的分析可知，研发一种新型的直联式旋片泵是十分 必要的。本课题新型2 x z 一4 双级直联旋片泵的研发目标就是要采用新技术 对直联式旋片泵进行优化设计，使直联式旋片泵的性能接近或达到国外同类 产品的水平，同时降低加工成本。 课题的主要任务如下： ( 1 ) 市场调研，对国内外产品性能及价格进行分析对比，确定设计目标； ( 2 ) 思考解决极限真空度低、抽气效率低、噪声高、喷油、漏油等重点 问题的方法，确定解决方案； ( 3 ) 根据解决方案对结构进行改进或创新设计； ( 4 ) 运用a n s y s 8 0 软件对转子与定子之间的顶点间隙值进行分析，判 断顶点间隙是否安全可靠； ( 5 ) 测试样机，分析测试结果，验证是否达到设计目标。 1 5 本章小结 在本章中，首先对国内外旋片泵市场、性能及价格进行了分析，肯定了 新型2 x z 。4 旋片泵研发的必要性和可行性；接着对旋片泵的特点和应用进 1 0 查苎垄兰堡主兰堡垒圭釜= 垩竺垒 行了总结，回顾了旋片泵的发展历史，并对旋片泵的类别和代表厂家进行了 介绍；最后给出了本课题要展开的主要工作。 查兰查堂翌主兰堡垒兰：一 苎三主整堡堡盐查室 第二章总体设计方案 本章的主要工作是确定新型2 x z 4 双级直联旋片泵的设计方案，为结 构设计做好准备。 为制订出合理的设计方案，有必要先对当前国内旋片泵产品存在的问题 进行分析，针对问题提出设计目标，在此基础上再讨论、确定设计方案。 2 1 国产旋片泵存在的问题 与国外产品相比，国产旋片泵存在的问题还很多，在以下几个方面表现 的尤为突出【1 4 】f 1 5 】： ( 1 ) 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应不低于4 5 ，1 5 k p a 时不 低于8 0 。该项指标表征了泵的抽气能力，旋片泵不合格产品中有8 0 是 因为该项指标过低。 ( 2 ) 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、食品包装等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。 ( 3 ) 噪声过高 噪声过高也是一个迫切需要解决的问题，旋片泵不合格产品中因为该项 标准不合格的占了2 0 。例如，按照j b ，t 6 5 3 3 一1 9 9 7 旋片真空泵标准 规定，2 升旋片泵的噪声要不大于7 2 d b ，面实际中有些泵的噪声甚至超过 了7 5 d b 。 以上三个方面是当前国产泵存在的问题中比较严重的三个方面，另外， 在极限真空度、比功率、用油量、重量、最高使用温度、外观造型上都还有 提高的余地，还是有很多工作要做的。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计方案 2 2 新型2 x z 一4 双级直联旋片泵的设计目标 根据前面对国内产品存在的问题的分析，在查阅大量参考文献的基础 上，对照国外产品的性能指标，结合我国现有的机械加工技术水平，提出新 型2 x z 一4 双级直联旋片泵的设计目标如下j i ； 猜阳啤溺 谊舞硐葫器乜吞乜副摹蕊i 薹；| i j 耋i l 茬筷薪善# 鼗示州膏碰e 灌型加 工工艺和装配工艺进行思考， 对选用何种材料进行权衡，以求最大化的降低旋片泵的产品成本。即使在研 发阶段，也要合理考虑各项费用的支出，避免不必要的人力和物力浪费，制 订出切实可行的研发方案。 ( 1 ) 新型旋片泵的成本分析 ( a ) 研发费用 新型旋片泵的研发费用主要发生在旋片泵样机的开发过程中。具体来 说，有先期的市场调研、资料查询、方案设计、结构设计这些工作中的费用 支出。旋片泵的研发费用也包括各种方案的设计实施所需要的工装、夹具、 刀具费用以及样机的成本。此外还包括样机检测及新产品的鉴定费用。 ( b ) 加工和测量费用 该费用主要是指旋片泵批量生产时所需投入的工装、夹具、刀具和测量 量具的费用。 ( c ) 材料费用 材料费用主要是指批量生产时制造旋片泵的零部件的材料消耗。 ( 2 ) 市场预测 旋片泵是产销量最大的真空泵产品。根据行业权威部门统计，2 0 0 0 年， 国内旋片泵的总产量已经达到约1 0 万台，2 0 0 3 年达到约2 0 万台，总产值 约2 5亿元人民币。双级直联式旋片泵作为旋片泵的发展方向，在旋片泵的 生产中所占的比重越来越大，保守的按2 0 计，每年的产销量可达到4 万台 左右【2 1。 目前国内4 l s 的双级直联式旋片泵的售价在1 0 0 0 1 6 0 0 元，而进口产 品的售价在5 0 0 0 元人民币以上。本次设计的旋片泵的生产成本目标是在批 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计方案 d e ：极限压力与油量的关系( 假设油不放气) ；f g ：极限压力与油量的 关系( 不考虑油的密封作用，只考虑油放气) ；a b c ：极限压力与油量的实 际关系：风：油的饱和蒸汽压；p 。：极限压力。 ( b ) 油温：油温越高，油的饱和蒸汽压越高，挥发的油也就越多，泵的 极限真空度也就越低。所以尽量降低泵在工作时油的温度是很有必要的。一 些常用的手段有增大散热面积，如添加散热片；或者强制降温，如加水冷( 大 泵) 或风冷( 小泵) 。 ( c ) 有害空间：有害空间( 图2 2 ) 的存在也会降低泵的极限真空度。 有害空间是指存在于转子与定子内腔顶端部位到排气口之间的空间。在该空 间处，排气接近终了时会有残余气体在此空间不能排出，在进一步压缩情况 下穿过顶点间隙而进入吸气腔，从而降低了泵的极限真空度。可以用油填充 来消除它的影响，但是油过多时又会增大噪声，所以最好的方法是将转子与 定子内腔的线接触改进为面接触，这一结构将在后面的“2 4 3 噪声问题” 一节中进行说明。 ( d ) 间隙：间隙对泵极限真空度的影响很大。旋片泵的间隙包括顶点间 隙和端面间隙。间隙的大小和泵的零部件的配组以及零部件的加工精度都有 关。间隙如果过大，则从高压腔向低压腔的泄漏会增加，这将会降低真空度 并增加压缩功。间隙如果过小，则会影响润滑油膜的形成，导致摩擦加剧， 输入功率增加。因此，合适的间隙不仅会减少泄漏，还能保证润滑。理论上 应该有一个最佳的间隙值存在，但是在实际中要找出这个间隙值很难。 有鲁空阃 图2 2 泵的有害空间的示意图 f j g 2 2t h es k e t c ho f t h ep u m p sd e a ds p a c e 1 6 东北大学硕士学位论文第二章总体设计方案 泵体的间隙在设计时主要从三个方面考虑：润滑、泄漏以及变形( 热变 形) 。设计的原则是在保证润滑的条件下，间隙越小越好。 在双级旋片泵的高低两腔间隙中，低真空级的间隙极其重要。一般来说， 低真空级端面间隙要小于高真空级端面间隙。例如，英国e d w a r d s 公司的 e 3 m 4 0 型旋片泵，其低真空级端面间隙为0 0 6 m m ，而高真空级端面间隙为 0 0 9 5 姗。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o 0 5 m m ，高真空级端面间隙为o 0 8 m m 。切点间隙对泵的极限真空 影响极大，一般1 5 l s 以下的泵应控制在0 o l o 0 2 m m ，大的泵不能超过 o 0 3 唧“”。本文将运用a n s y s 8 o 软件对切点问隙值进行理论上的分析。 近些年，不少厂家为了压缩成本，在小型直联泵中取消铜基合金滑动轴 承，变成钢轴与铸铁的摩擦，结果磨损很快，在短期内即导致切点间隙增大， 从而使泵的极限真空急剧下降。这是直联旋片泵近几年信誉不佳的主要原因 之一。这也导致许多用户转而使用低速的皮带式旋片泵，这是一种极其不正 常的现象。要解决这个问题，就需要恢复使用铜基合金滑动轴承，这是产品 质量和信誉的保证。 ( e ) 零部件加工精度：零部件加工精度会影响到泵的密封，进而影响泵 的极限真空度。零部件的加工精度主要取决于机械加工水平的高低。 此次设计中，为了提高泵的极限真空度，可_ 以针对上面提出的五个方面 进行控制或改进。油量可以通过样机做实验进行确定，泵温的降低考虑在油 箱上加筋板散热，同时进行强制风冷。强制风冷的具体的方法为在支架处加 风扇，对油箱和中间架的接触面以及油箱的侧面进行风冷。在本次研发中解 决间隙气体泄漏问题的主要方法是设计油泵强制供油系统，在转子端面引入 油密封，在减小端面摩擦的同时尽量减小间隙处的气体返流。零部件加工精 度鉴于国内的机械加工水平和出于成本考虑，满足要求即可，对泵极限真空 度的提高主要还是从结构设计上的创新来实现。 ( 2 ) 抽气速率 抽气速率包括名义抽速、理论抽速( 几何抽速) 和实际抽速。 名义抽速是指泵出厂时标牌所规定的抽气速率。理论抽速( 几何抽速) 是指旋片泵按额定转数旋转时，单位时间内所排除的几何容积。实际抽速是 泵在实际工作中的抽气速率。 设计时要考虑使制成后的泵在1 0 13 2 5p a ( 一个大气压) 下，实际抽速 1 7 - 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计方案 达到名义抽速的要求，为此，设计时的理论抽速( 几何抽速) 一般为名义抽 速的1 1 ，一1 1 5 倍。实际抽速比理论抽速小的原因在于从入口到泵腔之间通道 上存在的流阻以及抽气过程中气体的返流等多种因素。 泵在运转过程中，随着泵吸气压强的降低，实际抽速逐渐下降，在入口 压强接近极限压强时，泵的实际抽速趋近于零。 提高泵的抽气速率可从下面两方面入手：( a ) 提高泵的各问隙密封，减 小气体返流。这一点主要是通过改变油路，提高泵的密封性能来实现；( b ) 增 大通道的流导。例如，一台2 x z 一4 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，就提高到2 5 6 l 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“”。 2 4 2 喷油和漏油问题 在解决旋片泵喷油问题上，也有许多人做了大量的工作。但是原理不外 乎尽力延长气路，增加气体流程，降低排气气流速度，以及减少排气气流与 油的接触。其中降低油面是防止喷油的一个重要措施。例如，对于直联泵来 说，若是没有油泵，一般进油孔在泵轴水平线上，则油面可取在进油孔以上 1 0 1 5 m m 。对于有油泵的直联式旋片泵，油面可降至泵轴水平线以下，只要 淹没油泵进油管口即可“”。对于喷油是主要由于停泵时返油造成的情况，可 在泵口处配置压差阀并适当扩大其充气口，在进油管处设置电磁阀控制进油 口的关闭，通过这样的方式消除返油。另外也可在持气阀处设置油池，将排 气阀密封用油和油箱中的油分隔开来“”。此外，设计精巧的挡油器可以有效 地防止喷油。在参考文献 1 8 中，提出了一种被称作“防喷罩”的防止喷油 的装置，据称不仅能满足标准规定的三分钟内不喷油，而且还可以长时间在 大气下运行而不喷油。参考文献 1 9 对基本的挡油器的结构进行了总结，并 给出了一种改进的挡油器。 保证旋片泵不漏油也很重要。漏油会污染工作环境，而且也会影响泵的 工作性能。引起漏油的原因有动密封失效和静密封失效两种，针对这两种情 况进行改进措旌，就会收到较好的防止漏油的效果。动密封失效包括外轴封 失效和内轴封失效。静密封失效有以下几个方面：( a ) 放油塞失效，泵油外泄； 1 8 东北大学硕士学位论文第二章总体设计方案 ( b ) 油标失效，泵油外泄；( c ) 加油塞失效，排气量大时会有油、气外泄；( d ) 。t 镇阀失效；( e ) 进气管与油箱连接处的密封失效，大气量时油、气会外漏； ( f ) 油箱与支座体( 或泵体) 连接平面的密封失效，会引起外漏：( g ) 油箱、支 座体有疏松、裂缝等铸造缺陷，引起外漏；( h ) 泵盖与泵体问的密封失效，会 引起外漏( 油封式) 或内漏( 油浸式) ，性能会下降；( i ) 排气阀，气道垫片，油 孔、进气孔、气镇孔等处的静密封失效，会引起内漏，降低性能，造成停泵 返油1 。 漏油现象在直联泵中普遍存在，究其原因，主要是由于上面提到的动密 封失效。具体说来，有的是因为所用油封的橡胶硬度太大，弹性差，弹簧起 不了作用，稍有磨损，就不能补偿：还有的是因为由于取消了铜基滑动轴承， 致使泵盖上轴孔与安装油封的二个孔不能在次装轧中加工出，使同轴度不 好；有的是因为轴没有经过热处理，不耐磨，常常被油封磨出一道道槽。 在本次设计中，为防止喷油，主要从改进挡油板结构和排气口的结构两 方面入手。漏油的防止从动密封和静密封两个方面着手，对前面提到的各种 引起泄漏的可能性问题进行全面的解决。此外，要保证使用铜基合金滑动轴 承，使用优质且硬度较低油封，对转予轴进行表面热处理。 2 4 3 噪声问题 在许多应用场合下，对旋片泵低噪声的要求都是很严格的。旋片泵的噪 声是指泵启动后，至少运转3 0 分钟，待泵温稳定，经测量达到极限压力时 所测得的噪声值。 对于直联旋片泵来说，其噪声源有三部分：泵本体、联轴器和电机。而 泵本体和电机本身的噪声又是多源噪声。泵本体的噪声来源于液( 气) 压和 机械两类噪声源。液( 气) 压产生的噪声有：排气时的油气冲击噪声； b d p o w e r 及n s h a r r i s 介绍的油锤效应引起的噪声“”；残余容积和排 气死隙中压力油被挤向真空腔室所引起的对转子、缸体撞击噪声皿”及其压力 油对泵体、油箱产生的冲击激励所激发的高频噪声；使用风扇的风冷泵产生 的气流噪声等。而机械噪声包括：轴承噪声；旋片对缸壁的冲击产生的噪声； 排气阀片对阀座和支持件的冲击噪声；机械零件的不平衡、冲击、共振等引 起的噪声。对于电机噪声又包括电机轴承噪声：旋转不平衡、摩擦噪声； 通风噪声；电压和电源不平衡引起的噪声；电动机高频磁通量间的吸引力、 1 9 东北大学硕士学位论文第二章总体设计方案 ( b ) 油标失效，泵油外泄；( c ) 加油塞失效，排气量大时会有油、气外泄；( d ) 。t 镇阀失效；( e ) 进气管与油箱连接处的密封失效，大气量时油、气会外漏； ( f ) 油箱与支座体( 或泵体) 连接平面的密封失效，会引起外漏：( g ) 油箱、支 座体有疏松、裂缝等铸造缺陷，引起外漏；( h ) 泵盖与泵体问的密封失效，会 引起外漏( 油封式) 或内漏( 油浸式) ，性能会下降；( i ) 排气阀，气道垫片，油 孔、进气孔、气镇孔等处的静密封失效，会引起内漏，降低性能，造成停泵 返油1 。 漏油现象在直联泵中普遍存在，究其原因，主要是由于上面提到的动密 封失效。具体说来，有的是因为所用油封的橡胶硬度太大 x 东北太学硕士学位论文第二章总体设计方案 排斥力引起的噪声，即电磁噪声等”。 文献 2 6 对旋片泵的”油锤效应”进行了实验验证与分析，结果证明，旋 片泵中确实存在着“油锤效应”，而且是“上油锤效应”而非“下油锤效应” 是泵的主要噪声源。文献 2 6 也通过对2 x z 一4 旋片泵做改进验证了理论上的 分析而得出结论：通过控制泵腔进油量可有效降低“上油锤效应”。这点 对于新型2 x z 一4 双级直联旋片泵的研发来说是个很重要的结论。 尽管我们能进行具体分析，但对于2 x z 一4 双级直联旋片泵来说，为进行 降噪而分析各种影响因素的大小时，还是受到一定的局限的，即不可能对泵 的某些重要的设计参数进行改动。 电机噪声是一个主要的噪声源，严格控制直联式旋片泵电 x 东北大学硕士学位论文第二章总体设计方案 ，厂仆个、 ( b ) a 一消除排气死隙改进结构图；b 一切点放大图 图2 3 消除排气死隙的结构示意图 f i g 2 3t h es k e t c hf o rt h ec o n s 仃_ i l c t i o no fe l i m i n a t i n gt h ed e a ds p a c e 但是需要注意的是，转子的偏心不宜过大，不然，在旋片进入锪槽面时 会有脱离缸壁的趋势，反而引起撞击噪声。一般偏心值取o 2 0 0 2 5 m m 。 ( 2 ) 往排气腔微量充气。在排气死隙( 有害空间) 存在时，若死隙为气 体和油的混合物，则噪声较低。所以，在泵工作时，可考虑往排气口充气。 这一点通过气镇阀就可以做到。通常泵都设有气镇阀用来实现对少量可凝性 气体的抽除，其实，当开气镇阀进行微量掺气时也可阱降低泵的噪声。微开 气镇阀对泵的极限真空度影响不大。普发( p f e i 腩r ) 的b a 4 5 0 单级泵，不掺 气时会有很明显的撞击噪声，掺气后则明显降低。为防止从掺气孔处喷油， 应设置逆止阀。 ( 3 ) 把排气口设置成能根据排气量的多少丽开启。当排气压强不高时， 让排气口近乎关闭，这样气泡的破裂声以及油箱内的各种回声就可以传出不 多。 f 4 ) 挡油板的刚度足够大。 ( 5 ) 阀背板的设计要合理。常见排气阀的结构有多种形式，排气阀片的 材料也有多种，如橡胶垫、布质酚醛层压板或 x 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计方案 还要保证转予轴和电机轴的同心度。 ( 1 0 ) 在不增加材料磨损的前提下，适当增加弹簧的预压力。 ( 1 1 ) 选择合理结构和工艺，认真加工、检验和装配，提高装配质量， 确保配合尺寸。 ( 1 2 ) 采用低噪声电机。如前文所述，电机噪声是旋片泵的一个主要噪 声源，因此降低电机噪声对于降低整个泵的噪声意义重大。 在本次设计中，为降低噪声，根据实际情况和设计目标，将采用上面的 大部分措施。 2 4 4 其它问题的解决 对于新型旋片泵来说，还有其它许多地方需要做工作以提高泵的性能， 如旋片的寿命问题。在旋片泵中，旋片是关键，旋片的好坏决定了泵的使用 寿命。介绍旋片材料的文章也不少，但旋片的质量始终没有解决。据有关材 料介绍，国外有用碎云母片替代玻璃纤维布，可降低膨胀系数，进一步提高 耐磨性。在旋片的两侧面上开储油槽，对于润滑旋片，提高旋片的使用寿命 也是有帮助的。此外，泵油型号，转子、定予、端盖的材料都需要合理选择。 以上针对性能方面的问题给出了解决的方案。其实对于一件研发产品来 说，最终是要面向市场，面向广大消费者的，所以，外观和造型也是十分重 要的。因此，在本次研发中于外观造型上也要进行创新。外观造型设计中要 达到的目标是：整体结构以中间支架为中心，油箱和电机尽量对称、协调装 配；底座稳固；泵整机重心低；油箱和中间架的表面采用喷塑处理，拥有高 质量表面效果：色调柔和，美观大方 x 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计方案 还要保证转予轴和电机轴的同心度。 ( 1 0 ) 在不增加材料磨损的前提下，适当增加弹簧的预压力。 ( 1 1 ) 选择合理结构和工艺，认真加工、检验和装配，提高装配质量， 确保配合尺寸。 ( 1 2 ) 采用低噪声电机。如前文所述，电机噪声是旋片泵的一个主要噪 声源，因此降低电机噪声对于降低整个泵的噪声意义重大。 在本次设计中，为降低噪声，根据实际情况和设计目标，将采用上面的 大部分措施。 2 4 4 其它问题的解决 对于新型旋片泵来说，还有其它许多地方需要做工作以提高泵的性能， 如旋片的寿命问题。在旋片泵中，旋片是关键，旋片的好坏决定了泵的使用 寿命。介绍旋片材料的文章也不少，但旋片的质量始终没有解决。据有关材 料介绍，国外有用碎云母片替代玻璃纤维布，可降低膨胀系数，进一步提高 耐磨性。在旋片的两侧面上开储油槽，对于润滑旋片，提高旋片的使用寿命 也是有帮助的。此外，泵油型号，转子、定予、端盖的材料都需要合理选择。 以上针对性能方面的问题给出了解决的方案。其实对于一件研发产品来 说，最终是要面向市场，面向广大消费者的，所以，外观和造型也是十分重 要的。因此，