（机械电子工程专业论文）一种新型旋片式真空泵的研究.pdf

尊；j l 一 j j z h a oq i n g l o n g v a c u u m p u m p b e ( h e z eu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n m e c h a n i s me n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r z h a n g y u a n s h e n m a y , 2 0 1 1 脚8删6m 2 删5 88 肼脚y 铺 ) 一 1 产 0，0p ，。，4 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：拯灰五 日期：矽j 年多月日 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，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： 导师签名： 日期：矽f 年f 月孑日 日期：砌f 年歹月夕日 右乏扩 灰v 赵1 飞liii j j 硕十学何论文 目录 摘昙暮i a b s t r a c t i i 插图索引一i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 旋片泵的发展概述1 1 3 真空泵的市场分析3 1 4 真空泵技术进展趋势4 1 5 旋片泵理论研究的方向及特点6 1 6 本文主要研究工作7 第2 章旋片泵的结构、工作原理及特点8 2 1 旋片泵的主要结构8 2 2 旋片泵的工作原理9 2 3 旋片泵的结构形式1 0 2 4 转子结构1 l 2 5 泵体结构1 2 2 6 排气阀结构1 3 2 7 气镇装置l3 2 7 1 气镇作用和原理1 3 2 7 2 气镇阀和气镇孔的结构1 4 2 7 3 气镇装置的主要参量计算。1 5 2 7 4 气镇泵性能计算中主要参数的选择1 7 2 8 旋片泵的主要性能指标1 8 2 8 1 极限压力1 8 2 8 2 抽气速率2 0 2 8 3 抽速与入口压力的关系2 1 2 9 旋片泵的功率与电动机的功率选择2 2 ：a 一。、；：o；一l气，一 。_ 一 一种新耻旋片式真空泵的研究 2 1 0 旋片泵的其它问题及解决办法2 4 2 1 0 1 旋片泵的喷油和漏油2 4 2 1 0 2 噪声成因和降低措施2 5 2 1 l 本章小结2 6 第3 章新型旋片泵设计方案2 7 3 1 定子型线2 7 3 2 旋片泵的传统结构形式及其定子型线2 7 3 3 新型旋片泵设计方案2 8 3 3 1 新型旋片泵的定子型线2 9 3 3 2 新型旋片泵的旋片结构3 4 3 4 基本参数及主要尺寸3 7 3 4 1 基本参数的选择3 7 3 4 2 主要尺寸的确定4 0 3 5 本章小结4 l 第4 章旋片泵工作过程的数学模拟4 2 4 1 旋片泵的工作过程4 2 4 2 基元容积和工作容积4 3 4 3 基本假设4 4 4 4 数学模拟的基本方程4 5 4 4 1 基本方程4 5 4 4 2 基元能量及质量守恒方程的具体表达式4 7 4 5 补充方程4 8 4 5 1 气体状态方程4 8 4 5 2 换热方程4 8 4 5 3 质量交换4 9 4 6 旋片泵工作过程的计算机模拟5 3 4 6 1 程序实现方法简介5 3 4 6 2 程序计算结果分析5 4 4 7 本章小结5 6 总结与展望5 7 一 硕1 j 学何论文 参考文献一5 8 致谢6l 附录a ( 攻读学位期间发表的学术论文目录) 6 2 硕十学何论文 摘要 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。旋片泵与其它的真空泵相比，具有结构紧凑、体积 小、重量轻、噪声低、振动小等优点。能够广泛的应用于冶金、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。因此， 对旋片泵的研究具有重要意义。 定子内表面的截面形状曲线称为定子型线。它的形状和性质决定了旋片的运动状态 和特性，对旋片泵容积流量、输出流量的脉动、冲击振动、噪声、效率以及使用寿命都 有着很大的影响。定子型线是旋片泵的设计关键之一。 本文首先系统介绍了旋片式真空泵的工作原理和主要结构。包括转子结构、泵体结 构、排气阀结构以及气镇阀；较全面地介绍了气镇的作用和原理，以及气镇装置的结构 和参数的选择；并对旋片泵工作参数的影响因素进行了分析；陈述了目前国内产品主要 存在的问题，并对这些问题的改进方法进行了总结。其次针对现有旋片泵的旋片和定子 摩擦和磨损过大导致旋片泵温升过高的问题，提出了一种改进型定子型线的构建方法及 旋片泵新的结构形式，并确定了新曲线的数学模型。求出了新型定子型线的方程，分析 了定子曲线的形状参数；给出了合适的旋片结构，并对旋片的运动情况进行了详细地分 析；详述了新型旋片泵的主要参数的选择和主要尺寸的确定。接着应用热力学第一定律 和质量守恒定律，对旋片真空泵的工作腔建立了工作过程的数学模型，推导出了新型旋 片泵的工作容积的表达公式；列出了实际工作过程的热力学基本方程和参数补充方程 组；分析了旋片泵的主要泄漏部位；并应用m a t l a b 程序对旋片泵工作过程数学模型进 行了计算分析和程序模拟，验证了数学模型的有效性。为旋片泵的进一步设计研究完成 了主要的准备工作。 关键词：旋片泵；定子型线；旋片；转子；定子 一 r o t a r yv a n ev a c u u mp u m ph a st h ea d v a n t a g e si nm 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 d m i n i m u mv i b r a t i o n i np r e s e n t ，r o t a r yv a n ev a c u u mp u m ph a sc o m ei n t ow i d eu s ei nm a n y f 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 ym a n u f a c t u r i n g ，e l e c t r o n i ca n dc h e m i c a li n d u s t r ye t c t h ei n s i d eo fc y l i n d e rw a sc a l l e da ss t a t o rp r o f i l ea n di tc a ne f f e c tv a n e st r a n s p o r t t h e p a p e rr e s e a c h e ds t a t o rp r o f i l eo fr o t a r yv a n ev a c u u mp u m pb ym a t h e m a t i c s ，a n a l y z e do ft h e e q u a t i o no fs t a t o rp r o f i l ef o rt h er o t a r yv a n ev a c u u mp u m p s os t a t o rp r o f i l ei so n eo ft h ek e y d e s i g nf o rt h er o t a r yv a n ev a c u u mp u m p 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 t h em a i np r o b l e m so fp r e s e n t p r o d u c t s a 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 eu l t i m a t e v 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 4 s e c o n d l y , 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 l l l c t i o nm e t h o do f s t a t o rc 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 t h em a t h e m a t i c m o d e lo 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 e s e c t i o n a la 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 l a r e ao ft h ew 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 n p u m p i n gs p e e da n dr o t o rd i a m e t e r t 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 n c h a r a c t e r i s t i c sa r ea 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 f t h en e ws t a t o rc u r v e l a s t l y , s e tu pt h em a t hm o d e lo ft h ev a c u u mp u m p sp r a c t i c a lw o r k i n g p r o c e s s ，w h i c hi su s i n gt h ef i r s tt h e r m o d y n a m i c sl a wa n dt h ec o n s e r v a t i o no fm a s s 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 rp r o f i l e ，r o t a r yv a n e ，r o t o bs t a t o r i i 硕 ：学f 市论文 插图索引 图1 1 下偏心式旋片泵2 图2 1 旋片泵的实物图和结构示意图8 图2 2 旋片泵工作原理示意图9 图2 3 双级旋片泵的工作原理图l o 图2 4 旋片泵的结构形式1 0 图2 5 旋片泵转子偏心位置1 1 图2 6 旋片泵的转子结构1 l 图2 7 空心形式的转子1 2 图2 8 旋片泵的泵体形式1 2 图2 9 排气阀的结构1 3 图2 10 气镇泵的工作原理1 4 图2 11 气镇阀结构图15 图2 1 2 旋片泵的入口压力与时间的关系曲线1 9 图2 13 油量与极限压力的关系1 9 图2 1 4 泵的有害空间示意图。2 0 图3 1 传统结构旋片泵定子型线2 8 图3 2 新型旋片泵结构示意图2 8 图3 3 新型定子曲线轮廓2 9 图3 4 新型旋片真空泵的几何原理图2 9 图3 5 帕斯卡蜗线3 0 图3 6 新型旋片泵定子型线3 1 图3 7 不同k 值下帕斯卡蜗线的形状3 2 图3 8 摆动角的变化3 3 图3 9 两种旋片结构3 4 图3 1 0 新型旋片泵的旋片结构3 5 图3 1 1 旋片的厚度3 5 图3 12 旋片的速度一3 6 ， ， 一种新型旋片式真空泵的研究 图4 1 控制容积示意图4 2 图4 2 旋片泵基元的理论工作循环4 3 图4 3 旋片泵几何原理图4 4 图4 4 旋片泵有相对运动的部位4 9 图4 5 喷管的流动模型图5 0 图4 6 平行平板缝隙的泄漏5 2 图4 7 基元容积随转角的变化曲线5 5 图4 8 前基元通过旋片端面向当前基元泄漏随转角的变化曲线5 5 图4 9 通过转子与大小端盖间隙向工作腔泄漏随转角的变化曲线5 6 w 一 硕卜学位论文 里 尿 第1 章绪论 技术在各行各业应用的r 益宽泛和不可或缺，真空泵像其它机械产品一样 发展。旋片式真空泵( 简称旋片泵) 作为真空泵的一种，被广泛应用于冶 金、机械、电子、化工、医药生产、食品加工、石油及医药等领域。其工作压力范围 为1 0 1 3 2 5 , - - - , 1 3 3 1 0 。2 ( p a ) ，属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空 泵或超高真空泵的前级泵。旋片泵多为中小型泵，产品已经系列化。旋片泵有单级和双 级两种。所谓双级，就是在结构上将两个单级泵串联起来。一般多做成双级的，以获得 较高的真空度。 旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可 凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及 含有颗粒尘埃的气体。 和其它真空泵相比，旋片泵具有以下优点： 1 结构简单、零部件少、加工与装配容易实现、维修方便。 2 体积小、重量轻，便于狭窄空间安装。 3 运行平衡、噪音低、振动小。 4 容积效率高。 但是，旋片泵也存在一些缺点，主要缺点是旋片与定子、转子之间的机械摩擦比较 严重，产生较大的磨损和能量损失，因此使用寿命较低。所以改善旋片泵的旋片与泵腔 之间的摩擦、磨损与润滑是研制性能良好的旋片泵的关键。通过弹性流体动力润滑理论 的分析计算发现现有旋片泵旋片与泵腔间的运动不合理，使旋片与转子及泵腔间的磨损 较严重，难以找到合适的润滑状况，导致高速旋片泵温升增加。而解决磨损的办法就是 使旋片在旋转过程中始终保持长度不变。而目前的正圆形泵腔是无法办到的。由理论上 可以提出一种包络线的定子型线，这种型线是一条与一系列圆心在轴对称的曲线上的包 络圆外侧相切的包络线。当然，这种型线的加工工艺比正圆形型线要麻烦些，但它多花 的代价可以从改善泵的性能中得到补偿心1 。 本论文就提出了一种满足这种条件的定子型线，给出了曲线方程。并分析这种旋片 泵的基本参数和主要尺寸的选择，对旋片泵工作过程进行数学模拟和计算机模拟，为以 后的设计开发提供理论依据。 1 2 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，1 9 4 1 年取得专利。此后，旋片真空泵被广泛应用和不断完善。1 9 6 5 年德国雷暴一海拉斯公司 在原有旋片泵的基础 二，对泵的结构、材料和工艺都作了重大改进，试制成功了高速直 一种新型旋片式真空泵的研究 联旋片真空泵，为旋片真空泵的小型化、仪器化开辟了新的途径。到7 0 年代初期，英 国、美国、瑞士等国家也都相继有了直联泵系列产品。国内的许多生产厂家从7 0 年代 中期至今先后试制成功了不同型号的直联泵，目前已有抽速从0 5 l s - - 一1 5 l s 的系列产 品。直联旋片泵采取由电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1 4 0 0 r m i n 以上。这样可 使旋片泵的结构紧凑；体积显著缩小；重量减轻；泵的抽气性能提高；振动和噪音大大 降低。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，这样可 以保护泵，或保护环境，而且泵本身结构也有所改进而使可靠性得到了提高。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汽抽除率 和保护泵的温控水量调节阀。到了8 0 年代术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1 0k p a ，甚至更高，同一台泵的适用范围因而更 大口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 c s 。f f l 、s 。舯f f l 型单级油封旋片泵，就采用下偏心结构，重心低， 运转平稳，易安装，为制造大型旋片泵创造了条件h 1 ，如图1 1 。近些年，我国的旋片 泵生产取得了很大的进步，但由于机械加工设备落后，机械的加工水平不足，导致国产 旋片泵难以满足各大新兴行业的需求。 图1 1 下偏心式旋片泵 为了满足一些特殊行业，如航天、电子、医疗、食品、化工等行业对真空清洁度的 要求，国内外许多真空科技工作者对真空泵的干式密封液进行了相应的研究喳吲，并已经 取得了一定的成果。干式真空泵主要有多级罗茨泵n 1 、多级螺杆泵h 、爪形泵、多级活 塞泵和涡旋泵等阳儿4 2 1 。目前，国内对旋片泵的干式密封也进行了相应的研究，而且也有 部分厂家的干式旋片泵已经投入生产。如k r s 一6 型无油旋片泵n 们等。但在很多方面都存 在着不足，远远没有达到可靠使用和普遍应用程度。 另外，除了使用干式泵外，还可以通过很多其它途径来获得清洁真空。例如，用膜 片泵和旋片泵复合，把两种泵的优势结合在一起，这样就解决了化学侵蚀、被抽环境污 2 一 硕十学何论文 染等问题，进而可以获得较高的极限真空度。再比如，将螺杆泵和碳旋片泵进行复合， 获得实现清洁真空的同时还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“引。也可以采用在进气管路添加一些附属设备的方法来获 取清洁真空，如除尘器、化学捕集阱、油路过滤器等n 引。 1 3 真空泵的市场分析 真空泵是一个量大面广的产品，产量很大，产值不高，但它确实是一个直接影响到 真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。真空泵的市场根据用户的需要而发生动 态变化。市场增长的主要驱动力来自于半导体工业的迅速发展以及干泵和分子泵应用领 域的同益扩大。目前，全球真空泵市场的年销售额约2 0 亿美元，年增长率在7 左右。 我国生产真空泵的厂家很多，全部真空泵的年销售额大约在1 5 亿元左右，仅相当 于美国k i n n e y 公司一家真空泵的年销售额。通过对全球真空泵市场的分析我们可以看 出，各类真空泵的市场及应用领域都在不断变化和发展。我国真空泵制造业有着悠久的 历史和雄厚的基础，国产真空泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，有些泵还出 口国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然 有着巨大的发展空间。 1 水环真空泵 虽然水环真空泵属于粗真空泵，但在我国的石油、化工、电力、轻纺、造纸、医药 等领域仍然有着很大的市场。在国外，水环泵的销售额占全部真空泵市场的1 4 ，仅次 于干泵，所以n a s h 、s e i m e m s 和k i n n e y 等公司都在我国投资建厂或建立销售网络，不 断扩大在我国的市场份额。由于水环泵大部分是铸件，加工要求也不高，属劳动密集型 产品，所以国产水环泵在价格上有竞争优势，关键是要改进设计，缩小体积，减轻重量， 提高效率，降低能耗。 2 滑阀泵 滑阀泵是油封式真空泵的一种。由于滑阀泵比较耐用、可靠，国内外各种真空炉、 镀膜机以及干燥、浸渍等设备都是用滑阀泵作为前级泵，但是滑阀泵铸件重，加工工作 量较大，所以国外各真空厂都在中国寻找合作伙伴。为了使国产滑阀泵能够进入国际市 场，必须进一步降低泵的振动噪声，杜绝喷油和漏油，提高滑阀泵长期运行的可靠性。 3 直联旋片泵 随着真空技术在各个应用领域的不断扩大，直联旋片泵的需求量越来越大。由于这 种泵数量很多，加工装配工作量很大，价格又很低，所以有的国外真空厂商在中国建立 专业厂。国产中小型直联旋片泵在技术上已经过关，价格又远比国外的泵便宜，所以国 产泵仍然有竞争优势，关键是要解决轴封漏油以及旋片材料和真空泵油的性能质量问 题，确保直联泵在高速、高温下性能稳定和运行可靠，同时还要进一步提高国产直联旋 片泵抽除水蒸汽的能力。 4 罗茨真空泵 从国外罗茨真空泵生产情况来看，国外儿家人公司，如l e y b o l d 、b a l z e r s 、a l c a t e l l 、 一种新型旋片式真空泵的研究 e d w a r d s 和u l v a c ，他们各家罗茨泵的销售额占全球罗茨泵销售额的比例都没超过5 ， 这5 家总计才2 0 ，罗茨泵产量不大，但是国外罗茨泵的价格远比国产泵要高得多。目 前，国内外几乎所有大型或小型的高真空和中真空系统，为了缩短抽气时间、提高生产 效率都配有罗茨泵，所以国产罗茨泵一定要在占领国内市场的基础上设法进入国际市 场，这样就必须进一步降低国产罗茨泵的振动噪声，彻底解决轴封漏油问题，改进泵的 外观质量，提高泵内的光洁度和清洁度。另外，还要考虑到有些国家和地区的电源频率 为6 0 h z ，更要确保罗茨泵在提高转速的情况下长期运行的可靠性。 目前，国内气冷式直排大气罗茨泵进展很快，技术上已经相当成熟。由于这种泵在 排气口的下面装有气体冷却器，其中一部分被冷却的气体通过管道返回泵腔以冷却转 子，从而使压缩热得到平衡，所以这种泵可以直排大气。为了满足不同极限真空度的要 求，这种泵可以串联使用，一般在前面加一台气冷式直排大气罗茨泵，所达到的极限真 空要比前级泵高一个数量级。这种泵由于在泵腔内没有工作介质，实际上也是属于干泵。 目前，这种气冷式直排大气罗茨泵及机组已经在石油、化工、塑料、农药、汽轮机转子 动平衡、等装置上得到了长期运行的考验，所以应该在国内大力推广和应用。 5 分子泵 分子泵在国外半导体领域里的许多工艺场合是用来代替低温泵，尤其是溅射、刻蚀 和l c v d 等装置都采用复合分子泵和牵引泵作为主泵。 由于分子泵对水蒸汽的抽速仅为同口径低温泵抽速的四分之一，所以分子泵的排气 时间比低温泵长。为了提高抽速，国外在分子泵的入口侧装一个一1 3 0 一1 5 0 的低温 冷板，称之为低温分子泵，水蒸汽被低温板捕获，其它气体则由分子泵抽走。这种低温 分子泵在真空镀膜装置上应用，既提高了生产效率又改善了膜层质量。随着我国半导体 工业、薄膜产业和科学研究事业迅速发展，分子泵应该是我国真空泵制造业发展的重点。 首先，分子泵要从d , n 大建立完整系列，并研究开发各种复合分子泵、牵引泵和低温分 子泵，以满足不同场合的需要。 6 干式机械真空泵 国外干式机械真空泵市场的不断增长，其主要驱动来自于半导体行业、化学工业、 薄膜产业的迅速发展。在日本，半导体行业已全部用干式真空泵代替油封式机械泵，欧 美半导体行业4 5 以上用干式真空泵代替了油封式机械泵，大大提高了产品的性能和质 量。为了满足不同应用领域和不同工况的要求，国外有多级罗茨真空泵、多级爪式真空 泵、螺杆式真空泵、涡旋式真空泵、往复式活塞真空泵以及涡轮式无油真空泵等。极限 压力从1 0 p a - - 一1 0 p a ，抽速从2 0 m 3 d a - - 一5 0 0 m 3 h 。据统计，目前国产干泵的应用还不足 1 ，国内半导体工业用的干泵全部从国外进口，其价格十分昂贵。所以，我国应大力 研究开发干泵，使干泵成为我国真空工业新的经济增长点h 们。 1 4 真空泵技术进展趋势 技术发展的原动力在于市场的需求。由于真空技术领域的扩展和迅速成长的高新技 术，国内真空泵市场对真空泵的技术水平提出了更高的要求。真空泵的生产企业必须通 4 一 一 过技术创新和产品结构的调整两个途径来保住原有市场，进而继续扩大市场占有率。 ( 1 ) 提高真空泵的可靠性，降低振动、噪声，注重真空泵的综合水平。 过去的若干年，生产厂注重真空泵的主要性能指标，比如，极限压力、抽速等，而 忽视真空泵的综合性能。而现在，产品的可靠性、性能的稳定性以及对环境不造成污 染逐渐成为用户购买产品时考虑的主要因素。对于旋片泵、罗茨泵、滑阀泵等而言要将 成熟的可靠性设计理念运用到真空泵的设计中，在可靠性设计、可靠性实验等方面下工 夫，以大幅度提高真空泵的可靠性、稳定性和寿命，保证真空泵能够在各种工况下长 期可靠的运行。同时通过采用新技术、新材料、新工艺、新结构来降低振动、噪声，解 决泵的喷油、漏油问题，还用户一个清洁环保的工作环境。 ( 2 ) 真空泵向个性化、多样化发展。 企业面对的永远是变化的市场，而我们的真空泵产品却千篇一律的雷同。产品和市 场的不衔接，使我们丢掉了许多机会。真空泵的下一步发展应该面向个性化和多样化。 所谓个性化和多样化就是针对不同用户的不同需求，设计针对某一用户的特定场合的产 品，使产品在这一场合应用，其特性的发挥恰倒好处。 ( 3 ) 尽快形成分子泵和干泵的规模生产。 根据预测，到2 0 1 0 年我国将成为世界上第二大半导体集成电路市场，总需求量约 1 0 0 0 亿块，达到1 0 0 0 亿美元以上的总金额，需要建3 0 多条大生产线才能满足需求。3 0 条生产线所需干式真空泵大约1 5 0 0 0 台，是目前我国真空泵年产量的1 1 0 左右。 国内目前真空获得设备仍然以传统的真空泵为主，主要为旋片真空泵、滑阀真空泵、 罗茨真空泵、蒸汽流泵、水环真空泵等，且全部用于传统产业，我国生产的真空泵用 于电子信息产业不足l ，与日本、欧美等国相比差距巨大。 我国干式真空泵的生产处于刚刚起步阶段，在全国2 0 0 多家生产真空泵的企业中， 能够生产干式真空泵的企业不足l o 家，年产量不足1 0 0 0 台。没有形成批量生产。目前 国内尘产的干泵绝大多数用于实验室及化学、医药等领域，用于半导体行业的很少。 国内飞速发展的电子信息产业没有有效的刺激国内干式真空泵发展，而却成为国际 上真空工业发达国家的扩张之地。目前国内建成的半导体集成电路生产线，几乎所有的 干式真空泵( 包括其它真空设备) 均为进口，主要来自英国、同本、德国、美国等。国内 生产的干式真空泵进入该领域十分艰难，使得干式真空泵这个未来真空获得设备的主导 产品在我国处于十分困难的境地。 造成此状况的主要原因为干式真空泵在我国的起步较晚，刚一起步即面临国外已经 发展成熟的产品大量进入我国市场，国内产品除了价格低外，在加工制造、技术水平、 质量状况等各方面不含有优势，国外各国的产品经过几年的较量，已经基本瓜分了国内 市场，并且站稳了脚，国内的干式真空泵生产由于失去了市场的激励，没有了发展的动 力，进步缓慢。 业内专家一致认为干式真空泵是真空获得设备发展的方向，也是真空获得手段的 “尖端”技术，我国的真空泵产业必须在此领域有所作为，首先进入食品、化工、医药 等行业。经过这些市场的培育和锻炼，进而打入半导体行业。彳能使整个行业与时俱进 5 的发展。 目前国内分子泵应健全系列并开发多品种，如低温分子泵、复合分子泵等，逐渐扩 展市场。 ( 4 ) 引进国外先进技术，打造国产自主品牌。 引进国外先进技术，提升我国产品的科技含量在其它行业有成功的经验。在发展真 空获得设备的高端产品中引进国外技术，并很好的消化吸收，将宅誉速改变我国产品技 术含量低、质量和技术水平不能满足市场需求的现状。但苎引进国外技术，应特别注 意两点：一是重在消化吸收，在此基础上培育企业的自主知识产权和创新能力。二是不 要重复盲目引进，要瞄准国际上当代最新技术，避免引进一代，落后一代。引进国外技 术不是目的，而是手段，通过引进技术最终打造国产自主品牌! ( 5 ) 抓紧产品结构调整，全力开发适应市场需求的产品 传统的真空设备我们生产了几十年，在全国范围内形成了产品分布的稳定格局。 但是随着经济的高速发展，信息技术、航空航天、纳米科学等高科技引导了当今科学技 术发展的潮流。而这些高新技术的发展离不开真空获得设备这个基础装备。目前国内的 状况是真空泵生产企业仍然以生产传统产品为主在传统应用领域占领9 0 以上的市场 份额。在高科技领域，国内产品在技术水平和质量上不能满足要求，9 0 以上市场份额 由国外产品占领。国内真空获得产品与高新技术的发展严重脱节，产品结构不尽合理。 多数企业期望只用已有的老产品，不断增加产量而逐年增加利润，这种可能性在市场竞 争日益激烈的今天会越来越小。在今天的国内外市场格局面前，尽快调整产品结构，使 其适应市场需求才是最明智的选择。 产品结构的调整一是要不断推出市场需要的对路产品，对真空泵市场来说，就是要 加快各种干式泵、分子泵以及其它高端产品的研制生产，尽快形成批量。二是全行业 要形成高、中、低端产品的合理布局，并随着市场的变化，不断调整，始终保持比较 合理的产品结构状态。 尽管新的一年里真空行业取得了令人瞩目的成绩，但目前的真空泵技术发展状况却 并不乐观。全行业要认真分析形势，总结经验教训，团结一致，为行业的发展和技术 进步开出一条道路，为我国的经济建设做出全行业应有的贡献n 副。 1 5 旋片泵理论研究的方向及特点 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， 相对于其它的真空泵，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： ( 1 ) 结构研究n 蚴1 ：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。 ( 2 ) 传热研究让h 引：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。 ( 3 ) 材料研究位】：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 6 硕+ 学何论文 比较。在满足强度要求的情况下，求取最合适的摩擦副。 ( 4 ) 真空泵性能研究乜引：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。 ( 5 ) 泵油的工作状态研究啪：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。 ( 6 ) 流体流动研究：包括对真空泵内部的气体流体动力分析计算和应用软件f l u e n t 等进行计算机模拟，及流体流动性质对其它参数的影响等。 在真空泵的理论研究文献中，以旋片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上，对整体结构的改进的研究较少。 1 6 本文主要研究工作 本课题主要针对目前传统结构的旋片真空泵出现的旋片和定子摩擦和磨损过大导 致旋片泵温升过高的问题，提出一种新型定子型线的旋片泵。主要工作如下： 1 系统介绍了旋片式真空泵的工作原理和主要结构。包括转子结构、泵体结构、排 气阀结构以及气镇阀；较全面地介绍了气镇的作用和原理，以及气镇装置的结构和参数 的选择；并对旋片泵工作参数的影响因素进行了分析；陈述了目前国内产品主要存在的 问题，并对这些问题的改进方法进行了总结。 2 针对旋片泵传统定子型线存在的弊端，提出了一种新型旋片泵的设计方案；求 出了新型定子型线的方程，分析了定子曲线的形状参数；给出了合适的旋片结构，并对 旋片的运动情况进行了详细地分析；详述了新型旋片泵的主要参数的选择和主要尺寸的 确定。 3 对旋片泵工作过程进行了数学模拟。应用热力学第一定律和质量守恒定律，对 旋片真空泵的工作腔建立了工作过程的数学模型，推导出了新型旋片泵的工作容积的表 达公式；列出了实际工作过程的热力学基本方程和参数补充方程组；分析了旋片泵的主 要泄漏部位；并应用m a t l a b 程序对旋片泵工作过程数学模型进行了计算分析和程序模 拟，验证了数学模型的有效性。 7 一种新刑旋片式真窄泵的研究 第2 章旋片泵的结构、工作原理及特点 2 1 旋片泵的主要结构 图2 1 是旋片泵的实物图和结构示意图。由图可见，旋片泵主要由泵体、转子、旋片、 排气阀、水嘴、放水螺栓、油位指示器等组成啪1 。圆形的定子内腔中的转子偏心放置， 定子和转子在几何上相切( 实际结构中，切点处存在一定的间隙) 。转子上丌有均匀分 布的旋片槽，在每个旋片槽内都装有带弹簧的旋片，旋片可以在旋片槽中沿着径向自由 的滑动。当原动机带动转子转动时，旋片受到离心力和弹簧力的作用而从槽中甩出，其 端部紧贴在定子的内表面上，实现容积变化而完成抽气和排气的过程。 12345 图2 1 旋片泵的实物图和结构示意图 1 注油口2 进气口3 气镇阀4 排气口5 电源接线盒6 放油口7 油位指示器 8 硕十学何沦文 2 2 旋片泵的工作原理 如图2 2 为旋片泵的工作原理示意图，两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的 月牙型空间分隔成a 、b 、c 三个部分，当转子按图示方向旋转时，与吸气口相通的空间a 的容积不断地增大，a 空间的压力不断的降低，当a 空间内的压力低于被抽容器内的压力， 根据气体压力平衡的原理，被抽的气体不断地被抽进吸气腔a ，此时正处于吸气过程。b 腔的空间的容积正逐渐减小，压力不断地增大，此时j 下处于压缩过程。而与排气口相通 的空间c 的容积进一步地减小，c 空间的压力进一步的升高，当气体的压力大于排气压力 时，被压缩的气体推开排气阀，被抽的气体不断地穿过油箱内的油层而排至大气中，在 泵的连续运转过程中，不断地进行着吸气、压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的。 排气阀浸在油罩以防止大气流入泵中，油通过泵体上的间隙j 油孔及排气阀进入泵 腔，使泵腔内所有运动的表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔的密封，同时油还充满 了一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。 a 图2 2 旋片泵工作原理示意图 1 定子2 旋片3 转子4 弹簧5 排气阀 图2 3 为双级旋片泵的工作原理图，双级旋片式真空泵由两个工作室组成，两室前 后串联，同向等速旋转，a 室是b 室的前级，a 室是低真空级，b 室是高真空级口。被抽 气体经高真空级( b 室) 进入前级，由排气阀排出泵外。前级( a 室) 和单级泵一样，随时 有油进入泵腔，而高真空级( b 室) 仅在开始工作时存有少量的油，工作一段时间后，便 没有油进入泵腔了。当泵开始工作，且吸入气体的压力较高时( 例如从大气压力开始抽 气) ，气体经b 室压缩，压力急增，则被压缩的气体的一部分直接从辅助排气阀( 1 ) 排出， 另一部分则经由前级排出。 当旋片泵工作一段时间后，b 室吸入的气体压力较低时，虽经b 室的压缩，压力也 达不到一个大气压以上，排不开辅助排气阀( 1 ) ，则吸入的气体全部进入前级a 室，经a 室的继续压缩，由排气阀( 3 ) 排出。 9 一种新刑旋片式真卒泵的研究 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 口压力也很小， ：同时，后级泵 旋片泵工作一段时f 、日j 后，由于