（流体机械及工程专业论文）多级罗茨泵转子的型线设计、加工及表面涂层研究.pdf

、j： 窟；nmfl#tp；。 】：jj，； 。；0豇够。v黔蝼秽，oo | | ，钇氩霉 a 一斯岫一洫蹦删脚埘炒 r e s e a r c ho fp r o f i l ed e s i g n i n g ，p r o c e s s i n ga n d s u r f a c ec o a t i n go nm u l t i - s t a g e sr o o t sp u m p r o t o r b y l i uq u a n l i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rb ad e c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 h博罗 j l 。 - 【- j 东北大学硕士论文 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，不包含其他人己经发表 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。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：妒 日 期：州- 7 - j 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年n 、 学位论文作者签名：似但u 导师签名： 签字日期： 。- 7 i 签字日期 钐彼v - 6 埘、，17 ，；如1115 东北大学硕士学位论文 摘要 多级罗茨泵转子的型线设计、加工及表面涂层研究 摘要 在新兴的半导体工业中芯片、光学通讯元器件及平板显示器等产品的生产过 程中，无油分子泵、低温泵等干式中高真空泵得到了广泛的应用。与这些干式中 高真空泵相配合的前级低真空泵大多是传统的油封式真空泵。为降低油污染，通 常在中高真空泵与低真空泵之间串接入冷阱，但此方法已经不能满足真空环境洁 净度的要求了。因此，研制和开发性能价格比高、寿命长、结构简单、抽气效率 高的干式真空泵成为当前乃至今后相当长一个时期的真空科技人员迫切需要解决 的问题之一。在众多的干式真空泵中，多级罗茨型干式真空泵是备受半导体、光 学器件等高科技行业青睐的一种容积式干式真空泵。 本课题围绕多级罗茨型干式真空泵的主要关键部件一一罗茨转子，作出以下 具体工作： 通过计算机模拟创成法，对三种常用罗茨转子型线进行了分析。然后在渐开 线型转子型线设计的基础上，设计了改进圆弧型转子型线。并通过容积利用系数 和啮合间隙的分布等方面对型线进行分析和比较，最后由于改进圆弧型转子型线 容积利用系数较大、啮合间隙分布平稳等优点，采用改进圆弧型转子型线作为多 级罗茨干泵的转子型线。 对多级罗茨转子的加工方法进行探讨。针对转子的特殊型线，拟定出数控线 切割加工、普通车床上加工和2 5 轴数控铣床加工转子的工艺方案。在普通车床 上加工转子时，设计了关键工序所应用的偏心夹具，在2 5 轴数控铣床上加工时， 通过c a t i a 软件模拟了转子的加工过程。最后从可行性和加工经济性、精度等方 面对三种方案进行对比分析； 对多级罗茨转子的表面涂层工艺进行了探索性的研究。在转子样片上用磁控 溅射方法沉积硬质耐腐涂层，通过调节工作真空度、氩气流量、溅射时间等参数， 对磁控溅射沉积c r 的制备工艺进行了研究。在检测上，采用标准盐雾试验，对转 子做耐腐蚀工艺处理前后的耐腐蚀性进行了对比研究，并对薄膜沉积前后的硬度、 微观结构、粗糙度等进行了辅助研究。 关键词： 干泵；罗茨； 型线； 加工；涂层 - i i - jlfl、， x c 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fp r o f i l ed e s i g n i n g ，p r o c e s s i n ga n ds u r f a c ec o a t i n g o nm u l t i - s t a g e sr o o t sp u m pr o t o r a bs t r a c t d u r i n g t h em a n u f a c t u r e p r o c e s s i n g o f p r o d u c t s s u c ha s c h i p s ，o p t i c s c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n df l a td i s p l a y si nn e w l ya r i s i n gs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , o i l l e s sm o l e c u l ep u m p sa n dc r y o p u m p sa r ew i d e l yu s e da sh i g ho rm i d d l ev a c u u m a c q u i r i n ge q u i p m e n t s h o w e v e r , o i l s e a l e dm e c h a n i cv a c u u mp u m pi sa p p i c a t e da s b a c kp u m po ft h e s ed r yv a c u u mp u m p s i no r d e rt or e d u c et h eo i lp o l l u t i o n ，c o l dt r a p s a r eu s u a l l ya d o p t e db e t w e e nh i g ha n dl o wv a c u u mp u m p s ，w h i c hc a nn o tm e e ts e v e r e n e e d sa n ym o r en o w a d a y s s ow em u s ts t u d ya n dd e s i g ns o m en e wd r yv a c u u mp u m p s w i t hh i g hc o s tp e r f o r m a n c e ，l o n gl i f e ，s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hp u m p i n ge f f i c i e n c yi n al o n gp e r i o df r o mt o d a y a m o n gs e v e r a lt y p e so fd r yv a c u u mp u m p s ，r o o t st y p e v a c u u mp u m pi so n ek i n do fv o l u m e t r i cp u m p st h a tm a n yh i g ht e c h n i q u ei n d u s t r yo f s e m i c o n d u c t o ra n do p t i c sd e v i c e sa r ek e e no n c i r c l e do nr o o t st y p er o t o r , t h em a i nk e yp a r to fd r yr o o t sv a c u u mp u m p ，w eh a v e f i n i s h e dt h ef o l l o w i n gj o b s b yt h ec o m p u t e r s i m u l a t e dg e n e r a t i o nm e t h o dw h i c h c a n g e n e r a t ep r o f i l e t h r e e c o m m o n l yu s e dr o o t sr o t o rw e r ea n a l y z e db a s e do nt h ei n v o l u t e dp r o f i l ed e s i g n i n g ， w a sd e s i g n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t ht h ev o l u m e t r i cu t i l i z a t i o n c o e f f i c i e n ta n dt h eg a pd i s t r i b u t i o n ，d u et oi m p r o v e da r c p r o f i l er o t o rc a ng e tb e t t e r r e s u l t ，c h o o s i n gt h ei m p r o v e da r c p r o f i l er o t o r a sam u l t i s t a g er o o t sd r yp u m p s r o t o r t h ep r o c e s s i n gm e t h o d so fr o o t sr o t o rw e r ed i s c u s s e d f o rt h es p e c i a l p r o f i l eo f t h er o t o r , id r e wu pt h ep r o g r a m st h r o u g h2 5a x i sc n cm i l l i n gm a c h i n e s ， c n c - c u t t i n gp r o c e s s i n g ，n cp l a n e ra n d t h e g e n e r a ll a t h e f r o mt h e e c o n o m i c i i i - p1ur 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明一i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论l 1 1 罗茨真空泵概述l i 1 1 罗茨真空泵的结构、特点及应用1 1 1 2 罗茨泵的工作原理及主要性能参数2 1 2 课题提出的背景”3 1 3 多级罗茨干泵的发展综述4 1 4 本课题的主要内容及研究意义6 1 4 1 本课题的研究内容6 1 4 2 本课题的研究意义6 第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究8 2 1 罗茨型线自动生成方法的研究8 2 2 圆弧包络线型罗茨转子型线1 1 2 2 1 一段圆弧包络线型罗茨转子型线的特性1 3 2 2 2 两段圆弧包络线型罗茨转子型线的特性1 4 2 2 3 几种圆弧包络线型转子的容积系数比较1 5 2 3 渐开线型罗茨转子型线1 6 2 4 改进圆弧型罗茨转子型线1 9 2 5 几种型线的比较与选择2 0 2 5 1 容积利用系数的比较”2 0 2 5 2 啮合间隙的分布2 2 2 6 小结2 3 第3 章多级罗茨泵转子的加工工艺研究2 4 v 东北大学硕士学位论文目录 3 1 国内外罗茨转子成型工艺2 4 3 1 1 仿形法( 靠模法) 2 4 3 1 2 范成法2 5 3 1 3 简易数控机床加工方法2 5 3 1 4 双向数控曲面刨床加工一2 6 3 2 待加工转子的工艺性分析2 6 3 2 1 多级罗茨转子轴的结构与装配2 6 3 2 2 转子的结构工艺性分析2 7 3 3 待加工转子的工艺方案制定“2 8 3 3 1 数控线切割加工2 8 3 3 2 转子的车削加工方案3 l 3 3 3 转子的2 5 轴数控铣削加工3 8 3 4 三种工艺方案对比分析4 4 3 5 小结4 5 第4 章多级罗茨泵转子表面涂层工艺的研究4 6 4 1 转子表面制备c r 涂层实验4 6 4 1 1 实验设备概述4 7 4 1 2 实验主要过程4 9 4 2 样品检测及性能分析5 1 4 2 1 表面形貌分析5 l 4 2 2 表面粗糙度的测试一5 2 4 2 3 硬度测试5 4 4 2 4 膜层厚度的测试5 5 4 2 5 盐雾实验测试5 5 4 3 小结5 7 第五章结论5 8 参考文献5 9 致谢6 2 v i 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 1 1 罗茨真空泵概述 第1 章绪论 罗茨真空泵( 简称罗茨泵) 是一种无内压缩的旋转变容式真空泵。它由罗茨鼓风 机演变而来的。根据罗茨泵工作压力范围不同，它可分为直排大气的干式真空泵和湿 式罗茨泵，这种罗茨泵属于低真空罗茨泵；此外还有中真空罗茨泵( 机械增压泵) 和 高真空多级罗茨泵等1 1 。 1 1 1 罗茨真空泵的结构、特点及应用 蔗 1 齿轮箱2 左侧箱3 泵体4 从动转子5 主动转于图 图1 1 罗茨泵结构 f i g 1 1s t r u c t i o no fr o o t sp u m p 罗茨真空泵的结构是由泵壳体、转子、传动部分组成，详见图1 1 【2 1 。泵的转子与 转子和泵壳之间，存在一定的间隙，其间隙值和相对转动位置由转子的较高加工精度 和同步转速来保证。其转子的型线种类很多，如圆弧型、渐开线型、摆线型、综合线 型等，不同型线的转子制造的真空泵，它们的容积系数不同，因此真空泵的抽气量、 真空度均不同。 一般来说，罗茨泵具有以下特点： 在较宽的压力范围内有较大的抽速； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 设有旁通溢流阀可在大气压力下启动，缩短了抽气时间； 转子之间，转子与泵腔壁之间有间隙，泵内运动件无摩擦，不必润滑，腔壁 内无油； 转子形状对称，动平衡性能良好，运动平稳，选择高精度的齿轮传动，运动 时噪声低； 结构紧凑，占地面积小，通常选卧式结构，泵腔内气体垂直流动，有利于被抽 的灰尘和冷凝物的排除； 选择适宜的转子型线和精细的研磨加工，可获得较高的容积效率； 运转维护费用低。 罗茨泵的缺点是泵的转子制造困较难，抽除氢气的效果不如油增压泵高。 罗茨泵广泛用于真空冶金工业的真空脱气、真空熔炼、钢水真空处理，以及空间 模拟、低密度风洞等装置中抽除非腐蚀性气体。也可用于化工、食品、医药、电器制 造等工业的蒸馏、蒸发、干燥等生产过程【3 1 。 1 1 2 罗茨泵的工作原理及主要性能参数 譬器善皤詈 喜影薯誊器差 图1 2 罗茨泵的工作原理 f i g 1 2o p e r a t i o np r i n c i p l eo fr o o t sp u m p 罗茨泵的工作原理见图1 2 【2 】。这种泵是在两平行轴上，装有一对“8 字形断 面的转子，两转子以等角速度做方向相反的旋转运动。当转子按箭头方向旋转到图a 、 2 p1，i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 b 所示位置时，被抽气体从吸气口进到由转子与泵壳和端盖构成的空间中，当转子继 续旋转到图c 位置时，吸气终了，吸入的气体被转子、泵壳和端盖所封闭，与吸气口 隔离，当转子再旋转到图d 所示位置时，吸气腔与排气j 相通时，则排气口端较高压 力的气体就反冲到这部分空间中，由于转子继续旋转，便把被抽气体和反冲回来的气 体一起驱压到排气口处而被抽走。泵轴旋转一周，共完成上述四个动作过程，即共排 出上述四份气体。旋转的罗茨转子不停地旋转，从而形成抽吸真空。 真空泵的性能通常以真空度和抽速这两个主要参数来表示。真空度是真空泵形成 的负压力，以p a 表示。抽速即为该泵每分钟的体积流率，以m 3 m i n 表示。真空泵的 几何抽速为：s t h ，由于转子之间、转子与泵之间，在抽气过程中不可避免的出现返流， 所以泵的实际抽速必然小于几何抽速，两者之比称为抽气效率。 1 2 课题提出的背景 i c ( 集成电路) 产业主要从事半导体材料生产、晶体生长与晶圆准备、晶圆制造、 封装和产品检验，i c 是电子信息产业的“心脏 和基础，也是电子仪器、机械制造等 设备的信息技术组件。i c 产业是事关国家经济利益和国防安全的战略性产业，其发展 水平和规模也是一个国家综合实力的重要体现。 真空泵是保障整个i c 生产线高效安全生产的关键环节，真空泵可以从工艺设备中抽 出具有潜在危险的工艺气体和流程副产物，其中含有各种微粒状、浓缩的和腐蚀性的副 产物，并将其输送到后处理系统进行处理。真空泵的用途主要包括负载锁定和传运、量 测、光刻、离子注入源、p v d 及预清洁、r t a 、剥除灰化、氧化物、硅和金属的刻蚀、 c v d 、m o c v d 和a l d 等。真空泵需要抽出各种复杂的工艺气体。 i c 生产线是一系列主要工艺步骤如光刻、氧化、沉积、刻蚀、离子注入等的循环和 重复。据统计【5 6 】，在i c 装备工艺中，7 0 的工作需要在对洁净度要求苛刻的真空环 境下进行，由此引出了i c 装备洁净真空环境获得技术的发展。 i c 装备洁净真空环境获得技术集成了真空技术、精密机械加工技术、自动控制技术 等多个学科的前沿高新技术和特种加工工艺。作为i c 装备的关键设备之一，干式真空 获得设备由于产业技术门槛高，生产与销售一直被国外几家大公司垄断，如法国阿尔 卡特、英国爱德华、日本荏原、德国普发、德国莱宝、德国普旭等占据了世界上9 5 以上的市场份额，国内生产厂家几乎没有形成产业化的产品。 国内对干泵的开发多数走的是对国外干泵的仿制和自主开发的道路，生产规模并 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 不是很大。据统计，目前国产干泵的应用还不足l ，国内半导体行业用的干泵就几 乎全部从国外进口，其价格十分昂贵。所以，我国目前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。 1 3 多级罗茨千泵的发展综述 1 8 5 4 年，美籍以色列人f r a n c i sm r o o t s 和p h i l a n dh r o o t s 两兄弟在旋转鼓风机 的基础上发明了罗茨鼓风机，并陆续申请了多项美国专利【4 5 】，并对型线进行了修改。 在随后的1 5 0 多年里，许多学者和机械师相继对罗茨泵转子型线进行修正和发展，以 满足不同场合的需求。 1 9 0 0 年，美国人r a l p hc e n y a r t 6 】对罗茨型线作了改进，发明了如图1 3 所示的 罗茨型传输泵。1 9 5 5 年，德国人发明了罗茨真空泵【7 】；1 9 6 4 年，美国人f o r r e s to e s c h u l t z 发明了罗茨压缩机；1 9 7 0 年，意大利出现了运用罗茨转子进行液体精确计量 的罗茨流量计( 也称作腰轮流量计) 【8 1 。在罗茨真空泵应用2 0 年之后，德国人c l a u s w i n k e l s t r a t e r 等人将这种结构用于罗茨真空泵的设计上，从而发明了具有气冷式结构、 可直排大气的多级罗茨干泵【9 1 。 图1 3 美国人r a l p hc e n y a r t 发明的罗茨传输泵 f i g 1 3 r o o t st r a n s f e r sp u m pi n v e n t e db ya m e r i c a nr a l p hc e n y a r t 德国学者jh e n n i n g 1 0 ，1 1 1 撰文介绍了这种多级罗茨干泵的气冷原理、极限压力、抽 气性能、能量消耗和加热控温等，指出这种泵采用两根转子轴在齿轮端固定的悬壁梁 式结构，保证齿轮的润滑油不进入到真空泵腔，特别适合于抽除半导体工业中的含有 大量可凝性气体和化工废气，获得清洁无油的真空环境。法国学者l c v a l d e s 等，推 导了通过非恒定矩形截面下过渡流的流导计算【1 2 , 1 3 】，并结合k n u d s e n 。d o n g 法则【1 4 , 1 5 研究了非运转状态下通过气冷式罗茨干泵间隙的静态泄漏理论，并通过试验进行了验 4 一 吩 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 证。 国内对于直排大气罗茨真空泵的专门研究则起步较晚。曹羽等 1 6 1 进行了气冷式直 排大气罗茨真空泵及机组的热平衡计算，指出其具有抽速大、许用压差高、无污染、 低功耗等特点。段永利【”1 分析了气冷式三叶罗茨转子的冷却效果。王晓虎、张宝夫等 【1 8 】研究了圆弧摆线型宽头双叶转子型线的组成。李德才【1 9 1 等研究了罗茨干泵的磁流体 密封技术。 气冷式罗茨干泵满足了i c 装备行业的工作温度高、长期运转稳定、噪声低、维护 简单、清洁无油等众多要求，是很有发展前景的一种干式真空泵【2 0 1 。目前，除加工及 装配要求精度高、加工难度大、一次性投入大等制约因素外，设计理论亟待提高，尤 其包括罗茨型线的改善、加工成本的降低、间隙的确定、泄漏量的计算、泵内的热力 学分析等。 本文所研究的多级罗茨干泵，是指工作在l o 。1 1 0 5 p a 范围内的多级干式罗茨真空 泵，是i c 装备行业中作为低真空粗抽与工艺生产维持的常用的真空泵。多级罗茨干泵 的间隙尺寸一般在0 0 5 - 0 6 0 m m 范围内，工作时泵腔内温度一般在5 0 - - 一3 0 0 。c 。 一般来说，多级罗茨干泵具有以下特点：工作压力范围宽，在较宽的压强范围内 有较大的抽速；起动快，能立即工作；对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；泵 腔无油、转子不必润滑；振动小，转子动平衡条件较好；驱动功率小，机械摩擦损失 小；结构紧凑，占地面积小；运转维护费用低。 多级罗茨干泵是目前i c 产品制备生产线上获得中、低真空的主要洁净无油真空抽 气设备之一，在i c 装备当中，大量被用来完成c v d 、p e c v d 等化学气相沉积工艺、 蒸发、溅射等p v d 工艺以及刻蚀、封装、离子注入等i c 产品制备工艺当中所需真空 环境的获得与维持。 国内较早开始了罗茨真空泵的研究和制造，但适合于i c 装备行业严格要求的多级 罗茨干泵并不多见，致使该设备长期依赖进口。从罗茨泵生产情况来看，主要被国外 几家大公司垄断，如l e y b o l d 、b a h e r s 、a l c a t e l l 、e b a r a 、e d w a r d s 和u l v a c 。 国内的罗茨泵与国外的罗茨泵比较主要有如下几个问题：油封泄漏问题严重；零 流量压缩比小，最大的允许压差小，发热量大，过载易损坏；泵腔内壁、转子、轴及 齿轮等关键部件的光洁度、加工精度不够，各零部件的装配精度也不够，造成噪音大、 有振动，零件的动平衡不好；各零部件寿命及更换周期不统一，造成泵的维护次数增 加和稳定性降低；由于c v d 等化学沉积设备产生一些腐蚀性气体，对泵腔及转子的 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 腐蚀严重，对泵的寿命及应用影响很大。 1 4 本课题的主要内容及研究意义 1 4 1 本课题的研究内容 本论文的研究内容主要在于以下三点： ( 1 ) 对三种常用罗茨转子型线进行了分析，并根据啮合原理和计算机编程的方法， 在渐开线型转子型线设计的基础上，设计了改进圆弧型转子型线，并通过容积利用系 数和啮合间隙的分布等方面对型线进行分析和比较，最后由于改进圆弧型转予型线容 积利用系数较大、啮合间隙分布平稳等优点，采用改进圆弧型转子型线作为多级罗茨 干泵的转子型线。 ( 2 ) 对多级罗茨转子的加工方法进行探讨。针对转子的特殊型线，拟定出数控线 切割加工、普通车床上加工和2 5 轴数控铣床加工转子的工艺方案。在普通车床上加 工转子时，设计了关键工序所应用的偏心夹具，在2 5 轴数控铣床上加工时，通过 c a t i a 软件模拟了转子的加工过程。最后从可行性和加工经济性、精度等方面对三种 方案进行对比分析，得出结论，批量生产转子时，在精度要求很高的情况下，应该在 数控铣床上加工； ( 3 ) 对多级罗茨转子的表面涂层工艺进行了探索性的研究。在转子样片上用磁控 溅射方法沉积硬质耐腐涂层，通过调节工作真空度、氩气流量、溅射时间等参数，对 磁控溅射沉积c r 的制备工艺进行了研究。在检测上，采用标准盐雾试验，对转子做耐 腐蚀工艺处理前后的耐腐蚀性进行了对比研究，并对薄膜沉积前后的硬度、微观结构、 粗糙度等进行了辅助研究。 1 4 2 本课题的研究意义 本课题围绕i c 装备中获取洁净真空环境的多级罗茨干泵，从提高多级罗茨干泵设 计理论和i c 生产线工艺使用的角度，对多级罗茨干泵转子型线设计、转子加工进行了 研究，并通过转子薄片的镀膜实验和盐雾试验，对泵防腐工艺试验进行探索。 本课题的研究意义主要在于： ( 1 ) 设计出合适的转子型线，这样的转子型线不仅能满足罗茨泵抽气性能的要求， 而且适合加工制造，在此基础上设计出的的转子轴，有很多优点，一是以圆柱面代替 6 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 了原有转子复杂的加工面，大幅度降低了加工成本；二是一旦有转子外表面发生裂纹、 点蚀、划伤等局部破坏时，更换转子块即可重新使用，降低了维护成本，提高了多级 罗茨干泵的使用寿命；三是转子块和中心轴分开进行制造和加工，可根据不同特性使 用不同的材质，而且提高了零件的通用性，更有利于批量生产；四是这种结构的转子 腰部采用外圆面，较之于以往采用内圆面的细腰罗茨转子，强度明显增大，结构更耐 用； ( 2 ) 研究了多级罗茨泵转子的加工工艺，设计了三种加工方案：线切割加工、普 通车床加工、数控铣床加工，研究了它们的各自优缺点。为企业生产该转子提供了可 参考的加工方案； ( 3 ) 探索多级罗茨干泵的防腐工艺。提高多级罗茨干泵在i c 生产线的适应程度， 防腐工艺是至关重要的一步。采用常规的电镀方法或者浸润方法，或者涂覆t e f l o n 等 有机涂层的方法，不能适用于i c 生产线的部分工艺要求。因此，采用磁控溅射的方法， 在转子及泵腔内沉积一层c r 薄膜，是一种值得探索的尝试。本课题采用转子样片镀膜 的方法，研究薄膜c r 的镀制工艺，并通过烟雾试验，研究其防腐性能，对于研究多级 罗茨的防腐工艺研究，有一定的指导意义。 一7 东北大学硕士学位论文第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 在罗茨真空泵的设计中，最大允许压差和零流量压缩比是衡量罗茨泵最重要的性 能指标【2 1 , 2 2 】。而这两个指标是相互制约的，要做到兼而顾之，关键的一点是保证转子 与转子之间每一啮合点的间隙均匀且保持在一定值【2 3 1 。转子之间间隙的大小变化终会 降低两个性能指标，从而影响泵的性能。而转子的实际型线是在理论型线的基础上沿 啮合点法线方向各后退间隙的一半而获得。因此，必须保证转子的理论型线在转动过 程中的任意时刻总有一点保持接触。但同时，通过包络方法得到的型线，通常型线方 程非常复杂，需要在专用的数控加工中心的加工，而且耗工费时，加工成本升高。需 要综合啮合精度和加工成本两个因素，来选择优异的型线。确定转子型线时，应考虑 以下几方面要求【2 9 】： 1 泵应有良好的工作性能，泵腔的容积利用率要尽量的高，即转子的体积要小。 2 型线应有良好的几何对称性，以保证运转平稳，无噪音，互换性好。 3 易于制造，加工精度高。 4 转子的型线必须有利于介质的密封。 5 型线要保证转子不发生干涉，要保证足够高的面积利用系数。 2 1 罗茨型线自动生成方法的研究 要想获得罗茨泵良好的性能，设计出良好的转子型线是首要工作。两啮合转子的 型线，需要在整个转动周期内，理论型线都完全重合。长期以来，转子型线的设计是 一件非常复杂的工作。从坐标纸上绘图到计算机绘图，都需要进行多次绘图和大量计 算才能得到较为理想的型线。本节提出的罗茨型线自动生成方法【2 4 1 ，是指基于啮合原 理 2 6 1 ，在计算机上采用模拟创成加工的方法【2 7 】，根据其中一个设计转子的型线生成共 轭转子轮廓和验证共轭转子型线方程的方法。 该方法的使用步骤是：首先，在对型线初步分析的基础上，通过简单曲线的圆滑 连接构造出已知转子型线；然后，使用动画编程的方法，开发模拟创成软件构造出共 轭转子型线轮廓，并进行直观判断；接着通过啮合原理求解共轭转子型线方程；最后， 8 - 东北大学硕士学位论文第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 根据型线啮合来调节相关参数以得到型线相同并且共轭的成对转子。 罗茨转子型线通常是由几种常见曲线以及它们的包络线组成，下面列出几种常见 曲线元的共轭曲线的通用方程【4 3 1 。 ( 1 ) 点 已知点坐标p ( m ，n ) ，如图2 1 所示。 y 1 jl 乞 r n i x 1 一 m 0 1 一 图2 i 点p 在坐标系中的位置 f i g 2 1p o s i t i o no fp o i n tpi nt h ec o o r d i n a t e 其方程为 j 五2 m ( 2 1 ) 1 y 1 = u j ， 采用计算机模拟创成法，得到点p 的共轭曲线轨迹，如图2 2 所示 y 2 jl - - ， 、 q b 0 2 。 气 ：i 1 】 ，x2 0 2 图2 2 点p 的共轭曲线轨迹 f i g 2 2t r a c ko fc o n j u g a t ec u r v eo fp i n tp 其共轭曲线为摆线，通过坐标变换及啮合条件【3 3 1 ，： 9 其方程为 图2 3 圆弧a b 在坐标中的位置 f i g 2 3p o s i t i o no fa r ca bi nt h ec o o r d i n a t e ( 2 3 ) 采用计算机模拟创成法，通过多次绘制叠加，得到圆弧做行星运动的曲线簇，可 以得到与圆弧共轭的圆弧包络线的轨迹，如图2 4 所示： y 2 。 滗刁 0 2 蕊7 图2 4 圆弧a b 做行星运动叠加形成的曲线簇 f i g 2 4c u r v ec l u s t e rp i l e du pb yp l a n e tm o v e m e n to fa r ca b - 1 0 - 始涫暑 r 厂 ， 竹 m 趑乩刮卯y 口 东北大学硕士学位论丈第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 通过坐标变换及啮合条件【3 3 1 ，化简求得圆弧包络线的方程为 x 2 = m c o s k , 一n s i n k 办+ r c o s ( o + 七破) + a c o s i 口i , y2=ms+in磊k)矽一l+c。笛9+1+rsin(秒0：+kaisin(o k n c o sk m s i n0 办+ 彳8 i n i 么( 2 4 ) + 碱) 一 日+秒= 口臼 2 2 圆弧包络线型罗茨转子型线 圆弧是在罗茨转子设计中大量应用的曲线元，俄国工程师a m 卡兹在著作中多 次提到圆弧转子型线【4 5 1 。本节对圆弧和圆弧包络线进行了研究，并将其应用于罗茨转 子理论型线的设计中。 为简化问题，使用两个互相啮合的节圆代替一对罗茨转子，如图2 5 ( a ) 所示。为 研究问题的方便，假定转子l 不动，则转子2 作行星运动，即转子2 在绕自身中心作 逆时针转动的同时，还要绕转子1 中心逆时针转动。我们绘制出转子2 上一段圆弧所 在的圆q ，用圆q 代替转子2 ，采用o p e n g l 技术和v c + + 编程工具【2 7 ，2 8 1 ，绘制出圆q 作行星运动的动画，叠加的圆q 运动轨迹勾勒出转子i 上与圆q 共轭的曲线轮廓【l 2 1 ， 其运动过程如图2 5 ( b ) 、图2 5 ( c ) 、图2 5 ( d ) 所示。 东北大学硕士学位论文 第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 ( b ) ( c )( d ) 图2 5 圆弧包络线的生成过程 f i g 2 5g e n e r a t i n gp r o c e s so fe n v e l o p i n gc q l l v eo fc i r c u l a ra r c s 建立原点在转子1 中心的正交坐标系，设圆q 的圆心坐标( m ，n ) ， r ，圆q 的半径为r ，则圆q 上一段圆弧的参数方程为 f x l 2 m + r c o s 8 y l = + r s i n a 【口0 节圆半径为 ( 2 5 ) 转子1 上，与上述圆弧共轭的曲线方程，可通过啮合原理和坐标变换求得，方程 为： l 吻= m c o s 2 # 一n s i n 2 # + r c o s ( 0 + 2 0 ) + 2 r e o s # y 2 = m s i n 2 # + n c o s 2 # + r s i n ( 0 + 2 矽) + 2 r s i n # ( 2 6 ) 【r s i n ( o + 矽) 一n e o s o + m s i n o = 0 其中矿为动圆的位置角，秒为啮合点在动圆上的圆心角。 当= z r - a r e s i n ( n c o s 0 r m s i n o r ) 一0 时，圆弧的包络线对应为外圆包络线， - 12 - 东北大学硕士学位论文 第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 如图2 5 ( d ) 所示的外轮廓线；当矽= a r e s i n ( n c o s 9 r ms i n t g r ) 一9 时，圆弧的包络线 对应为内圆包络线，如图2 5 ( d ) 所示的内轮廓线。 由于转子啮合的性质，转子型线上相互啮合的波峰和波谷通常在4 5 0 角平分线处 交汇【4 4 1 。利用圆弧和圆弧包络线的性质，我们在4 5 0 角平分线两侧分别放置一段或两 段圆弧及其圆弧包络线，可以设计出多种圆弧转子型线。 2 2 1 一段圆弧包络线型罗茨转子型线的特性 厂纠夕一 弋 o卜i7 ( a ) ( b ) 图2 6 一段圆弧包络线型罗茨转子型线 ( a ) 单个转子示意图；( b ) 啮合转子示意图 f i g 2 6r o o t sr o t o rp r o f i l e ：as e c t i o no f as e c t i o no fe n v e l o p i n gc u r v e ( a ) s k e t c ho fs i n g l er o t e r ；( b ) s k e t c ho fg e a r i n g r o t o r s 如图2 6 ，为一段圆弧包络线型罗茨转子型线的组成。圆弧a b 作为罗茨转子型 线的一部分，通过行星运动，得到另一转子上与a b 共轭的圆弧包络线b c 。运动过程 如图2 7 所示。通过上述方法，即可得到文献中提过的圆弧转子型线3 4 , 6 8 - 7 4 】。 定义形状系数c 为泵腔半径与节圆半径的比值，我们发现，容积利用系数九只与 形状系数c 有关。一段圆弧包络线型罗茨转子型线的容积利用系数九随形状系数c 的 增大而增大，其范围通常在o 3 1 1 - - 0 5 8 5 之间。 一1 3 查! ! 查堂壁主堂堡丝查 第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 二l 二二二竺：三竺竺：! 二二! 三! y 似 弋 ，、。，。、。 甜 ，、 弋；， 厂p 、o 、x j 、；”。t 、乙夕 螵固 o、 ( b ) 图2 7 一段圆弧+ 一段圆弧包络线型罗茨转子型线的生成过程 f i g 2 7g e n e r a t i o np r o c e s so far o o t s r o t o rp r o f i l e ：as e c t i o no f c i r c u l a ra r cp l u sas e c t i o no f e n v e l o p i n gc u l t e 2 2 2 两段圆弧包络线型罗茨转子型线的特性 如图2 8 ，我们将两段圆弧a b 、b c 在b 点圆滑连接，用同样的行星运动的方法 得到其共轭的圆弧包络线c d 、d e ，将其在c 点连接，就构成了两段圆弧包络线型罗 茨转子型线。 i j 一 v 、心，一、 八、庇v 、己7 潞二公： 心 l 、j7 z ，入； ( a ) ( b ) 图2 8 两段圆弧+ 两段圆弧包络线型罗茨转子型线 ( a ) 单个转予示意图；( b ) 啮合转子示意图 f i g 2 8r o o t sr o t o rp r o f i l e ：2s e c t i o n so fc i r c u l a ra r cp l u s2s e c t i o n so f e n v e l o p i n ga l r 、，e ( a ) s k e t c ho fs i n g l er o t o r ；( b ) s k e t c ho fg e a r i n gr o t o r s 定义峰顶系数c l 为转子峰顶a b 的半径r i 与泵腔半径的比值。根据型线波峰与波 东北大学硕士学位论文 第2 章多级罗茨泵转子的型线设计研究 谷必通过4 5 0 角平分线与节圆之交点的特性，我们可以求解出其余参数。这样，两段 圆弧+ 两段圆弧包络线型罗茨型线的具体形状只与形状系数c 和峰顶系数c l 有关。 经过研究发现，形状系数c 的许可范围随峰顶系数c l 的变化略有波动，但大致变 化在在1 2 2 1 7 9 之问，否则便会出现型线干涉。 2 2 3 几种圆弧包络线型转子的容积系数比较 如图2 9 分别将峰顶系数c i = o 1 ，0 2 ，0 3 时的两段圆弧包络线型罗茨转子型线( 图 中以“2 + 2 型”表示) 和一段圆弧包络线型罗茨转子型线( 图中以“1 + 1 型 表示) 的容积利用系数入随形状系数c 的变化关系表示在同一个坐标系中，可以看出：在同 一形状系数c 下，峰顶系数c l 越小，容积利用系数越大；两段圆弧包络线型罗茨转子 可以比一段圆弧包络线型罗茨转子获得更大的容积利用系数。 1 1 21 。3 。毒1 1 51 薏 71 8 形状系数 图2 9 多种圆弧型罗茨转子型线的n c 曲线的比较 f i g 2 9c o m p a r i o n o fa - cr e l a t i o n s h i po fs e v e r a lc i r c u l a ra r ct y p er o o t sr o t o rp r o f i l e 但峰顶系数c l 的取值并非越小越好。当峰顶系数c l 足够小，而且形状系数c 足够 大时，就会出现如图2 1 0 所示的罗茨型线。这种罗茨型线在转子的顶部与腰部出现了 “死腔 ，即每次排气时总会带回一部分气体到吸气腔，这种结果会影响泵的抽气效率 和最大压缩比；而且，顶部的密封效果不好。 进一步的研究发现，当峰顶系数c l 增大至o 4 4 以后，对于获得容积利用系数更大 的容积利用系数而言，与一段圆弧包络线型罗茨转子型线相比，两段圆弧包络线型罗 - 1s - 阳 髓 秘 ：； 耨 ：5 ； o