罗茨泵毕业设计说明书---ZJ-150型罗茨真空泵设.doc

目 录 绪绪 论论 1 第一章第一章 真空设备获得真空设备获得 3 1 1 需要不断扩大的真空领域 3 1 2 真空技术在能源方面的应用 5 1 3 真空泵市场各类泵设备发展现状 7 1 4 真空泵技术进展趋势 9 1 5 对真空技术未来发展的期望 12 第二章第二章 罗茨真空泵的介绍罗茨真空泵的介绍 13 2 1 罗茨真空泵的术语和定义 13 2 2 罗茨真空泵的型式和基本参数 13 2 3 罗茨真空泵的技术要求 15 第三章第三章 ZJ 150 型罗茨真空泵的总体设计型罗茨真空泵的总体设计 17 3 1 ZJ 150 型罗茨真空泵的总体构成 18 3 2 电动机的选择 20 3 3 总体传动结构设计 21 3 4 斜齿圆柱齿轮传动设计计算 21 3 4 1 按齿面接触强度设计 22 3 4 2 按齿根弯曲强度设计 24 3 4 3 齿轮几何尺寸计算 25 3 5 转子体设计计算 26 3 6 轴的结构设计计算 30 3 6 1 按扭转强度条件计算 30 3 6 2 按刚度条件计算 30 3 6 3 精确校核轴的疲劳强度 31 3 7 轴承选取设计计算 34 3 7 1 轴承的设计参数 34 3 7 2 轴承的当量动载荷计算 34 第四章第四章 国产国产 ZJ 型罗茨真空泵的检修与保养型罗茨真空泵的检修与保养 36 4 1 引言 36 4 2 罗茨泵的拆卸 37 4 3 罗茨泵的装配 39 4 4 罗茨泵的保养 40 4 5 罗茨泵防止过载的三种方法 41 4 6 常见故障及消除方法 42 技术经济分析技术经济分析 44 结结 论论 45 参考文献参考文献 46 谢辞谢辞 47 附录一附录一 附录二附录二 1 绪绪 论论 真空泵的分类 真空泵利用机械 物理 化学 物理化学等方法对容器进行抽气 以获得 和维持真空的装置 真空泵和其他设备 如真空容器 真空阀 真空测量仪表 连接管路等 组成真空系统 广泛应用于电子 冶金 化工 食品 机械 医 药 航天等部门 按真空泵工作原理 基本上分为气体输送泵和气体捕集泵两 种类型 气体输送泵包括 1 液环真空泵 2 往复真空泵 3 旋片真空泵 4 定片真空泵 5 滑阀真空泵 6 余摆线真空泵 7 干式真空泵 8 罗茨真空泵 9 分子真空泵 10 牵引真空泵 11 复合式真空泵 12 水喷射真空泵 13 气体 喷射泵 14 蒸汽喷射泵 15 扩散泵等气体捕集泵包括 吸附泵和低温泵等 首先介绍几种常见泵及其特点 2SK 2SK P1 系列双级水环式真空泵 主要用来抽除空气和其他有一定腐蚀性 不溶于水 允许含有少量固体颗 粒的气体 广泛用于食品 纺织 医药 化工的行业的真空蒸发 浓缩 浸渍 干燥的工艺过程中 该泵具有真空度高 结构简单 使用方便 工作可靠 维 护方便的特点 2XZ 型旋片式真空泵 具有结构紧凑 体积小 重量轻 噪音低 振动小等优点 它适用于作扩 散泵的前级泵 而且更适用于精密仪器配套和实验室使用 例如 质谱仪器 冰 箱流水线 真空冷冻干燥机等 XD 型旋片式真空泵 可以在任意入口压强下工作 已普遍应用于食品的真空包装 塑料工业的 真空吸塑成形 印刷行业的纸张输送 真空夹具 以及真空吸引等 SZ SK 系 列水环式真空泵主要用于粗真空 抽气量大的工艺过程中 它主要用来抽除空 气和其他无无腐蚀 不溶于水 含有少量固体颗粒的气体 以便在密闭容器中 形成真空 所吸气体允许混有少量液体 它广泛应用于机械 医药 食品 石 2 油化工等行业中 ZJ 系列罗茨真空泵 是一种旋转式变容真空泵须有前级泵配合方可使用在较宽的压力范围内有 较大的抽速对被抽除气体中含有灰尘和水蒸气不敏感广泛用于冶金 化工 食 品 电子镀膜等行业 本人本次毕业设计设计的就是 ZJ 系列的真空泵 本次设计的 ZJ 150 型罗茨真空泵是根据我国的实际生产情况以及现有的技 术水平 综合国内外同类产品的优点 本着高效率 低成本的原则 自行设计 的 广泛应用与真空冶金 真空脱气 真空镀膜以及空间模拟 低密度风洞等 装置中抽除非腐蚀性气体 还可用与医药 食品 电子 化工等工业的蒸馏 蒸发 干燥等生产过程 该机器的主要机构为 主轴电动机带动主轴旋转 轴上有一对 8 字型转 子在泵壳中作等速反向旋转而产生吸气和排气作用 由于此次设计缺少大量资 料给设计制造了巨大困难 对于这次设计的不足希望各位老师提出宝贵的意见 在本次设计中得到了陈士忠讲师的悉心指导 对此表示衷心的感谢 同时 也对在设计过程中给与我大力帮助和指导的各位老师一并表示感谢 3 第一章第一章 真空设备获得真空设备获得 1 11 1 需要不断扩大的真空领域需要不断扩大的真空领域 在 21 世纪 真空的需求是增长还是减少 今后的发展趋势又将如何 这主 要取决于真空应用的领域是否增加 需求是否增长 在 20 30 年前 真空书籍中就指出 真空技术的应用 一是靠压力差 二 是通过空间的电子或分子排除干扰 三是降低粒子撞击表面的次数 用于各自 的需求不同 所需的真空度当然也就不同了 所谓排除空间障碍物 即粒子的 平均自由程要比装置的特征尺寸长 真空蒸发 电子管和加速器就是利用了真 空的这一特点 除大功率的电子管外 其他大部分做成固体元件 这样就不再 需要真空了 暖水瓶是真空技术在人们日常生活中的重要应用 如果以后能生 产出优良的绝热材料 且很便宜 那么真空在暖水瓶的生产过程中将会失去作 用 从降低表面粒子入射频率的必要性看 超高真空技术定会得到发展 它可 使表面长时间地维持其清洁 目前 真空技术的应用的特点是 利用真空环境 来研制一些新材料和新工艺 使真空应用领域得到进一步扩大 例如超微粉和 纳米颗粒的制作以及固体元件的工艺开发 另一个应用领域是为了减少化学反 应过程和核聚变反应中的不纯物 有时也要利用真空 真空室的器壁本身与反 应过程有着极其密切地关系 人们对真空的需求将会扩大 如日本三井物产公司把铅掺入铝中 然后用 高温使铝蒸发 利用这种方法炼铝就会扩大对真空泵的需求 因此 对于真空 设备厂来说将会有一个很大的真空泵的销售市场 过去炼铝采用电解法 现正 在研究熔炉还原法 在熔炉内还原时 由于耐火材料与铝的混合 使分离非常 困难 如果把熔炉中出现的含有铝的不纯物溶解于铅溶液中就可以对含铝的铅 和不纯物进行分离 利用真空可以分离由此形成的铝铅混合物 由此可见 新 工艺的出现 就会直接影响到真空行业 对真空的需求也会随之急剧增加 前 几年我国真空炼镁工艺的出现 曾一度使真空设备厂产的滑阀泵和罗茨泵供不 应求 造成畸形发展 但这也说明一个问题 即新工艺 新材料等出现 势必 要带动真空产业等发展 4 在 2l 世纪 表面处理在内的表面技术成为相当大的一个真空应用领域 因 为人们对材料可靠性的要求 尤其对表面技术的应用定会有所增长 现在人们 都喜欢用防锈 防氧化的材料 铝合金虽己生产出来了 但就原有工艺稍加改 进 就会在性能上大有改观 如用氧化膜将材料与大气隔开 就能满足用户上 述的要求 这种情况 只要提示一下与真空厂家合作就能开拓一个相当可观的 市场 又如过去作超纯铝箔的方法很费事 又要把真空设备应用到这个项目的 生产过程中去 就一定会产生更好地超纯铝箔来 如果真空厂家能积极地参与 到这一应用领域中去 人们对真空的需求自然会大大加强 今后电子技术领域对真空的需求也会继续有所增长 由于真空是个很纯净 的空间 而电子元件的生产工艺也需要纯净 因此真空是制作电子元件的理想 环境 如分子束外延 半导体产品多是在真空状态中进行的 搞分子束外延似乎都在以超大规模集成电路为目标 要想达到这一目标就 要求有非常微细的结构 在这种情况下 最大的障碍就是灰尘 如果一系列的 操作都能在真空中进行 从底片进入真空室到最终处理完成也在真空中进行是 最理想的 如何去掉灰尘 首先是避免人与元件的直接接触 但真空设备不一 定都是干净的 一般认为放气 排气或者切换开关时就会扬起灰尘 所以还是 存在一定的问题 有时也需要给装置搞一个清洁的表面 清洁的表面是极其容 易受污染对 当必须使表面维持清洁状态的时候 有一个受到控制的气体环境 往往比处于超高真空状态更为理想 为了充入某种气体以保证清洁度 就要在 充分处理本底之后 再充入干净的气体 例如在溅射成膜时的真空度并不高 然而充入气体之前的本底压力则对膜的质量有很大的影响 所以溅射装置必须 给创造一个良好的本底真空度 有时由于充入其它气体 而使得真空度略有下降 但就在这种真空度稍有 改变的情况下 也可以进行同样的操作 真空技术不仅仅建立狭义上的真空 而且制作高纯气体 再受控制的环境下维持所需表面 这也是真空技术的应用 如果这样考虑 真空技术的应用也就更广泛了 真空设备似乎可以作为工具使用 人们随着对高级产品的需求 也迫切需 要真空技术更加简便 并可应用于高新技术领域 因此 在 21 世纪真空技术将 会继续得到发展 5 1 21 2 真空技术在能源方面的应用真空技术在能源方面的应用 最近 人们对能源危机的关注已逐渐淡薄 但如何根本问题并没有得到解 决 能源问题是一个长期地 不容乐观地重要问题 从长远的观点看 要研究 用新能源代替旧能源 如太阳能利用技术 在不久的将来 有可能达到实用化 日本曾提出到 1990 年 总能源的需要量的 2 将由新能源代替 将核聚变装置 列为 2l 世纪达到实用化的目标 现在各国都在进行太阳热利用技术 典型的太 阳热利用技术即对太阳热发电系统的研究 日本于 1981 年在香川县建成了第一座 1MW 的太阳热实验发电厂 采用塔式 聚光和曲面聚光两种方式 这两种方式的额定输出均为 1000kW 在美国 法国 俄罗斯 德国 西班牙及意大利等国都将太阳热发电厂的研究开发列入了国家 计划 这些工厂的容量为 500kW 10MW 并已建成应用 太阳热发电系统是由聚热装置 热传输管 蓄热装置 发电机和计量控制 装置所组成 太阳热发电的聚热温度范围很宽 约为 150 550 要想获得 150 以上 的热能 就必须有聚光装置 聚光的方式有很多种 但多数都采用反射镜 镜 面材料多使用银和铝等 表面镜由于膜面暴露在大气之中 受氧化和摩擦等因 素的影响 会使反射率较低 黑面镜的缺陷是在于基板和膜面的界面上 发生 污染 近来 由于高分子材料制作的软镜具有重复性好 透过率高 能大量生产 成本低等特点 而倍受重视 选择吸收面对有效利用太阳能极为重要 在选择吸收面的制作上 采用了 真空技术 高温聚热装置中采用了聚热管 为防止由聚热管造成的对流损失 用透明玻璃管覆盖在聚热管外面 玻璃管内保持真空状态 下面将按原理把选择吸收面的光吸收选择性 分类说明如下 1 利用半导体膜的谱带之间的迁移而产生基础吸收 在红外线领域具有高反射率的金属表面上 涂上一层吸收波长为 1 3 的 半导体膜 就制成了选择吸收面 用 Si Cu PbS Ge CuO Cr2O3等材料作为 6 半导体膜 这种结构的膜 它可吸收阳光转变为热能 对红外线则呈透明体 由于金属表面的作用使得辐射率变小 可以更有效地利用太阳能 由于 Si Ge 对太阳光的折射率高 涂上 SiO2等材料的减反射膜 对太阳光的吸收率变好 2 利用薄模干涉形成减反射效应 在基板上制成具有高反射率的金属膜 在膜上叠加干涉滤光镜 干涉滤光 镜由电介质膜 半透明金属膜 电介质膜所组成 像这样结构的膜 可见光在电 介质膜中被吸收 而红外线透过干涉滤光镜被金属膜面反射而使辐射率变小 采用这种方式的选择吸收面的例子如 Al2O3 MO Al2O3 MO 基板 及利用 光干涉效应的单层膜一耐温性极好的金属碳化物 金属氮化物 如 ZrCx HfCx 等 做成槽型抛物面镜收集器 带有 ZrCx Zr 选择吸收面 3 利用表面和膜结构形成的反射特性与波长的相互关系 在加工成深沟和棱角的表面上 垂直入射的太阳光 在沟与棱角的间隙中 经多次反射而被吸收 这种面会因高温加热而引起性能劣化 其原因可能由于蒸发 热分解 热 膨胀造成的剥离和表面成份变化 紫外线照射引起的化学反应或机械损伤等因 素造成的 太阳光利用技术 也就是利用太阳光来发电 它是通过太阳电池吸收阳光 先变为直流电再转换为交流电加以利用的 太阳电池就是将阳光直接转变为电能的元件 这种太阳光利用技术 过去仅被用在宇宙卫星 台灯电源和边远地区的通 讯电源 现在的价格仍较高 日本资料报道于 1984 年时其价格为 3000 日元 瓦 所以应用范围有限 如能在太阳能电池的主体材料上加以研究和改进 降低太阳能电池的成本 改进制作太阳电池生产的工艺 这种技术是会得到进一步发展的 如日本曾在 对 3Kw 的个人住宅 20Kw 集体住宅 200Kw 学校用装置 lOOKw 工厂用装置以 及 1000Kw 集中的大容量装置等进行了研究 这些装置的大部分电力 最终将联 接到电力系统上去 同现有发电厂组合运行 向形成综合电力调配系统方向发 展 非晶硅太阳电池的制造 如辉光放电分解法 反应溅射法 真空蒸发法等 7 多采用真空技术 辉光放电分解法 将被稀释的氢和氩等加入到硅烷等低压气体中引起辉光 放电 在等离子区分解硅烷 可使非晶硅堆积在低温基板上 另一种是反应溅射法 把结晶硅作为阴极 在 10 3 10 1托非活性气体中 加上高压使其放电 因放电产生正离子轰击阴极 阴极材料就被溅射出来 如 果在阴极附近安置一块低温基板 基板上将堆积起非晶硅膜 太阳电池不仅要求高效 廉价和大面积等特点 而且要求暴露在自然条件 下具有良好的稳定性 非晶硅的优点很多 能在玻璃 不锈钢 塑料等基板上作成大面积廉价的 薄膜 比结晶硅光吸收系数大 能带宽度比结晶硅宽 核聚变是人类未来的可靠能源 它的实现是全世界人们的愿望 目前 世 界上最先进的磁场封闭式托卡马克型核聚变装置 很多国家都在开发研制 美 国正在研制 TFTR 型 欧洲共同体制作 JET 型 俄罗斯研制 T 15 型 日本研制 JT 60 型的托卡马克型核聚变装置 大型聚变装置的建造和运行 大大推动了高新技术的开发 特别是真空技 术 低温技术 磁体技术 大功率脉冲电源技术和射频加热技术以及遥控处理 技术等 核聚变装置的真空室用来长时间包容高温等离子体 例如欧洲联合环 JET 真空室是一个全焊接的双层壁结构的环型容器 总容积为 200m3 焊缝总长达 8000m 这种真空室漏气率很低 在室温和 500 时要满足 3000 余年渗入真空 室 l 升气体的极微小的漏率 可控聚变装置用的高真空泵采用涡轮分子泵和低 温泵 前者用于检漏 后者则用于抽排聚变反应废气的主泵 工作于 4 5K 的具 有活性炭吸附剂的低温泵 所吸留的废气中 除了氘氚核反应产物氦灰外 还 有大量未能参与核反应的氘和氚 把回收后的氘和氚再注入到大环真空室中 把除氚外的杂质气体按环保要求排放出去 这种装置的研究 可通过国际合作攻关 人类有望在 2l 世纪中期建成氘一 氚核聚变示范电站 最终目标是提供市场销售用电的核聚变发电站 为 2l 世纪 的新能源和经济发展做出应有的贡献 等离子体科学技术和真空科学技术将会得到协同发展 并将为探索宇宙结 8 构和物质起源等重大基础科学研究中起着重要的作用 1 31 3 真空泵市场各类泵设备发展现状真空泵市场各类泵设备发展现状 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日益扩大 目前 全球真空泵市场的年销售额约 20 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 Kinney 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 14 仅次于干泵 所以 Nash Seimems 和 Kinney 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 9 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气的能力 4 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 LCVD 等装置都采用复合分子泵和牵引泵作为主泵 由于分子泵对水蒸气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 130 150 的低温冷板 称之为低温分子泵 水蒸气被低温板捕获 其他气 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 分子泵要从小到大建 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 5 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 45 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 10Pa 10 2Pa 抽速从 20m3 h 500m3 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 10 1 41 4 真空泵技术进展趋势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 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 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 尽快形成分子泵和干泵的规模生产 根据预测 到 2010 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 1000 亿块 达到 1000 亿美元以上 的总金额 需要建 30 多条大生产线才能满足需求 30 条生产线所需干式真空 泵大约 15000 台 是目前我国真空泵年产量的 1 10 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 1 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 200 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 10 家 年产量不足 1000 台 没有形 11 成批量生产 目前国内生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 日本 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 才能使整个行业与时俱进的发展 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 引进国外先进技术 提升我国产品的科技含量在其他行业有成功的经验 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 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 纳米科学等高科技弓 I 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 12 传统应用领域占领 90 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 90 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 多数企业期望只靠已有的 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 分子泵以及其他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 2003 年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 1 51 5 对真空技术未来发展的期望对真空技术未来发展的期望 对未来真空技术的期望 首先希望厂家能研制出方便耐用的设备 朝着用 户与厂家相互满足的方向努力 操作要方便 要缩短运转时间或生产周期 因 为花费在抽真空上的时间非常长 所以要加以解决 真空装置和仪表要高级化 提高设备的寿命和精度 希望在太空中建立真 空应用的工厂 空间站和飞船也会释放出自身的气体 真空并不理想 在空间 飞船后 100 米以外的地方才能获得理想的超高真空 要利用微重力条件下宇宙 真空环境 为人类服务 铝合金真空装置可能代替不锈钢 实现真空装置铝合金化 硬度问题利用 离子镀就可以达到实用化 今后的发展方向 一是向微小化领域 纳米科技和固体元件的研制 另一 个是向巨大化的领域 如核聚变的研究 其中在巨大化装置和使用多种气体的 真空装置方面 希望能研制出能够用于从粘滞流领域到超高真空的宽域型真空 泵 希望能研制出不经烘烤的超高真空装置或者烘烤 100 就可以了 总之要 以方便用户的操作为出发点 得到全世界用户对欢迎 13 我们希望 21 世纪中真空科学与技术取得更新的成就 真空行业得到更大的 发展 第二章第二章 罗茨真空泵的介绍罗茨真空泵的介绍 2 12 1 罗茨真空泵的术语和定义罗茨真空泵的术语和定义 1 抽气速率 当泵装有标准试验罩并按规定条件工作时 从试验罩流过的气体流量与在 试验罩上指定位置测得的平衡压力之比 简称抽速 单位 L s 2 极限压力 泵装有标准实验罩并按规定条件工作 在不引入气体正常工作的情况下 趋向稳定的最低压力 单位为 Pa 3 最大允许压差 最大允许压差是指泵入口压力等于或低于时 连续运转 1h 不Pa 3 101 发生故障所允许的出口压力与入口压力差值的最大值 单位为 Pa 4 零流量最大压缩比 零流量压缩比就是关闭进气管路 气体流量为零时 前级真空管路中 0 K 的压力与入口压力之比 该压缩比的最大值用表示 实验气体为非可凝 max0 K 性气体 一般指空气 2 22 2 罗茨真空泵的型式和基本参数罗茨真空泵的型式和基本参数 1 型号表示方法 14 图 2 1 型号示意图 表 2 1 类型 一般型带溢流阀 气冷式 代号 P Q 2 标记示例 1 名义抽气速率为 150L s 的罗茨真空泵 标记为 ZJ 150 2 名义抽气速率为 300L s 的带溢流阀罗茨真空泵 标记为 ZJP 300 3 名义抽气速率为 600L s 的气冷式罗茨真空泵 标记为 ZJQ 600 3 基本参数 一般型及带溢流阀型泵的基本参数应符合图 2 2 15 图 2 2 参数表 1 气冷式泵的基本参数符合图 2 3 16 图 2 3 参数表 2 2 32 3 罗茨真空泵的技术要求罗茨真空泵的技术要求 1 泵应符合标准要求 并按照经规定程序批准的图样及技术文件制造 2 ZJ P 型泵必须有前级泵为其预抽真空 它不能单独使用 ZJQ 型泵可 单独使用 直排大气 3 泵配用油封机械真空泵作前级泵时 则不适于抽除含氧气量过高 有爆炸 性的 对黑色金属有腐蚀性的 与真空泵油起化学反应和含有尘埃的气体 4 在带试验罩的条件下 ZJ P 型泵启动运转 30min 之后 应达到图 2 2 规定的极限压力 ZJQ 型泵在启动和运转平衡后 一般 3min 到 5min 应达到图 2 3 规定的极限压力 5 本标准不考核抽气速率 如需测量抽速 ZJ P 型泵必须配置相应的前 级泵 并注明前级泵的型号和规格 6 ZJ P 型泵的其他性能应符合图 2 2 的规定 ZJQ 型泵的其他性能应符 合图 2 3 的规定 17 7 泵工作的环境温度为 CC 40 5 8 泵应运转平稳 转子不得有撞击声 不应有杂音 9 泵的动密封不允许有漏油现象 10 泵的外表面应油漆光洁 紧固件及其他外露加工表面应做防锈处理 11 泵应无故障运行时间 2500h 12 泵出厂必须带有必要的备件和专用工具 13 在用户遵守泵的运输 保管 安装 使用维护的条件下 从制造厂发货 日期起一年内 泵因制造质量不良发生损坏而不能正常工作时 制造厂应 为用户免费修理或更换 18 第三章第三章 ZJ 150ZJ 150 型罗茨真空泵的总体设计型罗茨真空泵的总体设计 罗茨真空泵 简称罗茨泵 是一种旋转式变容真空泵 它是由罗茨鼓风机 演变而来的 根据罗茨真空泵工作范围的不同 又分为直排大气的低真空罗茨 泵 中真空罗茨泵 又称机械增压泵 和高真空多级罗茨泵 一般来说 罗茨 泵具有以下特点 1 在较宽的压强范围内有较大的抽速 2 起动快 能立即工作 3 对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感 泵腔内气体垂直流动 有利于 被抽的灰尘或冷凝物的排除 4 转子之间 转子与泵腔之间有间隙 泵内运动无摩擦 转子不必润滑 泵 腔内无油 5 转子形状对称 振动小 选择高精度的齿轮传动 运动时噪音低转子动平 衡条件较好 没有排气阀 6 驱动功率小 机械摩擦损失小 7 结构紧凑 占地面积小 通常选卧式结构 8 运转维护费用低 因此 罗茨泵在冶金 石油化工 造纸 食品 电子工业部门得到广泛的 应用 在泵腔内 有二个 8 字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上 由传 动比为 1 的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动 在转子之间 转子与泵 壳内壁之间 保持有一定的间隙 可以实现高转速运行 由于罗茨泵是一种无 内压缩的真空泵 通常压缩比很低 故高 中真空泵需要前级泵 罗茨泵的极 限真空除取决于罗茨真空泵本身结构和制造精度外 还取决于前级泵的极限真 空 为了提高泵的极限真空度 可将罗茨泵串联使用 19 3 1 ZJ 150ZJ 150 型罗茨真空泵的总体构成型罗茨真空泵的总体构成 此次设计的 ZJ 150 型罗茨真空泵是参照国内外同类产品 在现有的基础上 扬长避短 而设计出来的 罗茨真空泵的工作原理与罗茨鼓风机相似 由于转子的不断旋转 被抽气 体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间 v0内 再经排气口排出 由于吸气后 v0空间是全封闭状态 所以 在泵腔内气体没有压缩和膨胀 但当转子顶部转 过排气口边缘 v0空间与排气侧相通时 由于排气侧气体压强较高 则有一部 分气体返冲到空间 v0中去 使气体压强突然增高 当转子继续转动时 气体排 出泵 如图 3 1 为罗茨泵转子由 0 转到 180 的抽气过程 在 0 位置时 图中 a 下转子从泵入口封入 v0体积的气体 当转到 45 位置时 图中 b 该 腔与排气口相通 由于排气侧压强较高 引起一部分气体返冲过来 当转到 90 位置时 图中 c 下转子封入的气体 连同返冲的气体一起排向泵外 这时 上转子也从泵入口封入 v0体积的气体 当转子继续转到 135 时 图中 d 上转子封入的气体与排气口相通 重复上述过程 180 图 e 位置和 0 位置是一样的 转子主轴旋转一周共排出四个 v0体积的气体 20 图 3 1 工作过程 目前国内外的罗茨泵 多数为卧式结构 泵的进气口在上 排气口在下 这种卧式结构重心低 高速运转时稳定性好 罗茨真空泵的两个转子是通过一 对高精度的齿轮来实现其相对同步旋转的 如图 3 2 是罗茨真空泵的剖面示意 图 1110987654321 12 13 14 1516 图 3 2 罗茨泵剖面示意图 1 Y 系列异步电动机 2 爪型弹性联轴器 3 支架 4 密封压盖 5 前端板部件 6 油杯 7 前盖板部件 8 泵体 9 转子部件 10 后盖板部件 11 轴承压盖 12 放油塞 13 出口盲板 14 泵底座 15 挡油盘 16 中间法兰 泵的传动多为直联式的 大泵则有皮带传动的 电动机与传动齿轮 多设 在转子轴的两侧 安装拆卸方便 主动轴传递的扭矩较大 轴要有足够的强度 21 和刚度 轴与转子要固结牢靠 罗茨泵的密封很关键 主动轴外伸部分 两个 转子的轴承与泵腔之间设有动密封 泵腔与各端盖设有静密封 22 3 2 电动机的选择电动机的选择 罗茨泵泵腔内无摩擦 转子可高速运转 一般为 1500 3000r min 而且不 必用油润滑 可实现无油清洁的抽气过程 泵的润滑部位仅限于轴承和齿轮 以及动密封处 罗茨泵没有往复运动不见 故可实现良好的动平衡 因此 罗 茨泵运转平稳 转速高 尺寸小可获得大的抽速 有关参数 表 3 1 有关数据 1 容积效率 0 7 0 9 范围内选取 取 0 8 V V V 2 几何抽速 按 计算得 1 2 th s Vth ss sL 3 转子相对长度 选择得 3 0 l k 4 型线的质量系数 对于双叶转子为 0 617 0 50 选择得 0 524 0 k 5 转子顶的圆周速度 决定转子的离心力大小 也就是决定转子的强 2 u 2 u 参量参数 值 单位 功率 3 0KW 吸入口 压力 1 33Pa 出口压 力 133Pa 额定转 矩 2 2N m 抽气速 率 150L S 转速 2900r min 真空极 限 0 05Pa 23 度故取 65m s 6 转子的计算半径 R 3 1 m ukk s R l th 1115 0 20 取 R 0 112 7 转轴的计算频率 n 3 2 1 2 96 2 s R u n 8 轴旋转频率 选异步电机旋转频率 1 66 96 sn 故选用 Y132S1 2 Y 型异步电动机 3 33 3 总体传动结构设计总体传动结构设计 1 总体传动比 3 3i1 2900 2900 0 w n n i 2 传动装置的运动和动力参数计算 轴 3 4kwP0 3 0 min 2900 0 rn 3 5mN n P T 11 18 2900 100 3 55 9 55 9 3 0 0 0 轴 3 6 齿 01 PPkw97 299 0 0 3 3 7min 2900 1 2900 0 1 r i n n 3 8mN n P T 78 9 2900 1097 2 55 955 9 3 1 1 1 3 故定最小轴径 3 9 mmdd38 4 30389 0 8 00 1 8 0 电机 所以选取联轴器轴孔 mmdd38 1 电机 mmdd35 2 24 图 3 3 联轴器示意图 3 43 4 斜齿圆柱齿轮传动设计计算斜齿圆柱齿轮传动设计计算 3 4 13 4 1 按齿面接触强度按齿面接触强度设计设计 1 齿轮精度选择 6 级精度 6 DB179 60 2 材料选择 齿轮材料为 40Cr 淬火 HRC50 50 3 选择齿轮齿数66 21 ZZ 4 选取螺旋角 10 5 按齿面接触强度设计试选 6 1 t K 6 选取 466 2 H Z87 0 21 所以 3 1074 1 21 7 齿轮传递的转矩 9 17 1 T 8 齿宽系数 1 d 9 材料的弹性影响系数 2 1 8 189 aE MPZ 25 10 查得齿轮的接触疲劳极限 aH MP450 lim 11 计算应力循环次数 3 11 10 11 10253 1 1530082129006060 n jLnN 12 查得接触疲劳寿命系数80 0 HN K 13 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 3 12 a HHN H MP s K 2583238 0 lim 14 计算齿轮分度圆直径 3 13 mm zz u uTK d H EH ad t t 036 163 258 8 189466 2 1 11 87 0 1 109 176 12 12 3 2 4 3 2 1 15 计算圆周速度 3 14sm dn v 7 24 100060 2900036 16314 3 100060 16 计算模数 3 15mm z d mnt42 2 66 11cos036 163cos 3 16mmmh nt 445 5 42 2 25 2 25 2 17 计算纵向重合度 3 17 08 4 11tan661318 0 tan318 0 z d 18 计算载荷系数 根据 6 级精度 查得动载系数 smv 8 19 25 1 v K1 A K 查得公式为 H K 3 18 30 1 23 521015 0 118 0 11 1 1015 0 18 0 11 1 3 32 bdKH 查得28 1 F K 26 查得1 1 FaHa KK 故载荷系数 3 1976 1 30 1 25 1 1 11 HHaVA KKKKK 19 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 3 20 2 168 6 1 76 1 036 163 3 3 t t K K dd 20 计算模数 n m 3 21mm zz d mn49 2 11cos 2 168cos 3 4 23 4 2 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 1 根据纵向重合度查得螺旋角影响系数 92 0 Y 2 计算当量齿数 3 22775 69 11cos 66 cos 33 21 z zz vv 3 查取齿形系数和应力校正系数并计算 F SaFaY Y 24 2 Fa Y75 1 Sa Y 3 23 01519 0 258 75 1 24 2 F SaFaY Y 4 设计计算模数 n m 3 24 786 0 01519 0 08 4 661 11cos92 0 10 9 1776 1 2 cos2 3 2 2 4 3 2 1 2 1 F SaFa ad n YY z YKT m 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的发面模数大于由齿根弯曲疲劳强度 27 计算的发面模数所以取已可满足弯曲强度 需按接触疲劳强度算得mmmn5 2 的分度圆直径来计算应有的齿数 于是由mmd 2 168 3 2504 66 5 2 11cos 2 168cos n m d z 取 Z 66 3 4 33 4 3 齿轮几何尺寸计算齿轮几何尺寸计算 1 计算中心距 3 26 mm mzz a n 088 168 cos2 5 26666 cos2 21 将中心矩圆整为 168mm 2 按圆整后的中心距修正螺旋角 3 27 830510 1682 26666 arccos 2 arccos 21 a zz 因值改变不多 故参数 等不必修正 a k H z 3 计算齿轮分度圆直径 3 28mm mz d n 168 830510cos 5 266 cos 4 计算齿轮宽度 mmb96 3616822 0 圆整后取 B 38mm 齿轮结构如图 3 4 28 图 3 4 齿轮示意图 3 53 5 转子体设计计算转子体设计计算 1 确定 R a 的比值 选取得 R a 1 488 2 计算节圆半径 a a R 1 488 0 084m 3 计算中心距 A A 2a 168mm 4 计算转子中心到转子头中心距离 b 3 29 maRaRb070 022 22 5 转子头半径 r mmbRr4270112 6 转子腰宽度 c mmRac562 29 7 转子头的半角 3 30 452z 8 转子腰部型线的绘制 由 3 31 2coscoscos rbAx 3 32 2sin2sinsin rbAy 3 330sin cos coscossin aba 计算所得坐标值 表 3 2 坐标值 x m y m x m y m 0 0 02960 0000 6 0 04050 0346 1 0 03040 0078 7 0 04250 0374 2 0 03180 0148 8 0 04430 0396 3 0 03380 0212 9 0 04570 0412 4 0 03620 0266 10 0 04700 0426 5 0 03840 0312 11 0 04820 0437 9 转子的断面积 A 计算得 A 0 0230 2 m 10 线型的质量系数 0 k 3 34560 0 1 2 0 R A k 11 转子的计算长度 p l 3 35 mnkRsl thp 310 0 2 0 2 12 材料的密度 经查表得球墨铸铁的密度为 33 103 7mkg 13 材料的屈服极限 T 30 由材料表查得MPa T 300 14 转子的体积 p V 经测量得 3 0023 0 mVp 15 转子轴心到半个转子的质心之间的距离 p r mbrp07 0 16 转子的角速度 619 9rad s 3 36 n 2 17 作用在半转子上的离心力 l F 3 37kNrVF ppl 3 735 0 2 18 转子轴的直径 B D 选得mDB05 0 19 转子腰部中心断面上的拉应力 3 38Mpa D ClF B pl 5 22 2 2 20 安全系数 z n 3 398 9 T z n 21 周围环境温度 0 t 选取Ct 20 0 22 工作状态对周围环境轴承盖的温升 选取得 3 40Cttt k 60 0 轴承盖温度 k t 23 轴承盖材料的线膨胀系数 6 1012 24 轴承盖受热中心距的增加量 31 3 41mmtAA115 0 25 泵壳工作时的温升和转子工作时的温升 Ctk 60Ctp 100 26 泵壳与转子材料的线膨胀系数 6 1026 pk aa 27 转子腰部受热伸长量 3 42mmtCaC pp 078 0 28 转子在工作时受热的半径伸长量 3 43mmtRaR pp 338 0 29 泵壳在工作状态受热的伸长量 3 44mmtRaR kkkk 203 0 30 工作状态转子受热长度增量 3 45mmtlal pp 884 0 31 工作时泵壳受热长度增量 3 46mmtlal kkk 530 0 32 在泄漏方向上端面间隙平均长度 mmcrl 5 88 33 排气温度 CKTV 150423 34 被抽气体分子量 给定值 29 M 35 间隙流导 3 47 smkkaDkkL M T U V 00298 0 22 4 36 3 443311223 36 容积利用系数 3 4870 0 1 3 V A A V th p T T P P s U v 32 37 转子长度校正 3 49mmll VP V p 305 38 转子大圆直径的 D 查表容积利用系数 59 0 取吸气系数 57 0 H 所以2 1 取DL24 1 DL mm DLn S D H 3 243 24 1 75 0 59 0 290014 3 1060012 1012 3 7 3 7 实 3 50 取 D 250 39 转子长度 L mmDL31025024 1 24 1 3 63 6 轴的结构设计计算轴的结构设计计算 3 6 13 6 1 按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算 1 电机功率 kwP5 5 2 轴传扭矩 3 51mN n P T 11 18 2900 5 5 95509550 3 轴的直径计算 T 3 52mm n P Ad5964 15 2900 5 5 1263 3 0 3 6 23 6 2 按刚度条件计算按刚度条件计算 max 33 经查表得铸铁剪切弹性