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無油螺杆真空泵螺杆轉子設計理念的回顧與展望

文字:[大][中][小] 手機頁麵二維碼 2019/2/28     瀏覽次數:    
    無油螺杆真空泵螺杆轉子設計理念的回顧與展望
    摘要:基於對國內外公開文獻資料的學習和作者多年研究工作的總結,本文回顧了當前關於無油螺杆真空泵中螺杆轉子的設計思路與方法,從轉子設計的幾何學計算、常用轉子型線的構成、等螺距與變螺距的螺旋展開方式、轉子動平衡設計方法等幾方麵,進行了詳細的綜述;選擇介紹在國內有產品銷售的六款采用特殊結構螺杆轉子的外國螺杆泵產品,對其轉子特點進行了分析。針對幹式泵在應用領域所麵臨的新挑戰,本文還提出了基於氣體熱力過程分析的螺杆泵專屬設計新理念和采用通用泵體和專屬轉子的螺杆泵生產新方法,並展望由此可能帶來的新變化。
    關鍵詞:螺杆真空泵;轉子;綜述;設計方法
    螺杆轉子的螺旋展開方式——等螺距與變螺距

    幾乎每個早期開發螺杆真空泵產品的生產廠家,都是首先從等螺距螺杆轉子做起。這一方麵是因為等螺距螺杆易於加工,與螺杆氣體壓縮機和螺杆液體輸送泵的轉子更為相似;另一方麵也是因為等螺距螺杆真空泵的無內壓縮排氣方式,利於抽除含有固體顆粒雜質或可凝性蒸汽的不純淨氣體,更適合幹式真空泵的某些早期應用場合。例如,IT行業是最早提出無油直排大氣真空泵迫切需求的應用領域之一,其中一些工藝設備需要經常抽除攜帶有固體顆粒的氣體,或者為了避免被抽氣體中某些可凝性成分在泵腔內凝結成固體(或液體)微粒,這些設備一直在使用等螺距螺杆泵。

    在等螺距螺杆泵獲得成功之後,采用變螺距螺杆轉子的螺杆真空泵被陸續開發製造出來並迅速得到市場的認可。一方麵是因為,從理論分析和實際應用中都已經證明,基於泵內預壓縮的排氣方式,變螺距螺杆泵比等螺距螺杆泵具有明顯的節能、降溫、降噪效果;另一方麵則是因為,伴隨著高檔數控機床的技術發展和普及應用,使得變螺距螺杆轉子的加工製造成本逐漸下降,從而降低了變螺距螺杆真空泵的整體成本價格,使變螺距螺杆真空泵的普及應用得以成為可能。實際上,變螺距螺杆轉子所采用的變螺距方式,目前仍然處於受加工製造能力和成本限製的階段,製造廠家的設計理念更多地是考慮如何能夠低成本高效率地將其製造出來。我國國內企業目前極少有變螺距螺杆真空泵的定型產品,也主要是受到設計、加工能力的製約。本節下麵主要介紹變螺距螺杆轉子的各種螺旋展開方式。
    二段式(突變式)變螺距
    目前幾何結構最簡單的變螺距方式,是將端麵型線相同但導程不同的二段等螺距螺杆直接粘接串聯在一起,如圖3(a)所示。泵的進排氣壓縮比等於二段螺杆的導程比。在抽氣過程中,被抽氣體從長導程端被吸入,經過無壓縮地輸送一段距離後,在二段螺杆的交界麵處,在螺杆轉動一周的時間內被迅速壓縮,其體積縮小比例等於泵的壓縮比,然後再次經過無壓縮輸送一段距離後與排氣口相通,壓力升至排氣壓力,最後匯同反衝氣體一同排出泵外。
    一段式(漸變式)變螺距
    常規的漸變方式是比較容易加工的變螺距方式,即螺杆轉子的端麵型線保持不變,而局部導程由吸氣端向排氣端連續變化逐漸變小,其導程的具體變化規律可以多種多樣,隨設計者的要求和加工機床的能力屬性而有所不同。圖3(b)給出的就是導程隨螺旋轉角成線性變化[12]的變螺距螺杆轉子示意圖,這種變化規律符合基本數控編程指令中的變導程螺紋加工G34指令,因此大多數數控機床都能夠實現。漸變式螺杆的吸排氣壓縮比等於吸氣口終點後第一個2π螺旋轉角內氣體容積與排氣口前第一個2π螺旋轉角內氣體容積之比。在排氣過程中,被抽氣體從吸氣口進入到吸氣口後第一個2π螺旋轉角內的泵腔容積中被完全隔離,隨後在被輸送過程中逐漸被壓縮,泵腔容積呈線性變化,直至到達排氣口前第一個2π螺旋轉角內的泵腔容積中,其體積縮小比例等於泵的壓縮比,然後與排氣口相通,壓力升至排氣壓力,最後匯同反衝氣體一同排出泵外。
    三段式變螺距針對變螺距螺杆泵內氣體輸運過程的熱力學研究表明[18],被抽氣體在到達排氣口之前如果經曆一段等容輸送過程,則對於提高泵的極限壓力和降低排氣溫度均有良好效果。也有來自應用現場的技術人員反映,這種結構還在一定程度上具有降低排氣噪聲的作用。將這一理念應用於變螺距螺杆轉子的設計,便出現了三段式漸變螺距的轉子結構。
    在端麵型線保持不變的情況下,三段式變螺距螺杆轉子的前後兩端各為一段等螺距螺旋,隻是進氣端的螺旋導程較大而排氣端的螺旋導程較小;在其中間則是一段漸變式的變螺距段,該段螺旋的導程由進氣端的大導程逐漸過渡到排氣端的小導程,三段導程的連接均為平滑過渡。
    圖3(c)給出的就是三段式變螺距螺杆轉子示意圖。這種轉子螺杆泵的進排氣壓縮比就等於轉子進、排氣兩端的導程之比。被抽氣體在泵內先後經曆兩次等容輸送過程,而中間壓縮過程的時間長短則取決於轉子中間變螺距段所占據的螺旋轉角角度的大小。與前麵單純漸變式變螺距螺杆轉子相比,三段式變螺距螺杆轉子的優點是:吸氣端具有更大的初始吸氣容積,因此理論抽速更大些;排氣端具有一段等容輸送過程,使其熱力學性能更佳。但這種變螺距轉子的設計和加工難度更大,為其普遍推廣帶來一定困難。還有少數產品取消了吸氣端的等螺距段,而直接將變螺距端一直延伸至吸氣端麵,從而成為由漸變段和等螺距段構成的漸變二段式變螺距轉子,如圖(d)所示。
    等齒頂寬變螺距
    上述各種變螺距螺杆轉子有個共同的幾何結構特征是:隨著螺杆轉子的導程由吸氣端向排氣端逐漸變小的過程中,轉子齒型中的齒頂寬(以及對應的齒根寬)也隨之等比例地逐漸變窄[19-23],而這一結構特征會直接導致螺杆泵的抽氣性能變差。因為轉子齒頂麵與泵體內表麵之間的間隙是轉子排氣過程中氣體級間返流的最主要泄漏通道[24,25],而轉子齒型的齒頂寬則相當於該泄漏通道的深度,齒頂寬越寬,泄漏通道越深,對級間泄漏的阻擋能力越強,則相鄰兩級之間的氣體返流量就越小。前述的變螺距螺杆轉子,存在有如下不合理狀況:在轉子吸氣端,氣體壓力和級間壓力差均比較小,返流不嚴重,但此處的齒型齒頂寬卻不必要地變大,結果降低了泵的理論抽速;反之,在轉子排氣端,級間氣體壓力差很大,氣體返流很嚴重,但此處的齒型齒頂寬反倒變小,致使氣體返流量增大。這會直接造成螺杆真空泵的極限真空度降低和抽氣速率下降的後果。
    針對這一問題,本文作者曾開發了一種近似等齒頂寬的單頭漸變式變螺距螺杆轉子新型線[26,27],如圖4所示。這種轉子的主要特征是:當螺杆轉子的螺旋導程由排氣端向吸氣端逐漸增大時(圖中P1<P2<P3<P4),轉子齒形麵的齒頂寬可以保持近似不變(圖中B1=B2=B3=B4)。與前述型線相比,在吸氣端齒頂寬相對較小,因此能夠增大吸氣端的容積利用係數和吸氣容積;而在排氣端齒頂寬卻相對較大,因此能夠降低排氣端的氣體返流泄漏,從而提高泵的抽速和極限真空度。這種轉子的端麵型線依次由齒根圓、擺線、齒頂圓和漸開線線順序相接組成,如圖2(a)所示;在端麵型線沿軸向作變螺距螺旋展開過程中,轉子螺旋導程由排氣端向吸氣端逐漸增大,而端麵型線中漸開線的發生基圓半徑則隨之逐漸變小,從而使轉子齒形麵的齒頂寬近似地保持不變。由於該轉子的端麵型線沿軸向始終是變化的,所以該轉子的設計、加工和裝配都有很大難度。
    結束語
    正如本文引言中所述,無油螺杆真空泵的應用市場已經成熟並正在迅速成長,而我國螺杆泵的設計、製造水平尚處於低水平的引進消化探索階段,還遠遠不能適應我國當前市場的實際需求。其中螺杆轉子的設計理論和製造技術的落後,正是製約螺杆泵技術與產品進步的關鍵因素之一。例如,在北京2015年第十三屆國際真空展覽會上,所展出的國產螺杆泵大多數還是采用的等螺距螺杆轉子,因此排氣功耗大,轉子的工作轉速也多是直連電機的同步轉速。對照近幾年外國公司的產品,大量出現排氣功耗小的變螺距轉子,且多采用增速機構以提高轉子的工作轉速。
    本文嚐試從幾何結構計算、型線構成、轉子動平衡方法、螺旋展開方式等幾方麵,對現有的設計思想和國外產品進行粗淺的分析,總結並提出一些不成熟的設想,掛一漏萬,屬一孔之見。本文作者之所以敢於大膽、冒昧地提出自己的觀點看法,其本意在於拋磚引玉,激發國內相關同行學者和工程技術人員的熱情,共同探討相關技術的突破點,從而盡快提升我國無油螺杆真空泵的設計、製造和應用水平,為國家的整體技術水平的提升做出自己應盡的義務,為國家的經濟建設做出更大的貢獻。

    由於本文作者很少有機會親臨工程實際現場直接參與螺杆泵的開發研製和工程應用工作,所以缺乏實際經驗和信息來源,文中所提觀點多是通過文獻資料的學習和“閉門造車”式的研究所得,因此,錯誤、不足之處在所難免,但期望對國內相關技術人員有所幫助,供大家參考借鑒,也衷心歡迎提出批評指正。


本文由 積木式單雙螺杆 整理編輯。


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