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  如前所述,螺桿真空泵中使用的螺桿轉子通??梢暈閯傂赞D子,廣義上的剛性轉子動平衡,包括

  對于等螺距螺桿轉子,不論轉子采用何種端面型線,當螺桿長度等于節距的整數倍時,都能自動保證質心處于轉動軸線上,從而滿足靜平衡要求;但由于其偏心質量是分布在不同的回轉平面上,所產生的離心慣性力不能完全相互抵消,因而無法保證慣性力偶為零,且轉子越長,慣性力偶的扭矩越大。而當轉子長度不等于螺旋導程的整數倍時,則轉子的整體質心會偏離軸線,甚至靜平衡的條件也無法滿足了,所以在螺桿轉子的設計、制造過程中,必須進行專門的動平衡設計計算和采取動平衡加工處理。

  實際生產中廣泛采用質量補償法來實現轉子的動平衡,即在轉子適當的位置處去除或添加一部分材料,來調節轉子質量的空間分布,從而滿足慣性力和慣性力偶同時為零的條件。根據螺桿真空泵中螺桿轉子制造材料和工藝的不同,去除質量的方法目前有鑄造法和機加法兩種方式。

  對于轉子毛坯采用鑄造成型的螺桿轉子,可以在鑄造轉子毛坯時直接預留出質量補償孔,即鑄造法。等螺距鑄造轉子的質量補償孔通常開設在轉子兩端的側面,隨轉子的螺旋展開方向向內自然延伸,如圖5(a)所示。確定質量補償孔的形狀、位置和延伸深度等結構參數,就是轉子動平衡設計的主要任務。本文作者提出過一種適用于等螺距鑄造轉子的動平衡設計理論,對于任意長度的螺桿轉子,都可以通過在轉子兩端側面開設幾何結構完全相同的質量補償孔,來實現轉子的完全動平衡,并給出了質量補償孔的形狀、位置和延伸深度的計算公式,可供相關設計人員參考,避免其盲目試驗摸索。

  對于沒有采用鑄造成型工藝的純機械加工轉子,只能通過在轉子體上直接加工質量補償孔來實現動平衡。受加工方式的限制,等螺距機加轉子的質量補償孔大多設置在轉子的齒頂面上,且盡可能向兩端排布,如圖5(b)所示。雖然目前公開的轉子動平衡設計理論,尚沒有關于這種質量補償孔的大小、深度和位置的直接計算方法,但利用PRO/E等實體造型工具軟件中的分析功能來分析模型的質量屬性,可以直觀地得到模型的質心位置及慣性張量,經動平衡自動搜索優化計算,也可以得到滿足轉子動平衡條件的設計方案。

  對于變螺距螺桿轉子,由于排氣端的齒形通常偏于薄小,已經不適合在其內部或外表面上去除質量了,所以其動平衡設計習慣于僅在吸氣端去除補償質量。變螺距螺桿轉子的吸氣端不但齒形通常十分厚重,而且二螺桿轉子在與泵吸氣口相對應的區域不需要雙向全封閉嚙合。因此,可以在此處直接切削偏向吸氣側的齒形面以實現轉子動平衡,僅保留偏向排氣側的齒形面用于引導被吸入氣體。

  圖6是一種漸變式變螺距螺桿轉子的動平衡質量補償體示意圖。理論上,任何種類端面型線的漸變式變螺距螺桿轉子,都能夠同時滿足慣性力和慣性力偶同時為零的動平衡條件;確定去除質量補償體形狀、位置的方法,仍然可以借助PRO/E等軟件的質量屬性分析和自動搜索優化功能來完成。不過通過這種方法實現動平衡的變螺距螺桿轉子,沿軸向質量分布更加不均勻,轉子體內部的應力更大,所以設計時轉子體應具有更好的剛性。

  下面介紹幾款采用特殊結構轉子的國外螺桿泵(專利)產品,并分析其獨特的轉子設計理念。

  SIHI dry(中文翻譯為“希赫”)泵是德國斯特林(Sterlin)特有的一款專利產品。早于1995年即申報了德國專利。這款產品的設計理念與其它常規的螺桿真空泵有很大的不同。本文作者認為:如果說常規的螺桿真空泵的設計思路與傳統氣體壓縮機相仿的話,那么SIHI dry螺桿泵的設計思路則更接近于通風機的風格。

  如圖7所示,希赫泵的結構設計具有如下特點:二個螺桿轉子采用立式懸臂支撐方式,即二轉軸平行豎直布置,由位于轉子軸中部的上軸承和轉子軸下端的下軸承定位支撐,二轉軸分別由二個永磁變頻電機獨立驅動,通過變頻電源精準控制二臺電機作同步逆向轉動,來實現二轉子的同步嚙合運動完成抽氣。電機的轉子部分固定于轉子軸的上、下軸承之間,電機的定子部分固定于下泵體內。

  希赫泵內只設置了一對十分輕薄的用同步齒輪作為安全保護部件,安裝于轉子軸的上定位軸承上方,僅僅用于防止因電動機故障或泵內機械故障而可能導致的轉子干涉碰撞,而在平時正常抽氣過程中,二同步齒輪相互間并不嚙合受力。由于不依賴同步齒輪的驅動,所以同步齒輪不需要油潤滑和散熱,因此該泵取消了潤滑油箱,成為家宣稱的“真正無油”的真空泵。

  也正是由于擺脫了同步齒輪的機械嚙合,使得希赫泵的轉子工作轉速可以明顯高于其它類型的螺桿泵,正常在8000r/min左右。為了適應高轉速的需要,轉子體采用了雙頭對稱型線,這樣使轉子體在任意軸截面上的質心均處于轉子回轉軸線上,從而自然滿足動平衡要求,而不會在轉子體內產生偏心慣性力和慣性力偶。

  為適應希赫泵的高轉速工作方式,出于安全可靠的需要,該泵二轉子之間以及轉子與定子(上泵體)之間均采用相對偏大的運動間隙。對于因此而帶來的氣體返流泄漏增大的問題,主要是通過增大抽氣流量來補償。

  當然,高速轉動的轉子可以在各個運動間隙處產生更大的切向氣流速度,從而對泵內由排氣端向吸氣端的軸向氣體返流泄漏形成更強的抑制作用。但總體上看,希赫泵的內部返流泄漏是很大的。

  為此,希赫泵采用大流量的設計思想,其轉子的抽氣效率設計值是的,即名義抽速與幾何抽速之比,遠小于常規螺桿真空泵,所以保證在很大返流的情況下,也能達到泵的名義抽速和極限真空度的指標(這也是其它高轉速泵的共同特征)。

  大運動間隙以及立式結構,給希赫泵帶來的另一個好處是,對被抽氣體中含有凝結液滴或顆粒粉塵等異物具有更強的承受能力,不易在泵腔內形成沉積。據部分用戶反映,希赫泵的高轉速、大流量、弱壓縮的通風機特征的抽氣方式,比普通螺桿泵更適合化工、制藥等行業中抽除各種化學溶劑的工藝作業。

  希赫泵的轉子體是套裝在懸臂定位的轉子軸上段,上泵體也是由上部垂直安裝,因此無需拆除軸承和轉軸,即可以方便地拆卸上泵體和轉子體,對抽氣腔內部進行檢查清洗,這一特點也使“希赫”泵對惡劣工況適應能力更強。與之類似的還有美國泰悉爾(Tuthill)的專利產品KDS-425型立式螺桿泵,也同樣采用了上部可拆卸的結構。

  希赫泵上泵體的進氣口設在二轉子體中央的正上方,轉子抽氣采用上端面進氣模式,因此,在泵體進氣口與轉子體上端面之間留有必要的布氣空間,以便由二轉子中間上方進入的氣體,能夠順暢地流向轉子體外圈的極齒抽氣區間。與之對應,在轉子體的排氣端面下方,也留有必要的空間來保障順暢地排氣,而不是像普通螺桿泵那樣要求具有嚴格的排氣端面間隙和排氣口形狀。希赫泵的這種設計理念和結構特征,在其它高轉速螺桿泵中也有體現。

  為了強化泵內預壓縮排氣效果,英國愛德華(Edwards)開發了采用錐形轉子的GXS系列螺桿線所示。

  錐形螺桿轉子的齒頂圓外徑由吸氣端向排氣端線性減小,當然,泵體定子的泵腔內徑也隨之對應地減??;同時,錐形螺桿轉子的齒根圓外徑則以相同比例線性增大,從而保持二轉子軸線相互平行即中心距保持不變。鑒于螺桿轉子的吸氣容積就是處于齒頂圓與齒根圓之間的環形空間,所以隨著齒頂圓的縮小和齒根圓的增大,錐形轉子的每一級儲氣容積沿軸向由吸氣端向排氣端迅速減小,從而能夠在較短軸向距離內實現很大的內壓縮比。這是其它變螺距方式無法做到的。

  在靠近吸氣口處,希望獲得足夠大的初始吸氣容積和均勻的抽氣速率,所以采用了導程由吸氣端向排氣端逐漸增大的變化方式,從而彌補環形吸氣面積變小的缺陷;

  錐形轉子螺桿的技術難度在于:沿軸向不同截面處的轉子端面型線均不相同,為轉子的設計與制造帶來困難;二錐形轉子與錐形孔泵體之間的裝配,也要求極高的定位精度,遠難于普通螺桿轉子的裝配工藝。

  愛德華雙側排氣轉子螺桿泵依據螺桿轉子軸線的布置方向,螺桿真空泵可以分為

  臥式泵和立式泵二大類。其中臥式泵為常見,二只轉子的軸線與地面平行等高布置,進氣口在泵的前端二轉子中間正上方,排氣口在泵的后端側面偏下。

  ,即轉子前后兩端均有軸承支撐。選擇后端軸承作為軸向定位基準,從而嚴格控制轉子后端面與定子排氣口端面間的運動間隙;前端軸承則允許轉子軸與軸承內圈或軸承外圈與定子之間做適量的軸向運動,轉子前端面與定子吸氣端面間也留有較大間隙,從而保障轉子做軸向的自由熱膨脹。

  與之不同的是,英國愛德華(Edwards)推出一款CDX1000型雙側排氣臥式螺桿真空泵,雖然其轉子軸采用兩側支撐,但每根軸的轉子上卻從中間向兩側對稱地開設旋向相反的二段轉子體,進氣口設置在泵體的中央,氣體由進氣口吸入后被螺桿攜帶著分別向兩側輸送,并分別從兩側各自的排氣口向下方排出,終經外部管道匯合至泵體下方中部的總排氣口,如圖9所示。

  這種雙側排氣轉子結構的特點是:在轉子體外徑不變的情況下,泵的總抽速近乎成倍增大,適合于大抽速泵的設計,避免大抽速螺桿轉子外徑過大和齒槽過深的缺陷;

  泵體的長度尺寸僅僅是增加了一個轉子體,其它輔助部分尺寸幾乎不變,所以總體外形尺寸遠遠小于同樣抽速的單側排氣泵;

  轉子兩側都受到相同的排氣壓力作用,從而抵消了吸排氣口間的軸向壓力,轉子軸的軸承定位,不需要像單側排氣泵那樣克服不平衡軸向力;

  轉動時兩側對稱轉子體產生的慣性力偶可以互相抵消,所以容易保證轉子的動平衡;

  雙側排氣泵的轉子軸需要適當加粗以保證具有足夠的剛度,防止因軸過長而在轉動時產生彈性變形。

  萊寶臥式懸臂轉子螺桿泵同樣作為臥式泵,德國萊寶(Leybold)的

  SP450型螺桿泵采用了臥式懸臂轉子。二平行轉子軸水平等高布置,由固定在后泵體內的中軸承和后軸承支撐,轉軸前端懸臂固定變螺距的轉子體。在轉子體外面套裝了中泵體和前吸氣口端蓋。與前述斯特林希赫泵和泰悉爾KDS-425型立式螺桿泵類似,

  懸臂泵的突出優點就是可以在不動軸承和轉軸的情況下方便地拆卸泵體,對抽氣腔內部做及時的檢查清洗,因此適合于被抽氣體中含有可凝性蒸汽、液滴或固體顆粒物的工況。SP450型螺桿泵的轉軸為中空套管結構,潤滑冷卻油從轉軸后端中心孔泵入,沿中心導管流到轉軸前端,對轉軸及其轉子體起到一定降溫作用;再經導管外的環形流道返回至轉軸中部,由轉軸的徑向泄油孔噴射出,為中軸承和同步齒輪潤滑降溫。

  另一個結構特點是采用了內置電機,電動機直接固定于后泵體內,位于二轉子軸正中上方,經一對增速齒輪驅動主動轉子軸,轉子正常工作轉速設計在6000r/min左右。

  TSP 系列螺桿真空泵,采用了獨特的內冷卻空心螺桿轉子,在轉軸和轉子體內部設置了冷卻水通道,并與泵體的冷卻水通道串聯起來。冷卻水從泵體前端進入泵體水路,依次流過并冷卻泵體各部后,再從軸后端進入轉子體內腔冷卻轉子體,后又返回軸后端排出,如圖10所示。

  這種設計冷卻效果很好,據報道,作為等螺距螺桿轉子,可控制螺桿表面溫度低于120℃。螺桿轉子體溫度降低,可為螺桿泵的工作性能帶來直接改善,例如轉子體表面的防腐涂層不會發生高溫燒蝕、熱疲勞脫落等常見失效現象,從而延長可靠使用壽命,保障抗腐蝕能力,適用于強腐蝕環境;被抽氣體中含有有機物質成分時,不會因轉子表面溫度過高而發生裂解碳化和在體表沉積結垢。

  內冷卻轉子工作溫度降低,還直接導致轉子體工作間隙設計理念的改變。普通螺桿轉子與泵體之間的尺寸間隙,除了需要考慮加工精度、裝配精度的偏差量,以及為防止固體微顆??ㄋ篮涂紤]結垢所預留的運動間隙之外,還重點需要考慮轉子體熱膨脹的尺寸變化。因為水冷泵體的尺寸熱脹變化量很小而轉子體高溫時熱脹尺寸增大,所以冷態轉子與泵體之間必須留有考慮轉子體熱膨脹的間隙余量;更為精細的設計還會考慮轉子排氣端溫度高而吸氣端溫度低的因素,所以將轉子體外徑設計成有微量錐度的形狀。

  這種設計帶來的另一個好處是內冷卻轉子螺桿泵達到極限真空度所需要的時間大為縮短,因為普通螺桿泵在運行初期轉子間隙偏大,內部級間返流嚴重;只有當泵溫升高轉子體積膨脹后,轉子間隙變小,螺桿泵才能達到其極限真空度。而內冷卻轉子可以在冷態下直接達到極限真空狀態。

  VS系列螺桿真空泵的突出特點是采用了陰陽轉子,即主從轉子的螺旋頭數和結構造型均不相同,俗稱4-6頭轉子,如圖11所示。

  這種轉子型線的設計理論和制造工藝研究歷史悠久,已經十分成熟,在螺桿氣體壓縮機中得以廣泛應用。然而,盡管此前有文章和專利論述過這類型線應用于螺桿真空泵的可行性,但已有多方信息渠道反映,將氣體壓縮機的螺桿轉子直接應用于抽真空是不成功的。

  美國壽力是加工螺桿轉子、生產螺桿氣體壓縮機的傳統家,近幾年才在中國推出

  VS系列螺桿真空泵,其重要意義就是在于成功地將螺桿壓縮機的轉子設計制造技術引入到螺桿真空泵制造領域。如果加以推廣,就有可能借助于已經十分成熟的氣體壓縮機螺桿制造技術(利用專業化螺桿銑床和盤式成形銑刀一次加工成形),快速方便地加工出螺桿轉子,從而大大降低螺桿轉子的生產制造成本。不過,據經銷商介紹,VS系列螺桿真空泵泵腔內使用了潤滑油,起到潤滑和密封間隙的作用,所以

  干式真空泵面臨的挑戰伴隨著無油螺桿真空泵應用范圍的擴展和應用技術的提高,更多新的技術問題隨之出現,對無油真空泵的設計技術要求也隨之發生改變。

  而如今在許多真空應用領域的眾多工藝環節中,被抽除對象不再單純是空氣,更主要的是工藝過程中所涉及的工作介質蒸汽。

  例如:制藥工業中溶劑萃取工藝結束階段的溶劑回收,抽除的氣體中除極少量的泄漏進入系統的空氣外,絕大部分成分是乙醇、丙酮等有機溶劑的蒸汽;變壓器煤油汽相干燥工藝中,加熱階段之后的多次降壓抽空過程,排除的主要都是煤油蒸汽和水蒸氣;而新近興起的油氣回收技術,在活性炭分子篩再生工藝環節中,要求抽除的主要是易燃易爆的汽油、柴油蒸汽。

  其次是抽氣目標的改變:與傳統真空技術單純追求被抽容器中高極限真空度和高抽氣效率的抽氣目標不同,

  在新的真空應用領域,如今更多地是開始關注氣體在泵內所經歷的輸運過程和排出泵外后的熱力學狀態。例如:在IT行業的眾多工藝中,抽除物多是含有可凝性物質的工藝氣體,為避免在泵內發生凝華而產生固體顆粒沉積,需要氣體在泵內保持較高的溫度和較低的壓力,因此適宜采用無泵內壓縮而只有排氣壓縮的抽氣方式,并且盡量削弱對泵內氣體的冷卻降溫效果;反之,在抽除易燃易爆物質的油氣回收過程中,必須始終保持油蒸汽處于溫度較低的狀態,因此油蒸汽應該在泵內及排氣過程中經歷均衡的升壓過程并伴隨強力冷卻效果;而在化工、制藥行業的溶劑回收工藝中,期望蒸汽在泵內輸運過程中保持必要的較高溫度以避免在泵內發生凝結,同時希望排出泵外后處于盡可能低的溫度以利于凝結回收,因此,適宜于采用較大的泵內壓縮過程和較小的排氣壓縮抽氣方式。

  無油螺桿真空泵轉子設計新理念的提出為迎接干式泵所面臨的新挑戰,適應工程應用需求的改變,要求無油螺桿泵、尤其是螺桿轉子的設計理念,也必須與時俱進

  為滿足不同工藝過程的不同抽氣目標要求,真空泵的生產企業應該為不同用戶提供

  專屬個性化服務:不再是從自己生產的通用螺桿泵定型產品中挑選一款產品推薦給用戶,讓用戶遷就自己的真空泵,而是針對每一種不同的應用場合,提供一款經過專門優化設計的、專屬于這一應用背景的螺桿真空泵產品,即直接面向對象的專屬設計概念。螺桿泵專屬設計的理論基礎應是氣體熱力學原理。針對不同的被抽氣體對象和抽氣目標要求,設計者需要從被抽氣體及其攜帶物的熱力學性質出發,基于某一工藝過程要求的氣體熱力狀態參數,開展螺桿泵抽氣過程的熱力學設計研究,建立適應該工藝要求的目標函數,優化出熱力學抽氣方案,得到該工藝過程中被抽氣體的熱力學參數(壓力、溫度、比容、焓、熵等)變化規律。

  。依據熱力學優化所得到的氣體容積變化規律,設計者可以規劃螺桿轉子的內部壓縮規律,進而反推出螺桿轉子的型線構成和螺旋導程的變化規律,由此得到適合該工藝過程的螺桿轉子結構。目前階段簡單的設計方式就是在不變化端面型線的前提下,合理設計型線的螺旋展開方式,即螺旋導程的變化規律,從而得到適宜該工藝過程的內部壓縮方式。螺桿泵簡單的結構特征是實現其專屬設計的可行性基礎。其它種類的無油真空泵,如直排大氣多級羅茨泵、爪式泵等,其內部級間壓縮比基本是固定的,如果需要改變其泵內的壓縮過程,則需要同時改變泵的轉子和定子的結構尺寸,加工變化量和制造成本都大大增加。

  而螺桿泵只需改變螺桿轉子的導程變化規律,即可方便地改變其內部壓縮規律,進而改變被抽氣體在泵內部的熱力過程。所以,利用螺桿泵的這一結構特點,在完全不改變泵體及其附件的情況下,通過

  僅僅改變轉子體的螺旋變化規律,即可改變泵的內部抽氣熱力過程,從而適應不同的應用場合,實現螺桿泵的專屬設計。計算機輔助設計與輔助制造(CAD/CAM)技術是實現螺桿泵專屬設計的技術條件。只有基于熱力學理論的CAD計算技術和數控機床CAM加工手段的技術支撐,才使得形態各異的專屬變螺距螺桿轉子能夠低成本、方便快捷地加工出來。如果依賴傳統的加工方法,是很難實現不同變螺距形式的螺桿轉子的小批量、多品種的特性化制造

  轉子設計新理念帶來的變化無油螺桿真空泵專屬設計的理念,給干式真空泵的生產企業和設計人員帶來了新的契機和挑戰

  將給螺桿泵的設計、生產和應用模式帶來很大的轉變。這些轉變應該包括——產品供應模式的轉變:需要突破原來生產家按照標準規格設計制造真空泵、由用戶自行選用的產品供應方式,而是改為由生產家直接針對某個具體用戶提供解決方案式的產品供應,為該用戶提供專門優化設計和制造的專屬真空泵產品。產品設計理念的轉變:在產品設計環節上,要求生產家和設計人員開展直接面向用戶的螺桿真空泵產品設計,從單純關注螺桿泵本身的抽速曲線和極限真空度指標,轉變為重點關注被抽真空容器中被抽物質的整個輸運過程,將螺桿轉子的機械設計變為被抽氣體的熱力過程設計。產品生產方式的轉變:在產品生產環節中,采用通用泵體和專屬轉子的螺桿泵生產新方式,在泵體與附件加工的高標準化、通用化前提下,完成螺桿轉子的變結構、變性能、變工況的制造。實現小批量、多品種、訂單式的產品供應,同時保證低成本、短周期的生產控制。

  從用戶的角度看,這是一種直接面向用戶實際需求、解決方案式的真空泵設計理念,可以直接針對用戶的具體工況,恰當地設計制造出專屬于該工況的真空泵,能夠地滿足實際工作中的應用需求。從制造者的角度看,這是一種實現大批量、低成本地制造多品種、小批量的個性化產品的方法,既滿足了每一個特定用戶的特殊性需求,又保證了生產制造過程中的通用化、標準化的準則。

  正如本文引言中所述,無油螺桿真空泵的應用市場已經成熟并正在迅速成長,而我國螺桿泵的設計、制造水平尚處于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。其中螺桿轉子的設計理論和制造技術的落后,正是制約螺桿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,所展出的國產螺桿泵大多數還是采用的等螺距螺桿轉子,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。本文嘗試從基本幾何結構計算、型線構成、轉子動平衡方法、螺旋展開方式等幾方面,對現有的設計思想和國外產品進行粗淺的分析,總結并提出一些不成熟的設想,掛一漏萬,屬一孔之見。

  本文作者之所以敢于大膽、冒昧地提出自己的觀點看法,其本意在于拋磚引玉,喚起、激發國內相關同行學者和工程技術人員的熱情,突破相互間的門戶之見和技術封鎖,共同探討相關技術的突破點,

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