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| 1.東北大學(xué)機(jī)械工作及自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004； 2.遼陽市科學(xué)技術(shù)咨詢中心，遼寧 遼陽 111000） 摘要：本文總結(jié)了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計(jì)原則與經(jīng)驗(yàn)、制造要點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)；介紹了渦旋真空泵的設(shè)計(jì)與加工方法；討論了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計(jì)與選擇、間隙的確定以及泵體的動(dòng)平衡等問題并闡明這些問題是影響泵性能指標(biāo)的幾個(gè)重要因素；同時(shí)指出了渦旋真空泵使用的幾個(gè)注意事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞：真空泵；渦旋技術(shù)；設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào)：TB752+.2 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B 文章編號(hào)：1002-0322（2006）04-0019-04 Design and operation of scroll vacuum pump YANG Guang-yan1,TENG Pu-guang2,GUO Hai-yang1,ZHANG Peng1 （1.School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004,China;2.Liaoyang Scintech Information Center Liaoyang, Liaoyang 111000,China） Abstract: The operating principle,design principl/experience,keys to manufacturing and cautions in operation of a scroll vacuum pump are generalized, with the design and fabrication of a scroll pump introduced. Discusses the processing of scroll disk sealing, design and choice of sealing material, determination of clearance between fixd and orbiting scroll disks and the dynamic balance of pump, and they are proved the key factors pump performance. Some cautions are proposed that the gas ballest and isolating valve are needed to pay attention in pump operation. Key words: vacuum pump; scroll technology; design 渦旋真空泵是近年來國內(nèi)外備受重視并得到迅速發(fā)展的一種真空泵。渦旋真空泵具有抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)，得到了真空獲得行業(yè)的歡迎與市場(chǎng)的青睞。而其在設(shè)計(jì)、制造方面較高的技術(shù)含量，也受到國內(nèi)外科技界的廣泛重視。上真空獲得設(shè)備的廠商爭(zhēng)先投資研發(fā)生產(chǎn)這種*的真空獲得設(shè)備。到上個(gè)實(shí)際后期，真空獲得廠商應(yīng)用渦旋概念與原理制造出了對(duì)真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒有污染、抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均優(yōu)于普通油真空泵的單級(jí)、雙級(jí)渦旋真空泵。渦旋真空泵在需要清潔無油、廉價(jià)和長壽命真空泵的場(chǎng)所被大量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全無油、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、節(jié)省能源的清潔真空獲得技術(shù)的實(shí)用化?，F(xiàn)在世界上渦旋真空泵的生產(chǎn)廠家主要包扣美國的Varian，英國的Edwards，德國的Leybold，日本的Iwate等。國內(nèi)還沒有生產(chǎn)廠家，市場(chǎng)上都是進(jìn)口產(chǎn)品。 在這種背景下，本文從我國的目前真空獲得與應(yīng)用行業(yè)的實(shí)際需要出發(fā)，介紹了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計(jì)原則；闡述了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計(jì)與選擇、間隙的確定以及泵體的動(dòng)平衡等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題；同時(shí)還論述了正確操作的要點(diǎn)，包口氣鎮(zhèn)的需要、抽水氣的操作和泵與被抽真空室隔離的問題。 1 渦旋真空泵的工作原理 渦旋真空泵的工作原理來源于Creux1905年的一項(xiàng)發(fā)明。該發(fā)明采用一個(gè)在另一個(gè)內(nèi)部，一個(gè)固定，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的具有連續(xù)的分離，連續(xù)的閉合性能“等螺距漸開線”，研發(fā)一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。渦旋上任意一點(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示 X=α·（cosθ+θ·sinθ） Y=α·（sinθ+θ·cosθ） 其中常數(shù)α代表軸半徑，θ代表展開角。 渦旋真空泵的渦旋盤就是一個(gè)一端與平面想接的一個(gè)或幾個(gè)漸開線螺旋形成的一個(gè)渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤與一個(gè)動(dòng)渦旋盤相互交叉組裝在一起，兩者之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差，這樣結(jié)合組成的一對(duì)渦旋盤副構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤彼此之間在幾條直線上接觸形成對(duì)成的幾對(duì)月牙腔，動(dòng)渦旋盤在曲軸的驅(qū)動(dòng)下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動(dòng)，使靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤的接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。例如在雙級(jí)渦旋真空泵中，有兩個(gè)方向?qū)?yīng)的靜渦旋盤，一個(gè)位于兩個(gè)靜渦旋盤之間的渦旋盤。動(dòng)、靜渦旋盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成容積不斷變化的新月形真空腔使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，完成吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)。曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，就有一組新的月牙腔形成所以渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)以近1500r/mim的頻率被連續(xù)重復(fù)，對(duì)被抽氣體形成包容和強(qiáng)制輸送。  2 渦旋真空泵的設(shè)計(jì)與加工 渦旋概念對(duì)于真空應(yīng)用真正有吸引力的特性是： ①結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、零部件數(shù)量少； ②潔凈無污染，真空抽氣通道內(nèi)無油； ③節(jié)約能源，一臺(tái)30m3/h的渦旋真空泵僅需要0.6~0.75kW的電機(jī)； ④節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，渦旋真空泵無油工作，密封或冷卻都不需要油； ⑤運(yùn)動(dòng)不見*動(dòng)平衡，震動(dòng)小、噪音低。 渦旋的概念自1905年由Creux發(fā)明到1973年世界上*臺(tái)渦旋模型被制造出來，其間經(jīng)歷了漫長的70年。渦旋機(jī)構(gòu)不能加工制造的根本原因就是缺乏精密的加工技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)渦旋型線之間的包容與契合，也就不能控制工作介質(zhì)的泄漏，達(dá)不到渦旋真空泵得性能指標(biāo)。但是渦旋機(jī)構(gòu)具有的抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)，對(duì)于真空應(yīng)用行業(yè)具有極大的吸引力和潛在的應(yīng)用價(jià)值。為了將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為使用的渦旋真空泵產(chǎn)品，近二十多年來，人們借鑒渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與加工方面的經(jīng)驗(yàn)，成功設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出了主要由動(dòng)、靜渦旋盤副與基座、曲軸、密封圈、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等五個(gè)部分組成的渦旋真空泵。為了保證渦旋真空泵的工作性能指標(biāo)、率與可靠性，人們開展了大量理論研究與實(shí)驗(yàn)探索。到目前為止這方面的工作主要集中在： 2.1 設(shè)計(jì)原則 要將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實(shí)用的渦旋真空泵產(chǎn)品，必須解決下述關(guān)鍵技術(shù)問題：①改進(jìn)密封、減少泄漏；②減小余隙、提高壓縮比；③優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性；④簡化生產(chǎn)加工工藝、降低對(duì)制造精度的要求、降低成本。 在渦旋真空泵的設(shè)計(jì)當(dāng)中要從泵的工作效率和可靠性出發(fā)，選擇泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先考慮的是泵的性能指標(biāo)，如極限真空度、抽速、能耗、轉(zhuǎn)速、體積、重量以及外部尺寸等；然后根據(jù)性能指標(biāo)來確定泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，如渦旋線型、基圓尺寸、渦旋壁厚、渦旋壁高和曲軸徑向偏心量等；在實(shí)現(xiàn)了性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行泵的整體優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、泵體以及密封材料選擇、軸承選擇、表面處理與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配等。 2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了提高渦旋真空泵的工作效率，渦旋真空泵采用了雙面動(dòng)渦旋盤，使動(dòng)渦旋盤兩面具有*相同的線型結(jié)構(gòu)，動(dòng)渦旋盤型線工作時(shí)分別與兩側(cè)的靜渦旋盤型線契合，這樣可以使整個(gè)渦旋泵頭運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力平衡，有利于空間的有效利用并減小軸向磨損。 設(shè)計(jì)時(shí)在圓漸開線的基礎(chǔ)上，通過給出漸 開線曲線的軸向高度和徑向厚度，形成第二個(gè)渦旋，兩個(gè)渦旋交叉重疊（相差180°），一個(gè)靜止，一個(gè)旋轉(zhuǎn)，形成新月形氣腔。一系列這樣的氣腔將渦旋機(jī)構(gòu)的內(nèi)部與外部分離。根據(jù)配合的渦旋相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，將這些氣腔設(shè)計(jì)成徑向內(nèi)移壓縮以實(shí)現(xiàn)真空抽氣。 在確定了渦旋真空泵的渦旋線型后，為了實(shí)現(xiàn)使泵能夠良好契合。在渦旋型線的中心段，圓漸開線型線由于刀具的干涉形成，使高壓區(qū)渦旋壁厚變薄，加上相鄰真空腔壓差大等復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致渦旋壁受力情況惡劣、容易熱變形，還可能使排氣腔一部分高壓氣體滯留，降低渦旋真空泵的工作效率。為了解決這些問題，人們采用圓漸開線線型修正的方法，改進(jìn)高壓區(qū)渦旋型線結(jié)構(gòu)。這個(gè)方法，使渦旋壁的剛度和強(qiáng)度有所提高，并且提高了泵的可靠性。 為防止兩個(gè)動(dòng)、靜渦旋盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)通常在外圓周上安裝幾個(gè)偏心量相等的小曲軸來束縛動(dòng)渦旋盤與靜渦旋盤，保證動(dòng)渦旋盤相對(duì)于靜渦旋盤繞行卻不旋轉(zhuǎn)。 2.3 泄漏與密封 渦旋真空泵的泄漏主要包括通過渦旋型線軸向契合間隙的徑向泄漏和通過型線徑向契合間隙的切向泄漏。徑向泄漏可以采用頂部密封來解決，而切向泄漏則采用控制動(dòng)渦旋盤與靜渦旋盤壁之間間隙的方法來解決。渦旋在真空泵的密封主要包括頂部密封和軸承密封等。頂部密封件就是幾個(gè)細(xì)長的分別安裝在動(dòng)、靜渦旋盤頂部的密封條，密封條相對(duì)對(duì)面渦旋盤底面做圓周向滑動(dòng)，使氣腔在渦旋盤頂部的泄漏減到zui小。由于是無油運(yùn)轉(zhuǎn)，要求密封件耐磨、耐高溫、具有一定的抗蠕變性能。頂部密封件的材質(zhì)、尺寸、位置對(duì)于渦旋真空泵的成功長期運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。軸承密封考慮的是將真空抽氣通道與含潤滑油脂部分隔離，實(shí)現(xiàn)渦旋真空泵的有效清潔無油抽真空。  解決了渦旋盤的加工和渦旋頂部密封后，就要考慮泵氣腔之間的間隙與密封了。渦旋頂端的有效軸向密封足以防止氣體軸向泄漏。但是渦旋盤本身密封（氣腔之間的密封）還要求渦旋壁面之間的間隙zui小，以盡量減小相鄰氣腔之間的泄漏。小一些的間隙或者另外再加一些氣腔，對(duì)改善泵的極限真空度很有必要。雖然在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)于加工要求有些地方可以放松，但是真空氣腔在整個(gè)泵運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中必須與大氣密封隔絕，間隙大小的確定對(duì)設(shè)計(jì)者是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是靠近曲軸的小氣腔之間的間隙。因?yàn)橥ㄟ^熱力學(xué)試驗(yàn)、模擬與分析發(fā)現(xiàn)，由于動(dòng)、靜渦旋盤的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的影響，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動(dòng)渦旋盤的溫升與變形高于靜渦旋盤，尤其是在靠近曲軸處。從整個(gè)渦旋真空泵動(dòng)、靜渦旋盤副的契合運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)現(xiàn)，由于動(dòng)、靜渦旋盤工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱變形，而且變形量與不相同，動(dòng)、靜渦旋盤之間zui小轉(zhuǎn)動(dòng)間隙會(huì)隨工作狀況而變化。間隙過大，會(huì)導(dǎo)致泵的極限真空度難以達(dá)到，間隙過小，動(dòng)、靜渦旋盤之間會(huì)發(fā)生摩擦甚至咬合，導(dǎo)致溫度急劇上升，泵的效率大大下降，或者破壞動(dòng)、靜渦旋盤壁面，導(dǎo)致泵的咬死失效。  理論研究與試驗(yàn)證實(shí)，渦旋盤頂端的軸向密封對(duì)于泵的性能，尤其是泵的極限真空度，具有決定的作用，渦旋盤本身即氣腔之間的間隙與密封對(duì)于泵的性能則起著相當(dāng)重要的作用，這兩點(diǎn)應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)者的足夠重視。 2.4 振動(dòng)與平衡 現(xiàn)在越來越多的渦旋真空泵應(yīng)用在分析測(cè)試儀器設(shè)備當(dāng)中，這些儀器對(duì)工作條件與環(huán)境要求較高。包括泵在內(nèi)的儀器設(shè)備一般安放在安靜的房間內(nèi)的桌面上，泵的振動(dòng)不可以影響到被測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此必須將振動(dòng)減至zui小或者隔離振動(dòng)，這一點(diǎn)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)通過渦旋技術(shù)和設(shè)計(jì)平衡來實(shí)現(xiàn)。 2.5 材料選擇與加工 渦旋盤副的材料選擇是從降低能耗、提高可加工性等方面考慮的。為了進(jìn)一步減小動(dòng)、靜渦旋盤的磨損、降低泵的能耗、提高可加工性，確定選擇合金鑄鋁為動(dòng)、靜渦旋盤基材，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ず捅砻嫣幚砗?，在告訴相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下能夠耐高溫、耐磨和自潤滑，保證實(shí)現(xiàn)的泵的性能指標(biāo)。 早期成功制造渦旋真空泵的zui大障礙是不能將漸開線型加工得足夠以使氣腔間的泄漏減至zui小，這要求開發(fā)一種高速、數(shù)字控制、能夠保證穩(wěn)定公差的加工中心。自上個(gè)世紀(jì)70年代渦旋模型成功制造出來，到現(xiàn)在渦旋機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用到真空獲得行業(yè)為止，渦旋盤的加工根據(jù)加工工藝、成本與工作效率的需要主要采用了兩種不同的方法，即展成法和數(shù)值逼近法。 為了提高渦旋盤的加工精度與效率，世界上有些機(jī)械制造公司已經(jīng)生產(chǎn)出了適用于渦旋盤展成法加工的專機(jī)。這類專機(jī)采用四軸聯(lián)動(dòng)和閉環(huán)控制，以展成法為基礎(chǔ)，結(jié)合圓弧插補(bǔ)與夾具，一次裝卡可以完成渦旋盤的加工。這種專機(jī)自動(dòng)化程度高，可以自動(dòng)上、下料、自動(dòng)換刀和在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)?？梢栽趲追昼妰?nèi)完成加工，加工誤差保證在10μm以內(nèi)，大大提高了加工效率和加工精度、降低了加工成本。 設(shè)計(jì)與加工中遇到的其他問題還包括密封材料、泵腔表面處理、軸承、抽水氣、防碎屑返流以及真空泵的一些特殊要求等等。 2.6 裝配與調(diào)試 渦旋泵的安裝與調(diào)試主要包括泵頭的安裝：即泵頭與機(jī)座和電機(jī)的連接。在泵頭的安裝與調(diào)試階段，能夠解決的zui重要的我恩體就是提高泵的密封性能。 密封包括渦旋頂部密封和氣腔之間的密封。目前渦旋頂部密封的形式有兩種，分別為壓差式密封和彈性式密封：  壓差式蜜蜂和彈性式密封各有優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)渦旋真空泵采用的是彈性式密封。彈性式密封的原理很簡單，靠彈性密封條的彈性壓緊起到密封作用。在安裝與調(diào)試過程中，安裝時(shí)首先要注意將密封條沿中心向外輕輕的按壓入頂部密封槽中，安裝前要注意各不見的清潔。各氣腔的密封是由渦旋體的側(cè)壁之間的縫隙和相對(duì)華東速度的大小決定的，側(cè)壁的縫隙大小一般控制在0.005mm左右。初步安裝完成后，首先要試運(yùn)行一段時(shí)間，在拆開，去除試運(yùn)行產(chǎn)生的碎屑，清理泵腔，然后重新裝上，安裝好泵頭，再連接泵頭與電機(jī)和機(jī)座，完成安裝與調(diào)試。 3 渦旋真空泵的使用 3.1 渦旋真空泵與真空室的隔絕 正常操作條件下，頂部密封經(jīng)過一段時(shí)間將會(huì)磨損并產(chǎn)生少量的微粒，而且用戶在工作過程也可能產(chǎn)生過量的微粒，集結(jié)在泵中。這樣如果出現(xiàn)斷電或者泵電源鼓掌導(dǎo)致泵停止運(yùn)行、或者泵沒有被正常操作時(shí)，泵內(nèi)的微粒就可能被抽回到真空系統(tǒng)中去。在這種情況下，泵應(yīng)當(dāng)在斷電時(shí)立即關(guān)閉，或者在真空室與泵借口附近給泵通風(fēng)，使得微粒排出排氣口，當(dāng)電恢復(fù)后或者直到泵內(nèi)沒有微粒時(shí)再打開。為了避免泵自身產(chǎn)生的或外來的微粒返回到真空系統(tǒng)中去，可以通過幾種方法實(shí)現(xiàn)這一功能：既可以是閥門。也可以是時(shí)間延遲程序控制器，這一措施必須作為渦旋真空泵的設(shè)計(jì)與工作標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。實(shí)際上油封真空泵都有一個(gè)模擬防反油閥，用來防止斷電時(shí)油的返流。這一技術(shù)現(xiàn)在在真空獲得設(shè)備上是作為通用技術(shù)來應(yīng)用的。 3.2 自動(dòng)氣鎮(zhèn) 如果進(jìn)入渦旋真空泵入口的水蒸汽量太大，水蒸汽被壓縮時(shí)將發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化成液體。這樣泵內(nèi)積存的水會(huì)迅速污染和腐蝕泵體內(nèi)部，特別是軸承。zui后導(dǎo)致泵內(nèi)積存的水使泵打不到極限真空度指標(biāo)。 這個(gè)問題的解決采用氣鎮(zhèn)技術(shù)，在壓縮的zui后階段充入少量的干燥空氣，防止蒸汽變成液體。采用氣鎮(zhèn)技術(shù)可以稀釋被抽氣體中的水含量并同時(shí)將水清除出泵?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為渦旋真空泵的通用技術(shù)。 4 總結(jié) 經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的研發(fā)，渦旋技術(shù)已經(jīng)成功地發(fā)展成為清潔無油真空抽氣的有效手段。目前在我國，清潔無油真空獲得設(shè)備的生產(chǎn)、研制處于發(fā)展階段，筆者愿與同行共享通過渦旋真空泵的研究、開發(fā)與生產(chǎn)，在渦旋真空泵的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、分析與擇優(yōu)方面獲得的經(jīng)驗(yàn)。 參考文獻(xiàn)： [1]楊乃恒.真空獲得設(shè)備（第二版）[M].北京,冶金工業(yè)出版社,2001. 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