请百度搜索马鞍山市精螺机械科技有限公司找到我们!

行业动态

无油螺杆真空泵螺杆转子设计理念的回顾与展望

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/28     浏览次数:    
    无油螺杆真空泵螺杆转子设计理念的回顾与展望
    摘要:基于对国内外公开文献资料的学习和作者多年研究工作的总结,本文回顾了当前关于无油螺杆真空泵中螺杆转子的设计思路与方法,从转子设计的几何学计算、常用转子型线的构成、等螺距与变螺距的螺旋展开方式、转子动平衡设计方法等几方面,进行了详细的综述;选择介绍在国内有产品销售的六款采用特殊结构螺杆转子的外国螺杆泵产品,对其转子特点进行了分析。针对干式泵在应用领域所面临的新挑战,本文还提出了基于气体热力过程分析的螺杆泵专属设计新理念和采用通用泵体和专属转子的螺杆泵生产新方法,并展望由此可能带来的新变化。
    关键词:螺杆真空泵;转子;综述;设计方法
    螺杆转子的螺旋展开方式——等螺距与变螺距

    几乎每个早期开发螺杆真空泵产品的生产厂家,都是首先从等螺距螺杆转子做起。这一方面是因为等螺距螺杆易于加工,与螺杆气体压缩机和螺杆液体输送泵的转子更为相似;另一方面也是因为等螺距螺杆真空泵的无内压缩排气方式,利于抽除含有固体颗粒杂质或可凝性蒸汽的不纯净气体,更适合干式真空泵的某些早期应用场合。例如,IT行业是最早提出无油直排大气真空泵迫切需求的应用领域之一,其中一些工艺设备需要经常抽除携带有固体颗粒的气体,或者为了避免被抽气体中某些可凝性成分在泵腔内凝结成固体(或液体)微粒,这些设备一直在使用等螺距螺杆泵。

    在等螺距螺杆泵获得成功之后,采用变螺距螺杆转子的螺杆真空泵被陆续开发制造出来并迅速得到市场的认可。一方面是因为,从理论分析和实际应用中都已经证明,基于泵内预压缩的排气方式,变螺距螺杆泵比等螺距螺杆泵具有明显的节能、降温、降噪效果;另一方面则是因为,伴随着高档数控机床的技术发展和普及应用,使得变螺距螺杆转子的加工制造成本逐渐下降,从而降低了变螺距螺杆真空泵的整体成本价格,使变螺距螺杆真空泵的普及应用得以成为可能。实际上,变螺距螺杆转子所采用的变螺距方式,目前仍然处于受加工制造能力和成本限制的阶段,制造厂家的设计理念更多地是考虑如何能够低成本高效率地将其制造出来。我国国内企业目前极少有变螺距螺杆真空泵的定型产品,也主要是受到设计、加工能力的制约。本节下面主要介绍变螺距螺杆转子的各种螺旋展开方式。
    二段式(突变式)变螺距
    目前几何结构最简单的变螺距方式,是将端面型线相同但导程不同的二段等螺距螺杆直接粘接串联在一起,如图3(a)所示。泵的进排气压缩比等于二段螺杆的导程比。在抽气过程中,被抽气体从长导程端被吸入,经过无压缩地输送一段距离后,在二段螺杆的交界面处,在螺杆转动一周的时间内被迅速压缩,其体积缩小比例等于泵的压缩比,然后再次经过无压缩输送一段距离后与排气口相通,压力升至排气压力,最后汇同反冲气体一同排出泵外。
    一段式(渐变式)变螺距
    常规的渐变方式是比较容易加工的变螺距方式,即螺杆转子的端面型线保持不变,而局部导程由吸气端向排气端连续变化逐渐变小,其导程的具体变化规律可以多种多样,随设计者的要求和加工机床的能力属性而有所不同。图3(b)给出的就是导程随螺旋转角成线性变化[12]的变螺距螺杆转子示意图,这种变化规律符合基本数控编程指令中的变导程螺纹加工G34指令,因此大多数数控机床都能够实现。渐变式螺杆的吸排气压缩比等于吸气口终点后第一个2π螺旋转角内气体容积与排气口前第一个2π螺旋转角内气体容积之比。在排气过程中,被抽气体从吸气口进入到吸气口后第一个2π螺旋转角内的泵腔容积中被完全隔离,随后在被输送过程中逐渐被压缩,泵腔容积呈线性变化,直至到达排气口前第一个2π螺旋转角内的泵腔容积中,其体积缩小比例等于泵的压缩比,然后与排气口相通,压力升至排气压力,最后汇同反冲气体一同排出泵外。
    三段式变螺距针对变螺距螺杆泵内气体输运过程的热力学研究表明[18],被抽气体在到达排气口之前如果经历一段等容输送过程,则对于提高泵的极限压力和降低排气温度均有良好效果。也有来自应用现场的技术人员反映,这种结构还在一定程度上具有降低排气噪声的作用。将这一理念应用于变螺距螺杆转子的设计,便出现了三段式渐变螺距的转子结构。
    在端面型线保持不变的情况下,三段式变螺距螺杆转子的前后两端各为一段等螺距螺旋,只是进气端的螺旋导程较大而排气端的螺旋导程较小;在其中间则是一段渐变式的变螺距段,该段螺旋的导程由进气端的大导程逐渐过渡到排气端的小导程,三段导程的连接均为平滑过渡。
    图3(c)给出的就是三段式变螺距螺杆转子示意图。这种转子螺杆泵的进排气压缩比就等于转子进、排气两端的导程之比。被抽气体在泵内先后经历两次等容输送过程,而中间压缩过程的时间长短则取决于转子中间变螺距段所占据的螺旋转角角度的大小。与前面单纯渐变式变螺距螺杆转子相比,三段式变螺距螺杆转子的优点是:吸气端具有更大的初始吸气容积,因此理论抽速更大些;排气端具有一段等容输送过程,使其热力学性能更佳。但这种变螺距转子的设计和加工难度更大,为其普遍推广带来一定困难。还有少数产品取消了吸气端的等螺距段,而直接将变螺距端一直延伸至吸气端面,从而成为由渐变段和等螺距段构成的渐变二段式变螺距转子,如图(d)所示。
    等齿顶宽变螺距
    上述各种变螺距螺杆转子有个共同的几何结构特征是:随着螺杆转子的导程由吸气端向排气端逐渐变小的过程中,转子齿型中的齿顶宽(以及对应的齿根宽)也随之等比例地逐渐变窄[19-23],而这一结构特征会直接导致螺杆泵的抽气性能变差。因为转子齿顶面与泵体内表面之间的间隙是转子排气过程中气体级间返流的最主要泄漏通道[24,25],而转子齿型的齿顶宽则相当于该泄漏通道的深度,齿顶宽越宽,泄漏通道越深,对级间泄漏的阻挡能力越强,则相邻两级之间的气体返流量就越小。前述的变螺距螺杆转子,存在有如下不合理状况:在转子吸气端,气体压力和级间压力差均比较小,返流不严重,但此处的齿型齿顶宽却不必要地变大,结果降低了泵的理论抽速;反之,在转子排气端,级间气体压力差很大,气体返流很严重,但此处的齿型齿顶宽反倒变小,致使气体返流量增大。这会直接造成螺杆真空泵的极限真空度降低和抽气速率下降的后果。
    针对这一问题,本文作者曾开发了一种近似等齿顶宽的单头渐变式变螺距螺杆转子新型线[26,27],如图4所示。这种转子的主要特征是:当螺杆转子的螺旋导程由排气端向吸气端逐渐增大时(图中P1<P2<P3<P4),转子齿形面的齿顶宽可以保持近似不变(图中B1=B2=B3=B4)。与前述型线相比,在吸气端齿顶宽相对较小,因此能够增大吸气端的容积利用系数和吸气容积;而在排气端齿顶宽却相对较大,因此能够降低排气端的气体返流泄漏,从而提高泵的抽速和极限真空度。这种转子的端面型线依次由齿根圆、摆线、齿顶圆和渐开线线顺序相接组成,如图2(a)所示;在端面型线沿轴向作变螺距螺旋展开过程中,转子螺旋导程由排气端向吸气端逐渐增大,而端面型线中渐开线的发生基圆半径则随之逐渐变小,从而使转子齿形面的齿顶宽近似地保持不变。由于该转子的端面型线沿轴向始终是变化的,所以该转子的设计、加工和装配都有很大难度。
    结束语
    正如本文引言中所述,无油螺杆真空泵的应用市场已经成熟并正在迅速成长,而我国螺杆泵的设计、制造水平尚处于低水平的引进消化探索阶段,还远远不能适应我国当前市场的实际需求。其中螺杆转子的设计理论和制造技术的落后,正是制约螺杆泵技术与产品进步的关键因素之一。例如,在北京2015年第十三届国际真空展览会上,所展出的国产螺杆泵大多数还是采用的等螺距螺杆转子,因此排气功耗大,转子的工作转速也多是直连电机的同步转速。对照近几年外国公司的产品,大量出现排气功耗小的变螺距转子,且多采用增速机构以提高转子的工作转速。
    本文尝试从几何结构计算、型线构成、转子动平衡方法、螺旋展开方式等几方面,对现有的设计思想和国外产品进行粗浅的分析,总结并提出一些不成熟的设想,挂一漏万,属一孔之见。本文作者之所以敢于大胆、冒昧地提出自己的观点看法,其本意在于抛砖引玉,激发国内相关同行学者和工程技术人员的热情,共同探讨相关技术的突破点,从而尽快提升我国无油螺杆真空泵的设计、制造和应用水平,为国家的整体技术水平的提升做出自己应尽的义务,为国家的经济建设做出更大的贡献。

    由于本文作者很少有机会亲临工程实际现场直接参与螺杆泵的开发研制和工程应用工作,所以缺乏实际经验和信息来源,文中所提观点多是通过文献资料的学习和“闭门造车”式的研究所得,因此,错误、不足之处在所难免,但期望对国内相关技术人员有所帮助,供大家参考借鉴,也衷心欢迎提出批评指正。


本文由 积木式单双螺杆 整理编辑。


返回上一步
打印此页
13956229280
浏览手机站