容積式真空泵結(jié)構(gòu)型式的探討

　　廣泛用于中、低真空獲得設(shè)備上的容積式真空泵, 經(jīng)過百余年的發(fā)展, 到了現(xiàn)在, 結(jié)構(gòu)上已無大的創(chuàng)新, 而在工藝、加工裝配精度、材料等方面隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷得到提高和完善。本文針對容積式真空泵的不同結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析探討, 而結(jié)構(gòu)型式按照主要運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式來劃分為: 往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式、旋擺式三種, 文中選用具有代表性的基本結(jié)構(gòu)型式做為圖例。

1、歷史與現(xiàn)狀

1.1、往復(fù)式真空泵

　　1.1.1、往復(fù)活塞式: 是一種最古老的結(jié)構(gòu)型式, 其發(fā)明時(shí)間已無從考究, 我國古代使用的水槍、木質(zhì)風(fēng)箱即是這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)用, 見圖1。1640 年德國人用這種結(jié)構(gòu)制成了真空泵, 成為現(xiàn)代真空泵和空氣壓縮機(jī)械的鼻祖。基本結(jié)構(gòu)見圖2, 其運(yùn)動(dòng)形式是活塞在泵腔內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng), 使活塞與泵腔圍成的空間的容積發(fā)生周期性變化, 達(dá)到進(jìn)氣與排氣的目的, 進(jìn)氣與排氣在時(shí)間上錯(cuò)開, 都是不連續(xù)的, 即進(jìn)氣與排氣是間斷的, 從而引起氣流脈動(dòng)噪聲, 它有一個(gè)主要運(yùn)動(dòng)件——活塞, 而現(xiàn)在動(dòng)力的提供都是以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式(主要是電機(jī)) , 所以動(dòng)力要驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng), 必須通過曲軸和連桿, 使得整機(jī)尺寸大, 活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)是加減速運(yùn)動(dòng), 連桿是平面運(yùn)動(dòng), 必然產(chǎn)生不平衡的慣性力而引發(fā)機(jī)器的振動(dòng)和機(jī)械噪聲, 同時(shí)轉(zhuǎn)速不能高(300r/min左右) ; 活塞與泵腔之間的密封靠活塞環(huán), 活塞環(huán)與泵腔內(nèi)壁直接接觸, 磨損嚴(yán)重, 消耗功率大, 容積效率低。上述情況都是往復(fù)活塞式真空泵無法克服的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn), 但是, 因?yàn)樗�工作可靠性�? 壽命長, 易于維修, 加工、裝配精度要求低, 通用機(jī)床就能完成加工,適合一般水平的生產(chǎn)廠, 成本較低, 所以還占有一定的市場份額 , 生產(chǎn)廠家較多。

圖1　往復(fù)式泵                   圖2　往復(fù)活塞式真空泵結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.1.2、膜片式: 見圖3。它是往復(fù)活塞式的一種變型, 區(qū)別是膜片代替了活塞, 膜片一般是“柔性”材料, 質(zhì)量小, 雖然也做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng), 但引起的不平衡慣性力減小, 振動(dòng)和機(jī)械噪聲大大降低, 膜片與泵腔之間無摩擦磨損, 消耗功率降低。膜片式雖然克服了往復(fù)活塞式的一些缺點(diǎn), 但是, 膜片容易折裂, 工作可靠性下降, 壽命短, 維修頻率高, 使用成本高, 所以占有的市場份額很低, 生產(chǎn)廠家很少。

圖3　膜片式真空泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.2、旋轉(zhuǎn)式真空泵

　　1.2.1、羅茨式和爪式: 這兩種結(jié)構(gòu)型式的原型是1848年由瓊斯在英國發(fā)明, 見圖4 和圖5。圖5 所示結(jié)構(gòu)于1854年由美國人羅特兄弟應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī),被命名為羅茨式鼓風(fēng)機(jī), 貝倫斯在1867年設(shè)計(jì)成泵和蒸汽機(jī)。

　　對于羅茨式: 見圖5。其運(yùn)動(dòng)形式是兩個(gè)8字形轉(zhuǎn)子在泵腔內(nèi)繞各自旋轉(zhuǎn)軸中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 造成轉(zhuǎn)子與泵腔圍成的空間的容積發(fā)生周期性變化, 達(dá)到進(jìn)氣與排氣的目的, 而且進(jìn)氣與排氣在時(shí)間上同步進(jìn)行, 即進(jìn)氣與排氣是連續(xù)的, 但排氣過程有一定的氣流脈動(dòng), 引起一定的氣體動(dòng)力噪聲。它的主要運(yùn)動(dòng)件有兩個(gè)8 字形轉(zhuǎn)子, 而動(dòng)力都是提供給主動(dòng)軸,再由主動(dòng)軸傳遞動(dòng)力給從動(dòng)軸, 這必須通過一對齒輪, 帶來定位及加工裝配的較高要求, 但結(jié)構(gòu)緊湊,整機(jī)尺寸較小, 零部件少。轉(zhuǎn)子形狀對稱并做勻速旋轉(zhuǎn)時(shí), 動(dòng)平衡性能良好, 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn), 機(jī)器的振動(dòng)和機(jī)械噪聲低, 同時(shí)能較大提高轉(zhuǎn)速( 達(dá)到1500～3000r/min)。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵腔之間有間隙,即非接觸, 所以無摩擦磨損, 消耗功率不大, 工作可靠性高, 壽命長, 易于維修, 可用于干式真空泵, 但8字形轉(zhuǎn)子的加工難度較大, 需要專機(jī), 不利于批量生產(chǎn), 成本較高, 運(yùn)動(dòng)件的間隙使泄漏較大, 容積效率較低, 所以占有一定的市場份額, 生產(chǎn)廠家較多。

圖4爪式真空泵原型圖       圖5　羅茨式真空結(jié)構(gòu)示意圖

　　對于爪式: 見圖4(變型)。其結(jié)構(gòu)和工作過程與羅茨式類似, 不同處一是進(jìn)氣與排氣在時(shí)間上錯(cuò)開(有部分重疊) , 進(jìn)氣與排氣不連續(xù), 工作過程存在氣流脈動(dòng), 引起氣體動(dòng)力噪聲; 二是轉(zhuǎn)子形狀不對稱,旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡性能較差, 機(jī)器的振動(dòng)和機(jī)械噪聲較高,同時(shí)加工難度更大, 要用到專用機(jī)床, 不利于批量生產(chǎn), 成本較高, 容積效率等其它方面與羅茨式相似,所以占有的市場份額不高。

　　1.2.2、螺桿式: 這種結(jié)構(gòu)型式是德國人H. Krigar在1878 年發(fā)明, 直到1934 年瑞典皇家理工學(xué)院A. L ysho lm 才把此結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用于工業(yè)上, 而且一般采用雙螺桿式, 見圖6。其運(yùn)動(dòng)形式是兩個(gè)螺桿在8字型泵腔內(nèi)繞各自旋轉(zhuǎn)軸中心做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),螺桿上的螺旋齒槽相互嚙合, 造成由齒型空間組成的基元容積發(fā)生變化, 達(dá)到進(jìn)氣與排氣的目的,進(jìn)氣與排氣在時(shí)間上同步進(jìn)行, 但不是連續(xù)的, 存在氣流脈動(dòng), 有氣體動(dòng)力噪聲; 它的主要運(yùn)動(dòng)件有兩個(gè)螺桿, 所以主動(dòng)軸要通過一對齒輪傳遞動(dòng)力給從動(dòng)軸,帶來定位及加工裝配的較高要求, 但結(jié)構(gòu)緊湊, 整機(jī)尺寸較小, 零部件少; 轉(zhuǎn)子做勻速旋轉(zhuǎn)時(shí), 動(dòng)平衡性能較好, 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn), 機(jī)器的振動(dòng)和機(jī)械噪聲較低, 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速; 螺桿與螺桿、螺桿與泵腔之間有間隙, 即非接觸, 泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)件與泵腔無摩擦, 故幾乎無磨損, 消耗功率不大, 工作可靠性高, 壽命長, 易于維修, 可用于干式真空泵; 8字形泵腔和螺旋齒槽螺桿的加工、裝配精度要求高, 且必須用專機(jī)加工, 不利于批量生產(chǎn), 成本較高; 運(yùn)動(dòng)件的間隙使泄漏較大, 容積效率較低, 所以占有的市場份額不高。生產(chǎn)廠家也不多, 較知名的有: 德國BU SCH, 里其樂等。