漸變式螺桿真空泵設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

漸變式螺桿真空泵設(shè)計(jì)與試驗(yàn)為了開(kāi)發(fā)高效節(jié)能、安全運(yùn)行的螺桿真空泵，在現(xiàn)有各類(lèi)內(nèi)部壓縮螺桿真空泵研究的根底之上，提出了一種三段式內(nèi)部壓縮體積漸進(jìn)式變化的螺桿轉(zhuǎn)子，并使用Hermite插值理論導(dǎo)出了圓柱變螺距螺旋線(xiàn)的參數(shù)方程。設(shè)計(jì)的變螺距螺桿，第一部分是大導(dǎo)程等螺距區(qū)域，位于吸氣端，其決定了螺桿真空泵的吸氣能力；中間是非線(xiàn)性平滑過(guò)渡部分，其長(zhǎng)度與非線(xiàn)性比率決定了壓縮能力；尾部的排氣端是小導(dǎo)程等螺距區(qū)域，保證了穩(wěn)定的極限壓力。試驗(yàn)證明采用漸變式的螺桿真空泵可以大幅降低驅(qū)動(dòng)功率，工作噪聲低，內(nèi)部工作溫度低，運(yùn)行效果良好。

螺桿真空泵可以實(shí)現(xiàn)從105到1Pa的工作范圍，排氣能力強(qiáng)，在干式模式下運(yùn)行，綠色環(huán)保，廣泛應(yīng)用于電子、光伏和醫(yī)藥化工等行業(yè)。最早螺桿真空泵的引導(dǎo)線(xiàn)為常數(shù)，介質(zhì)(主要是氣體)在泵體內(nèi)部等體積傳輸，在排氣口壓縮，屬于外部壓縮，能耗和噪聲都較高。從能效觀點(diǎn)出發(fā)，工作氣體是可以壓縮的，泵的內(nèi)部壓縮是可以開(kāi)發(fā)的，目前，經(jīng)過(guò)真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)的市場(chǎng)調(diào)研，認(rèn)為主要是通過(guò)控制螺桿真空泵內(nèi)部壓縮體積來(lái)壓縮空氣，從而控制壓縮功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低噪聲的目的。

早期，由于制造技術(shù)的限制，內(nèi)壓縮螺桿真空泵由幾級(jí)不同齒頂圓直徑尺寸或不同螺旋角的等螺距螺桿在軸向方向串聯(lián)而成，這種設(shè)計(jì)對(duì)空間有損傷。引導(dǎo)線(xiàn)(即螺旋線(xiàn))全程漸進(jìn)變化也是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)之一，螺桿的螺距從最大到最小連續(xù)變化，引導(dǎo)線(xiàn)的螺距變化規(guī)律為線(xiàn)性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螺距的變化引起導(dǎo)程角改變，可以降低消耗的功率，但是降低能耗能力有限。B.ULRICH描述了一種動(dòng)態(tài)平衡良好的變螺距雙螺桿轉(zhuǎn)子，端面型線(xiàn)保持不變，螺距從最小到最大，再到最小，最后保持不變，但同時(shí)一定程度上減低了初始階段的抽氣效率。M.H.NORTH描述了一種共軛錐形螺桿，螺距保持不變，由軸向錐形變化引起內(nèi)部壓縮體積的變化，但其構(gòu)造復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)學(xué)者張世偉提出了一種等齒頂寬的螺桿真空泵單頭變螺距轉(zhuǎn)子型線(xiàn)，轉(zhuǎn)子齒形面的齒頂寬可以保持不變，能夠增大吸氣端的吸氣容積，降低排氣端的氣體返流泄漏，但是，與之相配對(duì)使用的另一只螺桿轉(zhuǎn)子并不是完全的等齒頂寬，只是近似等齒頂寬，并且這種設(shè)計(jì)端面型線(xiàn)構(gòu)成固定，型線(xiàn)構(gòu)成發(fā)生變化后，計(jì)算極為復(fù)雜。D.Pfaller研究了“冷”機(jī)狀態(tài)、端面型線(xiàn)不變的情況下，通過(guò)優(yōu)化變螺距曲線(xiàn)，提升了排氣能力，降低了能耗，證明變螺距是可以?xún)?yōu)化的。綜上，各種內(nèi)部壓縮的螺桿真空泵，采取的手段都是減少工作腔室的體積，修改傳輸階段的工作型腔幾何尺寸，包括沿軸線(xiàn)的引導(dǎo)線(xiàn)(螺旋角)、轉(zhuǎn)子齒頂和齒根尺寸。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，各種高效節(jié)能的螺桿真空泵制造已經(jīng)成為可能。

1、問(wèn)題的提出

市場(chǎng)上常見(jiàn)的外壓縮等螺距螺桿真空泵引導(dǎo)線(xiàn)的導(dǎo)程數(shù)一般是4.5～6個(gè)，可以到達(dá)1Pa及以下的極限真空，而上述大部分內(nèi)壓縮的螺桿真空泵一般是7～8個(gè)導(dǎo)程，才可以到達(dá)理想的極限真空度，究其原因還是考慮到了制造技術(shù)和制造成本，選用非嚴(yán)格密封的三段擺線(xiàn)式的型線(xiàn)或類(lèi)似的型線(xiàn)。內(nèi)部壓縮的螺桿真空泵，初始工作階段，入氣口壓力較高時(shí)，開(kāi)始?jí)嚎s部位的壓力和溫度很高，壓縮的熱量對(duì)螺桿的徑向變形影響最大，這時(shí)候運(yùn)行安全是必須考慮的，一般采取三種措施：

第一，在開(kāi)始?jí)嚎s的部位接泄壓閥，但排放的介質(zhì)，需要有回收裝置。

第二，降低泵電機(jī)運(yùn)行速度，采用變頻控制，這一定程度上降低了初始階段的排氣效率。

第三，改善壓縮部位的設(shè)計(jì)。

鑒于上述問(wèn)題，本文通過(guò)改善壓縮部位的設(shè)計(jì)，優(yōu)化變螺距的設(shè)計(jì)，結(jié)合等螺距制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用密封效果良好的端面型線(xiàn)，設(shè)計(jì)的變螺距螺桿導(dǎo)程控制在6個(gè)以下，這樣在保證螺桿真空泵各項(xiàng)性能的根底上，即能降低制造成本，又能保證螺桿真空泵的運(yùn)行安全。

2、漸變式變螺距螺桿數(shù)學(xué)模型

為了到達(dá)良好的壓縮性能，螺桿采用三段式設(shè)計(jì)，第一部分(T1)是吸氣端，采用大螺距設(shè)計(jì)來(lái)提高吸氣能力；第三部分(T3)是排氣端，采用小螺距設(shè)；第二部分(T2)為中間過(guò)渡區(qū)域，采用漸變過(guò)渡方式，螺距在較大范圍內(nèi)逐漸變化小。三個(gè)部分連接曲面的設(shè)計(jì)要求過(guò)渡平滑。為了進(jìn)一步降低制造要求，第一、三部分可以采用等螺距設(shè)計(jì)，這種整體漸變式螺桿設(shè)計(jì)對(duì)于減小能量需求、降低噪聲、降低內(nèi)部工作溫度、縮小構(gòu)造空間以及降低制造費(fèi)用提供了較好的選擇。

2.1、圓柱變螺距螺旋線(xiàn)

端面型線(xiàn)固定螺桿的軸向引導(dǎo)線(xiàn)是圓柱螺旋線(xiàn)，圓柱螺旋線(xiàn)?？梢员硎?/p>

式中，t為螺旋線(xiàn)變量，表示螺旋線(xiàn)的纏繞角度;R為圓柱螺旋線(xiàn)半徑；Pi(t)表示圓柱螺旋線(xiàn)軸向參數(shù)方程，對(duì)應(yīng)的Pi'(t)是螺距變化參數(shù)方程。圖1(a)是一般圓柱螺旋展開(kāi)圖，圖1(b)是對(duì)應(yīng)的螺距變化曲線(xiàn)。

圖1一般圓柱螺旋展開(kāi)圖、螺距變化曲線(xiàn)圓柱螺旋線(xiàn)

3、結(jié)論

(1)建立了三段漸變式螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)理論，可以根據(jù)干泵的使用場(chǎng)合選取一定的壓縮比，再根據(jù)固定的壓縮比設(shè)計(jì)變螺距螺桿。

(2)通過(guò)試驗(yàn)比較了不同壓縮比下的能效功率曲線(xiàn)，螺桿內(nèi)部體積壓縮比越大，在小于10000Pa的入口壓力下，能效利用率越高，超過(guò)這個(gè)數(shù)值，由于過(guò)壓縮，消耗的功率急速提升;在適度的壓縮比下，大于10000Pa后，功率先提升，再下降。

(3)通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，壓縮比相同時(shí)，功率曲線(xiàn)近似。壓縮區(qū)域的引導(dǎo)線(xiàn)纏繞角度適當(dāng)?shù)募哟?，壓縮效果會(huì)改善，螺桿真空泵運(yùn)行的安全性相應(yīng)也得到提高。

(4)其外，螺桿內(nèi)部體積壓縮比越大，排出的氣體體積量越小，噪聲越小，相應(yīng)的尺寸構(gòu)造也更小。螺桿真空泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部工作溫度低、噪聲較低，上述效果在實(shí)際中應(yīng)用中獲得驗(yàn)證。

本文研究結(jié)果為低噪聲、高效節(jié)能型干式螺桿真