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AG欧洲厅儀器技術整理羅茨真空泵
2015/8/7    來源:AG欧洲厅儀器    作者:小曾  閱讀:
AG欧洲厅儀器技術整理羅茨真空泵
(一)概述 
(二)羅茨真空泵是一種旋轉式容積真空泵。其結構形式是由羅茨鼓風機演變而來的。它于 1944 年首先出現于德國,是為適應在 10 ~ 1000Pa 壓力范圍內具有大抽速的真空熔煉系統而作為機械增壓泵使用。 根據羅茨真空泵工作壓力范圍的不同,分為直排大氣的低真空羅茨泵;中真空羅茨泵 ( 機械增壓泵 ) 和高真空多級羅茨泵。國內用量最多的為中真空羅茨泵 ( 以下簡稱羅茨泵 ) 。羅茨泵與其它油封式機械泵相比有以下特點: 
(1) 在較寬的壓力范圍內有較大的抽速; (2) 轉子具有良好的幾何對稱性,故振動小,運轉平穩。轉子間及轉子和殼體間均有間隙,不用潤滑,摩擦損失小,可大大降低驅動功率,從而可實現較高轉速; (3) 泵腔內無需用油密封和潤滑,可減少油蒸氣對真空系統的污染; (4) 泵腔內無壓縮,無排氣閥。結構簡單、緊湊,對被抽氣體中的灰塵和水蒸汽不敏感; (5) 壓縮比較低,對氫氣抽氣效果差; (6) 轉子表面為形狀較為復雜的曲線柱面,加工和檢查比較困難。羅茨泵近幾年在國內外得到較快的發展。在冶煉、石油化工、電工、電子等行業得到了廣泛的應用。 
()羅茨泵的工作原理 
羅茨泵的結構如圖 15 所示。在泵腔內,有二個“ 8 ”字形的轉子相互垂直地安裝在一對平行軸上,由傳動比為 1 的一對齒輪帶動做彼此反向的同步旋轉運動。在轉子之間,轉子與泵殼內壁之間,保持有一定的間隙。由于羅茨泵是一種無內壓縮的真空泵,通常壓縮比很低,故 中、高真空羅茨泵需要前級泵。因此,羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結構和制造精度 
外,還取決于前級泵的極限真空度。 
羅茨泵的工作原理既具有容積泵的工作原理,又有分子泵的抽氣效應。圖 16 為羅茨泵的工作原理圖。由于轉子的連續旋轉,被抽氣體從泵進氣口吸入到下轉子與泵殼之間的空間 V0 內,吸氣后 V0 空間是全封閉狀態。隨著轉子的轉動,封閉的 V0 空間與排氣口相通,由于排氣側氣體壓力較高,引起一部分氣體反沖過來,使 V0 空間內的氣體壓力突然增高。當轉子繼續轉動時, V0 空間內原來封入的氣體連同反沖的氣體一起被排向泵外。這時,上轉子又從泵入口封入 V0 體積的氣體。由于泵的連續運轉,使兩個轉子不停地形成封閉空間 V0 又不停地將封閉空間璣內的氣體排出泵外,從而實現了抽氣的目的。 
轉子主軸旋轉一周共排出四個 V0 體積的氣體。所以,泵的理論抽速為: (5.1)
式中 A0 ──泵腔的有效吸氣面積 mm2 
n ──泵軸的轉數 r/min 
L ──轉子的長度 mm 
()羅茨泵──的結構
1. 泵總體結構型式 
羅茨泵的泵體的布置結構決定了泵的總體結構。目前國內外的羅茨泵總體結構大致有三種型式: (1) 立式如圖 17(a) 所示,這種結構的進、排氣口水平設置,裝配和連接管路都比較方便。但泵的重心較高,在高速運轉時穩定性差,故這種型式多用于小泵。 (2) 臥式如圖 17(b) 所示,泵的進氣口在上,排氣口在下。有時為了真空系統管道安裝連接方便,可將排氣口從水平方向接出,即進、排氣方向是相互垂直的。此時,排氣口可以從左或 右兩個方向開口,除接排氣管道一端外,另一端堵死或接旁通閥。這種泵結構重心低,高速運轉時穩定性好。一般大、中型泵多采用此種結構。 (3) 泵的兩個轉子軸與水平面垂直安裝。這種結構裝配間隙容易控制,轉子裝配方便,泵占地面積小。但泵重心較高且齒輪拆裝不便,潤滑機構也相對復雜。僅見于國外 產品。 
2. 泵的傳動方式 
羅茨泵的兩個轉子是通過一對高精度齒輪來實現其相對同步運轉的。主動軸通過聯軸器與電機聯接。在傳動結構布置上主要 有以下兩種:其一是電動機與齒輪放在轉子的同一側如圖 18(a) 所示。從動轉子由電動機端齒輪直接傳過去帶動,這樣主動轉子軸的扭轉變形小,則兩個轉子之間的間隙不會因主動軸的扭轉變形大而改變,故使轉子之間的間隙在 運轉過程中均勻。這種傳動方式的最大缺點是: a. 主動軸上有三個軸承,增加了泵的加工和裝配難度,齒輪的拆裝及調整也不便; b. 整體結構不勻稱,泵的重心偏向電動機和齒輪箱一側。 
另一種是電動機和傳動齒輪分別裝在轉子兩側,如圖 18(b) 所示。這種形式使泵的整體結構勻稱,但主動軸扭轉變形較大。為保證轉子在運轉過程中的間隙均勻,要求軸應有足夠的剛度,軸和轉子之間的聯接要緊固 (目前已有轉子與軸焊或鑄成一體的結構) 。這種結構拆裝都很方便,所以被廣泛采用。 
3. 泵的密封結構與潤滑方式 
(1) 主動軸外伸部分的動密封 
目前采用較多的是標準型號的機械密封和帶加強環的骨架真空橡膠密封。機械密封功耗小,允許線速度大;但結構復雜,成 本較高。骨架密封結構簡單,功耗較大,為減少軸與密封圈之間的摩擦,軸的表面硬度和光潔度要高。為了防止軸的磨損,可在軸上加一個硬度較高的且與軸靜密封 的軸套。另外,還可以采用獨立的密封盒結構,使密封件的拆裝和更換更加簡捷方便。還有的羅茨泵把電動機密閉在泵體一端的殼體內,從而有效地解決了動密封問 題,提高了泵的真空度,降低了驅動功率。但為防止電機繞組線圈在真空下起弧,電動機的電源電壓應降至 50V 以下。該結構用于中、小型泵。 
(2) 端蓋殼體與泵腔之間的軸密封 
由于齒輪箱或端蓋殼體內均有預抽管道與泵的出口相通,即這部分的壓力與前級泵入口壓力基本相同,與泵腔之間的壓差較小,所以一般可采用迷宮式密封、反螺旋式密封或活塞脹圈密封。 
(3) 泵體端面的靜密封 
有的采用有機硅室溫硫化橡膠膜密封,密封面不用加工密封槽,但因該硫化橡膠密封膜為一次性使用,且配制較麻煩,給現場維護帶來不便,且密封膜的厚度對轉子端面間隙有影響,在安裝時要掌握好膜的厚薄均勻性。 
還可采用真空橡膠圈密封,密封可靠,即保證了轉子軸向間隙,又可方便地在現場拆裝。如果對泵體端面的結構設計適當,密封槽的加工可以很方便。 
(4) 泵的潤滑方式 
羅茨真空泵的潤滑部位主要有三處:軸封處── 一般用油杯潤滑;齒輪和軸承處──用 
齒輪或甩油盤濺油來保證潤滑。對于大泵也可采用油泵強制供油潤滑方式。 
(四) 泵設計中的關鍵問題 
1. 羅茨泵的關鍵零件是轉子,而轉子的關鍵是它的型線。轉子橫截面的外輪廓線即為轉子的型線。泵工作時,轉子的表面之間不接觸,但轉子之間的間隙要保持一定, 這樣轉子的型線必須做成共軛曲線。在實際設計中選用轉子型線時,除了要能滿足上述運動要求外,還應考慮如下條件:
 (1) 泵轉子的容積利用系數要盡可能大,即轉子占的體積要小 
(2) 轉子應有良好的幾何對稱性,保證運轉平穩、互換性好 
(3) 保證轉子有足夠的強度 
(4) 轉子應容易加工,易得到較高的精度 
通常使用的轉子型線有圓弧齒形、漸開線齒形和擺線齒型等。近年來由東北大學提出的“圓弧→漸開線→擺線”型轉子型線氣阻大,改善了泵在低壓下的性能,提高了泵的抽氣效率,得到較廣泛的應用。相信今后還會出現更新更好的羅茨泵轉子型線,使羅茨泵的工作性能進一步提高。 
2. 為了控制泵轉子問、轉子與泵殼間的間隙,要求軸承的軸向、徑向位移量控制在一定范圍內。在設計時,應正確選擇軸承精度,并選擇適合泵工作條件的軸承型號。 考慮轉子軸向熱膨脹影響,轉子軸應留有活端 ( 一般為齒輪端 ) ,以允許軸因熱膨脹等因素而產生軸向移動。軸活端的轉子與側端面的軸向間隙可以選大一些;而軸固定端的轉子與端蓋之間的軸向間隙則應選得小一些。 
3. 要求齒輪耐磨性強,傳動平穩,齒間的間隙不得過大。齒輪的精度常選用 ~ 級。為使傳動平穩,噪音小,常用斜齒輪。為使齒輪裝配和調整轉子間的間隙方便,可選用調隙結構齒輪并在齒輪與軸之間采廂漲套聯接方式。
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