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第三讲：机械真空泵(三)
张以忱
(东北大学)
(4) 气镇装置的结构与计算
1) 气镇阀的结构与设置
最简单常用的气镇阀结构如图9所示。一般均由调节件与逆止阀两部分组成。调节件用来控制掺入的气体量。逆止阀是用来防止泵腔内的混合气体压力高于掺气压力时出现返流。另外一些较常用的气镇阀结构如图10所示。
气镇孔的位置的设置一般有两种形式：
a) 在泵的排气口附近。当压缩腔与排气口相通时，开始掺气，一直到泵腔内部压力和外界掺气压力相等为止。
b) 气镇孔设置在端盖上。掺气开始与终了是受转子的端面控制的。气镇孔越早接通泵腔，掺气时间就越长，掺气量也就可能大一些。但是为防止掺入的气体直接进入被抽容器中，必须在压缩腔与吸气口隔绝时，才能接通气镇孔。所以，端盖上的气镇孔是在吸气终了以后，转子再转过一个角度(10o～15o)时，才开始露出来进行掺气。
对双级气镇泵(不论高真空级和低真空级做成等容积或不等容积)，气镇孔均设置在低真空级上。
2) 气镇孔的计算
如气镇孔用盲释d表示，则（4—5）
(4—5)式是考虑连续掺气时气镇孔计算公式，当气镇孔开设在泵侧端盖上时，假设的连续掺气与实际有出入。此时，可按下式计算气镇孔直径：（4—6）
式中 β——掺气开始与终止两位置之间泵轴转过的角度。
对旋片泵 β= 180 o (二旋片转子结构)
对滑阀泵 β= 240 o
对余摆线泵 β= 180 o
(4) 旋片泵的设计改进趋势
1) 材料选用 要提高泵的转速，减少磨损，降低温度，保证泵的正常性能，关键之一就是如何适当选择定子和旋片这对主磨擦副的材料。直联泵旋片常用的材料为一种新型自润滑材料——碳素浸合金。国内有的研究单位还对其他材料用作旋片做了综合测试，结果表明用碳纤维增强塑料、高分子液晶材料作旋片材料具有开发价值。
2) 泵腔形线 由于高速直联泵的旋片与定子之间摩擦与磨损增大，泵的温升增高，所以改善旋片泵的旋片与泵腔之间的摩擦、磨损与润滑是研制性能良好的直联旋片泵的关键。通过弹性流体动力润滑理论的分析计算发现现有泵旋片与泵腔间的运动不合理，使旋片与转子及泵腔间的磨损较严重，难以找到合适的润滑状况，导致高速旋片泵温升增加。而解决磨损的办法就是使旋片在旋转过程中始终保持长度不变。而目前的正圆形泵腔是无法办到的。由理论上可以提出一种包络线的定子泵腔型线，这种型线是一条与一系列圆心在轴对称的曲线上的包络圆外侧相切的包络线。当然，这种型线的加工工艺比正圆形型线要麻烦些，但它多花的代价可以从改善泵的性能中得到补偿。这样的泵，振动、噪音、温升、磨损均会减少很多。
(3) 转子结构与旋片 通过旋片泵几何抽速的计算可知，当泵的转速已达一定高的数值时，再增加旋片可以在不加大转子偏心距，又不增加最大线速度的情况下提高抽速。在结构上增加旋片数也是简单可行的，故它是一种有希望的提高抽速的途径。
目前，国内厂家生产的直联泵有采用三槽式整体转子结构，其上装有三个旋片。整体转子三旋片结构有较高的强度和刚性；可以减少高速运转时转子的不平衡性，以减少旋片承受的冲击负荷。泵几何抽速计算表明，泵采用三槽转子要比二槽转子的抽速大18～20％。
实现多旋片结构的关键在于旋片与泵腔材料的改革，如采用耐磨性能好的软旋片材料；增强泵的冷却等。
4) 泵体结构及排气口位置侧偏心结构是一种较新的泵体结构形式。侧偏心结构的泵转子与泵腔的切点不在上方，而在侧面，油箱也在侧面。它与一般的上切点结构的泵相比有以下一些优点：由于油位与排气口在侧面，而油面刚好把排气阀门和润滑油路的进油孔淹没，这样停泵后，只能回很少一点油在泵腔内，其余的油只能回到油路进油孔处就不能往泵腔内进了。由于回流到泵腔内的油量很少，所以泵的启动容易，因而可减少泵电机功率。同时，当油回到进油孔位置时，进油孔便成了放气孔。使泵内气体压力与外部大气压力相等，阻止油返入真空系统中造成污染。
由于泵体上的排气孔位置降低，排气阀座平面与水平面接近垂直，使泵的高度降低；排气孔外的油箱可设计较小；需油量也减少，使泵体结构紧凑。同时气体从排气阀排出是水平方向，而从顶部出气口排出来时是垂直方向，气体分子运动的方向改变，路程加长，顶部空间很大，使气体分子速度降低，能量损失，有利于防止喷油。如果在排气口处及排气箱顶部空间设置挡油装置，防止开泵喷油的效果更加理想j
德国最近又开发研制出大抽速的高速直联下偏心转子单级油封旋片泵。这种泵的结构与传统结构的旋片泵相比具有较大变化：转子与泵体下偏心安装，转子与泵腔的切点在泵腔的下方，油箱位于泵体的侧面。这种结构的泵重心低，运转平稳，振动及噪音相对减少，为制造大型旋片泵创造了有利条件。德国生产的$630F/FL型旋片泵的平均抽速可达170L/s。该结构泵的排气口位于泵体下部，排气阀的排气方向为水平方向，在排气侧装有空气偏转板、阻尼筛和排气过滤元件，既防止了喷油，又降低了噪声。泵上还配有气镇阀及油循环、油冷却装置、泵温调控系统，使泵可用于抽除高温气体及抽除大量的水蒸气。目前，德国雷暴公司已用这种泵来取代余摆线真空泵，广泛应用于真空冶炼和真空热处理设备上。
旋片泵还有许多方面有待改进。相信，随着真空技术的进步，性能更好的，能适应多种工艺要求的旋片泵一定会出现。
(六) 滑阀式真空泵
滑阀式真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结构不同。滑阀式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀泵。
滑阀泵亦分单级泵和双级泵两种，有立式和卧式两种结构形式。单级泵的极限压力为0.4～1.3Pa；双级泵的极限压力为6×10-2 —10-1Pa。一般抽速超过150L/S的大泵都采用单级形式。这种泵可单独使用，也可作其它泵的前级泵用。
1．工作原理
滑阀泵的结构主要由泵体及在其内部作偏心转动的滑阀、半圆形的滑阀导轨、排气阀、轴等组成(见图11)。
泵体中装有滑阀环(4)，滑阀环内装有偏心轮(3)，偏心轮固定在轴(2)上，轴与泵体中心线相重合。在滑阀环上装有长方形的滑阀杆(5)，它能在半圆形滑阀导轨(7)中上下滑动及左右摆动，因此泵腔被滑阀环和滑阀杆分隔成A、B两室。泵在运转过程中，由于A、B两室容积周期性地改变，使被抽气体不断进入逐渐增大容积的吸气腔；同时，在排气腔随着其容积的缩小而使气体受压缩，并通过排气阀排出泵外。
双级型的滑阀泵，实际上是由两个单级泵串联起来的。它的高、低真空室在同一泵体上，有的是直接铸成一个整体，有的是压入中隔板把泵腔分成高、低两室。
2．泵的改进措施探讨
滑阀泵虽然是一种老泵，但与旋片泵等比较，它具有允许工作压力高(104Pa)、抽气量大、能在较恶劣环境下连续工作，经久耐用等突出优点，所以在真空冶炼、真空干燥、真空浸渍、真空蒸馏等行业得到广泛的应用。同时由于结构等方面的问题，又存在着急需解决和改进的问题：
(1) 泵的振动和噪音问题 滑阀泵运转时的振动和操音较大，泵的振动影响真空系统的稳定．缩短泵的寿命，并对环境造成污染。所以研制出振动噪音小的滑阀泵对于提高泵的质量、扩大泵的应用有十分重要的意义。
滑阀泵的主要振动来自泵滑阀运动系统所产生的不平衡惯性力。解决的方法有以下几个方面：a．整体结构方面。滑阀泵可设计成立式结构或卧式结构。从发展趋势看，卧式(即倾斜式)结构较合理。因为它具有结构紧凑、重心低的特点，有利于减小振动。b．动平衡。通常采用加平衡轮并在皮带轮上加不平衡重量来对偏心轮和滑阀的惯性力进行平衡减振。对泵滑阀运动系统进行动力分析和试验表明滑阀杆的运动是影响泵振动大小的非常重要的因素，如泵已加平衡轮后．立式H-150A型泵因滑阀杆运动所产生的振动值占总振动值的2/3；卧式H-150型泵则占9/10。可以通过分析计算，然后在平衡轮上加配重的方法来平衡滑阀杆的惯性力．实践证明，这种一种有效的减振方法。c．采用机械减振装置。对于高速泵和大泵，除采用平衡措施外，还可用机械减振的办法来减小振动。例可用橡胶减振器，将减振器安装在泵的底座上，靠橡胶来吸振。d．泵缸数目的合理选择与布置。滑阀泵有单缸、双缸和三缸等结构。对于单缸、双缸和等长三缸等结构的泵，均需在泵上另加平衡配重来平衡泵运转中产生的惯性力与惯性力矩。而一种不等长三缸结构则从结构原理上铰好地解决了滑阀泵的振动问题。该结构布置型式如图12所示。中间是一个长缸，两侧各为等长的短缸a三组滑阀用一根公共轴同时驱动，中间一组滑阀长度及重量双倍于左右两组滑阀。泵运转时，两组短滑阀和中间长滑阀之间始终保持着180。的相位差。长滑阀产生的惯性力为F，短滑阀的惯性力为F/2，因此惯性力和惯性力矩大小相等方向相反，三组滑阀可以通过自身的结构设置来保持力的平衡．使泵基本消除振动。
由于该结构泵运转振动很小，所以泵的转速可以大大提高，从而可减少泵的体积和重量。例如，抽速为150L/S的三缸滑阀泵的重量要比普通型H-150泵减轻30％。这种结构也为大抽速滑阀泵的开发创造了有利条件。美国Kinney公司制造的三缸自平衡结构滑阀泵的最大抽速已达367L/S。
(2) 提高容积利用率和转速
若泵腔直径不变，减小转子直径，则可以使泵的容积利用系数增大，使抽速在泵外形尺寸不变时加大。国外已经设计出了行星式滑阀泵(如图13所示)。该结构把偏心转子做成圆板状，滑阀杆(滑片)装在滑阀体的开口槽内，另一端铰接在泵体上使其能摆动。当泵工作时，电动机带动圆板自转，插在偏心孔内的滑阀体跟着公转，同时滑阀体又可沿滑阀杆(滑片)滑动。在旋转过程中，滑阀体和泵腔内壁始终保持一定的密封间隙，以实现抽气、压缩和排气。
行星式滑阀泵与体积和转速相等的其它滑阀泵比较，由于滑阀体尺寸小，抽速可增加一倍。同样也可相应地提高泵的转速。但由于滑阀杆在这种结构中摆动很大，所以目前该结构只宜于小型泵。
由于滑阀泵的材料、振动、噪音等一系列问题尚待解决和完善，因此影响了泵转数的进一步提高。高转数(可达1000r/min)目前仅限于抽速为40L/S以下的小型泵。
(3) 抽除可凝性气体的措施
近年来，随着真空应用范围越来越广泛，在真空干燥、真空浸渍、真空脱水、真空冶炼等行业用滑阀泵抽除气体都含有大量水蒸汽。如果在真空泵中不能及时排除，就会污染真空泵油，造成真空泵抽气性能降低。尽管在泵上设置了气镇阀，认可降低泵的极限真空，用气镇方法抽除可凝性气体，但对于真空干燥、脱水、炼泥等水蒸汽含量高的抽气过程来说，用气镇方法并不理想，一般有以下方法可试用：a．滑阀泵与冷凝器配套使用。目前国内多数厂家采用这一方案。原理是将冷凝器串接在泵与被抽容器之间，把真空工艺设备中的大量水蒸汽用冷凝器捕捉成水，从而减少水蒸汽进入真空泵中的数量、降低泵油污染程度。如果适当调节冷凝器出口阀门流量和充分发挥真空泵上的气镇阀作用，可以取得较好的抽气效果。b．变滑阀泵为热泵。根据水的物理特性及相图原理，可将滑阀式真空泵改成热泵。这样．可在较高泵腔温度条件下，抽除大量可凝性水蒸汽。其工作原理如下：用一套自动温度调节控制器，通过自动控制泵的冷却水流量来达到控制泵腔温度的目的。使得在抽气过程中，泵腔的温度始终控制在高于水的饱和蒸汽压温度，促使被抽气体中的大量水蒸汽能顺利排出。
为避免出现由于泵腔内温度较高，泵长期工作可能会出现的泵油变稀、真空度下降、运转零部件卡死等现象，在设计中可采用耐高温的泵油(如N-62或N-68)和耐高温轴承．加大运转零部件的间隙等。(未完待续) | 
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