（机械设计及理论专业论文）无油涡旋真空泵参数化设计的研究.pdf

s f 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：正 思0 学位论文作者签名：7 菱期 日期： d 。穸争乙p 乙p l 岔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， 东北大学硕士学位论文摘要 无油涡旋真空泵参数化设计的研究 摘要 清洁的真空环境一直是科学家和企业界追求的理想真空环境。世界上主要的 工业国家都在争相发展新一代的清洁真空获得设备。无油真空泵在很多领域已经 越来越多的代替了油封式机械泵。无油真空泵目前已经发展到冷凝泵、柱塞泵、 爪式泵、涡旋泵以及隔膜泵等多种产品。 无油涡旋真空泵以其清洁度高、运行平稳、节省能源、体积小、重量轻、噪 音低等特点一经推出就获得了广泛的应用。但由于其在研制、设计、加工、制造 过程中的技术问题，目前国内还没有厂家生产。研制符合中国市场要求的无油涡 旋真空泵填补国内空白就成为国内科技工作者的重要任务。 本课题结合导师开发无油涡旋真空泵的项目，建立了无油涡旋真空泵计算机 参数化设计模型，在无油涡旋真空泵关键零件设计与载荷计算方法，以及传动系 统的动平衡方面作了较深入地研究。 文中首先对无油涡旋真空泵的设计理论进行研究，讨论了无油涡旋真空泵目 前主要的结构形式、以及涡旋型线理论；关键零件的设计、制造方法，及设计时 需要注意的事项。 针对无油涡旋真空泵的结构特点，将无油涡旋真空泵的传动机构转化为一平 行四杆机构，采用二次平衡的方法，对其动平衡的方法进行研究，推导出质心位 置方程，及完全动平衡无油涡旋真空泵的条件公式。 在动平衡等基本参数计算的基础上，利用g r i p 语言建立基于u g 实体设计 软件的无油涡旋真空泵的三维参数驱动模型，输入主要的建模参数，通过参数关 联计算，自动建立参数最优的无油涡旋真空泵的三维模型，利用前面的动平衡推 导方程结合g r i p 语言的实体属性计算函数使生成的模型自动实现动平衡，并且 为满足设计的需要，允许生成的模型在u g 环境下进行手动修改，软件实现了无 油涡旋真空泵的自动化设计，提高了设计的效率与准确性。 利用本系统生成的无油涡旋真空泵的零件模型进行虚拟装配；在装配过程 中，对关键部件进行干涉分析。可由三维实体模型直接生成二维工程图，为样机 制造提供了必要的生产技术文件。 本课题设计开发的无油涡旋真空泵参数化建模系统，集无油涡旋真空泵参数 优化和三维建模于一体，省去了传统设计过程中反复校验、反复调整输入参数的 过程，并且计算结果直接用于无油涡旋真空泵的三维造型。利用无油涡旋真空泵 各部分零件的三维模型可进一步进行无油涡旋真空泵的虚拟装配设计，以便及时 东北大学硕士学位论文摘要 发现设计中的问题。本系统缩短了无油涡旋真空泵设计制造的时间，提高了设计 精度，并且可扩展性强，可进一步实现同一系列无油涡旋真空泵设计和建模任务， 在无油涡旋真空泵设计制造中具有重要实用价值。 关键词：无油涡旋真空泵；动平衡；u g ：u g o p e ng r i p t 参数化设计 东北大学硕士学位论文 a b s t r a g t t h e d e v e l o p m e n t o fp a r a m e t r i c d e s i g n s y s t e m f o ro i l - f r e es c r o l lv a c u u m p u m p a bs t r a c t a sak i n do fi d e a l l yv a c u u me n v i r o n m e n t , o i l f r e ev a c u u me n v i r o n m e n ti sn e e d e d u r g e n t l yb yt h eb u s i n e s so r g a n i z a t i o na n ds c i e n t i s t i nm a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，s u c h a sa m e r i c a , j a p a n , o i l s e a l i n gv a c u u mp u m p sh a v eb e e nr e p l a c e db ys c r o l lv a c u u m p u m pi nm o r ea n dm o r ef i e l d s t h e r ea r em a n yk i n d so fo i l f r e ev a c u u m si nt h em a r k e t s u c ha sc r y ov a c u u mp u m pp i s t o nv a c u u mp u m ps c r o l lv a c u u mp u m pa n dm e m b r a n e v a c u u mp u m p t h e r e f o r e ，w i t hh i 吐c l e a n n e s s ，s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l l e ts i z ea n dl o wn o i s e ，t h e s c r o l lv a c u u mp u m pi sw e l c o m ei nt h ef i e l do fo i l f r e ev a c u u mo b t a i n m e n t a l t h o u g h m a n ym a n u f a c t u r e r sh a v eb e e nr e s e a r c h e do nt h i sp u m pi no u rs t a t e ，t h e r ei sn oo n e h a v i n gt h ea b i l i t yt op r o d u c et h ep u m p d e v e l o p i n go i l - f r e e s c r o l lv a c u u mp u m p w h i c hm e e tt h en e e do fs t a t ei st h ed u t yo fi n t e r n a ls c i e n t i s t s m yt h e m a t i ct a s ki st od e s i g naw h o l ei n v o l u t eo i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p s y s t e m 诵t l lp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g na n df e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ，w o r k i n gi n 、i n l s u p e r v i s o r sk e yi t e m ，i n c l u d i n gv i t a jp a r t sd e s i g n , d y n a m i cl o a dc a l c u l a t i o na n d d y n a m i cb a l a n c i n go ft r a n s m i s s i o n f i r s t l y , d i s s e r t a t i n gt h et h e o yo fd e s i g no f o i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p ，t w ok i n d s o fs t r u c t eo fo i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p ，t h e o r yo ft h em o l d e dl i n eo fs c r o l lp u m p , k e y st om a n u f a c t u r i n ga n dc a u t i o n si no p e r a t i o no fas c r o l lv a c u u mp u m pa r e g e n e r a l i z e d ，w i t ht h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fas c r o l lp u m pi n t r o d u c e d t i l i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c to fo i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p , l o o ko i l f r e es c r o l l v a c u u mp u m pa sf o u rl i n k a g em a c h i n e ，a n dg e t t i n gt h et w o - t i m e ab a l a n c em e t h o d , f i n d i n gt h ec e n t e ro fm a s s ，t h ec o n d i t i o n sf o rt h ec o m p l e t ed y n a m i cb a l a n c eo fr o r o r i n t e r i a lf o r c e sa n dm o m e n to fi n t e r t i ai nt h er o t a r y p i s t o nv a c u u mp u m pa r cp u t f o r w o r d b a s e do nt h em a j o re l e m e n ta n dt h et h e o r yo fd y n a m i cb a l a n c eo fp u m p ，w e d e s i g nt h e s o f t w a r et o c r e a t ee n t i t a t i v em o d e l i n g 、舫t hu g o p e ng r i p , r e a l i z i n g i n t e r f a c ev i s u a lt od e s i g na n dt r a n s f e r i n gp a r a m e t e r sw i t hu g o p c na p ic o m b i n e d t o g e t h e rt or e a l i z et h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g no fo i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m pf i n a l l y o p e r a t i n g t h i s s o f t w a r e ，o n l y 、) i r i mt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r , c a np r o d u c eu g m o d e l i n g o fe a c hm a i n p a r t o ft h eo i l f r e es c r o l l v a c u u m p u m p a u t o m a t i c a l l y , a s s e m b l i n gt h e mc a ng e tt h er u d ea n du n i t a r ym o d e l i n go fo i l - f r e es c r o l l v a c u u mp u m p t h ep r o c e d u r eo ft h i ss o f t w a r eh a sg o o dc o m m o na b i l i t ya d a p t a b i l i t y m o r ee x p l o r a t i o na n d m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( r u n n i n gu n d e rt h ee n v i r o n m e n to f d o w so rw i n x p ) a n da l s oac l e a rc o n v e n i e n ti n p u ta n de x p o r t , w h i c hi m p r o v e st h e d e s i g ne 街c i e n c ya n db e n e f i t st h ep r o d u c ts e r i e s k e y w o r d s ： o i l - f r e e s c r o l lv a c u u m p u m p ；b a l a n c e ；u g ；u g o p c ng r i p ； p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ； i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要“ a b s t r a c t 第l 章绪论l 1 1 概述1 1 1 1 无油涡旋真空泵的特点1 1 1 2 无油涡旋真空泵的应用3 1 1 3 主要的产品4 1 2 涡旋机械的发展4 1 3 课题的来源和意义。6 1 4 课题的研究内容和方法7 1 4 1 课题研究的内容7 1 5 2 课题研究的方法7 第2 章无油涡旋真空泵设计理论。8 2 1 无油涡旋真空泵的基本结构和工作原理。8 2 1 1 公转型无油涡旋真空泵8 2 1 2 自转型无油涡旋真空泵1 0 2 2 无油涡旋真空泵的型线理论1 0 2 3 动、静涡盘的结构设计1 4 2 3 1 动涡盘的设计。1 5 2 3 2 静涡盘的设计1 5 2 3 3 涡圈精度15 2 3 4 齿顶密封条的设计1 6 2 3 5 涡旋盘材料17 2 3 6 涡旋盘的制造1 7 第3 章无油涡旋真空泵动平衡。l9 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 一次平衡和动涡盘的旋转惯性力1 9 3 1 1 惯性力平衡2 0 3 1 2 惯性力矩的平衡2 2， 3 2 第二次平衡。2 7 第4 章u g 二次开发技术3 0 4 1 参数化设计3 0 4 1 1 参数化设计概述3 0 4 1 2 参数化设计的特点。3 0 4 1 3 参数化设计方法的类型3l 4 2 三维造型软件u n i g r a p h i c s 3 2 4 2 1 u g 的建模特点3 3 4 2 2u g 参数化设计技术一3 5 4 3u g 二次开发3 6 4 4u g o p e ng r i p 3 9 第5 章无油涡旋真空泵参数建模4 1 。 5 1g r i p 程序开发4 1 5 1 1 主程序的设计4 2 5 1 2 子程序的设计4 4 5 2 程序的执行。5 9 5 2 1 建模平台信息5 9 5 2 2 运行程序。6 0 5 3 高级工程图简介6 2 第6 章分析与总结6 4 参考文献6 6 致谢6 8 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 9 ， ， 东北大学硕士学位 1 1 概述 第一章绪论 无油干式机械真空泵，是最近发展起来的一类真空泵，具有能在泵腔内无油 的状态下从大气压下开始抽气，并可将被抽气体直接排到大气中去，获得和传统 真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。消除了普通油封真空泵的漏油给用户带 来的环境污染与烦恼。目前主要有冷凝泵、柱塞泵、爪式泵、涡旋泵以及隔膜泵 等多种产品。 无油涡旋真空泵是新一代的真空获得设备，相比于传统的油封真空泵具有无 油干式机械真空泵可获得清洁真空、可连续运转的特点；相比于同类无油干式机 械真空泵具有结构简单性能可靠、振动噪声小、运行维护简单的优点。 图1 1 无油涡旋真空泵 f i 9 1 1o i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p 1 1 1 无油涡旋真空泵的特点 一、无油涡旋真空泵性能优越 目前清洁真空获得设备已经发展到冷凝泵、柱塞泵、爪式泵、涡旋泵以及隔 膜泵等多种产品。在现有的无油真空泵当中，无油涡旋真空泵与其它种类的无油 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 真空泵相比具有下述特点： 1 真空腔内无油，非接触，无磨损，可获得清洁真空； 2 双涡旋盘结构，与单涡旋盘结构相比具有2 倍抽气容积； 3 结构简单、性能可靠，采用复合o 型圈密封，泄漏量低： 4 非接触结构，易于平衡，噪音低，振动小； 5 抽气过程形成3 _ 4 个抽气单元，压差小、泄漏少； 6 结构简单紧凑，体积小，维修方便，维护费用低； 7 空气冷却，无需水冷。 二、解决了污染与振动等基础、共性问题 无油涡旋真空泵消除了普通油泵的漏油给用户带来的环境污染与烦恼。由于 需要密封普通旋片油泵每次启动前都需要添加密封油，对生产的连续进行造成影 响。又由于普通旋片油泵漏油、噪声、返油污染、高能耗以及振动等问题使得真 空泵用户一直在寻找一种能获得清洁真空的产品。如在生物制品行业与半导体行 业的油蒸汽污染与工艺系统返油问题，为除油污增加了成本；真空镀膜设备的镀 膜工艺中，在2 啦4 0 p a 真空条件下镀膜时，如果应用普通旋片机械真空泵作为 前级真空泵将对镀膜工艺设备造成污染，影响成膜量。半导体晶片制造工艺当中 使用油泵与使用干泵相比，成品率存在5 0 左右的差距，并且排出的油雾蒸汽对 环境也有污染。科学仪器行业尤其是在分析试验仪器行业，采用油泵对测试结果 将造成不良影响。大型同步辐射光束线上采用无油涡旋真空泵作为前级真空泵的 作用也相当明显。 三、使系统制造与运行成本降低 为防止普通旋片油真空泵对真空系统的返油污染，需要在抽气系统中加冷阱 捕获油分子；系统运行过程当中还需要定期清洗除油；有的需要定期更换真空泵 油。 采用无油涡旋真空泵可以达到： 不需要加冷阱之类捕油机构； 不需要换真空泵油； 振动小、运行更平稳； 能耗降低； i 、要! j 耋蚕曩燃普通旋片油真空泵的更新换代产品。国内以 篡篓裟震篓黧纛戮霖二荔 黧：l 黧鬟= = 。裟茹磊磊 ? 答黧蓑妻雾篡雾篙筌萎未麓嚣：队 题，目前国内还没有厂家生产，市场上主要依罪l ，i 怡印贝刚皿h 岍。 1 1 2 无油涡旋真空泵的应用 l ，篓竺黑繁鬻 、嚣慧鬻 真空泵具有结构简单、运行平稳、噪音低、节省就源、里重拦、降仍1 ”引” 已经被广泛应用到下述科学研究与生产领域： 坐鼻蚀行业：薄膜制备设备、半导体器件封装设备。 趋 三兰芝耋竺：慧黛茎善薹0 篇篡； 科学仪器行业：同步辐射光束线、电子显微说、万秽硼风队仰 医疗设备。牙科仪器、透析机； 生物制品行业：材料提纯、药品制备； 三篓，篮二黧嚣翥黼獭猁揪囊 由于体积小、噪音低、极限度高等优点，无油祸斑具王汞位队天1 ”一。 达国 图1 2 无油涡旋真空泵应用实例 f i 9 1 2 呦p l 鹤。f o i l f r e es c r o l lv 踟眦p 唧s a p p l i c a t i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 3 主要的产品 无油涡旋真空泵的加工精度要求非常高，目前只有日本和欧美少数几个国家 小批量生产。世界上无油涡旋真空泵产量最大的是日本的岩田公司，其主要的产 品是d v s 6 3 0 和d v s 3 2 1 。另外美国的瓦里安公司( v a r i a n ) 和英国的爱德华 公司( e d w a r d s ) 的无油涡旋真空泵应用也比较广泛，瓦里安公司的主要产品是 s h 1 0 0 、t r i s c r o l l 3 0 0 、t r i s c r o l l 6 0 0 ，爱德华公司的主要产品有x d s 5 、x d s 1 0 和o v s p 3 0 等【2 】。 。i j 、? 溘 ( a ) d v s 3 2 1( b ) t r i s c r 0 一6 0 0 图1 3 两种无油涡旋真空泵 f i 9 1 3t w ot y p e s o fo i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p 目前市场上的无油涡旋真空泵产品抽速最小为l l s ，最大的不过1 0 1 s ，抽速 大于4 1 s 的无油涡旋真空泵几乎全部采用双侧涡旋结构，而抽速小于4 1 s 的泵 多采用单侧涡旋结构。 1 2 涡旋机械的发展 涡旋机械是最近几年才开始显示其优越性能，并以其结构简单可靠获得了广 范的应用。但是涡旋技术的历史比较悠久，早在2 0 世纪初世界上就已经有了涡 旋技术的专利，但由于当时的加工能力的限制，一直停留在理论研究阶段，无法 加工出合格的产品。 涡旋机械的理论最早由法国人l e o nc r u e x 提出，并于1 9 0 5 年在美国获得专 利，论述的内容是关于可以逆转的涡旋膨胀机。l e o nc r u e x 的涡旋发动机专利 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( r o t a r ye n g i n e ) 涡圈采用圆渐开线，动涡盘采用公转结构，涡圈端部设计有密 封材料。 涡旋技术一直没有实用化的原因是： 一、没有精密的涡旋型线加工技术； 二、没有满足性能要求和安全可靠的传动机构。 直到2 0 世纪7 0 年代，高精度数控铣床的出现，给涡旋机械的生产带来可能， 涡旋机械实用化的研究增多起来。 7 0 年代n o y o u n g 和j e m c c u l l o u g h 等提出了一系列关于涡旋机械的专利， 对涡旋机械的发展起到巨大的推动作用。1 9 7 3 年美国a r t h u r d l i t t l e 公司进行 了用涡旋机械压缩氮气的研究，指出了涡旋机械的应用关键在于建立自我补偿的 密封装置，为涡旋机械的大规模开发奠定了基础。很快涡旋理论投入了实用化， 。 初期主要应用于压缩机领域，与其它机型相比，涡旋压缩机具有效率较高、振动 小、噪声小、结构简单、可靠性高等优点，自投入使用以来，应用范围不断扩大。 从单级的空气压缩机发展到多级压缩的涡旋机组，从最初适用于柜式空调器全封 闭制冷压缩机到窗式空调的的小功率压缩机及汽车空调系统的开启式涡旋压缩 机。t r a n c e 、h i t a c h i 、c o p l a n d 等著名公司的涡旋压缩机技术与产品引领了世界 涡旋技术实用化的浪潮，带动了冰箱、空调等诸多行业的技术进步和产品的更新 换代。 无油涡旋真空泵在将低压侧气体捧向高压侧这一点上，其工作原理与压缩机 基本相同，所以真空泵的结构大多与压缩机相似，日本的公司最先生产出了无油 涡旋真空泵，并显示出极其优越的性能虽然无油涡旋真空泵与涡旋压缩机的工 作原理基本相同，但两者之间的运行条件有相当大的差别。即无油涡旋真空泵的 压缩比非常高，在极限真空压力下没有气体排出。这对无油涡旋真空泵的设计及 生产提出了较高的要求 人们应用涡旋概念与原理制造出了对真空应用仪器设备和环境没有污染，并 且抽速、寿命、能耗等指标均优于普通油泵的单级、双级无油涡旋真空泵系列产 品。上个世纪9 0 年代初，世界上首台无油涡旋真空泵推向市场，涡旋技术由此 开始作为一种新型真空获得技术在世界范围内被推广应用。到目前为止，世界上 无油涡旋真空泵的生产厂家集中在美国、日本和欧洲，以日本的a n e s tl w a t a 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 美国的v a r i a n 、德国的b u s h 等为代表。产品包括了自0 2 5 l s 1 0 l s 系列 产品，有些1 5 l s 或更大抽气量的产品也在试验阶段。 无油涡旋真空泵实现了全无油、运行更平稳、噪音更低、更加节省能源的涡 旋清洁真空获得技术的实用化。 1 3 课题的来源和意义 真空获得设备是一个量大面广的产品。产量很大，单台产值不高，但它是一 个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。目前我国生产的真 空获得设备绝大多数属于传统的真空获得设备。其中高真空泵以油扩散泵为主， 中低真空泵仍然以水环泵、旋片泵、滑阀泵、罗茨泵为主。我国真空技术的应用 9 0 左右都是集中在传统的工业领域，如真空冶金、真空热处理、真空镀膜、真 空浸渍干燥、真空蒸馏、浓缩以及真空排气、真空包装、制冷等行业。 近年来，国外的真空技术应用已从传统的工业领域转向半导体、平板显示 ( l c d ，p d p ，o l e d ) 、太阳能光伏电池、化学工业、生物制药等高端产业领域， 真空系统已经出现更新换代的局面，有油的真空系统已被清洁无油、耐腐蚀的真 空系统所代替。国外各种类型的无油涡旋真空泵、复合分子泵、磁悬浮轴承分子 泵和低温泵发展很快，市场上均有商品出售。在国内还没有生产厂家涉足这一类 产品，基本上处于空白状态，所需产品完全依赖进口。 根据国内真空技术发展趋势，为了适应高端产品和特殊应用场合的需要，研 究开发清洁、无油、耐腐蚀的无油涡旋真空泵、复合分子泵、磁悬浮轴承涡轮分 子泵和低温泵势在必行，以实现我国真空获得产品的更新换代。 本课题是配合导师研制我国自主产权无油涡旋真空泵项目，利用g r i p 语言对 无油涡旋真空泵数字模型进行的二次开发，创建了基于u gn x 4 平台的无油涡 旋真空泵三维参数化建模，使无油涡旋真空泵研究人员无须考虑泵体的建模过 程，只需要通过参数的输入就可由本系统自动生成参数最优的无油涡旋真空泵三 维模型，简化了设计过程，提高工作效率，使原先需要较长时间的建模过程缩短 到几分钟即可完成。由此系统创建的模型可供设计者对所设计的无油涡旋真空泵 进行修改、校核、试验或数字加工之用。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 课题的研究内容和方法 1 4 1 课题研究的内容 ( 1 ) 调研和结构分析：收集国内外相关资料，分析无油涡旋真空泵的工作原理 和基本结构，为零部件参数设计作好前期准备工作。 ( 2 ) 传动机构的动力学计算方法研究：对无油涡旋真空泵传动机构进行了深入 细致的动力学研究。对平衡机构、防自转机构等各重要传动部件受力状态进行深 入分析，研究其数值计算方法；为无油涡旋真空泵运行稳定性分析提供了研究依 据。 ( 3 ) 参数化虚拟建模：利用g r i p 语言，基于三维设计软件u g 的系统环境根 据前面的动平衡分析，建立自动计算参数的无油涡旋真空泵参数模型。分析涡旋 压缩机设计参数的合理性及相关部件在空间位置的协调性并进行相应修改；进行 干涉分析，检查传动机构装配干涉，并修改原始设计参数；生成零部件的二维工 程图用于指导样机生产 1 5 2 课题研究的方法 建立运动机构的数学模型，采用数值积分的方法求出无油涡旋真空泵的质量 参数 对比分析涡旋真空泵两次平衡的方法、四杆机构摆动力和摆动力矩平衡方 法、以及广义平衡方法，提出适用于本课题无油涡旋真空泵的动平衡计算方 法 7 | 建立涡旋型线方程，通过参数化驱动建模，生成无油涡旋真空泵三维模型 动态模拟动、静涡盘相对运动，比照试验参数，确定涡旋真空泵各瞬时参数， 为后续研究提供资料 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 第二章无油涡旋真空泵设计理论 2 1 无油涡旋真空泵的基本结构和工作原理 无油涡旋真空泵主要有两种结构类型一自转型结构和公转型。目前市场上主 要是公转型结构的无油涡旋真空泵居多，自转型的无油涡旋真空泵目前主要处于 研究阶段。 2 1 1 公转型无油涡旋真空泵 图2 1 无油涡旋真空泵基本组成结构 f i 9 2 1s t r u c t u r eo f o i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p 图2 1 所示为典型的公转型无油涡旋真空泵基本组成结构。装配后的涡圈， 其平面上的投影如图2 2 所示。由图可见，当两涡盘偏心配置时，能形成对称的 几对月牙形封闭的工作腔。 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 图2 2 公转型无油涡旋真空泵的工作原理 f i 9 2 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f o i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p 当机器工作时，动涡盘在主轴的驱动和防自转机构的相位保持下作平面圆周 运动。如图2 2 所示，最外圈的转动而逐渐张开，气体进入腔内：进人的气体量 随转角的增大而增加，进而达到最大值；随着主轴的继续转动和开口的逐渐关闭， 工作腔的容积又有所减少，同时吐出少量气体；最后形成一对封闭腔，完成一次 吸气过程，此时主轴转过3 6 0 度。当主轴继续旋转时，动涡盘好像是一个活塞， 把气体自外圈向中心推移，工作腔容积缩小，气体受到压缩，此时该腔的面积愈 变愈小。最后，当两腔室与中心排气孔口相通时，开始排气，至排出过程结束时 整个排气过程主轴也转过3 6 0 度。这样，一对工作腔完成一次吸气压缩排气过 程，如图中结构涡圈圈数为3 时，则主轴约需旋转4 x 3 6 0 度。不同的涡圈数， 压缩过程的转角也不同，涡圈数愈多转角愈大。当最外的吸气腔形成封闭容积开 始向中心推进时，另一个新的吸气腔同时又开始形成，并重复进行上述过程，如 此周而复始。因此，实际上无油涡旋真空泵不论涡圈圈数有多少，每一转都完成 一次吸气与排气过程。 对于公转型无油涡旋真空泵，其涡圈侧面的密封线的位置和方向，随着动涡 盘作公转运动连续不断地改变。如果上述动涡盘运动的曲柄轴的旋转方向相反， 则为膨胀机或为发动机。如果上述动涡盘与静涡盘的涡圈数相差o 5 ，则两个吸 气腔不再同时吸气，而是相差1 8 0 度，此后两个吸气腔的进程也不再相同。 东北大学硕士学位论文 第2 章无油涡旋真空泵设计理论 2 1 2 自转型无油涡旋真空泵 自转型无油涡旋真空泵的工作原理如图2 3 所示。 图2 3 自转型无油涡旋真空泵的工作原理 f i 9 2 3o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fo i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p 两个涡盘有各自的回转中心，中心距等于保证两个涡盘正确啮合的偏心距。 一般将两个涡盘中的一个涡盘称为主动涡盘，由驱动轴带动作平面圆周运动，同 时输入功率：另一个涡盘称为随动涡盘或自由涡盘。 对于自转型无油涡旋真空泵，其侧面的密封线位置和方向在发生圆的两条切 线上，相位差1 8 0 度，密封线的位置和方向不变。自转型结构需要采取适当的措 施保证两个涡盘的同步运动。 2 2 无油涡旋真空泵的型线理论 无油涡旋真空泵涡盘结构大都采用如图2 4 所示的单涡圈渐开线涡圈。涡盘 上从基圆处发生并形成一条采用圆渐开线的涡圈。 东 它 开 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 基圆渐开线、代数螺线及阿基米德螺线等单一普通型线构成的涡酬6 1 ，以及分 段曲线构成的混杂型线涡刚7 】【引，对于单涡圈，采用圆渐开线作为涡圈型线时， 如图2 6 所示动涡盘与静涡盘涡圈形状完全对称，比较易于加工。 图2 6 两涡圈形状相同、对称圆渐开线无油涡旋真空泵 f i g2 6 i n v o l u t e so f t w oc i r c l es c r o l lp r o f i l e 实现无油涡旋真空泵正常工作的必要条件是，动涡盘与静涡盘能够啮合。所 谓啮合，是指静涡盘的涡旋体在泵内的任一点，必有动涡盘涡旋体上的一点与之 对应，实现瞬时接触形成封闭的月牙形容积腔。 无油涡旋真空泵形线的构成应符合如下原则【6 】： 1 ) 对于动涡盘或静涡盘上位于真空泵内任一给定点，在静涡盘活动涡盘上， 必有且只有一点与之啮合，并且内侧壁面上的点与外侧壁面上的点相啮合。 2 ) 当涡旋型面上一对共轭点相啮合( 接触) 时，动、静涡旋盘涡旋型线特 征形状几何中心之间的距离，不随主轴转角而变化。( 特征形状，指反映涡旋型 线类型的几何形状，如对于圆形渐开线涡旋型线，就是指其基圆。) 3 ) 一对啮合点相啮合时，啮合点所在的涡旋型面的切向相互平行，并且与 通过涡旋型线特征形状几何中心之间连线方向相垂直。 文献【6 】证明了线段渐开线、阿基米德螺线、偶数列正多边形渐开线和圆的渐 开线等能够实现上述啮合运动的涡旋型线。 由图2 7 可看出，正多角形的渐开线是一条用圆弧连接成的光滑曲线，而圆 的渐开线是一条用无限短的圆弧连接成的曲率连续变化的光滑曲线。以圆渐开线 的无油涡旋真空泵的理论及工程设计方法最为成熟，制造也比较方便。 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 图2 7 直线段、正多边形、和圆的渐开线 f i g2 7i n v o l u t e so fb e e l i n ea n dp o l y g o na n dc i r c l e 目前几乎所有的无油涡旋真空泵都采用圆的渐开线型线，当涡旋体高度与壁 厚、吸气容积与行程容积比一定时，圆渐开线与其它渐开线相比构成的涡旋型线 及组成的压缩腔具有如下的优点： 具有最少的涡旋型线圈数。 具有最短的轴向间隙泄漏线长度l 具有最短的特征形状几何中心至渐开线终点的距离。 当吸气容积增大时，、l 、的增加幅度最小。 综上与其它类型的渐开线型线相比，圆渐开线无油涡旋真空泵具有更加紧凑 的结构与良好的工作性能。下面仅就这种渐开线的几何理论进行讨论。 从加工工艺考虑，圆的渐开线可以根据展成原理加工涡旋体，所以，圆的渐 开线是最适合与构成涡旋型线的曲线。目前已经商品化的无油涡旋真空泵主要都 是采用圆渐开线作为涡旋型线。 如图2 8 所示，以渐开角为参变量，则圆的渐开线方程为： 图2 8 圆的渐开线 f i g2 8i n v o l u t e so fc i r c l e ：一1 3 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 p 口竺s 豇n 婴( 2 - 1 ) 【y = 口( s i n 一c o s 矽) 式中：a 基圆半径 妒渐开角 圆渐开线涡旋型线的基本参数： 基圆半径 a 渐开线节距p = 2 n a 渐开线发生角口 涡旋体壁厚 f = 2 a a 涡旋体高度h 涡旋线圈数 渐开线的渐开角= 2 n n + n 2 动静涡盘基圆中心距离，= p 2 一， 考虑到涡圈的壁厚r ，则在图2 2 中以口表示涡圈内、外侧渐开线起始点的发 生线与x 轴的夹角，则涡圈的内、外渐开线的参数方程为： p 口【c o s 川卜0 试哆_ 叻 ，( 2 - 2 ) i 咒= a ( s i n ( - t r ) 一c o s ( 一口) 】 轳如s ( 矽把卅眦哆- 、( 2 - 3 ) i 咒= a ( s i n ( 矿+ 口) 一c 0 s ( + 口) 】 ，称为转动半径，工作中动涡盘的基圆中心绕静涡盘的基圆中心作半径为， 的圆周轨道运动。 动涡盘的运动是由偏心轴驱动的。理论上偏心轴的中心线，应与静涡盘通过基 圆中心的中心线相重合，曲柄销的中心线，应与动涡盘通过基圆中心的中心线相 重合，故，又称为偏心轴的偏心量。 只有满足，= p 2 一f 的涡旋型线组合，方可构成封闭的容积腔。 2 3 动、静涡盘的结构设计 动、静涡旋盘是无油涡旋真空泵中最重要的工作部件，无油涡旋真空泵的性 东北大学硕士学位论文 第2 章无油涡旋真空泵设计理论 能指标很大程度上取决于动、静涡旋盘的设计与加工。 2 3 1 动涡盘的设计 如图2 1 所示，无油涡旋真空泵的动涡盘由电动机通过主 轴驱动，动涡盘与主轴通过密封轴承连接，保证动涡盘在绕偏 心轴转动的时候不会产生泄露。动涡盘可以设计成单边或双边 形式，单边形式动涡盘设计时需要考虑轴向的气体力一般设计 背压系统以及设计轴向动态补偿机构来保证轴向密封。双边形 式动涡盘如图2 9 所示，能同时在涡旋盘的两侧形成同样形状 的容积腔，结构紧凑，吸气容积是单边的两倍，由于动涡盘两 侧结构对称运转时轴向受力为零，性能上优势比较明显。 2 3 2 静涡盘的设计 图2 9 双边形式动涡盘 f 嘻2 9o r b i t i n gs c r o l l 公转型无油涡旋真空泵的静涡盘固定不动以配合动涡盘的圆周平动包裹运 送工作气体。单边无油涡旋真空泵的静涡盘一般设计成轴向浮动结构，借此跟踪 动涡盘，保证两者涡圈的轴向密封。双边无油涡旋真空泵的静涡盘一般设计成剖 分式，两端都设计有固定的涡旋体，由于中间内置的动涡盘轴向位置不可调，所 以对两侧静涡盘的位置精度要求较高。静涡盘涡圈外侧为进气室，应使对称两进 气室都能流畅地进入气体。 静涡盘零件除涡旋型线外，排气孔的设计是一个很重要的技术问题，应尽量 使捧气孔有较大的面积，其形状取决于涡旋体始端的结构。 2 3 3 涡圈精度 主要包括涡圈型线精度、壁厚、节距、高度、顶部与底部平面度，涡圈壁面 与底面垂直度等。精度对无油涡旋真空泵的性能有决定性影响，因此人们总是在 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 不断设法提高与保证其精度。但精度的提高又涉及加工机床的性能及制造成本问 题，此外涡盘在工作时受热与受力引起的变形，又会使过高的精度失去意义，因 此，需寻求它们的最佳值。 涡圈与底板接合的根部难以做到完全直角，涡圈顶部总需要有些倒角，图2 1 0 为一对涡盘声根部与顶部的实测情况，两者之间的配合间隙为泄漏通道，故应当 十分注意。 涡圈项部倒角涡圈槽根底 ， ji y j 1 彳。 e j p j 勺 o f - 八v 。3 0 _ u n 。 1 3 1 j m 图2 1 0 涡圈根部与顶部的测量情况 f i g 2 1 0m e a s u r eo f s c r o l l - p o o l s 2 3 4 齿顶密封条的设计 无油涡旋真空泵的泄漏主要包括通过涡旋型线轴向啮合间隙的径向泄漏和 通过型线径向啮合间隙的切向泄漏。径向泄漏可以采用顶部密封来解决，而切向 泄漏则采用控制动涡旋盘与静涡旋盘壁之间间隙的方法来解决。 齿顶的密封可以通过调整公差或安装密封条，一般采用密封条的比较多。密 封条分别安装在动、静涡旋盘的顶部密封条相对对面涡旋盘底面作圆周向滑动， 使气腔在涡旋盘顶部的泄漏减到最d 、1 9 1 。由于是无油运转，要求密封件耐磨、耐 高温、具有一定的抗蠕变性能。顶部密封件的材质、尺寸、位置对于无油涡旋真 空泵的长期运转是至关重要的。 东北大学硕士学位论文第2 章无油涡旋真空泵设计理论 2 3 5 涡旋盘材料 涡旋盘常采用成型技术直接铸成，并留有一定的加工余量。涡盘的毛坯应尽 量接近动、静涡盘的外形要求，以减小毛坯重量和切削余量。非加工表面一次性 铸成，并作喷砂处理。利用金属模等高精度成型技术时，可省略对涡圈的粗加工 与半精加工，只进行精加工。 动涡盘