无油涡旋真空泵技术的发展与应用.doc

无油涡旋真空泵技术的发展与应用宁宪宁一.无油涡旋真空泵技术的来源与现状从无油涡旋真空泵产品1980年代末在市场上出现到现在为止，已经近20年了。而对这种泵的研究和开发，则远不止20年。由于这种泵具有普通油旋片泵不可比拟的优点，也有很大的技术难度，所以其核心技术至今掌握在世界一流的真空科学与技术专家的手中，也只有世界顶尖的真空获得设备生产厂家能够生产。目前世界上商业化生产与销售无油涡旋真空泵的公司主要有Anest Iwata、Varian、Edwards、Busch和我们沈阳纪维应用技术有限公司。实际上将涡旋抽气技术应用于真空泵产品是涡旋压缩机技术带给人们的启示。在上个世纪70年代半导体、航空航天、食品、医药、科学仪器等行业对清洁真空环境的需要，以及能源的紧缺，催生了对无油真空获得设备的研发。多级罗茨泵、螺杆泵、爪式真空泵、柱塞式真空泵、罗茨与爪泵复合式真空泵和无油涡旋真空泵的研发都有开展。在替代普通油旋片泵方面，无油涡旋真空泵以其抽气过程全无油、低能耗、低噪音、气体压缩连续进行使力矩与压力波动很小并且容易控制、单级可以分成34个腔体使压缩比大这样的特点，发展迅速，成为粗真空阶段小型无油真空泵的主流产品。但是以涡旋压缩机技术为基础的无油涡旋真空泵技术面临着涡线形式的选择、涡旋盘参数优化与涡旋线的修正、涡旋盘尤其是双侧动涡旋盘的加工与检测、涡旋盘表面自润滑与耐磨技术、涡旋盘密封的选择、系统的平衡、振动和噪音的降低和消除、整机效率的提高等等问题，其研究与开发涉及现代数学、机械设计学、计算机技术、材料科学、运动学、力学、测量等不同的学科与实用技术。如同每一种新产品和新技术的产生、发展的历程一样，无油涡旋真空泵从产品出现到现在，仍然处于不断的技术改进和完善的发展过程中。二.无油涡旋真空泵工作原理无油涡旋真空泵的工作原理来源于Creux 1905年的一项发明专利。该发明采用一个在另一个内部，一个固定，另一个转动的具有连续的分离、连续的闭合性能的“等螺距渐开线”，研发一种涡旋发动机。涡旋的形状被定义为绕固定的轴心展开直线的轨迹。涡旋上任意一点的迪卡尔坐标值如下式所示：X= *（cos+*sin）Y= *（sin-*cos）其中常数代表轴半径，代表展开角。涡旋真空泵的涡旋盘付就是一个一端与平面相接的一个或几个渐开线螺旋形成的一个涡旋型盘状结构体。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交叉组装在一起，两者之间由防自转机构保证180相位差，这样结合组成的一对涡旋盘付构成了涡旋真空泵的基本抽气机构。静涡旋盘与动涡旋盘彼此之间在几条直线上接触形成对称的几对月牙腔，动涡旋盘在曲轴的驱动下绕静涡旋盘的涡旋体中心运动，使静涡旋盘与动涡旋盘的接触点沿涡旋曲面移动实现吸气、压缩与排气循环。在双侧无油涡旋真空泵中，有两个方向对应的静涡旋盘，一个位于两个涡旋盘之间的动涡旋盘。动、静涡旋盘相对运动形成容积不断变化的新月形真空腔使气体从抽气口吸入、排气口排出，完成吸气、压缩、排气的循环。曲轴每转一转，就有一组新的月牙腔形成，所以涡旋真空泵的吸气、压缩、排气循环以近1500转/分的频率被连续重复，对被抽气体形成包容和强制输送。 图1.涡旋真空泵动涡旋盘与静涡旋盘 图2. 涡旋真空泵泵头剖面图三.无油涡旋真空泵技术指标表1.无油涡旋真空泵技术指标型号GWSP1000GWSP600GWSP300GWSP150排气速度50Hzl/s16.68.74.32.0l/min996.0522.0258.0120.0m3/h59.831.315.57.2cfm35.818.79.34.360Hzl/s19.910.45.12.4l/min1194.0624.0306.0144.0m3/h71.637.418.38.6cfm42.822.310.95.1极限真空度Pa1.01.02.68.0Torr7.510-37.510-31.910-26.010-2mbar1.010-21.010-22.610-28.010-2psi1.410-41.410-43.810-41.210-3被抽气体种类用于抽洁净气体和含有水分的气体，不能抽有毒、易燃易爆、腐蚀性以及蒸汽、化学品、溶剂及大量粉末等。漏率（排气口和气镇阀关）110-2Pal/s（110-4mbar l/s）最大进/排气压力MPa0.1 /0.13工作环境温度/540/41104最大水分处理能力G/day255电机输出功率kW/hp1.50/2.000.75/1.000.55/0.740.37/0.49工作电压VAC380/220380/220220380/220220380/220220转速rpm1410噪音值dB(A)63636357进/排气口尺寸mmKF40/162KF40/16KF25/16KF25/16外形尺寸mm548359397487316360457290336416245277重量kg52363218冷却方式风冷其他带气镇阀四.无油涡旋真空泵设计重点1.涡线形式的选择作为一种容积泵，无油涡旋真空泵是通过容积的变化来达到抽真空的目的，而容积的变化由涡旋型线决定。这样涡旋型线设计就成为无油涡旋真空泵设计中一个最基本的问题。判断型线的优劣主要从体积小、容积效率高、运转平稳、易于保证加工精度等方面考虑。目前采用的型线主要为单一型线、修正型线、组合型线和通用型线。型线主要包含有基圆渐开线、正多边形渐开线、线段渐开线、半圆渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线、包络型线等。目前世界上形成商品化的无油双侧涡旋真空泵型线的数学模型全部为圆的渐开线。这是因为以下原因：第一.从有效容积的定义出发，对几种不同型线的优劣进行比较得出，圆的渐开线的有效容积比为1，正四边形渐开线为0.9，正六边形渐开线为0.95，正八边形渐开线为0.972，线段渐开线为1.023。圆的渐开线的有效容积比较高；第二.使用该种型线的无油双侧涡旋真空泵具有更加紧凑的结构和良好的工作特性；第三.圆的渐开线易于加工，可采用展成法，这对于使用高速、高效专机进行大批量的超精密加工具有十分重要的意义。2.涡旋盘参数优化无油涡旋真空泵的主要部件是动、静涡旋盘，动涡旋盘在曲轴的驱动下相对静涡旋盘做平面运动，使动、静涡旋盘围成密闭的月牙腔，完成气体的吸入、压缩、排除的过程。对动、静涡旋盘涡旋型线的关键参数进行适当的优化，有利于整机结构的简化和紧凑，便于生产和加工。如果用结构参数来表征涡旋盘，构成涡旋盘的主要参数有如下5个,它们是：基圆半径a、涡旋节距P、涡旋壁厚t、涡旋线起始角和涡旋壁高度H。其中P=2a，t=2a。一般来说，为便于测量和设计，我们通常都先确定节距P 和壁厚t 以及高度H 三个参数，再推算出基圆半径a、涡旋线起始角，从而建立涡线方程。对于无油双侧涡旋真空泵，为了保证结构的紧凑和高效，往往对上述三个参数进行优化。优化的具体方法本文不再叙述，从加工的角度考虑，其原因和结果如下：(1)高度H 在输气量不变的情况下，增加H值，有利于减小涡旋盘的直径，减小轴向间隙的泄漏线长度，有利于提高容积效率；但是，H增加，必须使得刀具刃加长，意味着对机床、刀具的要求提高，增加了涡旋盘的加工难度，不易于保证涡旋盘加工精度。(2)壁厚t t值的选取原则是须保证一定的强度和刚度，满足在一定工况下的变形量不宜太大，涡旋盘壁厚一般在34mm之问，壁厚太薄，影响强度和加工精度；太厚增加了重量，增加了运动部件的磨损和振动。(3)节距P 通常用Pt的值来表征涡旋盘壁之间的槽宽，Pt越大，可以使用的刀具直径就越大，意味着刀具的刚性越好，加工精度越容易保证。同样地，也必须限制Pt的大小，因为它也影响到整个涡旋盘的直径。实际上，Pt的选取，应尽量选取一个整数值，这样有利于标准刀具、量具的选用。3.涡旋型线的修正对涡旋型线进行一定程度的修正，对整机性能的提高是有一定好处的。由于刀具干涉等原因，对涡旋型线的头部的型线进行修正是非常必要的。由于头部分别处于涡线的起始段，易于产生应力变形和刀具的让刀现象，加厚这一区域，以减小应力变形和一定工况下的热变形是非常必要的。该处的修正，确实可以大大减小功耗,减小排气孔内部无效排气容积，提高排气过程的平稳性,防止产生较大气流脉动。五.无油涡旋真空泵加工重点无油涡旋真空泵性能包括其极限真空度、抽速、能耗、噪音和振动等。性能是由泵的容积效率、泄漏、摩擦等因素造成的，而这些因素是由涡旋盘的加工精度决定的。所以在无油涡旋真空泵的设计与生产中，保证涡旋盘的加工精度非常重要。1.重要的几何精度指标在产品质量控制中，首先应建立一套相应的几何精度指标，和性能密切相关的几何精度指标必须严格要求，同时一些无关紧要的精度指标尽量放宽放松，以确保加工的经济性。就涡旋盘壁的侧泄漏及摩擦来讲，最重要的几何精度指标有：涡旋型线线轮廓度、垂直度、位置度、对称度及壁厚尺寸公差，这5种几何精度可定义为径向精度。就涡旋盘壁顶部泄漏及摩擦来讲，最重要的几何精度指标为动涡旋盘与静涡旋盘壁高尺寸公差、动涡旋盘与静涡旋盘壁顶部及槽底面的平面度，这两种精度可定义为轴向精度。下面就径向精度及轴向精度与性能关系进行详细的分析：1.1径向精度(1)线轮廓度线轮廓度是描述实际加工的涡旋型线相对于设计渐开线型线的偏离程度。由于两涡旋盘的渐开线型线的啮合线是动涡旋盘与静涡旋盘两基圆的公切线，因而型线误差是基圆切线方向实际型线与理想型线的差值。由于实际型线与理想型线存在一定的误差，相应就会发生气体泄漏和机械摩擦现象，这种现象一般总是同时存在的随着曲轴的旋转，啮合切线也在旋转，这样在不同的压缩腔就会使有的啮合区域气体泄漏，有的啮合区域机械摩擦。因此，线轮廓度是决定性能的一个比较重要的几何精度指标，它同时影响几个腔的工作情况。(2)垂直度涡旋盘涡旋壁母线与涡旋盘槽底面的垂直程度称为涡旋盘旋壁与底面的垂直度。总之，涡旋盘壁与底面的不垂直情况有两种，都会导致气体的泄漏。(3)位置度涡旋盘相对轴承座有位置度的要求，即涡旋盘基圆中心相对于轴承孔中心的偏离程度；还对另一面的涡旋盘有位置度要求。位置度误差在相应的啮合区域造成较大的机械摩擦损失，造成较大的涡旋盘壁侧气体泄漏，随着曲轴的旋转，这种情形会周期发生。(4)对称度由于动涡旋盘为双面型，涡旋型线对称度要求极为严格。(5)壁厚公差壁厚较大时，会出现挤压摩擦现象；壁厚过小时会出现气体泄漏现象。1.2轴向精度(1)动涡旋盘壁与静涡旋盘壁高尺寸公差如果采取无涡旋盘壁顶部密封条的方式，动涡旋盘壁与静涡旋盘涡旋壁的高度差一般在5微米以内。如果动涡旋盘壁高尺寸高于静涡旋盘壁高尺寸，就会在动涡旋盘齿槽根部发生气体泄漏，如果静涡旋盘壁高尺寸高于动涡旋盘壁高尺寸，就会在静涡旋盘槽底部发生气体泄漏。(2)涡旋盘壁顶部及槽底面的平面度涡旋盘壁顶部及槽底面的平面度精度高低决定着动涡旋盘(或静涡旋盘)壁顶面与静涡旋盘(或动涡旋盘)底面的密封性能。当平面度精度较差时，会出现局部点接触摩擦，而大部分区域发生气体泄漏。2.加工精度误差分析提高无油涡旋真空泵效率、降低能耗的主要途径是减小动涡旋盘与静涡旋盘所形成压缩腔之间的泄漏量及机械摩擦功耗。与无油涡旋真空泵性能有关的几何精度主要有涡旋盘型线线轮廓度、涡旋壁垂直度、涡旋盘壁相对于背后的轴承孔及键槽的位置度、动涡旋盘双面型线对称度、涡旋盘壁顶部及槽底面的平面度和涡旋盘表面粗糙度。下面就每一种精度指标出现超差的原因进行分析，并提出控制建议。(1)线轮廓度 线轮廓精度决定动、静涡旋盘的啮合精度，线轮廓度误差偏大可能与加工设备和加工方法有关。如果采用直角坐标法加工，造成线轮廓度误差超差的困素可能有两个：其一是编制数控加工程序时渐开线的啮合精度偏低；其二是在加工过程中机床 X 丝杠或 Y 丝杠的返程间隙太大。(2)垂直度一般说来，涡旋盘壁的不垂直情况有三种，分正锥、倒锥和倾斜。 图3a.正锥 图3b.倒锥 图3c.倾斜 图4a. 图4b. 图4c.正锥(图3a)：造成涡旋壁垂直度出现正锥现象的误差原因可能有两个因素，立铣刀直线度可能存在如图4a.所示的锥度；另一个可能的原因就是立铣刀刚度不足，在加工时发生刀具倾斜变形。倒锥(图3b)：可能有三个误差原因，其一是刀具刃磨后有如图4b.所示的锥度，其二是在安装刀具时铣刀轴线与主轴轴线有夹角(图4c.)；其三是涡旋壁在加工过程中发生倾斜变形。倾斜(图3c.)：可能有两个误差原因，其一是夹具定位基准平面与机床工作台面不平行；其二是在夹具与工作台定位平面之间或者夹具与工件定位平面之间有铁屑或灰尘，使涡旋盘壁相对于背后基准平面发生倾斜。(3)位置度造成涡旋盘相对于背后基准的位置度误差可能有两个因素，一个是机床本身的定位误差，二是夹具的定位误差。夹具的定位误差表现为两个方面，其一是绕z轴的角度误差，引起了涡旋盘相对于基准坐标发生了旋转，这主要是由定位销与键槽之间的配合间隙引起的；其二是涡旋盘基圆中心相对于轴承孔中心发生的坐标平移，这部分误差有可能由于芯轴与内孔之间配合间隙引起的，也有可能由机床的定位误差引起。如果是机床的问题，就应该采取补偿的方法，或者选用高定位精度的机床；如果是夹具磨损造成的间隙过大，就应该更换夹具。(4)动涡旋盘双面型线对称度由于动涡旋盘为双面型线要求有良好的对称度，用立式加工中心加工时只能一面型线加工后加工另一面型线，故需要用专用夹具保证。(5)平面度保证涡旋盘壁顶部及槽底面的平面度对于提高泵的容积效率，降低机械摩擦功耗是非常重要的。一般说来，造成平面度超差的误差原因可能有如下几个方面：.机床主轴的轴向窜动；.工件的装夹变形；.机床纵横拖板的刚度不足。(6)表面粗糙度表面粗糙度数值愈小，机械摩擦功耗也相应愈小。当发现表面粗糙度超差时，可能由以下因素所造成：.立铣刀磨损；.在刀具刃磨时后角太小；.涡旋盘毛坯材质软，出现“倒毛”现象；.排屑不通畅。3.加工方法与加工精度控制无油涡旋真空泵主要零件是动、静涡旋盘。涡旋盘的加工精度，特别是涡旋盘的形位公差有很高要求，端板平面的平面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应严格控制。因此，需采用专门的加工方法、加工技术和加工设备。对工装夹具、刀具及量检具有很高的要求。涡旋盘的加工方法可分为展成法与数值逼近法两种，展成法主要应用于专机加工，数值逼近法主要应用于加工中心。4.涡旋盘的密封对于无油涡旋真空泵的动、静涡旋盘而言，良好的密封措施是提高其容积效率的必要条件。密封主要是动涡旋盘与静涡旋盘所形成的各个压缩腔之间的密封。动涡旋盘与静涡旋盘之间的泄漏可分为涡旋盘壁顶部(轴向)泄漏与壁侧(径向)泄漏，下面分别介绍减小顶部泄漏与壁侧泄漏的途径。4.1涡旋盘壁顶部密封精密加工动涡旋盘与静涡旋盘的涡旋盘壁、顶部和底面，使涡旋盘壁高度尺寸、顶部及槽底面平面度满足设计要求，保证在流体通过动涡旋盘顶部及静涡旋盘顶部的泄漏量为最小。在动涡旋盘与静涡旋盘的顶部平面上开渐开线螺旋槽，在涡旋槽内嵌入涡旋型密封条来保证两涡旋盘之间的轴向密封。4.2涡旋盘壁侧密封精密加工涡旋渐开线型线轮廓，使涡旋体的壁厚尺寸、涡旋盘的线轮廓度及涡旋体基圆中心相对于基准的位置度满足设计要隶。同时合理选择轴与轴承之间的间隙，使静涡旋盘壁与动涡旋盘壁之间有一个最小的径向密封间隙，以减少相邻两腔之间的泄漏。5.振动和噪音控制根据涡旋真空泵振动和噪声特性，振动噪声分布及主要零部件模态分析，建议进行以下方面的改进以达到减振降噪效果：第一.振动和噪声中转频特征较为突出，显然这是运行中的动平衡问题。因此，改善曲轴动平衡可有效降低动平衡对振动、噪声的影响。第二.改进主要零部件结构或材料，使它们的各阶固有频率尽量避开对压缩机振动和噪声贡献较大的频率段。第三.靠近排气口的高压区振动和噪声较大，根据消声器原理改变高压腔结构，可有效消声减振。六.无油涡旋真空泵的特点1.无油涡旋真空泵性能优越涡旋真空泵的主要优点是间隙小、泄漏少，具有较高的压缩比，在较宽的压力范围内有稳定的抽速，工作压力范围宽；由于压缩腔容积的变化是连续的，因而驱动扭矩变化小，功率变化小，振动噪声低，可靠性高。这是其它类型的干式真空泵所不具备的。2.无油涡旋真空泵解决了污染与振动问题由于普通旋片油泵的漏油、噪声、返油污染、高能耗以及振动等问题，给用户造成了不良的影响：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，真空镀膜设备的镀膜工艺中，在2040Pa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，影响成膜质量；环境污染问题，真空抽气排出的油雾蒸汽对环境有污染；科学仪器行业尤其是在分析测试仪器行业，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；另外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。3.无油涡旋真空泵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。相比之下，无油涡旋真空泵使系统制造与运行成本降低：第一.不需要加冷阱之类捕油机构；第二.不需要更换真空泵油；第三.振动更小、运行更平稳；第四.能耗降低；第五.重量更轻；第六.突破了油泵使用范围的限制。4.无油涡旋真空泵与其他种类的无油真空泵相比的优点在现有的无油真空泵当中，无油涡旋真空泵与其他种类的无油真空泵相比具有下述特点：无油、无摩擦-无磨损，不产生微粒尘埃污染，可获得清洁真空；抽气量大-双涡旋盘结构，与单级相比相同直径泵抽气容积为2倍；抽气效率高-带有3-4个抽气单元，压差小，泄漏低；非接触-噪音低,振动小；良好平衡-双涡旋盘结构，良好轴向平衡，振动小，噪音低；结构简单、紧凑-相同尺寸下，运动半径小，维修方便，维护费用低；采用空气冷却，无需水冷。七.无油涡旋真空泵的应用领域无油涡旋真空泵的显著特点使其能够被迅速应用到下述领域：半导体行业薄膜制备设备、半导体器件封装设备；检测设备真空检测设备,分析测试仪器；科学仪器纳米材料制备、光束线、电子显微镜；医疗设备牙科仪器、透析机；生物制药材料提纯、药品制备；包装行业食品、药品、生物制品等包装设备。八.无油涡旋真空泵的使用1.安全注意事项使用前，应当注意无油涡旋真空泵的抽气范围（用于抽洁净气体。不能抽有毒、易燃、易爆、腐蚀性气体、化学品、溶剂及粉末等），安装要求（安装在没有易燃、易爆物品、避雨、无蒸汽的安全场所。安装在水平面上（倾角小于5）。周围无灰尘、无铁屑、石块或木块。一定要安全接地。一定要安装紧急制动开关。接线要由合格的电工完成），工作环境温度（540），正确安装使用（接线或检查时必须切断电源，不能将手指或其他物品放入泵的气孔或冷却翅片的间隙中），正确维修检验。2.安装方法安装前要认真检查下述各项：检查确认包装放置方向正确。检查确认产品为订购的型号。检查确认无破损。如有破损，联系生产厂家解决。泵运转时拆掉进气口与排气口法兰。如果连续带法兰工作，会对泵引起损害。安装时应注意：安装在避雨、无蒸汽的场所，避免电击危险；安装在通风良好、隔绝爆炸物、无腐蚀性和易燃气体及其他有关物体处。安装在坚实、平整面上（倾角小于5），阳光不能直射处。在规定环境温度范围540内工作。在真空室和进气口连线上安装截止阀和排气阀。这些阀用于开关泵时阻止泵中积存的碎屑被抽回真空室中。开关泵时要先关闭截止阀。连接管路一定要洁净。建议使用软管连接，这样泵的振动不会传到真空室。连接排气管时要注意管的长度和尺寸。建议排气管长不超过15米，内径25mm。注意泵工作时排气管不能堵塞。注意排气压力不能超过大气压。连线时必须首先断开电源，有合格的电工连线。泵必须提供外部保护，如8L/s泵最小电路容量为单相、18A，最大分路电流断路器容量为15A。一定要安装推荐容量的电流断路器以避免电机烧毁，电线和地线截面积一定要超过2mm2。否则会引起损害或火灾。与电机接线端子连接的电线要配适当的圆圈形接头。一定要接地。否则可能引起电击或人身伤害。1.被抽真空腔体 2.截止阀 3.进气阀 4.无油涡旋真空泵 5.排气管图7.无油涡旋真空泵与被抽真空腔体的连接3.无油涡旋真空泵的操作抽干燥气体泵在初次启动或者长期不用时达到极限真空需要较长时间。应在关闭进气阀状态下连续抽气68小时，每小时打开进气阀23次，每次35秒。如果泵抽水或者高湿度气体（相对湿度60%），水汽可能残留在泵中降低泵的性能。这时关闭泵与系统之间的截止阀，启动泵，运转时打开进气阀进大气几次，每次35秒，可以将泵中的水汽排出。泵工作时要拆去进气口法兰和排气口法兰，否则会对泵有损害。泵启动和关闭时要关闭截止阀，否则开关泵时泵中积存的碎屑会被抽回真空室中。重新启动泵时，启动前要开启进气阀进大气35秒，否则会造成泵中温度不平衡，导致泵失效。4.无油涡旋真空泵的操作抽水汽4.1.抽水汽注意事项无油涡旋真空泵的维护标准是以抽洁净气体为基础制定的，抽水汽标准不同。因此要注意下述各点：抽水汽泵的维护时间间隔必须缩短，因为水汽的温度、抽除量、抽除频率和水汽中物质成份对泵的工作都有影响。抽水汽时，要在规定温度下工作，进气温度必须低于50。当被抽气体温度高于50时，应当在真空泵与真空室之间的连接管路上安装冷却器或冷阱，以降低进气温度，使之低于50。进气温度高于50会对泵造成损害。抽水汽时要加气镇阀，真空泵抽水蒸汽会导致水汽在泵内凝结。凝结的水汽会引起泵极限真空度降低，或者对泵造成损害。气镇阀不仅能抽水汽，还