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1、容积式真空泵结构型式的探讨(1)广泛用于中、低真空获得设备上的容积式真空泵,经过百余年的发展,到了现在,结构上已无大的创新,而在工艺、加工装配精度、材料等方面随着科学技术的进步而不断得到提高和完善。本文针对容积式真空泵的不同结构型式进行分析探讨,而结构型式按照主要运动件的运动形式来划分为:往复式、旋转式、旋摆式三种,文中选用具有代表性的基本结构型式做为图例。1、历史与现状1.1、往复式真空泵1.1.1、往复活塞式:是一种最古老的结构型式,其发明时间已无从考究,我国古代使用的水枪、木质风箱即是这种结构的实际运用,见图1。
2、1640年德国人用这种结构制成了真空泵,成为现代真空泵和空气压缩机械的鼻祖。基本结构见图2,其运动形式是活塞在泵腔内做往复直线运动,使活塞与泵腔围成的空间的容积发生周期性变化,达到进气与排气的目的,进气与排气在时间上错开,都是不连续的,即进气与排气是间断的,从而引起气流脉动噪声,它有一个主要运动件活塞,而现在动力的提供都是以旋转运动的形式(主要是电机),所以动力要驱动活塞做往复直线运动,必须通过曲轴和连杆,使得整机尺寸大,活塞的往复直线运动是加减速运动,连杆是平面运动,必然产生不平衡的惯性力而引发机器的振动和机械噪声,
3、同时转速不能高(300r/min左右);活塞与泵腔之间的密封靠活塞环,活塞环与泵腔内壁直接接触,磨损严重,消耗功率大,容积效率低。上述情况都是往复活塞式真空泵无法克服的结构缺点,但是,因为它工作可靠性高,寿命长,易于维修,加工、装配精度要求低,通用机床就能完成加工,适合一般水平的生产厂,成本较低,所以还占有一定的市场份额,生产厂家较多。图1往复式泵图2往复活塞式真空泵结构示意图1.1.2、膜片式:见图3。它是往复活塞式的一种变型,区别是膜片代替了活塞,膜片一般是柔性材料,质量小,虽然也做往复直线运动,但引起的不平衡惯性
4、力减小,振动和机械噪声大大降低,膜片与泵腔之间无摩擦磨损,消耗功率降低。膜片式虽然克服了往复活塞式的一些缺点,但是,膜片容易折裂,工作可靠性下降,寿命短,维修频率高,使用成本高,所以占有的市场份额很低,生产厂家很少。图3膜片式真空泵结构示意图1.2、旋转式真空泵1.2.1、罗茨式和爪式:这两种结构型式的原型是1848年由琼斯在英国发明,见图4和图5。图5所示结构于1854年由美国人罗特兄弟应用于鼓风机,被命名为罗茨式鼓风机,贝伦斯在1867年设计成泵和蒸汽机。对于罗茨式:见图5。其运动形式是两个8字形转子在泵腔内绕各自
5、旋转轴中心做旋转运动,造成转子与泵腔围成的空间的容积发生周期性变化,达到进气与排气的目的,而且进气与排气在时间上同步进行,即进气与排气是连续的,但排气过程有一定的气流脉动,引起一定的气体动力噪声。它的主要运动件有两个8字形转子,而动力都是提供给主动轴,再由主动轴传递动力给从动轴,这必须通过一对齿轮,带来定位及加工装配的较高要求,但结构紧凑,整机尺寸较小,零部件少。转子形状对称并做匀速旋转时,动平衡性能良好,运转平稳,机器的振动和机械噪声低,同时能较大提高转速(达到1500～3000r/min)。转子与转子、转子与泵腔之
6、间有间隙,即非接触,所以无摩擦磨损,消耗功率不大,工作可靠性高,寿命长,易于维修,可用于干式真空泵,但8字形转子的加工难度较大,需要专机,不利于批量生产,成本较高,运动件的间隙使泄漏较大,容积效率较低,所以占有一定的市场份额,生产厂家较多。图4爪式真空泵原型图图5罗茨式真空结构示意图对于爪式:见图4(变型)。其结构和工作过程与罗茨式类似,不同处一是进气与排气在时间上错开(有部分重叠),进气与排气不连续,工作过程存在气流脉动,引起气体动力噪声;二是转子形状不对称,旋转动平衡性能较差,机器的振动和机械噪声较高,同时加工难度
7、更大,要用到专用机床,不利于批量生产,成本较高,容积效率等其它方面与罗茨式相似,所以占有的市场份额不高。1.2.2、螺杆式:这种结构型式是德国人H.Krigar在1878年发明,直到1934年瑞典皇家理工学院A.Lysholm才把此结构型式应用于工业上,而且一般采用双螺杆式,见图6。其运动形式是两个螺杆在8字型泵腔内绕各自旋转轴中心做同步旋转运动,螺杆上的螺旋齿槽相互啮合,造成由齿型空间组成的基元容积发生变化,达到进气与排气的目的,进气与排气在时间上同步进行,但不是连续的,存在气流脉动,有气体动力噪声;它的主要运动件有
8、两个螺杆,所以主动轴要通过一对齿轮传递动力给从动轴,带来定位及加工装配的较高要求,但结构紧凑,整机尺寸较小,零部件少;转子做匀速旋转时,动平衡性能较好,运转平稳,机器的振动和机械噪声较低,同时可实现较高转速;螺杆与螺杆、螺杆与泵腔之间有间隙,即非接触,泵内运动件与泵腔无摩擦,故几乎无磨损,消耗功率不大,工作可靠性高,寿命长,易于维
