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羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 羅茨真空泵近年來在國內(nèi)外得到較快的發(fā)展，在冶煉、石油化 工、電工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，主要是用于輸送石油及石油產(chǎn)品和 工廠輸送各種油類和液體。 本文主要設(shè)計(jì)羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究羅茨真空泵的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在研讀了諸多相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，分析羅茨真空泵 國內(nèi)外研究理論和現(xiàn)狀，進(jìn)行了羅茨真空泵的整體方案及設(shè)計(jì)，對 相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用 solidworks 軟件設(shè)計(jì)圖紙。 關(guān)鍵詞：真空泵，轉(zhuǎn)子，solidworks 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract Roots vacuum at home and abroad in recent years rapid development, smelting, petrochemical, electrical and other industries are widely used, mainly used to transport oil and petroleum products and plant transport all kinds of oils and liquids. In this paper, the design structure design Roots vacuum pump, Roots vacuum focus on the structural characteristics of the study the basis of many of the relevant literature, theory and research status at home and abroad Roots vacuum pumps, vacuum pumps for the overall program and Roots design and related technical parameters were designed using solidworks software design drawings. Keywords: vacuum pumps, rotors, solidworks 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 目 錄 緒 論 ..............................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。 第一章 真空設(shè)備獲得 ........................................................................................................3 1.1 需要不斷擴(kuò)大的真空領(lǐng)域 .................................................................................3 1.2 真空技術(shù)在能源方面的應(yīng)用 .............................................................................5 1.3 真空泵市場各類泵設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀 .....................................................................7 1.4 真空泵技術(shù)進(jìn)展趨勢 .........................................................................................9 1.5 對真空技術(shù)未來發(fā)展的期望 ...........................................................................12 第二章 羅茨真空泵的介紹 ...............................................................................................13 2.1 羅茨真空泵的術(shù)語和定義 .................................................................................13 2.2 羅茨真空泵的型式和氣冷式羅茨真空泵型線分析 .........................................13 2.3 羅茨真空泵的技術(shù)要求 .....................................................................................18 第三章 羅茨真空泵的總體設(shè)計(jì) .........................................................................................19 3.1 羅茨真空泵的總體構(gòu)成 ....................................................................................20 3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 ....................................................................................................22 3.3 總體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...........................................................................................23 3.4 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................................................24 3.4.1 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) ................................................................................24 3.4.2 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) ...................................................................................26 3.4.3 齒輪幾何尺寸計(jì)算 ....................................................................................26 3.5 漸開線型轉(zhuǎn)子型線的確定 ...............................................................................27 3.6 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................................................................34 3.6.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 ................................................................................34 3.6.2 按剛度條件計(jì)算 ...........................................................................................34 3.6.3 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 ............................................................................35 3.7 軸承選取設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................................................................38 3.7.1 軸承的設(shè)計(jì)參數(shù) ........................................................................................38 3.7.2 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算 ............................................................................38 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第四章 羅茨真空泵的三維設(shè)計(jì) ............................................40 4.1 SOLIDWORKS 的簡介 ...........................................................................................40 4.2 SOLIDWORKS 的創(chuàng)建和發(fā)展 ...............................................................................41 4.3 SOLIDWORKS 的功能和特征 ...............................................................................41 4.4 羅茨真空泵零部件三維模型設(shè)計(jì) ....................................................................42 4.5 羅茨真空泵三維裝配圖 ....................................................................................42 結(jié) 論 ........................................................................................................................43 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................44 謝辭 ..............................................................................................................................45 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒 論 真空泵的分類： 真空泵利用機(jī)械、物理、化學(xué)、物理化學(xué)等方法對容器進(jìn)行抽氣，以獲得 和維持真空的裝置。真空泵和其他設(shè)備（如真空容器、真空閥、真空測量儀表、 連接管路等）組成真空系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電子、冶金、化工、食品、機(jī)械、醫(yī) 藥、航天等部門。按真空泵工作原理，基本上分為氣體輸送泵和氣體捕集泵兩 種類型。氣體輸送泵包括：1、液環(huán)真空泵 2、往復(fù)真空泵 3、旋片真空泵 4、 定片真空泵 5、滑閥真空泵 6、余擺線真空泵 7、干式真空泵 8、羅茨真空泵 9、分子真空泵 10、牽引真空泵 11、復(fù)合式真空泵 12、水噴射真空泵 13、氣體 噴射泵 14、蒸汽噴射泵 15、擴(kuò)散泵等氣體捕集泵包括：吸附泵和低溫泵等。 首先介紹幾種常見泵及其特點(diǎn)： 2SK、2SK-P1 系列雙級水環(huán)式真空泵 主要用來抽除空氣和其他有一定腐蝕性、不溶于水、允許含有少量固體顆 粒的氣體。廣泛用于食品、紡織、醫(yī)藥、化工的行業(yè)的真空蒸發(fā)、濃縮、浸漬、 干燥的工藝過程中。該泵具有真空度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、維 護(hù)方便的特點(diǎn)。 2XZ 型旋片式真空泵 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、噪音低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。它適用于作擴(kuò) 散泵的前級泵，而且更適用于精密儀器配套和實(shí)驗(yàn)室使用。例如:質(zhì)譜儀器、冰 箱流水線、真空冷凍干燥機(jī)等。 XD 型旋片式真空泵 可以在任意入口壓強(qiáng)下工作，已普遍應(yīng)用于食品的真空包裝，塑料工業(yè)的 真空吸塑成形。印刷行業(yè)的紙張輸送、真空夾具、以及真空吸引等。SZ、SK 系 列水環(huán)式真空泵主要用于粗真空、抽氣量大的工藝過程中。它主要用來抽除空 氣和其他無無腐蝕、不溶于水、含有少量固體顆粒的氣體，以便在密閉容器中 形成真空。所吸氣體允許混有少量液體。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)藥、=食品、石 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 油化工等行業(yè)中。 羅茨真空泵是一種旋轉(zhuǎn)式變?nèi)菡婵毡庙氂星凹壉门浜戏娇墒褂迷谳^寬的壓 力范圍內(nèi)有較大的抽速對被抽除氣體中含有灰塵和水蒸氣不敏感廣泛用于冶金、 化工、食品、電子鍍膜等行業(yè)。 本次設(shè)計(jì)的羅茨真空泵是根據(jù)我國的實(shí)際生產(chǎn)情況以及現(xiàn)有的技術(shù)水平，綜 合國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，本著高效率，低成本的原則，自行設(shè)計(jì)的。廣泛應(yīng) 用與真空冶金、真空脫氣、真空鍍膜以及空間模擬、低密度風(fēng)洞等裝置中抽除 非腐蝕性氣體，還可用與醫(yī)藥、食品、電子、化工等工業(yè)的蒸餾、蒸發(fā)、干燥 等生產(chǎn)過程。 該機(jī)器的主要機(jī)構(gòu)為：主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，軸上有一對“8”字型轉(zhuǎn) 子在泵殼中作等速反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生吸氣和排氣作用。由于此次設(shè)計(jì)缺少大量資 料給設(shè)計(jì)制造了巨大困難，對于這次設(shè)計(jì)的不足希望各位老師提出寶貴的意見。 在本次設(shè)計(jì)中得到了宋愛平老師的悉心指導(dǎo)，對此表示衷心的感謝！同時(shí) 也對在設(shè)計(jì)過程中給與我大力幫助和指導(dǎo)的各位老師一并表示感謝！ 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 第一章 真空設(shè)備獲得 1.1 需要不斷擴(kuò)大的真空領(lǐng)域 在 21 世紀(jì)，真空的需求是增長還是減少?今后的發(fā)展趨勢又將如何?這主 要取決于真空應(yīng)用的領(lǐng)域是否增加，需求是否增長。 在 20～30 年前，真空書籍中就指出：真空技術(shù)的應(yīng)用，一是靠壓力差，二 是通過空間的電子或分子排除干擾，三是降低粒子撞擊表面的次數(shù)。用于各自 的需求不同，所需的真空度當(dāng)然也就不同了。所謂排除空間障礙物，即粒子的 平均自由程要比裝置的特征尺寸長。真空蒸發(fā)、電子管和加速器就是利用了真 空的這一特點(diǎn)。除大功率的電子管外，其他大部分做成固體元件，這樣就不再 需要真空了。暖水瓶是真空技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾獞?yīng)用，如果以后能生 產(chǎn)出優(yōu)良的絕熱材料，且很便宜，那么真空在暖水瓶的生產(chǎn)過程中將會失去作 用。從降低表面粒子入射頻率的必要性看，超高真空技術(shù)定會得到發(fā)展，它可 使表面長時(shí)間地維持其清潔。目前，真空技術(shù)的應(yīng)用的特點(diǎn)是：利用真空環(huán)境 來研制一些新材料和新工藝。使真空應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴(kuò)大，例如超微粉和 納米顆粒的制作以及固體元件的工藝開發(fā)。另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是為了減少化學(xué)反 應(yīng)過程和核聚變反應(yīng)中的不純物，有時(shí)也要利用真空。真空室的器壁本身與反 應(yīng)過程有著極其密切地關(guān)系。 人們對真空的需求將會擴(kuò)大。如日本三井物產(chǎn)公司把鉛摻入鋁中，然后用 高溫使鋁蒸發(fā)，利用這種方法煉鋁就會擴(kuò)大對真空泵的需求。因此，對于真空 設(shè)備廠來說將會有一個(gè)很大的真空泵的銷售市場。過去煉鋁采用電解法，現(xiàn)正 在研究熔爐還原法。在熔爐內(nèi)還原時(shí)，由于耐火材料與鋁的混合，使分離非常 困難。如果把熔爐中出現(xiàn)的含有鋁的不純物溶解于鉛溶液中就可以對含鋁的鉛 和不純物進(jìn)行分離。利用真空可以分離由此形成的鋁鉛混合物。由此可見，新 工藝的出現(xiàn)，就會直接影響到真空行業(yè)，對真空的需求也會隨之急劇增加。前 幾年我國真空煉鎂工藝的出現(xiàn)，曾一度使真空設(shè)備廠產(chǎn)的滑閥泵和羅茨泵供不 應(yīng)求。造成畸形發(fā)展。但這也說明一個(gè)問題，即新工藝、新材料等出現(xiàn)，勢必 要帶動(dòng)真空產(chǎn)業(yè)等發(fā)展。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 在 2l 世紀(jì)，表面處理在內(nèi)的表面技術(shù)成為相當(dāng)大的一個(gè)真空應(yīng)用領(lǐng)域。因 為人們對材料可靠性的要求，尤其對表面技術(shù)的應(yīng)用定會有所增長?，F(xiàn)在人們 都喜歡用防銹、防氧化的材料。鋁合金雖己生產(chǎn)出來了，但就原有工藝稍加改 進(jìn)，就會在性能上大有改觀，如用氧化膜將材料與大氣隔開，就能滿足用戶上 述的要求。這種情況，只要提示一下與真空廠家合作就能開拓一個(gè)相當(dāng)可觀的 市場。又如過去作超純鋁箔的方法很費(fèi)事，又要把真空設(shè)備應(yīng)用到這個(gè)項(xiàng)目的 生產(chǎn)過程中去，就一定會產(chǎn)生更好地超純鋁箔來。如果真空廠家能積極地參與 到這一應(yīng)用領(lǐng)域中去，人們對真空的需求自然會大大加強(qiáng)。 今后電子技術(shù)領(lǐng)域?qū)φ婵盏男枨笠矔^續(xù)有所增長。由于真空是個(gè)很純凈 的空間，而電子元件的生產(chǎn)工藝也需要純凈，因此真空是制作電子元件的理想 環(huán)境。如分子束外延，半導(dǎo)體產(chǎn)品多是在真空狀態(tài)中進(jìn)行的。 搞分子束外延似乎都在以超大規(guī)模集成電路為目標(biāo)。要想達(dá)到這一目標(biāo)就 要求有非常微細(xì)的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，最大的障礙就是灰塵。如果一系列的 操作都能在真空中進(jìn)行，從底片進(jìn)入真空室到最終處理完成也在真空中進(jìn)行是 最理想的。如何去掉灰塵，首先是避免人與元件的直接接觸。但真空設(shè)備不一 定都是干凈的。一般認(rèn)為放氣、排氣或者切換開關(guān)時(shí)就會揚(yáng)起灰塵，所以還是 存在一定的問題。有時(shí)也需要給裝置搞一個(gè)清潔的表面，清潔的表面是極其容 易受污染對，當(dāng)必須使表面維持清潔狀態(tài)的時(shí)候，有一個(gè)受到控制的氣體環(huán)境 往往比處于超高真空狀態(tài)更為理想。為了充入某種氣體以保證清潔度，就要在 充分處理本底之后，再充入干凈的氣體。例如在濺射成膜時(shí)的真空度并不高。 然而充入氣體之前的本底壓力則對膜的質(zhì)量有很大的影響，所以濺射裝置必須 給創(chuàng)造一個(gè)良好的本底真空度。 有時(shí)由于充入其它氣體，而使得真空度略有下降，但就在這種真空度稍有 改變的情況下，也可以進(jìn)行同樣的操作。真空技術(shù)不僅僅建立狹義上的真空， 而且制作高純氣體，再受控制的環(huán)境下維持所需表面，這也是真空技術(shù)的應(yīng)用。 如果這樣考慮，真空技術(shù)的應(yīng)用也就更廣泛了。 真空設(shè)備似乎可以作為工具使用。人們隨著對高級產(chǎn)品的需求，也迫切需 要真空技術(shù)更加簡便，并可應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域。因此，在 21 世紀(jì)真空技術(shù)將 會繼續(xù)得到發(fā)展。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 1.2 真空技術(shù)在能源方面的應(yīng)用 最近，人們對能源危機(jī)的關(guān)注已逐漸淡薄，但如何根本問題并沒有得到解 決。能源問題是一個(gè)長期地、不容樂觀地重要問題。從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，要研究 用新能源代替舊能源。如太陽能利用技術(shù)，在不久的將來，有可能達(dá)到實(shí)用化。 日本曾提出到 1990 年，總能源的需要量的 2％將由新能源代替。將核聚變裝置 列為 2l 世紀(jì)達(dá)到實(shí)用化的目標(biāo)?，F(xiàn)在各國都在進(jìn)行太陽熱利用技術(shù)。典型的太 陽熱利用技術(shù)即對太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的研究。 日本于 1981 年在香川縣建成了第一座 1MW 的太陽熱實(shí)驗(yàn)發(fā)電廠。采用塔式 聚光和曲面聚光兩種方式。這兩種方式的額定輸出均為 1000kW。在美國、法國、 俄羅斯、德國、西班牙及意大利等國都將太陽熱發(fā)電廠的研究開發(fā)列入了國家 計(jì)劃。這些工廠的容量為 500kW～10MW，并已建成應(yīng)用。 太陽熱發(fā)電系統(tǒng)是由聚熱裝置、熱傳輸管、蓄熱裝置、發(fā)電機(jī)和計(jì)量控制 裝置所組成。 太陽熱發(fā)電的聚熱溫度范圍很寬，約為 150～550℃。要想獲得 150℃以上 的熱能，就必須有聚光裝置。聚光的方式有很多種，但多數(shù)都采用反射鏡。鏡 面材料多使用銀和鋁等。表面鏡由于膜面暴露在大氣之中，受氧化和摩擦等因 素的影響，會使反射率較低。黑面鏡的缺陷是在于基板和膜面的界面上，發(fā)生 污染。 近來，由于高分子材料制作的軟鏡具有重復(fù)性好、透過率高、能大量生產(chǎn)、 成本低等特點(diǎn)，而倍受重視。 選擇吸收面對有效利用太陽能極為重要。在選擇吸收面的制作上，采用了 真空技術(shù)。高溫聚熱裝置中采用了聚熱管。為防止由聚熱管造成的對流損失， 用透明玻璃管覆蓋在聚熱管外面，玻璃管內(nèi)保持真空狀態(tài)。 下面將按原理把選擇吸收面的光吸收選擇性，分類說明如下： (1)利用半導(dǎo)體膜的譜帶之間的遷移而產(chǎn)生基礎(chǔ)吸收。 在紅外線領(lǐng)域具有高反射率的金屬表面上，涂上一層吸收波長為 1～3μ 的 半導(dǎo)體膜，就制成了選擇吸收面。用 Si、Cu、PbS、Ge、CuO、Cr 2O3等材料作為 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 半導(dǎo)體膜。這種結(jié)構(gòu)的膜，它可吸收陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；對紅外線則呈透明體。 由于金屬表面的作用使得輻射率變小，可以更有效地利用太陽能。由于 Si、Ge 對太陽光的折射率高，涂上 SiO2等材料的減反射膜，對太陽光的吸收率變好。 (2)利用薄模干涉形成減反射效應(yīng)。 在基板上制成具有高反射率的金屬膜，在膜上疊加干涉濾光鏡。干涉濾光 鏡由電介質(zhì)膜+半透明金屬膜+電介質(zhì)膜所組成。像這樣結(jié)構(gòu)的膜，可見光在電 介質(zhì)膜中被吸收，而紅外線透過干涉濾光鏡被金屬膜面反射而使輻射率變小。 采用這種方式的選擇吸收面的例子如：Al 2O3/MO／Al 2O3／MO 基板，及利用 光干涉效應(yīng)的單層膜一耐溫性極好的金屬碳化物，金屬氮化物，如 ZrCx、HfCx 等。做成槽型拋物面鏡收集器(帶有 ZrCx／Zr 選擇吸收面)。 (3)利用表面和膜結(jié)構(gòu)形成的反射特性與波長的相互關(guān)系。 在加工成深溝和棱角的表面上，垂直入射的太陽光，在溝與棱角的間隙中， 經(jīng)多次反射而被吸收。 這種面會因高溫加熱而引起性能劣化，其原因可能由于蒸發(fā)、熱分解、熱 膨脹造成的剝離和表面成份變化，紫外線照射引起的化學(xué)反應(yīng)或機(jī)械損傷等因 素造成的。 太陽光利用技術(shù)，也就是利用太陽光來發(fā)電，它是通過太陽電池吸收陽光， 先變?yōu)橹绷麟娫俎D(zhuǎn)換為交流電加以利用的。 太陽電池就是將陽光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑? 這種太陽光利用技術(shù)，過去僅被用在宇宙衛(wèi)星、臺燈電源和邊遠(yuǎn)地區(qū)的通 訊電源?，F(xiàn)在的價(jià)格仍較高(日本資料報(bào)道于 1984 年時(shí)其價(jià)格為 3000 日元／瓦)， 所以應(yīng)用范圍有限。 如能在太陽能電池的主體材料上加以研究和改進(jìn)，降低太陽能電池的成本， 改進(jìn)制作太陽電池生產(chǎn)的工藝，這種技術(shù)是會得到進(jìn)一步發(fā)展的。如日本曾在 對 3Kw 的個(gè)人住宅，20Kw 集體住宅，200Kw 學(xué)校用裝置，lOOKw 工廠用裝置以 及 1000Kw 集中的大容量裝置等進(jìn)行了研究。這些裝置的大部分電力，最終將聯(lián) 接到電力系統(tǒng)上去，同現(xiàn)有發(fā)電廠組合運(yùn)行，向形成綜合電力調(diào)配系統(tǒng)方向發(fā) 展。 非晶硅太陽電池的制造，如輝光放電分解法，反應(yīng)濺射法，真空蒸發(fā)法等， 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 多采用真空技術(shù)。 輝光放電分解法：將被稀釋的氫和氬等加入到硅烷等低壓氣體中引起輝光 放電，在等離子區(qū)分解硅烷，可使非晶硅堆積在低溫基板上。 另一種是反應(yīng)濺射法：把結(jié)晶硅作為陰極，在 10-3～10 -1托非活性氣體中， 加上高壓使其放電。因放電產(chǎn)生正離子轟擊陰極，陰極材料就被濺射出來。如 果在陰極附近安置一塊低溫基板，基板上將堆積起非晶硅膜。 太陽電池不僅要求高效、廉價(jià)和大面積等特點(diǎn)，而且要求暴露在自然條件 下具有良好的穩(wěn)定性。 非晶硅的優(yōu)點(diǎn)很多，能在玻璃、不銹鋼、塑料等基板上作成大面積廉價(jià)的 薄膜；比結(jié)晶硅光吸收系數(shù)大，能帶寬度比結(jié)晶硅寬。 核聚變是人類未來的可靠能源，它的實(shí)現(xiàn)是全世界人們的愿望。目前，世 界上最先進(jìn)的磁場封閉式托卡馬克型核聚變裝置，很多國家都在開發(fā)研制。美 國正在研制 TFTR 型，歐洲共同體制作 JET 型，俄羅斯研制 T—15 型，日本研制 JT-60 型的托卡馬克型核聚變裝置。 大型聚變裝置的建造和運(yùn)行，大大推動(dòng)了高新技術(shù)的開發(fā)，特別是真空技 術(shù)、低溫技術(shù)、磁體技術(shù)、大功率脈沖電源技術(shù)和射頻加熱技術(shù)以及遙控處理 技術(shù)等。 核聚變裝置的真空室用來長時(shí)間包容高溫等離子體。例如歐洲聯(lián)合環(huán) JET 真空室是一個(gè)全焊接的雙層壁結(jié)構(gòu)的環(huán)型容器。總?cè)莘e為 200m3，焊縫總長達(dá) 8000m。這種真空室漏氣率很低，在室溫和 500℃時(shí)要滿足 3000 余年滲入真空 室 l 升氣體的極微小的漏率?？煽鼐圩冄b置用的高真空泵采用渦輪分子泵和低 溫泵，前者用于檢漏，后者則用于抽排聚變反應(yīng)廢氣的主泵。工作于 4.5K 的具 有活性炭吸附劑的低溫泵，所吸留的廢氣中，除了氘氚核反應(yīng)產(chǎn)物氦灰外，還 有大量未能參與核反應(yīng)的氘和氚。把回收后的氘和氚再注入到大環(huán)真空室中， 把除氚外的雜質(zhì)氣體按環(huán)保要求排放出去。 這種裝置的研究，可通過國際合作攻關(guān)，人類有望在 2l 世紀(jì)中期建成氘一 氚核聚變示范電站，最終目標(biāo)是提供市場銷售用電的核聚變發(fā)電站，為 2l 世紀(jì) 的新能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 等離子體科學(xué)技術(shù)和真空科學(xué)技術(shù)將會得到協(xié)同發(fā)展，并將為探索宇宙結(jié) 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 構(gòu)和物質(zhì)起源等重大基礎(chǔ)科學(xué)研究中起著重要的作用。 1.3 真空泵市場各類泵設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀 真空泵是一個(gè)量大面廣的產(chǎn)品，產(chǎn)量很大，產(chǎn)值不高，但它確實(shí)是一個(gè)直 接影響到真空成套設(shè)備性能質(zhì)量的必不可少的基礎(chǔ)產(chǎn)品。真空泵的市場根據(jù)用 戶的需要而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。市場增長的主要驅(qū)動(dòng)力來自于半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā) 展以及干泵和分子泵應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大。 目前，全球真空泵市場的年銷售額約 20 億美元，年增長率在 7%左右。 我國生產(chǎn)真空泵的廠家很多，全部真空泵的年銷售額大約在 1.5 億元左右， 僅相當(dāng)于美國 Kinney 公司一家真空泵的年銷售額。通過對全球真空泵市場的分 析我們可以看出，各類真空泵的市場及應(yīng)用領(lǐng)域都在不斷變化和發(fā)展。我國真 空泵制造業(yè)有著悠久的歷史和雄厚的基礎(chǔ)，國產(chǎn)真空泵已經(jīng)在各個(gè)不同領(lǐng)域得 到應(yīng)用并經(jīng)過驗(yàn)證，有些泵還出口國外，得到國外用戶的認(rèn)可并受到好評，應(yīng) 該說我國真空泵制造業(yè)在國內(nèi)外市場仍然有著巨大的發(fā)展空間。 1.水環(huán)真空泵 雖然水環(huán)真空泵屬于粗真空泵，但在我國的石油、化工、電力、輕紡、造 紙、醫(yī)藥等領(lǐng)域仍然有著很大的市場。在國外，水環(huán)泵的銷售額占全部真空泵 市場的 14%，僅次于干泵，所以 Nash、Seimems 和 Kinney 等公司都在我國投資 建廠或建立銷售網(wǎng)絡(luò)，不斷擴(kuò)大在我國的市場份額。由于水環(huán)泵大部分是鑄件， 加工要求也不高，屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)品，所以國產(chǎn)水環(huán)泵在價(jià)格上有競爭優(yōu)勢， 關(guān)鍵是要改進(jìn)設(shè)計(jì)，縮小體積，減輕重量，提高效率，降低能耗。 2.滑閥泵 滑閥泵是油封式真空泵的一種。由于滑閥泵比較耐用、可靠，國內(nèi)外各種 真空爐、鍍膜機(jī)以及干燥、浸漬等設(shè)備都是用滑閥泵作為前級泵，但是滑閥泵 鑄件重，加工工作量較大，所以國外各真空廠都在中國尋找合作伙伴。為了使 國產(chǎn)滑閥泵能夠進(jìn)入國際市場，必須進(jìn)一步降低泵的振動(dòng)噪聲，杜絕噴油和漏 油，提高滑閥泵長期運(yùn)行的可靠性。 3.直聯(lián)旋片泵 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 隨著真空技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，直聯(lián)旋片泵的需求量越來越大。 由于這種泵數(shù)量很多，加工裝配工作量很大，價(jià)格又很低，所以有的國外真空 廠商在中國建立專業(yè)廠。國產(chǎn)中小型直聯(lián)旋片泵在技術(shù)上已經(jīng)過關(guān)，價(jià)格又遠(yuǎn) 比國外的泵便宜，所以國產(chǎn)泵仍然有競爭優(yōu)勢，關(guān)鍵是要解決軸封漏油以及旋 片材料和真空泵油的性能質(zhì)量問題，確保直聯(lián)泵在高速、高溫下性能穩(wěn)定和運(yùn) 行可靠，同時(shí)還要進(jìn)一步提高國產(chǎn)直聯(lián)旋片泵抽除水蒸氣的能力。 4.分子泵 分子泵在國外半導(dǎo)體領(lǐng)域里的許多工藝場合是用來代替低溫泵，尤其是濺 射、刻蝕和 LCVD 等裝置都采用復(fù)合分子泵和牽引泵作為主泵。 由于分子泵對水蒸氣的抽速僅為同口徑低溫泵抽速的四分之一，所以分子 泵的排氣時(shí)間比低溫泵長。為了提高抽速，國外在分子泵的入口側(cè)裝一個(gè)- 130℃～-150℃的低溫冷板，稱之為低溫分子泵，水蒸氣被低溫板捕獲，其他氣 體則由分子泵抽走。這種低溫分子泵在真空鍍膜裝置上應(yīng)用，既提高了生產(chǎn)效 率又改善了膜層質(zhì)量。隨著我國半導(dǎo)體工業(yè)、薄膜產(chǎn)業(yè)和科學(xué)研究事業(yè)迅速發(fā) 展，分子泵應(yīng)該是我國真空泵制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。首先，分子泵要從小到大建 立完整系列，并研究開發(fā)各種復(fù)合分子泵、牽引泵和低溫分子泵，以滿足不同 場合的需要。 5.干式機(jī)械真空泵 國外干式機(jī)械真空泵市場的不斷增長，其主要驅(qū)動(dòng)來自于半導(dǎo)體行業(yè)、化 學(xué)工業(yè)、薄膜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。在日本，半導(dǎo)體行業(yè)已全部用干式真空泵代替 油封式機(jī)械泵，歐美半導(dǎo)體行業(yè) 45%以上用干式真空泵代替了油封式機(jī)械泵， 大大提高了產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。為了滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域和不同工況的要求，國 外有多級羅茨真空泵、多級爪式真空泵、螺桿式真空泵、渦旋式真空泵、往復(fù) 式活塞真空泵以及渦輪式無油真空泵等。極限壓力從 10Pa～10-2Pa，抽速從 20m3/h～500m3/h。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國產(chǎn)干泵的應(yīng)用還不足 1%，國內(nèi)半導(dǎo)體工業(yè) 用的干泵全部從國外進(jìn)口，其價(jià)格十分昂貴。所以，我國應(yīng)大力研究開發(fā)干泵， 使干泵成為我國真空工業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 1.4 真空泵技術(shù)進(jìn)展趨勢 技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力在于市場的需求。由于真空技術(shù)領(lǐng)域的擴(kuò)展和迅速成長 的高新技術(shù)，國內(nèi)真空泵市場對真空泵的技術(shù)水平提出了更高的要求。真空泵 的生產(chǎn)企業(yè)必須通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整兩個(gè)途徑來保住原有市場，進(jìn) 而繼續(xù)擴(kuò)大市場占有率。 提高真空泵的可靠性，降低振動(dòng)、噪聲，注重真空泵的綜合水平。過去的 若干年，生產(chǎn)廠注重真空泵的主要性能指標(biāo)，比如，極限壓力、抽速等，而忽 視真空泵的綜合性能。而現(xiàn)在，產(chǎn)品的可靠性、性能的穩(wěn)定性以及對環(huán)境不 造 成污染逐漸成為用戶購買產(chǎn)品時(shí)考慮的主要因素。對于旋片泵、羅茨泵、滑閥 泵等而言要將成熟的可靠性設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到真空泵的設(shè)計(jì)中，在可靠性設(shè)計(jì)、 可靠性實(shí)驗(yàn)等方面下工夫，以大幅度提高真空泵的可靠性 、 穩(wěn)定性和壽命， 保證真空泵能夠在各種工況下長期可靠的運(yùn)行。同時(shí)通過采用新技術(shù)、新材料、 新工藝、新結(jié)構(gòu)來降低振動(dòng)、噪聲，解決泵的噴油、漏油問題，還用戶一個(gè)清 潔環(huán)保的工作環(huán)境。 企業(yè)面對的永遠(yuǎn)是變化的市場，而我們的真空泵產(chǎn)品卻千篇一律的雷同。 產(chǎn)品和市場的不銜接，使我們丟掉了許多機(jī)會。真空泵的下一步發(fā)展應(yīng)該面向 個(gè)性化和多樣化。所謂個(gè)性化和多樣化就是針對不同用戶的不同需求，設(shè)計(jì)針 對某一用戶的特定場合的產(chǎn)品，使產(chǎn)品在這一場合應(yīng)用，其特性的發(fā)揮恰倒好 處。 盡快形成分子泵和干泵的規(guī)模生產(chǎn)。根據(jù)預(yù)測，到 2010 年我國將成為世界 上第二大半導(dǎo)體集成電路市場，總需求量約 1000 億塊，達(dá)到 1000 億美元以上 的總金額，需要建 30 多條大生產(chǎn)線才能滿足需求。30 條生產(chǎn)線所需干式真空 泵大約 15000 臺，是目前我國真空泵年產(chǎn)量的 1／10 左右。 國內(nèi)目前真空獲得設(shè)備仍然以傳統(tǒng)的真空泵為主，主要為旋片真空泵、滑 閥真空泵、羅茨真 空泵、蒸汽流泵、水環(huán)真空泵等，且全部用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，我 國生產(chǎn)的真空泵用于電子信息產(chǎn)業(yè)不足 1％，與日本、歐美等國相比差距巨大 。 我國干式真空泵的生產(chǎn)處于剛剛起步階段，在全國 200 多家生產(chǎn)真空泵的 企業(yè)中，能夠生產(chǎn)干式真空泵的企業(yè)不足 10 家，年產(chǎn)量不足 1000 臺。沒有形 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 成批量生產(chǎn)。目前國內(nèi)生產(chǎn)的干泵絕大多數(shù)用于實(shí)驗(yàn)室及化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域， 用于半導(dǎo)體行業(yè)的很少。 國內(nèi)飛速發(fā)展的電子信息產(chǎn)業(yè)沒有有效的刺激國內(nèi)干式真空泵發(fā)展，而卻 成為國際上真空工業(yè)發(fā)達(dá)國家的擴(kuò)張之地。目前國內(nèi)建成的半導(dǎo)體集成電路生 產(chǎn)線，幾乎所有的干式真空泵(包括其它真空設(shè)備)均為進(jìn)口，主要來自英國、 日本、德國、美國等。國內(nèi)生產(chǎn)的干式真空泵進(jìn)入該領(lǐng)域十分艱難，使得干式 真空泵這個(gè)未來真空獲得設(shè)備的主導(dǎo)產(chǎn)品在我國處于十分困難的境地。 造成 此狀況的主要原因?yàn)楦墒秸婵毡迷谖覈钠鸩捷^晚，剛一起步即面臨 國外已經(jīng)發(fā)展成熟的產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場，國內(nèi)產(chǎn)品除了價(jià)格低外，在加工 制造、技術(shù)水平、質(zhì)量狀況等各方面不含有優(yōu)勢，國外各國的產(chǎn)品經(jīng)過幾年的 較量，已經(jīng)基本瓜分了國內(nèi)市場，并且站穩(wěn)了腳，國內(nèi)的干式真空泵生產(chǎn)由于 失去了市場的激勵(lì)，沒有了發(fā)展的動(dòng)力，進(jìn)步緩慢。 業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為干式真空泵是真空獲得設(shè)備發(fā)展的方向，也是真空獲得 手段的“尖端”技術(shù)，我國的真空泵產(chǎn)業(yè)必須在此領(lǐng)域有所作為，首先進(jìn)入食 品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。經(jīng)過這些市場的培育和鍛煉，進(jìn)而打入半導(dǎo)體行業(yè)。 才能使整個(gè)行業(yè)與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展。 目前國內(nèi)分子泵應(yīng)健全系列并開發(fā)多品種，如低溫分子泵、復(fù)合分子泵等， 逐漸擴(kuò)展市場。 引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，提升我國產(chǎn)品的科技含量在其他行業(yè)有成功的經(jīng)驗(yàn)。 在發(fā)展真空獲得設(shè)備的高端產(chǎn)品中引進(jìn)國外技術(shù)，并很好的消化吸收，將宅譽(yù) 速改變我國產(chǎn)品技術(shù)含量低、質(zhì)量 和技術(shù)水平不能滿足市場需求的現(xiàn)狀。但苧 引進(jìn)國外技術(shù)，應(yīng)特別注意兩點(diǎn)：一是重在消化吸收，在此基礎(chǔ)上培育企業(yè)的 自主知識產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新能力。二是不要重復(fù)盲目引進(jìn)，要瞄準(zhǔn)國際上當(dāng)代最新技 術(shù)，避免引進(jìn)一代，落后一代。引進(jìn)國外技術(shù)不是目的，而是手段，通過引進(jìn) 技術(shù)最終打造國產(chǎn)自主品牌。 傳統(tǒng)的真空設(shè)備我們生產(chǎn)了幾十年，在全國范圍內(nèi)形 成了產(chǎn)品分布的穩(wěn)定 格局。但是隨 著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，信息技術(shù)、航空航天、納米科學(xué)等高科技弓 I 導(dǎo)了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的潮流。而這些高新技術(shù)的發(fā)展離不開真空獲得設(shè)備 這個(gè)基礎(chǔ)裝備。目前國內(nèi)的狀況是真空泵生產(chǎn)企業(yè)仍然以生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品為主'在 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域占領(lǐng) 90％以上的市場份額。在高科技領(lǐng)域，國內(nèi)產(chǎn)品在技術(shù)水平 和質(zhì)量上不能滿足要求，90％以上市場份額由國外產(chǎn)品占領(lǐng)。國內(nèi)真空獲得產(chǎn) 品與高新技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不盡合理。多數(shù)企業(yè)期望只靠已有的 老產(chǎn)品，不斷增加產(chǎn)量而逐年增加利潤，這種可能性在市場競爭日益激烈的今 天會越來越小。在今天的國內(nèi)外市場格局面前，盡快調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng) 市場需求才是最明智的選擇。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整一是要不斷推出市場需要的對路產(chǎn)品，對真空泵市場來說， 就是要加快各種干式泵、分子泵以及其他高端產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，盡快形成批量 。二是全行業(yè)要形成高、中、低端產(chǎn)品的合理布局，并隨著 市場的變化，不斷 調(diào)整，始終保持比較合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 盡管 2003 年真空行業(yè)取得了令人矚目的成績，但目前的真空泵技術(shù)發(fā)展?fàn)?況卻并不樂觀。全行業(yè)要認(rèn)真分析形勢，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) ，團(tuán)結(jié)一致，為行業(yè)的 發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步開出一條道路，為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出 全行業(yè)應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 1.5 對真空技術(shù)未來發(fā)展的期望 對未來真空技術(shù)的期望，首先希望廠家能研制出方便耐用的設(shè)備，朝著用 戶與廠家相互滿足的方向努力。操作要方便，要縮短運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間或生產(chǎn)周期。因 為花費(fèi)在抽真空上的時(shí)間非常長，所以要加以解決。 真空裝置和儀表要高級化，提高設(shè)備的壽命和精度。希望在太空中建立真 空應(yīng)用的工廠?？臻g站和飛船也會釋放出自身的氣體，真空并不理想，在空間 飛船后 100 米以外的地方才能獲得理想的超高真空。要利用微重力條件下宇宙 真空環(huán)境，為人類服務(wù)。 鋁合金真空裝置可能代替不銹鋼。實(shí)現(xiàn)真空裝置鋁合金化，硬度問題利用 離子鍍就可以達(dá)到實(shí)用化。 今后的發(fā)展方向，一是向微小化領(lǐng)域(納米科技和固體元件的研制)，另一 個(gè)是向巨大化的領(lǐng)域(如核聚變的研究)，其中在巨大化裝置和使用多種氣體的 真空裝置方面，希望能研制出能夠用于從粘滯流領(lǐng)域到超高真空的寬域型真空 泵。希望能研制出不經(jīng)烘烤的超高真空裝置或者烘烤 100℃就可以了?？傊?以方便用戶的操作為出發(fā)點(diǎn)，得到全世界用戶對歡迎。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 我們希望 21 世紀(jì)中真空科學(xué)與技術(shù)取得更新的成就。真空行業(yè)得到更大的 發(fā)展。 第二章 羅茨真空泵的介紹 2.1 羅茨真空泵的術(shù)語和定義 （1）抽氣速率 當(dāng)泵裝有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)罩并按規(guī)定條件工作時(shí)，從試驗(yàn)罩流過的氣體流量與在 試驗(yàn)罩上指定位置測得的平衡壓力之比，簡稱抽速，單位 L/s。 （2）極限壓力 泵裝有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)罩并按規(guī)定條件工作，在不引入氣體正常工作的情況下， 趨向穩(wěn)定的最低壓力，單位為 Pa。 （3）最大允許壓差 最大允許壓差是指泵入口壓力等于或低于 時(shí)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 1h，不Pa310? 發(fā)生故障所允許的出口壓力與入口壓力差值的最大值，單位為 Pa。 （4）零流量最大壓縮比 零流量壓縮比 就是關(guān)閉進(jìn)氣管路、氣體流量為零時(shí)，前級真空管路中0K 的壓力與入口壓力之比，該壓縮比的最大值用 表示。實(shí)驗(yàn)氣體為非可凝max0K 性氣體，一般指空氣。 2.2 羅茨真空泵的型式和基本參數(shù) （1）普通羅茨真空泵的型式 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 圖 2-1 型號示意圖 （2）標(biāo)記示例 1）名義抽氣速率為 150L/s 的羅茨真空泵，標(biāo)記為：ZJ-150： 2）名義抽氣速率為 300L/s 的帶溢流閥羅茨真空泵，標(biāo)記為：ZJP-300 3）名義抽氣速率為 600L/s 的氣冷式羅茨真空泵，標(biāo)記為：ZJQ-600 （3）基本參數(shù) 一般型及帶溢流閥型泵的基本參數(shù)應(yīng)符合表 2-1 表 2-1 泵的基本參數(shù) 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 氣冷式泵的基本參數(shù)符合表 2-2 表 2-2 氣冷式泵的基本參數(shù) 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 （4）ZJQ600/400 低噪聲氣冷羅茨真空泵的簡介 在各個(gè)行業(yè)中為了實(shí)現(xiàn)無污染的真空獲得環(huán)境，需要把多臺氣冷羅茨真空 泵與普通羅茨真空泵組合起來進(jìn)行抽氣。但氣冷羅茨真空泵及由其組成的機(jī)組 在運(yùn)行時(shí)噪聲較大，影響了一些模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行以及工作人員的身心健康。 ZJQ600/400低噪聲氣冷羅茨真空泵通過研究一種保證在工作過程中既要使 排出口及兩側(cè)返冷氣口的高壓氣體在回流是對低壓氣體的沖擊小又能保證有充 分的反冷氣時(shí)間的轉(zhuǎn)子線型以及控制由于轉(zhuǎn)子在工作過程中的熱膨脹和軸承游 隙引起的轉(zhuǎn)子徑向和軸向的列和間隙。如圖2-4、圖2-5所示，ZJQ600/400低噪 聲氣冷羅茨真空泵采用如下扭葉轉(zhuǎn)子型線，轉(zhuǎn)子的截面型線由圓弧- 擺線- 漸 開線- 圓弧- 圓弧等多段曲線組成，以達(dá)到具有高壓縮比的效果；并通過確定 合理的轉(zhuǎn)子扭角以及轉(zhuǎn)子導(dǎo)程，以達(dá)到合適的返冷氣時(shí)間，提高高壓差下的工 作穩(wěn)定性；同時(shí)，采用兩扭葉轉(zhuǎn)子，可縮小其軸向錯(cuò)位，以保證轉(zhuǎn)子在工作過 程中的安全、高效、可靠。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 圖2-2 轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角的確定 圖2-3 三維參數(shù)化造型 （5）兩葉與多葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵型線分析 氣冷式羅茨真空泵的型線可以由漸開線、圓弧、擺線或由其組合而成。雖 然漸開線型的容積利用系數(shù)稍大于圓弧擺線，但從泵的抽數(shù)和實(shí)際利用效率來 看，則圓弧擺線型轉(zhuǎn)子要高一些。本文研究的則是兩葉、三葉、四葉圓弧排線 轉(zhuǎn)子的型線。 本文先建立擺線的參數(shù)方程來確定轉(zhuǎn)子的形狀（如圖 2-4，圖 2-5 所示） 。 并且通過對不同葉數(shù)下的容積利用系數(shù) 的分析，來確定二者之間的關(guān)系。就? 圓弧擺線轉(zhuǎn)子來說，葉數(shù)越多，c 值越大，容積利用系數(shù) 越大，則理論抽速? 就越大，泵的效率也就越高（三種葉片的 - 曲線見圖 2-6） 。同時(shí)，葉數(shù)增加，c 封閉工作腔的容積會變小，進(jìn)氣及反流產(chǎn)生的噪聲也就越小。 其中 , （圖 2-5）A S/??2mR? 為轉(zhuǎn)子外圓半徑（圖 2-5） ， 為擺線形成的節(jié)圓半徑（圖 Rcm R 2-5） 。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 圖 2-4 初始位置 圖 2-5 旋轉(zhuǎn)一定角度后的位置 圖 2-6 容積利用系數(shù)示意 圖 2-7 三種轉(zhuǎn)子型線 - 曲?c 線 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 2.3 羅茨真空泵的技術(shù)要求 （1）泵應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并按照經(jīng)規(guī)定程序批準(zhǔn)的圖樣及技術(shù)文件制造。 （2）ZJ（P）型泵必須有前級泵為其預(yù)抽真空，它不能單獨(dú)使用；ZJQ 型泵可 單獨(dú)使用，直排大氣。 （3）泵配用油封機(jī)械真空泵作前級泵時(shí)，則不適于抽除含氧氣量過高、有爆炸 性的、對黑色金屬有腐蝕性的、與真空泵油起化學(xué)反應(yīng)和含有塵埃的氣體。 （4）在帶試驗(yàn)罩的條件下，ZJ（P）型泵啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn) 30min 之后，應(yīng)達(dá)到圖 2-2 規(guī)定的極限壓力；ZJQ 型泵在啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)平衡后（一般 3min 到 5min）， 應(yīng)達(dá)到圖 2-3 規(guī)定的極限壓力。 （5）本標(biāo)準(zhǔn)不考核抽氣速率。如需測量抽速，ZJ（P）型泵必須配置相應(yīng)的前 級泵，并注明前級泵的型號和規(guī)格。 （6）ZJ（P）型泵的其他性能應(yīng)符合圖 2-2 的規(guī)定；ZJQ 型泵的其他性能應(yīng)符 合圖 2-3 的規(guī)定。 （7）泵工作的環(huán)境溫度為 。C?40~5 （8）泵應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子不得有撞擊聲，不應(yīng)有雜音。 （9）泵的動(dòng)密封不允許有漏油現(xiàn)象。 （10）泵的外表面應(yīng)油漆光潔，緊固件及其他外露加工表面應(yīng)做防銹處理。 （11）泵應(yīng)無故障運(yùn)行時(shí)間 2500h。 （12）泵出廠必須帶有必要的備件和專用工具。 （13）在用戶遵守泵的運(yùn)輸、保管、安裝、使用維護(hù)的條件下，從制造廠發(fā)貨 日期起一年內(nèi)，泵因制造質(zhì)量不良發(fā)生損壞而不能正常工作時(shí)，制造廠應(yīng) 為用戶免費(fèi)修理或更換。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 第三章 羅茨真空泵的總體設(shè)計(jì) 羅茨真空泵（簡稱羅茨泵）是一種旋轉(zhuǎn)式變?nèi)菡婵毡?。它是由羅茨鼓風(fēng)機(jī) 演變而來的。根據(jù)羅茨真空泵工作范圍的不同，又分為直排大氣的低真空羅茨 泵；中真空羅茨泵（又稱機(jī)械增壓泵）和高真空多級羅茨泵。一般來說，羅茨 泵具有以下特點(diǎn)： （1）在較寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)有較大的抽速； （2）起動(dòng)快，能立即工作； （3）對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感，泵腔內(nèi)氣體垂直流動(dòng)，有利于 被抽的灰塵或冷凝物的排除； （4）轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵腔之間有間隙，泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)無摩擦；轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵 腔內(nèi)無油； （5）轉(zhuǎn)子形狀對稱，振動(dòng)小，選擇高精度的齒輪傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音低轉(zhuǎn)子動(dòng)平 衡條件較好，沒有排氣閥； （6）驅(qū)動(dòng)功率小，機(jī)械摩擦損失??； （7）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，通常選臥式結(jié)構(gòu)； （8）運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低。 因此，羅茨泵在冶金、石油化工、造紙、食品、電子工業(yè)部門得到廣泛的 應(yīng)用。 在泵腔內(nèi)，有二個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳 動(dòng)比為 1 的一對齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵 殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于羅茨泵是一種無 內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要前級泵。羅茨泵的極 限真空除取決于羅茨真空泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級泵的極限真 空。為了提高泵的極限真空度，可將羅茨泵串聯(lián)使用。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.1 羅茨真空泵的總體構(gòu)成 此次設(shè)計(jì)的羅茨真空泵是參照國內(nèi)外同類產(chǎn)品，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，揚(yáng)長避 短，而設(shè)計(jì)出來的。 羅茨真空泵的工作原理與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相似。由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣 體從進(jìn)氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間 v0內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。由于吸氣后 v0空間是全封閉狀態(tài)，所以，在泵腔內(nèi)氣體沒有壓縮和膨脹。 但當(dāng)轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn) 過排氣口邊緣，v 0空間與排氣側(cè)相通時(shí)，由于排氣側(cè)氣體壓強(qiáng)較高，則有一部 分氣體返沖到空間 v0中去，使氣體壓強(qiáng)突然增高。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體排 出泵。 如圖 3-1 為羅茨泵轉(zhuǎn)子由 0°轉(zhuǎn)到 180°的抽氣過程。在 0°位置時(shí)（圖中 a），下轉(zhuǎn)子從泵入口封入 v0體積的氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)到 45°位置時(shí)（圖中 b），該 腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強(qiáng)較高，引起一部分氣體返沖過來。當(dāng)轉(zhuǎn)到 90°位置時(shí)（圖中 c），下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。 這時(shí)，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入 v0體積的氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到 135°時(shí)（圖中 d），上轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復(fù)上述過程。180°（圖 e）位置和 0°位置是一樣的。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個(gè) v0體積的氣體。 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 圖 3-1 工作過程 目前國內(nèi)外的羅茨泵，多數(shù)為臥式結(jié)構(gòu)，泵的進(jìn)氣口在上，排氣口在下， 這種臥式結(jié)構(gòu)重心低，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性好。羅茨真空泵的兩個(gè)轉(zhuǎn)子是通過一 對高精度的齒輪來實(shí)現(xiàn)其相對同步旋轉(zhuǎn)的。如圖 3-2 是羅茨真空泵的剖面示意 圖。 圖 3-2 羅茨泵剖面示意圖 1.主動(dòng)軸 2.軸套 3.軸承壓蓋 4.滾動(dòng)軸承 5.軸承墊圈 6.擋油套 7.密封環(huán)襯套 8.轉(zhuǎn)子 9.擋油環(huán) 10.螺栓 11.D 型密封圈 12.齒輪壓蓋 13.齒輪鍵 14.齒輪 15.墊圈 16.齒輪蓋板 17.螺栓 18.轉(zhuǎn)子平鍵 19.螺母 20.軸承座 21.彈簧墊圈 22.端蓋 23.甩油盤 24.核體 25.進(jìn)出氣口蓋 26.蓋板 27.從動(dòng)軸 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 泵的傳動(dòng)多為直聯(lián)式的，大泵則有皮帶傳動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)齒輪，多設(shè)在轉(zhuǎn) 子軸的兩側(cè)，安裝拆卸方便。主動(dòng)軸傳遞的扭矩較大，軸要有足夠的強(qiáng)度和剛 度，軸與轉(zhuǎn)子要固結(jié)牢靠。羅茨泵的密封很關(guān)鍵，主動(dòng)軸外伸部分、兩個(gè)轉(zhuǎn)子 的軸承與泵腔之間設(shè)有動(dòng)密封，泵腔與各端蓋設(shè)有靜密封。 3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 羅茨泵泵腔內(nèi)無摩擦，轉(zhuǎn)子可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，一般為 1500~3000r/min，而且不 必用油潤滑，可實(shí)現(xiàn)無油清潔的抽氣過程。泵的潤滑部位僅限于軸承和齒輪， 以及動(dòng)密封處。羅茨泵沒有往復(fù)運(yùn)動(dòng)不見，故可實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)平衡。因此，羅 茨泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速高，尺寸小可獲得大的抽速。 有關(guān)參數(shù)： 表 3-1 有關(guān)數(shù)據(jù) （1）容積效率 ： =0.7~0.9 范圍內(nèi)選取， 取 0.8V?V?? （2）幾何抽速 ：按 計(jì)算得，1.2thsVths/?sL/ （3）轉(zhuǎn)子相對長度 ：選擇得，3.0lk （4）型線的質(zhì)量系數(shù) ：對于雙葉轉(zhuǎn)子為 0.617~0.50 選擇得，0.5240 參量 參數(shù)值 單位 功率 3.0 KW 吸入口壓力 1.33 Pa 出口壓力 133 Pa 額定轉(zhuǎn)矩 2.2 N.m 抽氣速率 150 L/S 轉(zhuǎn)速 2900 r/min 真空極限 0.05 Pa 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 （5）轉(zhuǎn)子頂?shù)膱A周速度 ： 決定轉(zhuǎn)子的離心力大小，也就是決定轉(zhuǎn)子的強(qiáng)2u 度故取 65m/s （6）轉(zhuǎn)子的計(jì)算半徑 R： 3-1()mukslth15.020=?= 取 R=0.112 （7）轉(zhuǎn)軸的計(jì)算頻率 n： 3-21296πs （8）軸旋轉(zhuǎn)頻率：選異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率 1.??n 故選用 Y132S1-2 Y 型異步電動(dòng)機(jī) 3.3 總體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）總體傳動(dòng)比 ： 3-3i1290=wn （2）傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 Ⅰ軸： 3-4kP.30?min/0r 3-5NnT1.829.35.900 =×= Ⅱ軸： = 3-6齒η1?kw7.. 3-7min/0ri 3-8NnPT78.9201.59. 311 =× （3）故定最小軸徑 3-9()()mdd 3~4..~80.~8==電 機(jī) 所以選取聯(lián)軸器軸孔 31電 機(jī) d52= 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 3.4 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4.1 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）齒輪精度選擇 6 級精度：6-DB179-60 （2）材料選擇：齒輪材料為 40Cr（淬火） HRC50-50 （3）選擇齒輪齒數(shù) 21?Z （4）選取螺旋角： °=0β （5）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)試選 6.1tK （6）選取 46.2HZ87ε2?1 所以