羅茨真空泵基礎(chǔ)知識(shí)講解

作者： 2015年11月20日 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：
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羅茨真空泵的性能一直以來(lái)都沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)分，即使在國(guó)外也大都如此，哪一些是泵本身的特征性能，哪一些是除了本身的因素外還在很大程度上取決于前級(jí)泵的性能，也即是羅茨泵機(jī)組的性能。以至于一些是泵本身的特征性能沒(méi)
　　羅茨真空泵的性能一直以來(lái)都沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)分，即使在國(guó)外也大都如此，哪一些是泵本身的特征性能，哪一些是除了本身的因素外還在很大程度上取決于前級(jí)泵的性能，也即是羅茨泵機(jī)組的性能。以至于一些是泵本身的特征性能沒(méi)有去充分考核，而一些應(yīng)該屬于羅茨泵機(jī)組的性能卻作為羅茨泵的性能在考核，雖然這種情況不斷在改進(jìn)。此外，羅茨泵性能的測(cè)量方法也有待改進(jìn)、有所創(chuàng)新，使它更接近、更符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

　　1、基礎(chǔ)壓力和漏率
 
　　1.1、基礎(chǔ)壓力
 
　　一直以來(lái)所有真空泵都有一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)———極限壓力，但極限壓力對(duì)真空泵而言其實(shí)并不十分確切，正如ISO21360-1 所指出的那樣：極限壓力是測(cè)試罩內(nèi)漸近的壓力值，它是泵可獲得的最低壓力，但沒(méi)有一個(gè)實(shí)際的測(cè)量方法或規(guī)范。也就是說(shuō)，它是一個(gè)無(wú)限的漸近的值，它永遠(yuǎn)也達(dá)不到所謂的極限和最低，是一個(gè)無(wú)法測(cè)量的值。ISO21360-1 提出了一個(gè)新概念—基礎(chǔ)壓力，但它并沒(méi)有給基礎(chǔ)壓力提出一個(gè)確切的定義，我們認(rèn)為可以這樣定義：基礎(chǔ)壓力———泵按規(guī)定條件工作，在不引入氣體的情況下，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試罩內(nèi)趨向穩(wěn)定的壓力，單位為Pa。與極限壓力的定義相比較，基礎(chǔ)壓力的定義中取消了“最低”，也就沒(méi)有了極限的含義。這是一個(gè)可以測(cè)量的值，我們認(rèn)為所有真空泵都應(yīng)該將性能指標(biāo)中的“極限壓力”修改為“基礎(chǔ)壓力”，尤其是單獨(dú)使用的、直接排大氣的真空泵，如滑閥泵、旋片泵、液環(huán)泵、活塞泵、渦旋泵、爪式泵、濕式羅茨泵和氣冷式羅茨泵等等。基礎(chǔ)壓力對(duì)羅茨泵而言，并不是羅茨泵本身的特征性能指標(biāo)，它在很大的程度上取決于前級(jí)泵的類型(基礎(chǔ)壓力)和溫度，因此在標(biāo)注泵的基礎(chǔ)壓力時(shí)，必須同時(shí)注明所配置的前級(jí)泵類型。過(guò)去曾一度認(rèn)為，我們羅茨泵的基礎(chǔ)壓力始終不如國(guó)外的好，后來(lái)查明是因?yàn)楫?dāng)時(shí)作為前級(jí)泵的旋片泵質(zhì)量不是最好，更換上質(zhì)量好的前級(jí)泵，羅茨泵的基礎(chǔ)壓力就完全達(dá)到了國(guó)外泵的先進(jìn)水平，這就充分說(shuō)明基礎(chǔ)壓力并不是羅茨泵本身的特征性能?？紤]到基礎(chǔ)壓力比較直觀，生產(chǎn)廠商和用戶的習(xí)慣，改變和認(rèn)識(shí)還需要一個(gè)過(guò)程，這次羅茨泵新標(biāo)準(zhǔn)中仍將基礎(chǔ)壓力列入主要性能指標(biāo)。
 
　　基礎(chǔ)壓力的測(cè)量中，全壓的測(cè)量示值過(guò)去規(guī)定為經(jīng)校準(zhǔn)的熱偶真空計(jì)的示值，實(shí)際上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中早已規(guī)定測(cè)量?jī)x表為薄膜計(jì)，目前我國(guó)薄膜真空計(jì)的使用已經(jīng)普及，而且它的精度遠(yuǎn)高于熱偶真空計(jì)，因此新標(biāo)準(zhǔn)中全壓的測(cè)量示值已規(guī)定為經(jīng)校準(zhǔn)的薄膜真空計(jì)的示值。
 
　　薄膜真空計(jì)使用中必須注意一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楸∧び?jì)從結(jié)構(gòu)上可分為二種型式：相對(duì)式和基準(zhǔn)式。基準(zhǔn)式中有一個(gè)高真空基準(zhǔn)膜盒，薄膜計(jì)的示值實(shí)際上是傳感器的測(cè)量值與基準(zhǔn)膜盒相比較的結(jié)果，基準(zhǔn)膜盒由于放氣和漏氣，它的真空度雖然非常緩慢，但都在不斷地下降，因此薄膜計(jì)的零位應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)，尤其是對(duì)低量程的1 Torr(100 Pa)和0.1 Torr(10 Pa)的傳感器而言，故基準(zhǔn)膜盒應(yīng)根據(jù)具體情況，限期進(jìn)行高真空處理或更換。相對(duì)式是以一臺(tái)高真空泵(如分子泵)替代基準(zhǔn)膜盒，因此薄膜計(jì)的零位不需進(jìn)行校準(zhǔn)，有條件的單位應(yīng)采用這種型式的薄膜真空計(jì)。當(dāng)然薄膜真空計(jì)整計(jì)(包括傳感器、顯示儀和電纜等)必須定期送規(guī)定的計(jì)量部門(mén)檢定。
 
　　1.2、漏率
 
　　真正代表羅茨泵在這方面的特征性能的是漏率，只要漏率達(dá)到了要求，羅茨泵的基礎(chǔ)壓力就保證能達(dá)到要求。由于它與前級(jí)泵無(wú)關(guān)，也基本上不受溫度的影響，所以應(yīng)當(dāng)將漏率作為羅茨泵的主要性能指標(biāo)來(lái)考核。這次修訂羅茨泵標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們已將漏率列入羅茨泵的主要性能指標(biāo)。至于基礎(chǔ)壓力，因?yàn)椴皇潜帽旧淼奶卣餍阅苤笜?biāo)，不應(yīng)在質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)再作為主要性能來(lái)考核。
 
　　早在1998 年我們就提出用漏率取代極限壓力作為羅茨泵的主要性能指標(biāo)，但一直沒(méi)被接受和引起重視。我們自己在羅茨泵的極限壓力(基礎(chǔ)壓力)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，就常常用檢測(cè)泵的漏率和泄漏處的方法來(lái)解決的，漏率達(dá)到了要求，極限壓力(基礎(chǔ)壓力)也就達(dá)到了要求。尤其是近些年來(lái)，我們陸續(xù)接到不少用戶，特別是那些被抽的工作氣體不容許外泄的用戶，要求對(duì)羅茨泵進(jìn)行漏率檢測(cè)并提供漏率數(shù)據(jù)，可見(jiàn)漏率也已受到許多用戶的關(guān)注和重視。國(guó)外兩大羅茨泵生產(chǎn)商PFEIFFER 和LEYBOLD 公司的羅茨泵樣本上都一直標(biāo)注了漏率指標(biāo)，他們的駐外檢修部門(mén)在修理羅茨泵后也只檢測(cè)漏率。我公司在送德國(guó)海德里希公司檢測(cè)羅茨泵時(shí)，他們并不檢測(cè)基礎(chǔ)壓力，而是檢測(cè)漏率。檢測(cè)數(shù)據(jù)中，泵的漏率<1×10-4 Pa·m3/s，完全達(dá)到了上述兩公司的指標(biāo)要求。至所以國(guó)外許多公司至今還將極限壓力(基礎(chǔ)壓力)作為主要性能指標(biāo)，一方面是極限壓力(基礎(chǔ)壓力)比較直觀，習(xí)慣成自然，當(dāng)然觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)也各有不同，我們相信隨著時(shí)間的進(jìn)程，未來(lái)必然會(huì)達(dá)到認(rèn)識(shí)的統(tǒng)一的。
 
　　漏率的定義是：在規(guī)定條件下，一種特定氣體通過(guò)漏孔的流量，單位為Pa·m3/s。在我們修訂的羅茨泵標(biāo)準(zhǔn)中，基本參數(shù)中漏率的指標(biāo)與PFEIFFER公司的指標(biāo)完全一致，標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了漏率的測(cè)量方法。
 
　　漏率測(cè)量的原理是：采用噴吹法，噴槍的示漏氣體通過(guò)漏孔進(jìn)入被檢真空系統(tǒng)，并被引入檢漏儀，引起檢漏儀輸出指示的變化，將該變化值與標(biāo)準(zhǔn)漏孔在檢漏儀上引起的輸出指示變化值進(jìn)行比較，確定羅茨泵被檢部位的漏率。
 
　　2、最大容許壓差
 
　　最大容許壓差原稱最大允許壓差，據(jù)查，允許是答應(yīng)、同意的意思，而容許則是許可的意思，因此改稱為最大容許壓差比較符合原意。最大容許壓差是考核羅茨泵運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性的特征性能指標(biāo)。它與泵相互轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之間的間隙有關(guān)，也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。如果僅從提高最大容許壓差的觀點(diǎn)出發(fā)，相互轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之間的間隙以大為好，轉(zhuǎn)速也以低為好。
 
　　我們新修訂的羅茨泵標(biāo)準(zhǔn)中，最大容許壓差的測(cè)量方法與德國(guó)DIN28426.2 的最大區(qū)別是，將測(cè)量方法中“當(dāng)入口壓力調(diào)整到1×103 Pa 或更低壓力時(shí)”修改為“使泵入口壓力等于1×103 Pa”。通過(guò)我們的試驗(yàn)表明，雖然壓差相同，但入口壓力不同時(shí)，引入的(冷卻)氣體量就不同；入口壓力越低，引入的(冷卻)氣體量就越少，泵溫就越高(見(jiàn)圖2)，泵的熱膨脹就越大，這將導(dǎo)致泵的最大容許壓差的降低。為了保證測(cè)試條件一致，有利于最大容許壓差運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)考核的準(zhǔn)確性，應(yīng)該使泵入口壓力等于1×103 Pa。
 
　　羅茨真空泵特性指標(biāo)及測(cè)試方法研究
 
　　型羅茨泵在壓差相同(5.5×103)時(shí)，不同入口壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)1 h 的泵溫前級(jí)管路直徑大小對(duì)零流量壓縮比測(cè)量的影響
 
　　羅茨真空泵特性指標(biāo)及測(cè)試方法研究
 
　　在最大容許壓差測(cè)量時(shí)泵溫很高，因?yàn)闅怏w的壓縮主要在出口處，所以泵出口處溫度高達(dá)130℃~160 ℃，而出口處的氣流溫度更高，可達(dá)240 ℃ ~260 ℃，由于出口處泵體和轉(zhuǎn)子都處于高溫狀態(tài)下，溫差雖達(dá)100 ℃左右，但也一般不會(huì)發(fā)生碰擦，當(dāng)然這是必須保證泵的間隙處在正常情況下；而泵進(jìn)口處溫度一般只有40 ℃~50 ℃，故進(jìn)、出口處溫差高達(dá)200 ℃以上，因此該處與高溫轉(zhuǎn)子容易發(fā)生碰擦，甚至卡住，故而轉(zhuǎn)子中心應(yīng)相對(duì)于泵缸中心適當(dāng)下移，以增大該處間隙，保證高壓差運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性。
 
　　在最大容許壓差測(cè)量時(shí)應(yīng)同時(shí)記錄室溫，泵進(jìn)、出口處溫度，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和消耗功率。不同泵之間消耗功率受諸多因素影響，并不一致，如見(jiàn)超常必須立即檢查、解決。如常用的梅花形聯(lián)軸器就是其中之一，通常梅花形彈性塊材質(zhì)采用聚胺脂，它的質(zhì)地較硬，所以對(duì)聯(lián)軸器體的梅花形孔的分度要求較高，如加工中偏差較大，彈性塊與聯(lián)軸器體之間將產(chǎn)生過(guò)度擠壓，使消耗功率異常，一般聯(lián)軸器表面溫度不高，如出現(xiàn)聯(lián)軸器發(fā)燙，就可確定是上述原因；再如泵的二個(gè)側(cè)蓋上轉(zhuǎn)子軸孔距離偏差過(guò)大，轉(zhuǎn)子軸強(qiáng)度不足至使工作時(shí)撓度過(guò)大等原因，使軸承轉(zhuǎn)角超過(guò)容許限度，產(chǎn)生超常摩擦，也將使消耗功率異常；此外齒輪中心距偏小，齒形偏胖等也將造成齒輪之間嚴(yán)重?cái)D壓，導(dǎo)致消耗功率增大。
 
　　最大容許壓差測(cè)量時(shí)要求運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，不發(fā)生異常和故障。如使用中有特殊要求，在較高壓差下運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間需要適當(dāng)延長(zhǎng)，可以在泵出口處鄰近轉(zhuǎn)子的部位設(shè)置冷卻器，它由翅片型冷卻盤(pán)管組成，根據(jù)需要可以采取單重、雙重和三重冷卻盤(pán)管，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效果好，對(duì)泵抽速的影響僅為(1~2)%，價(jià)格低廉，實(shí)用價(jià)值高。
 
　　3、零流量壓縮比與抽速
 
　　3.1、零流量壓縮比與抽速
 
　　零流量壓縮比是羅茨泵有關(guān)抽氣性能的非常重要的特征性能指標(biāo)，它與泵相互轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之間的間隙有關(guān)，也與轉(zhuǎn)速和氣體種類有關(guān)。從提高零流量壓縮比的觀點(diǎn)出發(fā)，相互轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之間的間隙以小為好，轉(zhuǎn)速越高越好。因此它與最大容許壓差之間是一對(duì)相互制約、又相輔相成的矛盾，必須相互兼顧、慎重考慮。不能單純?yōu)榱四承├嫘枰怀霰玫倪\(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，而片面增加相關(guān)間隙，置影響泵的抽氣效能和用戶的效益于不顧。為了處理好零流量壓縮比與最大容許壓差這一對(duì)矛盾，我們?cè)x取大、中、小三臺(tái)典型的羅茨泵，對(duì)泵相互轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之間的間隙關(guān)系進(jìn)行了類似于破壞性的各項(xiàng)試驗(yàn)，取得了很好的效果，為以后的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。零流量壓縮比也與氣體種類有關(guān)，我們做了空氣與氮?dú)狻鍤?、二氧化碳等幾種氣體的對(duì)比試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，零流量壓縮比與試驗(yàn)氣體的分子量有關(guān)，分子量大的氣體，它的零流量壓縮比要大一些，也就是它的抽速也大一些。
 
　　根據(jù)所測(cè)得的羅茨泵的零流量壓縮比和所配置的前級(jí)泵的類型、抽速—入口壓力曲線就可以通過(guò)計(jì)算得到羅茨泵在各種工況下的抽速，當(dāng)然由于存在各種不確定因素，這個(gè)計(jì)算過(guò)程是近似的，不過(guò)對(duì)于羅茨泵的選型和配套方案的選擇已經(jīng)是足夠的了。
　　3.2、零流量壓縮比的測(cè)量裝置
 
　　3.2.1、前級(jí)管路
 
　　零流量壓縮比的測(cè)量裝置中的前級(jí)管路，在德國(guó)DIN28426.2 中只有一個(gè)示意圖，沒(méi)有具體規(guī)定。在GB/T 25753.2 中又規(guī)定得太多，執(zhí)行起來(lái)不是很方便。為此我們作了許多試驗(yàn)，如前級(jí)管路直徑大小和前級(jí)管路測(cè)試罩直徑大小對(duì)零流量壓縮比測(cè)量的影響，前級(jí)管路中測(cè)試罩兩側(cè)的管路長(zhǎng)度(a 和b)對(duì)零流量壓縮比測(cè)量的影響。
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