罗茨真空泵转子型线设计与三坐标测量

介绍了罗茨真空泵转子型线的设计及其对罗茨真空泵性能的影响，并介绍了罗茨真空泵转子型线的三坐标测量方法，在此基础上详细说明如何结合计算机辅助设计软件AutoCAD对测量结果进行处理。

罗茨真空泵属于高效节能的机电产品， 在国民经济各个部门得到了日益广泛的应用。由于具有无油、节能、振动小、体积小、起动快、维护费用低等突出优点，罗茨真空泵在未来仍将具有相当强的竞争能力。随着基础工业的发展及设计理念的不断**， 罗茨真空泵的结构设计与工作性能均取得了长足的进步。早期的罗茨真空泵必须依赖前级真空泵运行， 而如今已制造出能够直接排大气运行的气冷式罗茨真空泵和湿式罗茨真空泵，级数也由单级发展成为双级、多级，转子型线也由双叶发展成为宽头双叶、多叶，罗茨真空泵产品正朝着高性能、多样化的方向发展。

在罗茨真空泵的整体设计中， 转子型线设计是关键，其决定了泵的零流量压缩比、*大允许压差、容积利用系数等重要指标。中真空罗茨真空泵由于工作压力较低，分子平均自由程较长，分子返流较少，因此密封设计要求相对较低，一般采用双叶形转子型线；气冷式及湿式罗茨真空泵由于工作压力较高， 分子平均自由程较短，分子返流较多，密封设计要求较高，一般采用宽头双叶形及多叶形转子型线， 其原理均是改变罗茨真空泵相邻两叶间密封角h 为180°的情况，以获得较佳的密封效果及返冷气相位。为获得更低的噪声及振动性能， 罗茨真空泵的转子也被设计成轴向扭转的形式。

1、罗茨真空泵转子型线设计

随着设计理念的不断更新， 罗茨真空泵型线设计的重点转向了如下几个方面：

1) 获取更大的容积利用系数；

2) 获得更有效的密封效果，采用尽量小的啮合间隙；

3) 降低噪声，尤其是直接排大气工作时的噪声。

随着*的加工中心、多轴联动(5 轴以上)数控机床、数控刀具的逐渐普及，转子的可加工性设计要求已经大大降低。随着伺服控制和传感器技术的进步，在数控系统的控制下，机床可以执行亚微米级的**运动，在加工精度方面，近10 年来，普通级数控机床已由10μm 提高到5 μm，转子的加工难度已经大大降低。

罗茨真空泵转子型线一般由数段线条组合而成，理论上可以是直线或者任何曲线， 目前的设计方案一般采用圆弧、渐开线及摆线作为曲线段相互配合构成共轭曲线，实现转子的正常啮合，为了寻求较大的性能突破，正在研究开发更多的曲线种类及曲线组合。容积利用系数是转子型线设计的重要指标，容积利用系数值与泵理论抽速值成正比关系， 即在中心距和顶圆直径相同的情况下，转子本身所占体积越小，容积利用系数值就越大， 从而泵理论抽速值成正比提高。相较而言，容积利用系数高的转子顶圆直径齿宽比高，转子显得较为“狭长”。容积利用系数值与型线构成样式及型线顶圆直径节圆比息息相关， 在所有的型线构成样式中， 圆弧齿型及渐开线型转子容积利用系数较高。受制于材料强度，传统设计方案中常牺牲一定的容积利用系数值来保证转子强度。随着材料科学的不断进步和设计理念的更新， 转子的容积利用系数将会逐渐提高， 一方面材料强度的提高会允许减少转子*小断面厚度， 另一方面提高容积利用系数可以显著缩短转子轴向长度，从而减轻转子重量，增加轴向刚度，节省材料。

啮合间隙是转子型线设计的主要指标， 由于加工误差、作用力引起的变形及转子运行时热膨胀的存在，罗茨真空泵必须选取一定的转子啮合间隙以避免工作时发生转子干涉。啮合间隙的大小对罗茨真空泵的零流量压缩比、*大允许压差指标影响极大，罗茨真空泵存在一定的“内泄漏”现象，由于间隙的存在，造成气体通过啮合间隙从高压侧往低压侧“返流”，且返流流量随着间隙、压力及压力比的增加而增加。由于返流气体压力较高，返流后与罗茨泵入口气体混合，导致罗茨泵入口压力升高，根据容积真空泵抽气速率计算公式：S=Q/P(式中S 为抽速，Q 为气体流量，P 为泵入口压力)，抽速S 与入口压力P 成反比关系，因此测得的罗茨真空泵的实际抽速会降低，同理，返流气体对罗茨真空泵的零流量压缩比指标也有很大的影响。根据实际测试， 仅仅将一个转子的顶圆直径减少0.1mm，ZJP2500 罗茨真空泵在中真空段的抽气速率就下降了7%。经过我公司对用户返修泵的实际测试，由于磨损及腐蚀造成间隙变大后， 测得的实际抽速甚至只有理论抽速的50%，将此泵装配成机组后，极限压力只能达到130 Pa，而在同样的工艺系统中，新的同样配置的机组极限压力就可以达到6 Pa。

啮合间隙决定了内泄漏的大小， 因此罗茨真空泵的啮合间隙控制非常关键， 如何保持泵运行过程中啮合间隙合理、均匀成为型线设计的重要任务。罗茨真空泵的啮合间隙不能过于放大或者缩小， 如果啮合间隙放得过大，会造成零流量压缩比指标、抽气速率急剧下降；如果啮合间隙过于缩小，虽然零流量压缩比、抽气速率指标较好，但是*大允许压差指标会严重恶化，转子在实际运行时会很容易卡死。