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羅茨真空泵性能試驗方法探討

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)浙江真空設備集團有限公司 作者:陳仙春

  本文把試驗研究提高到一個前所未有的高度來認識,羅茨泵的特性和質量是設計和制造出來的,試驗是產品特性的前導和鑒證。分析探討了試驗研究與設計、工藝之間的關系,以及它們對羅茨泵的特性,如漏率、零流量壓縮比、最大容許壓差、噪聲和振動以及運轉的安全性、可靠性所帶來的影響,對多發性和容易出現的問題提出了解決和改進的措施。分析研究了試驗條件、試驗裝置和試驗方法對保證和鑒證羅茨真空泵特性的重要性,指出試驗研究為產品的發展提供了設計依據和研究方向。嘗試了設計、標準和試驗研究三結合,取得了豐碩的成果。

  羅茨真空泵的特征性能和質量是設計和制造出來的,設計是保證羅茨泵特征性能和質量的先決條件,工藝則是性能和質量的保證,設計決定了羅茨泵的特征性能,而試驗研究更是特征性能的前導和鑒證,為產品的發展提供了設計依據和研究方向。

1、工藝與試驗

  工藝是設計質量的保證,但又必須通過試驗來驗證,試驗結果又反過來促進工藝的改進。羅茨泵轉子加工后的形狀和嚙合間隙是直接影響羅茨泵零流量壓縮比和最大容許壓差的關鍵。轉子的形狀直接影響到轉子之間的嚙合間隙,間隙過小,不能承受最大容許壓差的考驗,也就會影響泵安全運轉的可靠性。羅茨泵的溫度與壓差成正比,隨著壓差的增加,泵溫會越來越高,熱膨脹將使轉子之間的間隙越來越小,甚至發生碰撞和尖銳的噪聲,嚴重時轉子之間將會卡住。

  間隙過大或間隙不均勻,將使羅茨泵通過轉子之間的間隙由出口向入口返流的氣體增加,零流量壓縮比下降。零流量壓縮比與最大容許壓差是相互制約的一對矛盾,設計時必須統籌兼顧,既要保證間隙的均勻性,又要保證它的合理性。

  羅茨泵轉子與側蓋之間的間隙也是直接影響羅茨泵零流量壓縮比和最大容許壓差的關鍵。在高壓差運轉時,轉子溫度很高,由于長度方向的熱膨脹,使轉子有一定的伸長。泵體溫度相對比較低,伸長量不大,為了保證運轉的可靠性,所以在轉子的長度方向與兩側蓋之間保持了一個適當的間隙。為了便于間隙的控制,通常設一端為固定端,它的間隙比較小,另一端為活動端,使轉子在長度方向的伸長只能向活動端延伸。

  當然泵缸和轉子的長度公差必須由加工工藝來保證,轉子與側蓋間的間隙調整則由裝配工藝來執行。為了保證上述間隙調整工作的正常進行,首要的是,要確保固定端是真正的固定的。根據我們的實踐經驗,它的關鍵在于軸承,要選用質量好、精度高的軸承。對羅茨泵而言,要確保固定端的固定,軸承的軸向竄動應當越小越好,但軸承的數據中通常沒有軸向游隙這一項,實際上徑向游隙越小,表明它的相對轉動的零部件之間的間隙就越小,軸向游隙也就越小,軸向竄動就小。需要注意的是,同一只軸承的軸向游隙要大于徑向游隙,因此要知道軸承的軸向游隙最好實際測量。

  上述間隙究竟控制為多少才是最合適的呢?必須通過試驗來確定。為此我們曾作過多種多樣的、超負荷的、甚至是破壞性試驗,特地通過工藝安排,制作了各相關部位、多種間隙的羅茨泵,按國外先進標準和同類產品要求,做了數月的各種試驗,也損壞了好多臺泵,得出了符合國內實際情況的一系列間隙數據。

  滿負荷、超負荷的研究性深入試驗使我們發現了不少問題,真空技術網(http://www.sakcw.tw/)認為運轉中轉子與泵體的碰擦就是其中之一。羅茨泵在最大容許壓差下運轉1h,泵體出口處的氣流溫度高達240℃~260℃,轉子溫度基本上也在這個范圍內,由于出口處泵體和轉子都處于高溫狀態下,所以二者之間雖有一定程度的溫差,但也一般不會發生碰擦;而在泵進口處則不是如此,因為這里沒有對氣體進行壓縮,所以進口處泵體的溫度一般只有40℃~50℃,進口處泵體與轉子的溫差高達200℃以上,如在進口處仍然保持原來的間隙,則很難保證泵體與轉子之間的熱膨脹而不發生碰擦;如將進、出口處的間隙都放大,則勢必影響零流量壓縮比,因此只能將進口處泵體與轉子間的間隙適當放大。

  此外,羅茨泵的轉子軸通常屬于細長軸類型,在徑向受力的情況下會產生程度不同的撓度,在羅茨泵進行最大容許壓差試驗時,或在高壓差條件下工作時,轉子軸所受力的方向是從出口指向進口的,因此也須將進口處泵體與轉子間的間隙適當增加。

  根據這兩種聯合作用的情況,為避免轉子與泵體進口處發生碰擦,必須在轉子軸中心與泵缸中心之間作適當的工藝調整,將轉子軸中心適當下移(相對于泵缸中心),這樣將使泵出口處的間隙適當減少,進口處的間隙適量放大,既不影響零流量壓縮比,又保證了高壓差運轉時的可靠性。通過工藝改進,既解決了問題,又進一步提高了泵的質量。

  軸承的軸向游隙也是試驗中發現的一個重要問題,我們曾遇到過這樣的一個情況,一批羅茨泵在最大容許壓差試車時,有多臺泵端面卡死,拆檢發現泵的相關轉動零部件公差都符合要求,一時也找不出其它原因。為此我們隨意抽取了10 臺泵,送試驗室做進一步嚴格試驗,也發現

  有數臺泵的端面卡死。零部件尺寸檢測也都合格,最后懷疑是否是軸承的間隙有問題,結果發現,同一批購入的所謂“進口”軸承中,只有少數幾只軸承的軸向竄動(游隙)為0.05mm,大部分都在0.25mm~0.30mm,顯然這是一批冒牌的軸承,這樣的軸承用到羅茨泵上,固定端幾乎變成了活動端,正常的間隙就無法保證了。自此以后,嚴格規定軸承采購必須從正規渠道進貨,軸承進庫隨機抽檢,徹底杜絕了上述事件的再現。因此,采購也是一道工序,也必須嚴格尊循有關規定。

2、齒輪的實用檢查

  齒輪的加工和檢驗需要專用設備,為了降低成本和提高生產效率,通常羅茨泵生產廠家都采取外加工的形式,但這些齒輪使用中經常會出現這樣和那樣的問題,所以檢驗是一個非常重要的環節。

  一般羅茨泵生產廠不可能配備齒輪專用檢驗設備,也不會花精力去逐項檢查齒輪精度,因為專業加工的齒輪通常不會出現太大的問題,所以最簡單、最有效的方法是配對實用檢查。實用檢查是在保證齒輪中心距處于中公差的工裝上進行的,主要檢查齒輪嚙合情況和間隙,檢查后齒輪必須配對使用,這一方法我們使用多年,確有成效。除此以外,更多的問題還需通過試驗來發現和解決。

  齒輪偏差所造成的問題主要是運轉中的非正常接觸,也就勢必產生異常噪聲,因此可以通過噪聲的測量和分析來解決。不同的問題會產生不同頻率的噪聲,通過噪聲頻譜分析就可以分析噪聲產生的原因來予以解決。齒輪噪聲的基頻為:

羅茨真空泵性能試驗方法探討

a、齒形偏差

  齒形偏差所造成的嚙合不正常將視偏差程度而產生高低程度不同的噪聲,它的噪聲頻率可按式(1)計算。這種情況一般不宜返工,因為重新定位安裝,容易產生新的定位偏差。情況如不是十分嚴重,可以采取在齒形上涂一層極細的金剛砂,進行轉動研磨,可以取得良好的效果。

b、齒輪間隙過小

  造成兩個齒輪之間間隙過小的原因有:齒輪加工中的齒形偏胖,或是兩側蓋加工中軸承孔的中心距偏小而導致的齒輪中心距偏小,它將使運轉中的齒輪嚴重擠壓、發熱,并發出連續的高頻噪聲。

  在噪聲頻譜上的齒輪噪聲基頻處可以發現噪聲異常(高),拆檢時可以發現齒輪表面有異常的擠壓痕跡,如不及時更換,齒輪繼續發熱膨脹下去,將導致卡住。

c、齒輪間隙過大

  齒輪之間間隙過大的原因有:齒輪加工中齒形偏瘦,或是兩側蓋軸承孔的中心距偏大而導致的齒輪中心距偏大,從而使轉子之間的間隙調整困難,甚或無法調整,更明顯的是,在泵停車過程中,由于主動轉子(帶著電動機)與從動轉子的轉動慣量是不同的,造成停轉過程中旋轉速度的降低不一致,致使主動轉子與從動轉子之間產生撞擊,該撞擊發出的噪聲非常響亮,而且它的頻率隨著旋轉速度的下降而下降,僅憑耳朵的感覺就能迅速分辨出來。這種在正常運轉中并不發生、而只在停止轉動的過程中發生的噪聲,就是齒輪間隙過大所造成之噪聲的特征。發生這種現象時必須更換齒輪,也許將偏胖與偏瘦的齒輪配對檢查,或許勉能使用。

3、齒輪的定位的可靠性

  羅茨泵的定位結構通常有三種,即鍵定位、脹圈定位和過盈定位。鍵定位一般只用在小泵上,長期使用后鍵定位容易松動,現在已很少使用。脹圈定位使用得最普遍,它由專業廠生產,質量有保證,裝拆方便、使用可靠,但對裝配工藝要求較高。目前從30L/s~1200L/s 都采用脹圈定位,為了考核它的可靠性,考慮到泵啟動時的扭矩最大,我們曾設計制作了間斷啟動裝置,3 分鐘啟動一次,連續反復啟動運轉了3 天,證明脹圈定位結構非常可靠,才大量采用。

  過盈定位可傳遞大功率,而且使用絕對可靠,適用于大、中型泵,但它必須配備液壓工具,給修理工作帶來一定的不便。真空技術網(http://www.sakcw.tw/)認為須要注意的問題是,它的過盈面是錐形結合面,齒輪錐形孔的錐度與軸的結合面的錐度必須從工藝上保持一致,加工后一定要嚴格認真檢驗。如內、外錐面結合不良,將造成裝配時油壓上不去,齒輪就無法在軸上定位;即使勉強安裝上去了,定位也并不可靠,以后進行檢修時,也將因為油壓上不去而無法拆卸,這種情況時有發生。因此如發現內、外錐面結合不良時必須進行返工,輕度的也可對內、外錐面的結合面進行研磨來解決。齒輪發生移位,在噪聲頻譜圖上可發現轉子撞擊基頻處噪聲異常。移位的后果非常嚴重,轉子將產生撞擊,甚至整臺泵遭到破壞,應絕對避免。

4、齒輪和軸承的潤滑

  羅茨泵的潤滑可能最不會引人注意,但當你的泵長時間沒有啟用或間斷使用時,齒輪和軸承上所粘附的潤滑油已經基本流盡,當你再次啟動泵時,由于粘度的關系,油不能及時供給,造成短暫性缺油,齒輪和軸承會發出一陣異常剌耳的噪聲,隨著轉速上升、啟動過程的完成,噪聲會逐漸消失。這種現象在氣溫比較低的時候,在大、中型泵中尤為嚴重。雖然這是短時缺油所造成的短暫性干摩擦現象,一時也不會造成多大的損害,但會給用戶和操作者帶來非常不好的印象,如經常發生這種現象,也會產生不良后果。我們經過反復試驗,采用了低粘度真空油(N32 和N46)來取代N100 真空油的辦法,使情況大為改善,基本上消除了這種現象。

  軸承的供油也必須引起重視,通常齒輪和甩油盤甩上的油都能滿足軸承潤滑的需要,但當設計不合理、導致甩油盤甩上的油不到位,造成軸承缺油,軸承的噪聲將越來越響,直至軸承損壞。這種現象在立式羅茨泵上尤須注意。

5、振動和共振

  振動是羅茨泵一個重要性能指標,泵的轉子是鑄鐵(鋼)件,即使工藝保證轉子型線完全一致,但鑄件的組織結構疏密程度不可能完全均勻,而且又處于1500~3000r/min 的高轉速下,所以轉子必須作動平衡試驗并進行修正。不過即使是做了動平衡試驗,也還有一定的不平衡重量,也還有一定的振動,這一點對大、中型泵來說是需要重視的。

  容易造成危害的是共振,當羅茨泵的振動頻率接近或與機架的振動頻率重合時,就會產生不同程度的共振,發生一陣一陣的、較大的或劇烈的振動和噪聲,如不及時處理就會造成破壞。這就需要從工藝上采取措施,改變機架結構,遠離羅茨泵的振動頻率。

6、試驗與研究

  綜上所述,一切都離不開試驗研究。產品設計前的一些設想、方案和不同觀點都要需要通過試驗研究來嘗試、來認證,工藝上的改革、改進需要通過試驗來認可、來求證,新產品試制后的性能需要通過試驗來確認,使用中發現問題需要通過試驗研究來改進、來解決,即使是制訂新標準和修訂老標準,也需要通知試驗研究來提供制訂和修訂所必要的試驗方法和試驗數據。在國外試驗室主任的級別大致相當于副總工程師,可想而知,試驗研究的工作是多么的重要。

  要做好試驗工作,首先要創造必要的試驗條件,配備完整的試驗裝置和設備,研究試驗方案、制訂試驗方法以及試驗人員的培養。

  具體的試驗與研究方法請聯系本文作者咨詢與索取。

7、結束語

  質量是設計出來的,也是制造出來的,更需要通過試驗來鑒證。工藝條件和試驗保證了產品質量,保證了產品能夠達到泵的各項特征性能指標,保證了泵運轉的可靠性。試驗研究也為產品的發展提供新依據和研究方向。

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