一．概述

　　渦旋真空泵性能的影響因素比較多，在研發(fā)與設(shè)計(jì)時(shí)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬分析很有必要。對于研發(fā)階段的工作，模擬分析不但可以大大減少工作量和研發(fā)成本，而且可以為機(jī)械設(shè)計(jì)提供相關(guān)參數(shù)依據(jù)；對于一個(gè)已經(jīng)生產(chǎn)的成型產(chǎn)品，模擬分析不但容易發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)，還能分析其存在的缺陷或矛盾，是解決問題的捷徑。

　　結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分布是渦旋真空泵性能主要的影響因素之一。本文主要采用大型有限元分析軟件ANSYS對渦旋真空泵運(yùn)行過程中動、靜渦旋盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形情況進(jìn)行模擬，分析渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的分布情況。

圖1 渦旋真空泵基本抽氣原理

二．渦旋真空泵工況分析及試驗(yàn)條件的簡化

1.使用基本參數(shù)

　　基本功率：750瓦
　　出口壓力：1.3×105Pa
　　轉(zhuǎn)速：1450轉(zhuǎn)/分
　　泵材質(zhì)：鋁合金
　　實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：空氣
　　流量：8升/秒

2.基本計(jì)算模型的簡化

　　渦旋真空泵的渦旋壁面是一種連續(xù)的漸開線形狀，在分析和計(jì)算過程中，難以直接對其進(jìn)行建模和分析，有必要進(jìn)行簡化處理。相關(guān)資料已經(jīng)證明，把這種漸開線作為單獨(dú)圓形壁面進(jìn)行分析，其結(jié)果可以反映渦旋泵渦旋壁面實(shí)際意義上的相關(guān)作用效果。

　　依據(jù)渦旋真空泵原形的實(shí)際尺寸，并參照相應(yīng)的簡化模型尺寸進(jìn)行建模，泵體固定部分與旋轉(zhuǎn)部分的模型剖面分別按照原形建立。

3.模擬基本思想

　　在結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力變形分析中，簡化了結(jié)構(gòu)的受力模型，按照運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的角速度以及進(jìn)氣與出口壓力進(jìn)行了渦旋壁面受力的分析，渦旋壁面壓力值的大小主要利用相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)。

4.參數(shù)的計(jì)算及輸入

　　在模擬過程中，使用了軟件中要求的統(tǒng)一單位：毫米、噸、瓦特、開爾文、攝氏度等系列單位制，具體使用的相關(guān)參數(shù)如下：彈性模量為0.63E5，泊松比為0.336，密度為2.7E-009。

三．ANSYS模擬過程

　　結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形分析主要是利用渦旋真空泵運(yùn)行過程中的一些相關(guān)參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力分析及變形研究的。本部分模擬主要是指在額定功率和轉(zhuǎn)速情況下，對簡化結(jié)構(gòu)的動、靜渦旋盤所進(jìn)行的一系列分析和模擬，渦旋壁面的頂端位置受到壓力為0.3MP，渦旋壁側(cè)面受到不同的壓強(qiáng)作用，經(jīng)力的平衡分析及處理后，由里到外依次減小，分別加載0.03MP、0.02MP、0.01MP及0.005MP進(jìn)行模擬。在以上情況下，對簡化模型作等效靜態(tài)分析，模擬結(jié)果如下圖所示：

圖2.徑向應(yīng)力及變形圖 

   
圖3.徑向剪力及變形圖

圖4.模型分析立體綜合受力及變形圖

　　上述各模擬分析圖及圖示說明為各個(gè)工況下渦旋真空泵動渦旋盤與靜渦旋盤各部位的受力變形情況。從模擬分析可以看出下列應(yīng)力與變形的分布：

　　渦旋壁從頂部到根部，應(yīng)力逐漸加大，根部應(yīng)力最大；

　　渦旋壁從根部到頂部，變形逐漸加大，頂部變形最大；但是由于頂部的變形較大，與靜渦旋盤接觸部分的應(yīng)力也較大。

四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　從動渦旋盤上應(yīng)力分布的特點(diǎn)來看，上述模型分析立體綜合受力及變形圖基本反映了動渦旋盤的受力與變形狀態(tài)。在渦旋盤上由于渦旋壁與基板相比，厚度小，又承受不同的壓強(qiáng)作用。而基板比渦旋壁厚度大很多，渦旋壁上的受力狀態(tài)近似于懸臂梁在均布載荷下的受力狀態(tài)，并且渦旋壁與基板接觸處由于兩者的尺寸突變也存在明顯的應(yīng)力集中情況，所以渦旋壁根部應(yīng)力最大，最容易引起渦旋盤的強(qiáng)度破壞。這一點(diǎn)可以通過根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行的設(shè)計(jì)修正來解決。

　　在實(shí)際工作中，動渦旋盤渦旋壁頂部軸向與徑向均存在變形情況。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)角度的變化，軸向間隙也發(fā)生變化。如果將最大軸向變形量限制在5微米以內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際的軸向間隙隨著泵的運(yùn)轉(zhuǎn)在5微米控制范圍以內(nèi)會發(fā)生很大的變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)引起注意。徑向變形根據(jù)泵極限真空度的要求，控制在15微米以內(nèi)比較合適。

五．結(jié)論

　　1.從模擬分析可以看出下列應(yīng)力與變形的分布為渦旋壁從頂部到根部，應(yīng)力逐漸加大，根部應(yīng)力最大；渦旋壁從根部到頂部，變形逐漸加大，頂部變形最大；但是由于頂部的變形較大，與靜渦旋盤接觸部分的應(yīng)力也較大。

　　2.在假設(shè)的非漸開線渦旋壁面的模型下對渦旋盤進(jìn)行受力及變形分析，可能會由于其結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致簡化模型的受力狀態(tài)與實(shí)際上的受力情形相差比較大，因之造成結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)分析可能失真等問題。

　　3.ANSYS軟件模擬結(jié)果與渦旋真空泵試驗(yàn)運(yùn)行過程中受力及變形情況基本吻合，這說明可以利用軟件模擬手段進(jìn)行渦旋真空泵的相關(guān)分析和研究。