前言

　　南京工業(yè)大學先后與江蘇泰興新型工業(yè)泵廠和山東淄博真空設備廠等企業(yè)合作對往復真空泵進行設計和結構研究。將設計的立式往復真空泵(原型號LVP型、現(xiàn)為WL型) 投入生產(chǎn), 得到了廣泛的運用, 取得了很好的效益。

　　評價真空泵性能的指標有多條, 一是真空度; 二是功率消耗; 三是易損件如活塞環(huán)、填料、氣閥的使用壽命;還有泵的結構緊湊、平穩(wěn)運行等。

　　立式結構往復真空泵具有以下幾個特點: 氣缸豎直布置,結構緊湊、占地面積小,尤其是改善了臥式泵因活塞自重下垂摩擦不均勻的缺點。設計了自潤滑性能好的聚四氟乙烯活塞環(huán)和填料密封環(huán), 使運動部件磨損減小,并適用于少油潤滑或無油潤滑。它設計為雙作用氣缸,既可單級抽氣(抽氣速率大),亦可雙級抽氣(真空度高),以滿足不同客戶的需要。

1、往復真空泵的熱力過程及結構改進措施

　　往復真空泵氣缸兩側(cè)一般設有平衡通道, 參見圖1(a),蓋側(cè)缸循環(huán)過程簡述如下:活塞由內(nèi)止點D向外移動到E點時,由于平衡通道的作用, 氣體壓力均衡至p′s; 由E點到F 點為壓縮過程, 氣體被壓縮至排氣壓力pd,排氣閥開啟;由F點到G點為排氣過程,在G點處活塞右側(cè)活塞環(huán)與蓋側(cè)平衡通道右邊線相對應, 如圖1(a) 所示;

　　當活塞由G點移動到外止點H點時, 蓋側(cè)余隙容積中的高壓氣體大部分通過平衡通道流入軸側(cè), 氣體壓力降至pH; 當活塞由外止點H向內(nèi)移動到A點(與G點位置相同) 時, 氣體壓力降至p′s,此時活塞兩側(cè)氣體壓力相同;活塞由A點移動到B點,蓋側(cè)氣體繼續(xù)膨脹,壓力降至吸氣壓力ps; B點至C點為吸氣過程, 蓋側(cè)吸氣在C點結束, 吸氣閥關閉; 活塞移動到內(nèi)止點D,再向外移動到E點,由于平衡通道的作用,氣體壓力均衡至p′s。G點到H點的軸向?qū)挾菺H即為平衡通道的寬度b。圖1(a)中,s為活塞行程, so和se分別為Vo和Ve折算的行程。

圖1　帶平衡通道的示功圖和平衡通道的結構圖

　　往復真空泵能達到極限真空度時, 可用下式表示:

　　考慮到吸氣系統(tǒng)的阻力損失, 泵的極限真空絕對壓力為:

p1min = psmin +Δps (2)

　　式(1)、(2)中: p1min為極限真空度時的絕對壓力,俗稱絕對真空度; pd為排氣壓力; Δps為吸氣系統(tǒng)的阻力損失; Vo為氣缸余隙容積; Ve為平衡通道容積;V 為氣缸行程容積, V=s×F, s為活塞行程; F為氣缸截面積; b為平衡通道寬度; m為氣體多變指數(shù),一般可取m=1.2。

　　由式(1)和式(2)可知: 減小余隙容積, 合理設置平衡通道, 減少吸氣系統(tǒng)的阻力損失,是減小極限絕對壓力的有效措施。為提高極限真空度, 須采取以下措施:

　　(1)減小余隙容積,為此, 活塞端部在保證強度和剛度的前提下盡可能取小的厚度(2.5mm) , 以減少余隙容積, 見圖2并設計了厚度僅為24mm超薄形的氣閥;

圖2　活塞與活塞環(huán)示意圖

　　(2) 優(yōu)化氣閥彈簧力的設計,盡可能減小氣閥的阻力;

　　(3) 在氣缸上合理設置平衡氣道,以保證真空度;

　　(4) 減少泄漏, 活塞中采用四道活塞環(huán), 每槽內(nèi)放兩道切口錯開的活塞環(huán), 見圖2, 填料密封采用五道密封環(huán)。

　　為減少往復真空泵的功率消耗,主要采取以下措施:

　　氣缸壁采用水冷卻, 氣閥軸向布置, 因而增加了汽缸冷卻水的面積, 改善了冷卻效果, 氣體壓縮過程溫度升高不超過10℃, 接近等溫壓縮, 減小壓縮功耗; 活塞環(huán)和填料密封環(huán)采用自潤滑性能好的材料,減少摩擦損失, 降低功耗; 優(yōu)化氣閥的設計, 合理設置平衡氣道寬度, 節(jié)省功率。

2、關于氣閥的氣隙速率設計

　　往復式真空泵目前大多采用環(huán)狀閥, 由于真空泵的吸、排氣壓力都不大, 尤其是吸入氣體絕對壓力很小, 氣閥的壓力降是影響極限真空度和功率消耗的一個重要原因。尤其是吸氣閥的阻力, 對于提高真空度和降低功率消耗具有重要意義。

　　吸氣閥的結構示意見圖3。氣隙速率為氣流通過閥隙通道時的速率。氣體頂開閥片進入氣缸時,氣體在氣閥處的最大壓力降與氣隙速率關系可近似用下式表示:

圖3　吸氣閥結構示意圖