為了開發(fā)高效節(jié)能、安全運(yùn)行的螺桿真空泵，在現(xiàn)有各類內(nèi)部壓縮螺桿真空泵研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種三段式內(nèi)部壓縮體積漸進(jìn)式變化的螺桿轉(zhuǎn)子，并使用Hermite插值理論導(dǎo)出了圓柱變螺距螺旋線的參數(shù)方程。設(shè)計(jì)的變螺距螺桿，第一部分是大導(dǎo)程等螺距區(qū)域，位于吸氣端，其決定了螺桿真空泵的吸氣能力；中間是非線性平滑過渡部分，其長度與非線性比率決定了壓縮能力；尾部的排氣端是小導(dǎo)程等螺距區(qū)域，保證了穩(wěn)定的極限壓力。試驗(yàn)證明采用漸變式的螺桿真空泵可以大幅降低驅(qū)動功率，工作噪聲低，內(nèi)部工作溫度低，運(yùn)行效果良好。

　　螺桿真空泵可以實(shí)現(xiàn)從10⁵到1 Pa 的工作范圍，排氣能力強(qiáng)，在干式模式下運(yùn)行，綠色環(huán)保，廣泛應(yīng)用于電子、光伏和醫(yī)藥化工等行業(yè)。最早螺桿真空泵的引導(dǎo)線為常數(shù)，介質(zhì)(主要是氣體) 在泵體內(nèi)部等體積傳輸，在排氣口壓縮，屬于外部壓縮，能耗和噪聲都較高。從能效觀點(diǎn)出發(fā)，工作氣體是可以壓縮的，泵的內(nèi)部壓縮是可以開發(fā)的，目前，經(jīng)過真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)的市場調(diào)研，認(rèn)為主要是通過控制螺桿真空泵內(nèi)部壓縮體積來壓縮空氣，從而控制壓縮功率，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低噪聲的目的。

　　早期，由于制造技術(shù)的限制，內(nèi)壓縮螺桿真空泵由幾級不同齒頂圓直徑尺寸或不同螺旋角的等螺距螺桿在軸向方向串聯(lián)而成，這種設(shè)計(jì)對空間有損傷。引導(dǎo)線(即螺旋線) 全程漸進(jìn)變化也是最常見的設(shè)計(jì)之一，螺桿的螺距從最大到最小連續(xù)變化，引導(dǎo)線的螺距變化規(guī)律為線性，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螺距的變化引起導(dǎo)程角改變，可以降低消耗的功率，但是降低能耗能力有限。B. ULRICH描述了一種動態(tài)平衡良好的變螺距雙螺桿轉(zhuǎn)子，端面型線保持不變，螺距從最小到最大，再到最小，最后保持不變，但同時(shí)一定程度上減低了初始階段的抽氣效率。M. H.NORTH描述了一種共軛錐形螺桿，螺距保持不變，由軸向錐形變化引起內(nèi)部壓縮體積的變化，但其構(gòu)造復(fù)雜。

　　國內(nèi)學(xué)者張世偉提出了一種等齒頂寬的螺桿真空泵單頭變螺距轉(zhuǎn)子型線，轉(zhuǎn)子齒形面的齒頂寬可以保持不變，能夠增大吸氣端的吸氣容積，降低排氣端的氣體返流泄漏，但是，與之相配對使用的另一只螺桿轉(zhuǎn)子并不是完全的等齒頂寬，只是近似等齒頂寬，并且這種設(shè)計(jì)端面型線構(gòu)成固定，型線構(gòu)成發(fā)生變化后，計(jì)算極為復(fù)雜。D. Pfaller研究了“冷”機(jī)狀態(tài)、端面型線不變的情況下，通過優(yōu)化變螺距曲線，提升了排氣能力，降低了能耗，證明變螺距是可以優(yōu)化的。綜上，各種內(nèi)部壓縮的螺桿真空泵，采取的手段都是減少工作腔室的體積，修改傳輸階段的工作型腔幾何尺寸，包括沿軸線的引導(dǎo)線(螺旋角) 、轉(zhuǎn)子齒頂和齒根尺寸。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，各種高效節(jié)能的螺桿真空泵制造已經(jīng)成為可能。

1、問題的提出

　　市場上常見的外壓縮等螺距螺桿真空泵引導(dǎo)線的導(dǎo)程數(shù)一般是4.5 ～6 個(gè)，可以達(dá)到1 Pa 及以下的極限真空，而上述大部分內(nèi)壓縮的螺桿真空泵一般是7 ～8 個(gè)導(dǎo)程，才可以達(dá)到理想的極限真空度，究其原因還是考慮到了制造技術(shù)和制造成本，選用非嚴(yán)格密封的三段擺線式的型線或類似的型線。內(nèi)部壓縮的螺桿真空泵，初始工作階段，入氣口壓力較高時(shí)，開始壓縮部位的壓力和溫度很高，壓縮的熱量對螺桿的徑向變形影響最大，這時(shí)候運(yùn)行安全是必須考慮的，一般采取三種措施：

　　第一，在開始壓縮的部位接泄壓閥，但排放的介質(zhì)，需要有回收裝置。

　　第二，降低泵電機(jī)運(yùn)行速度，采用變頻控制，這一定程度上降低了初始階段的排氣效率。

　　第三，改善壓縮部位的設(shè)計(jì)。

　　鑒于上述問題，本文通過改善壓縮部位的設(shè)計(jì)，優(yōu)化變螺距的設(shè)計(jì)，結(jié)合等螺距制造技術(shù)的優(yōu)勢，采用密封效果良好的端面型線，設(shè)計(jì)的變螺距螺桿導(dǎo)程控制在6 個(gè)以下，這樣在保證螺桿真空泵各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，即能降低制造成本，又能保證螺桿真空泵的運(yùn)行安全。

2、漸變式變螺距螺桿數(shù)學(xué)模型

　　為了達(dá)到良好的壓縮性能，螺桿采用三段式設(shè)計(jì)，第一部分(T1) 是吸氣端，采用大螺距設(shè)計(jì)來提高吸氣能力；第三部分(T3) 是排氣端，采用小螺距設(shè)；第二部分(T2) 為中間過渡區(qū)域，采用漸變過渡方式，螺距在較大范圍內(nèi)逐漸變化小。三個(gè)部分連接曲面的設(shè)計(jì)要求過渡平滑。為了進(jìn)一步降低制造要求，第一、三部分可以采用等螺距設(shè)計(jì)，這種整體漸變式螺桿設(shè)計(jì)對于減小能量需求、降低噪聲、降低內(nèi)部工作溫度、縮小結(jié)構(gòu)空間以及降低制造費(fèi)用提供了較好的選擇。

　　2.1、圓柱變螺距螺旋線

　　端面型線固定螺桿的軸向引導(dǎo)線是圓柱螺旋線，圓柱螺旋線Γ 可以表示

　　式中，t 為螺旋線變量，表示螺旋線的纏繞角度; R 為圓柱螺旋線半徑；Pi(t) 表示圓柱螺旋線軸向參數(shù)方程，對應(yīng)的Pi' (t) 是螺距變化參數(shù)方程。圖1(a) 是一般圓柱螺旋展開圖，圖1(b) 是對應(yīng)的螺距變化曲線。

圖1 一般圓柱螺旋展開圖、螺距變化曲線圓柱螺旋線

3、結(jié)論

　　(1) 建立了三段漸變式螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)理論，可以根據(jù)干泵的使用場合選取一定的壓縮比，再根據(jù)固定的壓縮比設(shè)計(jì)變螺距螺桿。

　　(2) 通過試驗(yàn)比較了不同壓縮比下的能效功率曲線，螺桿內(nèi)部體積壓縮比越大，在小于10000 Pa的入口壓力下，能效利用率越高，超過這個(gè)數(shù)值，由于過壓縮，消耗的功率急速提升; 在適度的壓縮比下，大于10000 Pa 后，功率先提升，再下降。

　　(3) 通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，壓縮比相同時(shí)，功率曲線近似。壓縮區(qū)域的引導(dǎo)線纏繞角度適當(dāng)?shù)募哟�，壓縮效果會改善，螺桿真空泵運(yùn)行的安全性相應(yīng)也得到提高。

　　(4) 其外，螺桿內(nèi)部體積壓縮比越大，排出的氣體體積量越小，噪聲越小，相應(yīng)的尺寸結(jié)構(gòu)也更小。螺桿真空泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部工作溫度低、噪聲較低，上述效果在實(shí)際中應(yīng)用中獲得驗(yàn)證。

　　本文研究結(jié)果為低噪聲、高效節(jié)能型干式螺桿真空泵變螺距螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、壓縮比選取提供了理論依據(jù)與實(shí)踐參考。當(dāng)然，螺桿真空泵內(nèi)部工作狀態(tài)非常復(fù)雜，在未來的工作中希望在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究螺桿真空泵泄漏計(jì)算模型、能效理論，特別是影響壓縮性能的變導(dǎo)程軸向長度參數(shù)m 的優(yōu)化計(jì)算還需有待完善。