前言

　　南京工業(yè)大學(xué)先后與江蘇泰興新型工業(yè)泵廠和山東淄博真空設(shè)備廠等企業(yè)合作對(duì)往復(fù)真空泵進(jìn)行設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研究。將設(shè)計(jì)的立式往復(fù)真空泵(原型號(hào)LVP型、現(xiàn)為WL型) 投入生產(chǎn), 得到了廣泛的運(yùn)用, 取得了很好的效益。

　　評(píng)價(jià)真空泵性能的指標(biāo)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(jié)構(gòu)緊湊、平穩(wěn)運(yùn)行等。

　　立式結(jié)構(gòu)往復(fù)真空泵具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 氣缸豎直布置,結(jié)構(gòu)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(diǎn)。設(shè)計(jì)了自潤(rùn)滑性能好的聚四氟乙烯活塞環(huán)和填料密封環(huán), 使運(yùn)動(dòng)部件磨損減小,并適用于少油潤(rùn)滑或無(wú)油潤(rùn)滑。它設(shè)計(jì)為雙作用氣缸,既可單級(jí)抽氣(抽氣速率大),亦可雙級(jí)抽氣(真空度高),以滿足不同客戶的需要。

1、往復(fù)真空泵的熱力過(guò)程及結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

　　往復(fù)真空泵氣缸兩側(cè)一般設(shè)有平衡通道, 參見(jiàn)圖1(a),蓋側(cè)缸循環(huán)過(guò)程簡(jiǎn)述如下:活塞由內(nèi)止點(diǎn)D向外移動(dòng)到E點(diǎn)時(shí),由于平衡通道的作用, 氣體壓力均衡至p′s; 由E點(diǎn)到F 點(diǎn)為壓縮過(guò)程, 氣體被壓縮至排氣壓力pd,排氣閥開(kāi)啟;由F點(diǎn)到G點(diǎn)為排氣過(guò)程,在G點(diǎn)處活塞右側(cè)活塞環(huán)與蓋側(cè)平衡通道右邊線相對(duì)應(yīng), 如圖1(a) 所示;

　　當(dāng)活塞由G點(diǎn)移動(dòng)到外止點(diǎn)H點(diǎn)時(shí), 蓋側(cè)余隙容積中的高壓氣體大部分通過(guò)平衡通道流入軸側(cè), 氣體壓力降至pH; 當(dāng)活塞由外止點(diǎn)H向內(nèi)移動(dòng)到A點(diǎn)(與G點(diǎn)位置相同) 時(shí), 氣體壓力降至p′s,此時(shí)活塞兩側(cè)氣體壓力相同;活塞由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),蓋側(cè)氣體繼續(xù)膨脹,壓力降至吸氣壓力ps; B點(diǎn)至C點(diǎn)為吸氣過(guò)程, 蓋側(cè)吸氣在C點(diǎn)結(jié)束, 吸氣閥關(guān)閉; 活塞移動(dòng)到內(nèi)止點(diǎn)D,再向外移動(dòng)到E點(diǎn),由于平衡通道的作用,氣體壓力均衡至p′s。G點(diǎn)到H點(diǎn)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(jié)構(gòu)圖

　　往復(fù)真空泵能達(dá)到極限真空度時(shí), 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(duì)壓力為:

p1min = psmin +Δps (2)

　　式(1)、(2)中: p1min為極限真空度時(shí)的絕對(duì)壓力,俗稱(chēng)絕對(duì)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(shè)置平衡通道, 減少吸氣系統(tǒng)的阻力損失,是減小極限絕對(duì)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(qiáng)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(jiàn)圖2并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),盡可能減小氣閥的阻力;

　　(3) 在氣缸上合理設(shè)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(cuò)開(kāi)的活塞環(huán), 見(jiàn)圖2, 填料密封采用五道密封環(huán)。

　　為減少往復(fù)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(guò)程溫度升高不超過(guò)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(rùn)滑性能好的材料,減少摩擦損失, 降低功耗; 優(yōu)化氣閥的設(shè)計(jì), 合理設(shè)置平衡氣道寬度, 節(jié)省功率。

2、關(guān)于氣閥的氣隙速率設(shè)計(jì)

　　往復(fù)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(duì)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(gè)重要原因。尤其是吸氣閥的阻力, 對(duì)于提高真空度和降低功率消耗具有重要意義。

　　吸氣閥的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。氣隙速率為氣流通過(guò)閥隙通道時(shí)的速率。氣體頂開(kāi)閥片進(jìn)入氣缸時(shí),氣體在氣閥處的最大壓力降與氣隙速率關(guān)系可近似用下式表示:

圖3　吸氣閥結(jié)構(gòu)示意圖