本文分析了氣冷羅茨真空泵工作過程中產(chǎn)生噪聲的主要根源，通過在Pro/engineer環(huán)境中三維實體精確建模，設(shè)計制做了一種減緩排氣口及兩側(cè)返冷氣口的高壓氣體對基元容積內(nèi)低壓氣體敞開沖擊速度的扭葉轉(zhuǎn)子，降低常用前級泵ZJQ600/400氣冷羅茨真空泵的主要噪聲。

1、研制目的

　　各行業(yè)如航空航天、大型動力設(shè)備、石油化工及其空氣分離等，為實現(xiàn)無污染的真空獲得環(huán)境，需要的無油真空抽氣系統(tǒng)的抽氣速率越來越大，如此大的抽氣速率只有進(jìn)行多臺氣冷羅茨真空泵或與普通羅茨真空泵的組合抽氣系統(tǒng)才能得以實現(xiàn)。氣冷羅茨真空泵及其組成的抽氣系統(tǒng)具有普通羅茨真空泵轉(zhuǎn)速高、體積小的優(yōu)點(diǎn)外，還具有配帶合適的電機(jī)及熱交換器后可在任意壓力下起動，任意壓差下運(yùn)行的特點(diǎn)，適應(yīng)在負(fù)載較大、要求抽氣時間短、粗真空至高真空均需要大抽速、需要承受較大載荷的工況等場合應(yīng)用，但氣冷羅茨真空泵及其組成的氣冷羅茨真空泵機(jī)組的運(yùn)行時噪聲巨大，尤其是組合抽氣系統(tǒng)中的最后一、二級氣冷羅茨真空泵，由于承受較大的壓差，工作過程中排氣口及兩側(cè)返冷氣口的高壓氣體回流與基元容積內(nèi)的低壓氣體混合時會產(chǎn)生劇烈的壓力脈動，引起巨大的氣流沖擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣動噪聲，嚴(yán)重干擾了做地面模擬試驗以及其他工程作業(yè)中人們的身心健康，限制了該種類無油真空抽氣機(jī)組的應(yīng)用，另一方面又使得很多行業(yè)對如何選擇真空泵(或組合機(jī)組)感到束手無策。

　　市場上現(xiàn)有的的干式真空泵如螺桿真空泵、爪式真空泵等由于泵本身結(jié)構(gòu)的限制不能適應(yīng)很多工況環(huán)境而不能作為組合機(jī)組的前級泵。目前國際上有LEYBOLD、AEROZEN 公司及BALZERS 等公司生產(chǎn)氣冷羅茨真空泵，國內(nèi)有浙江真空設(shè)備集團(tuán)有限公司、馬德寶真空設(shè)備集團(tuán)有限公司、上海真空泵廠有限公司等在生產(chǎn)氣冷羅茨真空泵，但這些公司廠家到目前為止生產(chǎn)的氣冷羅茨真空泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本類同，都采用直葉轉(zhuǎn)子，如圖1 所示，進(jìn)排氣及兩側(cè)返冷氣時高壓氣體都是突然向基元容積敞開，氣流的回流速度較快，高壓氣流對基元容積內(nèi)的低壓氣體沖擊較大，因而噪聲普遍較大。不帶消聲器時聲壓超過135dB(A)，帶消聲器以后聲壓在98 dB(A)分貝左右。本文將就如何降低常用的前級氣冷羅茨真空泵600/400 的噪聲的研制作一介紹。

圖1 氣冷羅茨真空泵轉(zhuǎn)子泵體工作原理

2、研制內(nèi)容

　　低噪聲氣冷羅茨真空泵的研制內(nèi)容主要有以下兩方面，首先是研究一種在工作過程中既要排出口及兩側(cè)返冷氣口的高壓氣體回流對基元容積內(nèi)的低壓氣體沖擊小又要保證有充分的返冷氣時間以確保泵在高壓差下能安全運(yùn)行的轉(zhuǎn)子型線及其加工。其次是研究轉(zhuǎn)子在工作過程中由于轉(zhuǎn)子熱膨脹和軸承游隙引起轉(zhuǎn)子徑向和軸向嚙合間隙的控制。

2.1、低噪聲氣冷羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計

　　如前所述，目前國際國內(nèi)生產(chǎn)的氣冷羅茨真空泵都采用直葉轉(zhuǎn)子，工作過程中基元容積與排氣口及返冷氣口都以突然接通方式連通，導(dǎo)致排

　　氣口及返冷氣口高壓氣體與基元容積內(nèi)的低壓氣體混合時引起劇烈的氣流壓力脈動而產(chǎn)生巨大的氣流噪聲。

　　針對工作過程中ZJQ600/400 氣冷羅茨真空泵的噪聲，研發(fā)團(tuán)隊對氣冷羅茨真空泵各個壓力(壓差)下的氣流狀態(tài)進(jìn)行了流場數(shù)值分析，認(rèn)為：噪聲中影響最大、強(qiáng)度最高的是氣冷羅茨真空泵的氣動噪聲，包括：基元容積與排氣口及返冷氣口連通時高壓氣體從排氣口和兩側(cè)返冷氣口系統(tǒng)回流與基元容積內(nèi)的低壓氣體混合沖擊造成的劇烈壓力脈動，以及葉輪逐個掃過進(jìn)、排氣口及兩側(cè)返冷氣口時對氣流產(chǎn)生的干擾壓力脈動。

　　為降低氣流壓力脈動沖擊，就需要減緩排氣口及兩側(cè)返冷氣口的高壓氣體對基元容積內(nèi)低壓氣體敞開的沖擊速度，目前行之有效的辦法有兩種：泵體上進(jìn)排氣口及返冷氣口制作成梯形狀或轉(zhuǎn)子制作成扭葉，前一種方法加工比較簡單，但由于泵體上同時要有四個梯形口，實現(xiàn)起來比較困難。運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)我們確立了ZJQ600/400羅茨真空泵的扭葉轉(zhuǎn)子型線，這種扭葉曲面轉(zhuǎn)子更能減緩氣流的沖擊。

　�、� 轉(zhuǎn)子的截面型線由圓弧- 擺線- 漸開線- 圓弧- 圓弧等多段曲線組成，以達(dá)到具有高壓縮比的效果。

　�、� 確定扭葉轉(zhuǎn)子合理扭角β 及轉(zhuǎn)子導(dǎo)程q扭轉(zhuǎn)角β 大了，羅茨真空泵返冷氣時間就會變短，這樣其承受的最大允許壓差就會變小，高壓差下工作的可靠性就會降低;扭轉(zhuǎn)角小了，回流的速度就會變快，降低噪聲的效果就會變差。通過數(shù)值模擬結(jié)果和分析，確立了合理的扭轉(zhuǎn)角，如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角的確定

　　轉(zhuǎn)子導(dǎo)程q按泵設(shè)計抽速的大小確定。

　�、� 轉(zhuǎn)子參數(shù)化三維實體精確建模扭葉轉(zhuǎn)子型面的截面由圓弧- 擺線- 漸開線- 圓弧- 圓弧等多段曲線組成，3 個葉輪均勻分布在圓上,在CAD 環(huán)境下設(shè)計局部變量與截面型線各個參數(shù)的關(guān)系方程，在Pro/engineer環(huán)境中建立轉(zhuǎn)子的各設(shè)計參數(shù)變量，再讓設(shè)計參數(shù)變量驅(qū)動三維模型的尺寸。通過輸入或修改設(shè)計參數(shù)，獲得依參數(shù)再生的三維轉(zhuǎn)子造型。

　　按確定了的扭葉轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角β及轉(zhuǎn)子導(dǎo)程q在分度圓上作出扭葉曲線，并以此為掃描截面、轉(zhuǎn)子軸線為原點(diǎn)軌跡曲線、節(jié)圓圓心(即扭葉線)，最終形成扭葉轉(zhuǎn)子，如圖3所示。

圖3 三維參數(shù)化造型

2.2、轉(zhuǎn)子徑向和軸向嚙合間隙的控制及進(jìn)排氣口及兩側(cè)返冷氣口位置的確定

　　(1) 不同于直葉轉(zhuǎn)子兩嚙合轉(zhuǎn)子可以在軸向有稍微的錯位，兩扭葉轉(zhuǎn)子軸向的錯位要遠(yuǎn)小于直葉轉(zhuǎn)子，以確保轉(zhuǎn)子在工作過程中安全可靠高效。

　　(2) 進(jìn)排氣口及兩側(cè)返冷氣口位置。進(jìn)排氣口寬向尺寸的大小、返冷氣口位置的高低直接影響返冷氣時間的長短，從而影響耐壓差的大小，影響泵的運(yùn)行可靠性。

3、扭葉轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工

　　扭葉轉(zhuǎn)子銑削加工原理如圖4所示。Y、Z軸聯(lián)動控制刀具在工件兩端面運(yùn)動形成扭葉轉(zhuǎn)子型面曲線，X 、A軸聯(lián)動控制工件形成螺旋運(yùn)動。銑削扭葉面時，YZ和XA只有一組運(yùn)動，實際銑削扭葉面時數(shù)控銑削機(jī)床實現(xiàn)四軸兩兩聯(lián)動，選用合適的球頭刀進(jìn)行扭葉面加工，銑削出最終的扭葉曲面。

1.刀具軌跡 2.刀具 3.工件

圖4 扭葉轉(zhuǎn)子銑削加工原理圖

4、研制結(jié)果

　　對研制的ZJQ600/400氣冷羅茨真空泵經(jīng)加工、檢測、裝配后，如圖5 所示，檢測了其在極限壓力下運(yùn)行時的噪聲，并與采用直葉轉(zhuǎn)子的ZJQ600 氣冷羅茨真空泵噪聲做了比較，測試結(jié)果見表1。

圖5 扭葉轉(zhuǎn)子的加工、檢測、裝配

表1 扭葉低噪聲ZJQ600羅茨真空泵與現(xiàn)有直葉ZJQ600羅茨真空泵噪聲

　　從表1可以看出，ZJQ600/400氣冷羅茨真空泵采用扭葉曲面轉(zhuǎn)子后，其噪聲得到了大大地降低，它的研制成功對于改善航空航天等工程作業(yè)環(huán)境，增進(jìn)人們的身心健康具有重大的意義，而且又因為無油可以替代油封機(jī)械真空泵和液環(huán)真空泵作其他真空泵的前級泵，避免了油封機(jī)械泵噴油對環(huán)境的污染或被抽介質(zhì)對水的污染，進(jìn)一步地可以帶動大型無油耐高壓差羅茨真空泵組合抽氣系統(tǒng)的的發(fā)展，適應(yīng)各行各業(yè)的需求，具有良好的社會效應(yīng)。