羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)與三坐標(biāo)測量

2013-11-28 王曉虎浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

　　介紹了羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)及其對羅茨真空泵性能的影響，并介紹了羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的三坐標(biāo)測量方法，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明如何結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD對測量結(jié)果進(jìn)行處理。

　　羅茨真空泵屬于高效節(jié)能的機(jī)電產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于具有無油、節(jié)能、振動(dòng)小、體積小、起動(dòng)快、維護(hù)費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)，羅茨真空泵在未來仍將具有相當(dāng)強(qiáng)的競爭能力。隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展及設(shè)計(jì)理念的不斷創(chuàng)新，羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能均取得了長足的進(jìn)步。早期的羅茨真空泵必須依賴前級真空泵運(yùn)行，而如今已制造出能夠直接排大氣運(yùn)行的氣冷式羅茨真空泵和濕式羅茨真空泵，級數(shù)也由單級發(fā)展成為雙級、多級，轉(zhuǎn)子型線也由雙葉發(fā)展成為寬頭雙葉、多葉，羅茨真空泵產(chǎn)品正朝著高性能、多樣化的方向發(fā)展。

　　在羅茨真空泵的整體設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，其決定了泵的零流量壓縮比、最大允許壓差、容積利用系數(shù)等重要指標(biāo)。中真空羅茨真空泵由于工作壓力較低，分子平均自由程較長，分子返流較少，因此密封設(shè)計(jì)要求相對較低，一般采用雙葉形轉(zhuǎn)子型線；氣冷式及濕式羅茨真空泵由于工作壓力較高，分子平均自由程較短，分子返流較多，密封設(shè)計(jì)要求較高，一般采用寬頭雙葉形及多葉形轉(zhuǎn)子型線，其原理均是改變羅茨真空泵相鄰兩葉間密封角h 為180°的情況，以獲得較佳的密封效果及返冷氣相位。為獲得更低的噪聲及振動(dòng)性能，羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子也被設(shè)計(jì)成軸向扭轉(zhuǎn)的形式。

1、羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)

　　隨著設(shè)計(jì)理念的不斷更新，羅茨真空泵型線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了如下幾個(gè)方面：

　　1) 獲取更大的容積利用系數(shù)；

　　2) 獲得更有效的密封效果，采用盡量小的嚙合間隙；

　　3) 降低噪聲，尤其是直接排大氣工作時(shí)的噪聲。

　　隨著先進(jìn)的加工中心、多軸聯(lián)動(dòng)(5 軸以上)數(shù)控機(jī)床、數(shù)控刀具的逐漸普及，轉(zhuǎn)子的可加工性設(shè)計(jì)要求已經(jīng)大大降低。隨著伺服控制和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，機(jī)床可以執(zhí)行亞微米級的精確運(yùn)動(dòng)，在加工精度方面，近10 年來，普通級數(shù)控機(jī)床已由10μm 提高到5 μm，轉(zhuǎn)子的加工難度已經(jīng)大大降低。

　　羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線一般由數(shù)段線條組合而成，理論上可以是直線或者任何曲線，目前的設(shè)計(jì)方案一般采用圓弧、漸開線及擺線作為曲線段相互配合構(gòu)成共軛曲線，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的正常嚙合，為了尋求較大的性能突破，正在研究開發(fā)更多的曲線種類及曲線組合。容積利用系數(shù)是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，容積利用系數(shù)值與泵理論抽速值成正比關(guān)系，即在中心距和頂圓直徑相同的情況下，轉(zhuǎn)子本身所占體積越小，容積利用系數(shù)值就越大，從而泵理論抽速值成正比提高。相較而言，容積利用系數(shù)高的轉(zhuǎn)子頂圓直徑齒寬比高，轉(zhuǎn)子顯得較為“狹長”。容積利用系數(shù)值與型線構(gòu)成樣式及型線頂圓直徑節(jié)圓比息息相關(guān)，在所有的型線構(gòu)成樣式中，圓弧齒型及漸開線型轉(zhuǎn)子容積利用系數(shù)較高。受制于材料強(qiáng)度，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中常犧牲一定的容積利用系數(shù)值來保證轉(zhuǎn)子強(qiáng)度。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步和設(shè)計(jì)理念的更新，轉(zhuǎn)子的容積利用系數(shù)將會逐漸提高，一方面材料強(qiáng)度的提高會允許減少轉(zhuǎn)子最小斷面厚度，另一方面提高容積利用系數(shù)可以顯著縮短轉(zhuǎn)子軸向長度，從而減輕轉(zhuǎn)子重量，增加軸向剛度，節(jié)省材料。

　　嚙合間隙是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，由于加工誤差、作用力引起的變形及轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)熱膨脹的存在，羅茨真空泵必須選取一定的轉(zhuǎn)子嚙合間隙以避免工作時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)子干涉。嚙合間隙的大小對羅茨真空泵的零流量壓縮比、最大允許壓差指標(biāo)影響極大，羅茨真空泵存在一定的“內(nèi)泄漏”現(xiàn)象，由于間隙的存在，造成氣體通過嚙合間隙從高壓側(cè)往低壓側(cè)“返流”，且返流流量隨著間隙、壓力及壓力比的增加而增加。由于返流氣體壓力較高，返流后與羅茨泵入口氣體混合，導(dǎo)致羅茨泵入口壓力升高，根據(jù)容積真空泵抽氣速率計(jì)算公式：S=Q/P(式中S 為抽速，Q 為氣體流量，P 為泵入口壓力)，抽速S 與入口壓力P 成反比關(guān)系，因此測得的羅茨真空泵的實(shí)際抽速會降低，同理，返流氣體對羅茨真空泵的零流量壓縮比指標(biāo)也有很大的影響。根據(jù)實(shí)際測試，僅僅將一個(gè)轉(zhuǎn)子的頂圓直徑減少0.1mm，ZJP2500 羅茨真空泵在中真空段的抽氣速率就下降了7%。經(jīng)過我公司對用戶返修泵的實(shí)際測試，由于磨損及腐蝕造成間隙變大后，測得的實(shí)際抽速甚至只有理論抽速的50%，將此泵裝配成機(jī)組后，極限壓力只能達(dá)到130 Pa，而在同樣的工藝系統(tǒng)中，新的同樣配置的機(jī)組極限壓力就可以達(dá)到6 Pa。

　　嚙合間隙決定了內(nèi)泄漏的大小，因此羅茨真空泵的嚙合間隙控制非常關(guān)鍵，如何保持泵運(yùn)行過程中嚙合間隙合理、均勻成為型線設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。羅茨真空泵的嚙合間隙不能過于放大或者縮小，如果嚙合間隙放得過大，會造成零流量壓縮比指標(biāo)、抽氣速率急劇下降；如果嚙合間隙過于縮小，雖然零流量壓縮比、抽氣速率指標(biāo)較好，但是最大允許壓差指標(biāo)會嚴(yán)重惡化，轉(zhuǎn)子在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會很容易卡死。

羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)與三坐標(biāo)測量

　　除增減嚙合間隙的方法外，型線設(shè)計(jì)時(shí)也努力將密封形式由線密封轉(zhuǎn)為面密封從而改善密封效果，或者設(shè)法將密封距離延長。如圖1 所示，圖(a)示意的是早期設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子頭部，采用了圓弧與泵體配合密封，為線密封，圖(b)示意的是改進(jìn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子頭部與泵體的密封，它在圖(a)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了與泵腔內(nèi)徑一致的一段圓弧與泵體配合密封，為面密封，使密封效果改善。設(shè)計(jì)師也努力尋求合適的方式降低排氣氣流溫度或者降低轉(zhuǎn)子的熱膨脹伸長量，減小所需的補(bǔ)償間隙。轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)對噪聲指標(biāo)的影響也較大，羅茨真空泵直接排大氣工作時(shí)會產(chǎn)生很大的噪聲，其特性與羅茨鼓風(fēng)機(jī)的噪聲特性非常類似，在高壓差條件運(yùn)行時(shí)，出口側(cè)的氣體必然會通過嚙合間隙向進(jìn)口側(cè)返流并不斷撞擊高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生逆流壓縮，根據(jù)聲波的“堆集”理論，由于真空狀態(tài)下的排出氣體較少，聲波來不及傳播出去而形成聲波的堆集，聲能很快加強(qiáng)成強(qiáng)噪聲，所以噪聲很高。氣體逆流壓縮與壓力脈動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣沖擊動(dòng)力噪聲，氣體動(dòng)力噪聲很大，排氣氣動(dòng)噪聲、進(jìn)排氣氣體渦流噪聲再加上泵進(jìn)氣容積的亥姆霍茲共鳴三者結(jié)合疊加后造成噪聲值很高。根據(jù)實(shí)測，氣冷式羅茨真空泵直排大氣時(shí)不帶消聲器的噪聲值可達(dá)120~140dB(A)。三葉型型線與二葉型型線相比，在噪聲指標(biāo)方面有優(yōu)勢，一方面三葉型型線將有效容積從兩等分變?yōu)槿确郑?減少了單位氣流量及氣流壓力的脈動(dòng)，另一方面排氣腔部分體積通過葉輪間隙回流到進(jìn)氣腔的氣體流量減少，氣體的擾動(dòng)和氣體的脈動(dòng)壓力減小，從而降低噪聲強(qiáng)度。

　　為減少羅茨真空泵的本體噪聲，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了扭葉型的轉(zhuǎn)子，圖2 為扭葉三葉型轉(zhuǎn)子的示意圖。這種結(jié)構(gòu)不僅可以進(jìn)一步擴(kuò)大真空泵的基元容積，而且可以進(jìn)一步減小羅茨真空泵的噪聲。直葉型轉(zhuǎn)子的理論嚙合點(diǎn)曲線為一直線，扭葉型轉(zhuǎn)子的理論嚙合點(diǎn)曲線為一空間曲線，扭葉型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子嚙合線距離較長，可以加強(qiáng)密封，延緩回流過程，降低排氣脈動(dòng)的幅度及不均勻度；另一方面，由于扭葉形轉(zhuǎn)子的噪聲點(diǎn)排布曲線也同樣為一空間曲線，因此疊加后的噪聲頻譜也相對“雜亂” ，從而改善了噪聲特性。

2、羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的三坐標(biāo)測量

　　在羅茨真空泵制造領(lǐng)域，正在越來越多地設(shè)計(jì)出各種形式的轉(zhuǎn)子型線，可是對應(yīng)的測量方法卻始終沒有很大改進(jìn)，很多企業(yè)還在使用落后的靠模檢驗(yàn)法或特征點(diǎn)測量法，對轉(zhuǎn)子型線的制造質(zhì)量存在嚴(yán)重誤判、漏判。眾所周知，三坐標(biāo)測量儀具有測量速度快、測量精度高、測量結(jié)果直觀可視、一次編程多次測量、大大減輕操作人員工作強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。隨著市場對真空泵性能需求的提高，生產(chǎn)企業(yè)對自身產(chǎn)品加工精度和測量精度要求的提高，以及生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)力量和資金實(shí)力的不斷提升，三坐標(biāo)測量儀的使用勢在必然。對一個(gè)轉(zhuǎn)子必須先考慮如何測量，對于不同形狀的轉(zhuǎn)子，應(yīng)該使用不同的安裝方法及不同的測量程序�，F(xiàn)以羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子為例介紹三坐標(biāo)測量的方法與過程。

　　2.1、前期準(zhǔn)備工作

　　2.1.1、零件的固定

　　零件在測量之前必須先固定在測量臺上，這樣既可以保證測量時(shí)，不會因振動(dòng)影響測量數(shù)據(jù)，也能保證每次測量時(shí)，不需要重新定位，讓程序自動(dòng)執(zhí)行，方便操作，節(jié)約時(shí)間。

　　1) 理想的固定方法。如圖3 所示，理想的情況下肯定會考慮將轉(zhuǎn)子按照下面的方向固定在三坐標(biāo)上，測量的曲面與測量桿成90°夾角。測量時(shí)測頭在同一個(gè)水平面內(nèi)移動(dòng)觸測零件。使用這種方法，可以很方便地測量轉(zhuǎn)子上全部的測量點(diǎn)。

　　2) 實(shí)際的固定方法。如圖4 所示，實(shí)際上轉(zhuǎn)子的加工工藝決定了必須安裝上轉(zhuǎn)子軸才能加工轉(zhuǎn)子，如果按照理想的轉(zhuǎn)子固定方法，整個(gè)轉(zhuǎn)子的高度就可能超出三坐標(biāo)測量儀所能測量的范圍。所以只能將轉(zhuǎn)子平放在測量平面上，凹面朝上，防止測量頭與零件干涉碰撞。雖然轉(zhuǎn)子能夠放到測量平臺上，但是只能測量一半的曲線，在后期的數(shù)據(jù)處理時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。

　　2.1.2、坐標(biāo)系的確立

　　直角坐標(biāo)系的Z 軸沿著轉(zhuǎn)子軸的方向，坐標(biāo)原點(diǎn)落在轉(zhuǎn)子軸中心。X 軸為兩個(gè)平衡孔孔中心的連線。為了保證加工和測量使用相同的定位點(diǎn)，平衡孔應(yīng)該是經(jīng)過仔細(xì)加工的定位孔。Y 軸為豎直向上。確定坐標(biāo)系是為了編程時(shí)有一個(gè)固定的方向，以及測量完畢后，可以得到一組便于處理的數(shù)據(jù)。

　　2.2、編程思路

　　可按以下流程編制程序：手動(dòng)選取定位特征→手動(dòng)建立坐標(biāo)系→自動(dòng)執(zhí)行→自動(dòng)選取定位特征→重新建立坐標(biāo)系→設(shè)定起始測量點(diǎn)坐標(biāo)、起始測量法向量、數(shù)據(jù)點(diǎn)的保存位置→(循環(huán)判斷開始→計(jì)算下一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和法向量→根據(jù)計(jì)算出的點(diǎn)坐標(biāo)和法向量測量一次→根據(jù)測量出的點(diǎn)坐標(biāo)和法向量重新測量點(diǎn)坐標(biāo)和法向量→保存測量的點(diǎn)數(shù)據(jù)→如果沒有超出測量范圍繼續(xù)循環(huán))。注意保存成"x,y,z" 的格式，以方便接下來用AutoCAD 調(diào)用顯示。

羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)與三坐標(biāo)測量

　　上述括號中的內(nèi)容用來測量曲線點(diǎn)，有些軟件會將曲線掃描的功能集成為模塊賣給使用者，這樣對于使用者來說編程會輕松一些。如何正確計(jì)算下一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和法向量，防止測頭與零件的無效碰撞是整段測量程序的關(guān)鍵。因?yàn)槭褂玫能浖煌瑴y量程序也會不同。

　　2.3、測量方法

　　一旦測量程序調(diào)試正確后，就可以開始測量。因?yàn)闇y量過程是自動(dòng)的，所以只需要測量人員先將零件按照預(yù)先安排好的位置固定好，手動(dòng)建立一個(gè)坐標(biāo)以后，三坐標(biāo)測量儀就會自動(dòng)測量并且將結(jié)果保存到相應(yīng)的文件中。有些測量軟件還會將測量的結(jié)果以圖形的形式顯示出來。另外，實(shí)際的安裝位置決定了只能測量一半的曲線數(shù)據(jù)，如果需要另一半的數(shù)據(jù)，就要將零件翻轉(zhuǎn)后再測量一遍。

　　2.4、測量結(jié)果的處理

　　測量結(jié)束以后還需要將測量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能知道零件的加工誤差是多少。為了直觀顯示獲得的測量數(shù)據(jù)，這里使用AutoCAD 附帶的AutoLISP 語言編寫一個(gè)簡單的程序讀取點(diǎn)并且顯示。將下面的代碼保存為后綴名為lsp的文件。

羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)與三坐標(biāo)測量