罗茨真空泵性能试验方法探讨

来源:澳门巴黎人官网网(www.chvacuum.com)浙江真空设备集团有限公司 作者:陈仙春

  本文把试验研究提高到一个前所未有的高度来认识,罗茨泵的特性和质量是设计和制造出来的,试验是产品特性的前导和鉴证。分析探讨了试验研究与设计、工艺之间的关系,以及它们对罗茨泵的特性,如漏率、零流量压缩比、最大容许压差、噪声和振动以及运转的安全性、可靠性所带来的影响,对多发性和容易出现的问题提出了解决和改进的措施。分析研究了试验条件、试验装置和试验方法对保证和鉴证罗茨真空泵特性的重要性,指出试验研究为产品的发展提供了设计依据和研究方向。尝试了设计、标准和试验研究三结合,取得了丰硕的成果。

  罗茨真空泵的特征性能和质量是设计和制造出来的,设计是保证罗茨泵特征性能和质量的先决条件,工艺则是性能和质量的保证,设计决定了罗茨泵的特征性能,而试验研究更是特征性能的前导和鉴证,为产品的发展提供了设计依据和研究方向。

1、工艺与试验

  工艺是设计质量的保证,但又必须通过试验来验证,试验结果又反过来促进工艺的改进。罗茨泵转子加工后的形状和啮合间隙是直接影响罗茨泵零流量压缩比和最大容许压差的关键。转子的形状直接影响到转子之间的啮合间隙,间隙过小,不能承受最大容许压差的考验,也就会影响泵安全运转的可靠性。罗茨泵的温度与压差成正比,随着压差的增加,泵温会越来越高,热膨胀将使转子之间的间隙越来越小,甚至发生碰撞和尖锐的噪声,严重时转子之间将会卡住。

  间隙过大或间隙不均匀,将使罗茨泵通过转子之间的间隙由出口向入口返流的气体增加,零流量压缩比下降。零流量压缩比与最大容许压差是相互制约的一对矛盾,设计时必须统筹兼顾,既要保证间隙的均匀性,又要保证它的合理性。

  罗茨泵转子与侧盖之间的间隙也是直接影响罗茨泵零流量压缩比和最大容许压差的关键。在高压差运转时,转子温度很高,由于长度方向的热膨胀,使转子有一定的伸长。泵体温度相对比较低,伸长量不大,为了保证运转的可靠性,所以在转子的长度方向与两侧盖之间保持了一个适当的间隙。为了便于间隙的控制,通常设一端为固定端,它的间隙比较小,另一端为活动端,使转子在长度方向的伸长只能向活动端延伸。

  当然泵缸和转子的长度公差必须由加工工艺来保证,转子与侧盖间的间隙调整则由装配工艺来执行。为了保证上述间隙调整工作的正常进行,首要的是,要确保固定端是真正的固定的。根据我们的实践经验,它的关键在于轴承,要选用质量好、精度高的轴承。对罗茨泵而言,要确保固定端的固定,轴承的轴向窜动应当越小越好,但轴承的数据中通常没有轴向游隙这一项,实际上径向游隙越小,表明它的相对转动的零部件之间的间隙就越小,轴向游隙也就越小,轴向窜动就小。需要注意的是,同一只轴承的轴向游隙要大于径向游隙,因此要知道轴承的轴向游隙最好实际测量。

  上述间隙究竟控制为多少才是最合适的呢?必须通过试验来确定。为此我们曾作过多种多样的、超负荷的、甚至是破坏性试验,特地通过工艺安排,制作了各相关部位、多种间隙的罗茨泵,按国外先进标准和同类产品要求,做了数月的各种试验,也损坏了好多台泵,得出了符合国内实际情况的一系列间隙数据。

  满负荷、超负荷的研究性深入试验使我们发现了不少问题,澳门巴黎人官网网()认为运转中转子与泵体的碰擦就是其中之一。罗茨泵在最大容许压差下运转1h,泵体出口处的气流温度高达240℃~260℃,转子温度基本上也在这个范围内,由于出口处泵体和转子都处于高温状态下,所以二者之间虽有一定程度的温差,但也一般不会发生碰擦;而在泵进口处则不是如此,因为这里没有对气体进行压缩,所以进口处泵体的温度一般只有40℃~50℃,进口处泵体与转子的温差高达200℃以上,如在进口处仍然保持原来的间隙,则很难保证泵体与转子之间的热膨胀而不发生碰擦;如将进、出口处的间隙都放大,则势必影响零流量压缩比,因此只能将进口处泵体与转子间的间隙适当放大。

  此外,罗茨泵的转子轴通常属于细长轴类型,在径向受力的情况下会产生程度不同的挠度,在罗茨泵进行最大容许压差试验时,或在高压差条件下工作时,转子轴所受力的方向是从出口指向进口的,因此也须将进口处泵体与转子间的间隙适当增加。

  根据这两种联合作用的情况,为避免转子与泵体进口处发生碰擦,必须在转子轴中心与泵缸中心之间作适当的工艺调整,将转子轴中心适当下移(相对于泵缸中心),这样将使泵出口处的间隙适当减少,进口处的间隙适量放大,既不影响零流量压缩比,又保证了高压差运转时的可靠性。通过工艺改进,既解决了问题,又进一步提高了泵的质量。

  轴承的轴向游隙也是试验中发现的一个重要问题,我们曾遇到过这样的一个情况,一批罗茨泵在最大容许压差试车时,有多台泵端面卡死,拆检发现泵的相关转动零部件公差都符合要求,一时也找不出其它原因。为此我们随意抽取了10 台泵,送试验室做进一步严格试验,也发现

  有数台泵的端面卡死。零部件尺寸检测也都合格,最后怀疑是否是轴承的间隙有问题,结果发现,同一批购入的所谓“进口”轴承中,只有少数几只轴承的轴向窜动(游隙)为0.05mm,大部分都在0.25mm~0.30mm,显然这是一批冒牌的轴承,这样的轴承用到罗茨泵上,固定端几乎变成了活动端,正常的间隙就无法保证了。自此以后,严格规定轴承采购必须从正规渠道进货,轴承进库随机抽检,彻底杜绝了上述事件的再现。因此,采购也是一道工序,也必须严格尊循有关规定。

2、齿轮的实用检查

  齿轮的加工和检验需要专用设备,为了降低成本和提高生产效率,通常罗茨泵生产厂家都采取外加工的形式,但这些齿轮使用中经常会出现这样和那样的问题,所以检验是一个非常重要的环节。

  一般罗茨泵生产厂不可能配备齿轮专用检验设备,也不会花精力去逐项检查齿轮精度,因为专业加工的齿轮通常不会出现太大的问题,所以最简单、最有效的方法是配对实用检查。实用检查是在保证齿轮中心距处于中公差的工装上进行的,主要检查齿轮啮合情况和间隙,检查后齿轮必须配对使用,这一方法我们使用多年,确有成效。除此以外,更多的问题还需通过试验来发现和解决。

  齿轮偏差所造成的问题主要是运转中的非正常接触,也就势必产生异常噪声,因此可以通过噪声的测量和分析来解决。不同的问题会产生不同频率的噪声,通过噪声频谱分析就可以分析噪声产生的原因来予以解决。齿轮噪声的基频为:

罗茨真空泵性能试验方法探讨

a、齿形偏差

  齿形偏差所造成的啮合不正常将视偏差程度而产生高低程度不同的噪声,它的噪声频率可按式(1)计算。这种情况一般不宜返工,因为重新定位安装,容易产生新的定位偏差。情况如不是十分严重,可以采取在齿形上涂一层极细的金刚砂,进行转动研磨,可以取得良好的效果。

b、齿轮间隙过小

  造成两个齿轮之间间隙过小的原因有:齿轮加工中的齿形偏胖,或是两侧盖加工中轴承孔的中心距偏小而导致的齿轮中心距偏小,它将使运转中的齿轮严重挤压、发热,并发出连续的高频噪声。

  在噪声频谱上的齿轮噪声基频处可以发现噪声异常(高),拆检时可以发现齿轮表面有异常的挤压痕迹,如不及时更换,齿轮继续发热膨胀下去,将导致卡住。

c、齿轮间隙过大

  齿轮之间间隙过大的原因有:齿轮加工中齿形偏瘦,或是两侧盖轴承孔的中心距偏大而导致的齿轮中心距偏大,从而使转子之间的间隙调整困难,甚或无法调整,更明显的是,在泵停车过程中,由于主动转子(带着电动机)与从动转子的转动惯量是不同的,造成停转过程中旋转速度的降低不一致,致使主动转子与从动转子之间产生撞击,该撞击发出的噪声非常响亮,而且它的频率随着旋转速度的下降而下降,仅凭耳朵的感觉就能迅速分辨出来。这种在正常运转中并不发生、而只在停止转动的过程中发生的噪声,就是齿轮间隙过大所造成之噪声的特征。发生这种现象时必须更换齿轮,也许将偏胖与偏瘦的齿轮配对检查,或许勉能使用。

3、齿轮的定位的可靠性

  罗茨泵的定位结构通常有三种,即键定位、胀圈定位和过盈定位。键定位一般只用在小泵上,长期使用后键定位容易松动,现在已很少使用。胀圈定位使用得最普遍,它由专业厂生产,质量有保证,装拆方便、使用可靠,但对装配工艺要求较高。目前从30L/s~1200L/s 都采用胀圈定位,为了考核它的可靠性,考虑到泵启动时的扭矩最大,我们曾设计制作了间断启动装置,3 分钟启动一次,连续反复启动运转了3 天,证明胀圈定位结构非常可靠,才大量采用。

  过盈定位可传递大功率,而且使用绝对可靠,适用于大、中型泵,但它必须配备液压工具,给修理工作带来一定的不便。澳门巴黎人官网网()认为须要注意的问题是,它的过盈面是锥形结合面,齿轮锥形孔的锥度与轴的结合面的锥度必须从工艺上保持一致,加工后一定要严格认真检验。如内、外锥面结合不良,将造成装配时油压上不去,齿轮就无法在轴上定位;即使勉强安装上去了,定位也并不可靠,以后进行检修时,也将因为油压上不去而无法拆卸,这种情况时有发生。因此如发现内、外锥面结合不良时必须进行返工,轻度的也可对内、外锥面的结合面进行研磨来解决。齿轮发生移位,在噪声频谱图上可发现转子撞击基频处噪声异常。移位的后果非常严重,转子将产生撞击,甚至整台泵遭到破坏,应绝对避免。

4、齿轮和轴承的润滑

  罗茨泵的润滑可能最不会引人注意,但当你的泵长时间没有启用或间断使用时,齿轮和轴承上所粘附的润滑油已经基本流尽,当你再次启动泵时,由于粘度的关系,油不能及时供给,造成短暂性缺油,齿轮和轴承会发出一阵异常剌耳的噪声,随着转速上升、启动过程的完成,噪声会逐渐消失。这种现象在气温比较低的时候,在大、中型泵中尤为严重。虽然这是短时缺油所造成的短暂性干摩擦现象,一时也不会造成多大的损害,但会给用户和操作者带来非常不好的印象,如经常发生这种现象,也会产生不良后果。我们经过反复试验,采用了低粘度真空油(N32 和N46)来取代N100 真空油的办法,使情况大为改善,基本上消除了这种现象。

  轴承的供油也必须引起重视,通常齿轮和甩油盘甩上的油都能满足轴承润滑的需要,但当设计不合理、导致甩油盘甩上的油不到位,造成轴承缺油,轴承的噪声将越来越响,直至轴承损坏。这种现象在立式罗茨泵上尤须注意。

5、振动和共振

  振动是罗茨泵一个重要性能指标,泵的转子是铸铁(钢)件,即使工艺保证转子型线完全一致,但铸件的组织结构疏密程度不可能完全均匀,而且又处于1500~3000r/min 的高转速下,所以转子必须作动平衡试验并进行修正。不过即使是做了动平衡试验,也还有一定的不平衡重量,也还有一定的振动,这一点对大、中型泵来说是需要重视的。

  容易造成危害的是共振,当罗茨泵的振动频率接近或与机架的振动频率重合时,就会产生不同程度的共振,发生一阵一阵的、较大的或剧烈的振动和噪声,如不及时处理就会造成破坏。这就需要从工艺上采取措施,改变机架结构,远离罗茨泵的振动频率。

6、试验与研究

  综上所述,一切都离不开试验研究。产品设计前的一些设想、方案和不同观点都要需要通过试验研究来尝试、来认证,工艺上的改革、改进需要通过试验来认可、来求证,新产品试制后的性能需要通过试验来确认,使用中发现问题需要通过试验研究来改进、来解决,即使是制订新标准和修订老标准,也需要通知试验研究来提供制订和修订所必要的试验方法和试验数据。在国外试验室主任的级别大致相当于副总工程师,可想而知,试验研究的工作是多么的重要。

  要做好试验工作,首先要创造必要的试验条件,配备完整的试验装置和设备,研究试验方案、制订试验方法以及试验人员的培养。

  具体的试验与研究方法请联系本文作者咨询与索取。

7、结束语

  质量是设计出来的,也是制造出来的,更需要通过试验来鉴证。工艺条件和试验保证了产品质量,保证了产品能够达到泵的各项特征性能指标,保证了泵运转的可靠性。试验研究也为产品的发展提供新依据和研究方向。

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