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(shí)體精確建模，設(shè)計(jì)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(dòng)力設(shè)備、石油化工及其空氣分離等，為實(shí)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(shí)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(dòng)，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(shí)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(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力脈動(dòng)，引起巨大的氣流沖擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣動(dòng)噪聲，嚴(yán)重干擾了做地面模擬試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)

　　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(shí)引起劇烈的氣流壓力脈動(dòng)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(duì)對氣冷羅茨真空泵各個(gè)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(dòng)噪聲，包括：基元容積與排氣口及返冷氣口連通時(shí)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(dòng)，以及葉輪逐個(gè)掃過進(jìn)、排氣口及兩側(cè)返冷氣口時(shí)對氣流產(chǎn)生的干擾壓力脈動(dòng)。

　　為降低氣流壓力脈動(dòng)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(shí)要有四個(gè)梯形口，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)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。

　　① 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。

　　② 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(shí)間就會(huì)變短，這樣其承受的最大允許壓差就會(huì)變小，高壓差下工作的可靠性就會(huì)降低;扭轉(zhuǎn)角小了，回流的速度就會(huì)變快，降低噪聲的效果就會(huì)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(jì)抽速的大小確定。

　　③ 轉(zhuǎn)子參數(shù)化三維實(shí)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(gè)葉輪均勻分布在圓上,在CAD 環(huán)境下設(shè)計(jì)局部變量與截面型線各個(gè)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(jì)參數(shù)變量，再讓設(shè)計(jì)參數(shù)變量驅(qū)動(dòng)三維模型的尺寸。通過輸入或修改設(shè)計(jì)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(cuò)位，兩扭葉轉(zhuǎn)子軸向的錯(cuò)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(shí)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(dòng)控制刀具在工件兩端面運(yùn)動(dòng)形成扭葉轉(zhuǎn)子型面曲線，X 、A軸聯(lián)動(dòng)控制工件形成螺旋運(yùn)動(dòng)。銑削扭葉面時(shí)，YZ和XA只有一組運(yùn)動(dòng)，實(shí)際銑削扭葉面時(shí)數(shù)控銑削機(jī)床實(shí)現(xiàn)四軸兩兩聯(lián)動(dòng)，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(shí)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?yàn)闊o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(dòng)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(huì)效應(yīng)。