液力傳動在羅茨真空泵上的應(yīng)用
論述了液力傳動的基本概念，對羅茨真空泵中常用的直聯(lián)傳動、皮帶傳動和磁力傳動進行了分析，著重指出將液力傳動應(yīng)用到羅茨泵上以后，將使羅茨泵更能顯示出其獨特優(yōu)異的性能。介紹了適合在羅茨泵中應(yīng)用的靜壓泄液式( 帶阻流板)限矩型液力偶合器的限矩原理和基本結(jié)構(gòu)，并突出了應(yīng)對羅茨泵嚴格的限矩要求所采取的措施。
羅茨真空泵有一個非常重要的性能指標———最大容許壓差，它是關(guān)系到泵能否正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵性指標，超過最大容許壓差，羅茨泵不容許長時間運行，因此通常羅茨泵啟動前必須要用前級泵將真空系統(tǒng)預(yù)抽到一定的真空度，而當羅茨泵在工作中壓差超過最大容許壓差時，又必須關(guān)閉羅茨泵，否則會損壞泵和電機。將液力傳動應(yīng)用到羅茨泵上，上述問題迎刃而解，而且對羅茨泵的啟動過程、運行、抽氣性能和過載保護等帶來很大的好處。
1、液力傳動與羅茨泵特性
1.1、液力傳動的基本概念
流體力學(xué)中，單位質(zhì)量流體所具有的能量可由下式來表示
式中，v 為流體的速度，m/s；v2 /2g 稱為流體的動力能；p 為流體的壓力，Pa；p /ρg 稱為流體的壓力能；ρ為流體的密度，kg /m3 ；g 為重力加速度，m/s2 ；z 為壓力測點相對于某一基準水平面的幾何高度，m，又稱位置能。
在流體元件傳遞能量的過程中，相對位置高度變化很小，位置能( z) 的變化可以忽略不計，因此在流體元件中運動流體的能量變化主要表現(xiàn)為動力能和壓力能兩種形式。液壓傳動主要依靠工作液體的壓力能的變化來傳遞能量。液力傳動主要依靠工作液動力能的變化來傳遞能量，它的液體元件稱為液力元件，包括各種型式的液力偶合器和液力變矩器。液力偶合器按其結(jié)構(gòu)和性能又分為普通型、限矩型和調(diào)速型等三種類型，本文所討論的就是限矩型液力偶合器。
1.2、羅茨泵的傳動
常用的中真空羅茨泵基本上都是電機直聯(lián)的，又分不帶溢流閥和帶溢流閥二種類型。不帶溢流閥的羅茨泵不能在大氣壓下啟動，它必須由前級泵預(yù)抽到一定真空度時才能啟動，因此它有一個非常重要的性能指標———最大容許壓差，羅茨泵可以在此壓差下正常工作一段時間。帶溢流閥的羅茨泵也不可以單獨工作，但可以在前級泵啟動完成后立即啟動羅茨泵，也就是可以在接近大氣壓的狀態(tài)下啟動。它也有一個非常重要的性能指標———溢流閥壓差，它在接近大氣壓的狀態(tài)下啟動或在工作中負荷超載時，溢流閥將會起跳，前級泵無法抽走的部分氣體將從溢流閥返回到羅茨泵進口，所以它是以損失羅茨泵的抽速為代價的，當然反復(fù)抽取這部分返流氣體需要損耗相當?shù)墓β�。需要指出的是，溢流閥的流導(dǎo)要足夠大，以使羅茨泵在0 ～105 Pa 的整個壓力范圍內(nèi)消耗功率限制在規(guī)定的電機功率范圍內(nèi)。
羅茨泵也有V 帶傳動的，但僅用于大型泵中。也有為了增加泵的抽速檔次范圍而用V 帶傳動降速的，這在國外一些廠商有使用。需要注意的是，過多的降速會對羅茨泵的性能，例如極限壓力、抽氣效率帶來一定的影響。在V 帶傳動中，由于降速和額外增加了V 帶拉力，軸的強度必須重新校核，軸承也須重新計算和選擇。
磁力傳動羅茨泵主要解決了泵出軸的密封問題，它的漏率可降到< 1 × 10 -3 Pa·L /s，較普通徑向密封的泵降低二個數(shù)量級。它的優(yōu)異之處是工藝氣體對大氣無交叉污染，對環(huán)境無油污染。磁力傳動羅茨泵也分不帶溢流閥和帶溢流閥二種類型。它的工作狀況與普通直聯(lián)羅茨泵的二種類型相似，但由于在高壓差下發(fā)熱厲害，容易導(dǎo)致磁鐵在高溫下退磁，因此限制了它在高壓差下的運行；此外，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認為磁鐵在長時間工作后的自然消磁現(xiàn)象也是一個需要研究和解決的問題。
最合理、最有效的方法是采用液力傳動型羅茨泵，它用限矩型液力偶合器取代普通的聯(lián)軸器，因此液力偶合器又被稱之為液力聯(lián)軸節(jié)。液力傳動型羅茨泵在工作中，充分顯示出了液力傳動的優(yōu)異特性。此時的羅茨泵雖然也不可以單獨工作，但它可以與前級泵同時啟動。在羅茨泵電機配套功率范圍內(nèi)，電機將帶著泵輪以近似空載的狀態(tài)啟動并迅速加速、進入正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此大大降低了啟動電流、減少啟動時間，有一定的節(jié)能作用。當泵輪的轉(zhuǎn)矩達到羅茨泵的啟動轉(zhuǎn)矩時，羅茨泵本體將緩慢啟動并加速，隨著羅茨泵壓差的下降，轉(zhuǎn)速逐漸上升并進入正常運轉(zhuǎn)。上述泵在啟動過程中，電機一直工作在正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)范圍內(nèi)。液力傳動型羅茨泵可以在0 ～ 105 Pa 的整個壓力范圍內(nèi)連續(xù)運轉(zhuǎn)和工作。
1.3、液力傳動型羅茨泵的特點
采用限矩型液力偶合器的液力傳動型羅茨泵具有如下優(yōu)點：
(1) 由于電機與泵之間通過液力傳動，可吸收振動，減少沖擊，啟動平穩(wěn)。避免了普通聯(lián)軸器可能產(chǎn)生的噪聲和振動。
(2) 液力偶合器改善了電機的啟動性能，使電機空載啟動，啟動后迅速進入正常運轉(zhuǎn)。泵啟動階段電流小，僅為電機額定電流的2. 2 ～ 2. 5 倍。而電機與羅茨泵直聯(lián)，不使用液力傳動時，啟動電流可達電機額定電流的6.5 倍。
(3) 有自動無級變速的特性。電機空載啟動并迅速進入正常運轉(zhuǎn)，在此同時羅茨泵也開始啟動，并隨著羅茨泵壓差的降低，轉(zhuǎn)速逐漸上升并進入正常運轉(zhuǎn)。在運轉(zhuǎn)中，隨著負荷的改變，羅茨泵會自動變速。
(4) 提高了羅茨泵在低真空下的抽速，在同等條件下，可減少抽氣時間50%。結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，無需旁通預(yù)抽管路、管路閥和壓力傳感器。
(5) 羅茨泵可以與前級泵同時在大氣壓下啟動，并在0 ～ 105 Pa 的整個壓力范圍內(nèi)連續(xù)運轉(zhuǎn)，避免電機過載。即使遇到意外泄漏，也具有一定的自我保護作用。
(6) 即使羅茨泵發(fā)生故障卡住( 渦輪停止轉(zhuǎn)動) ，電機仍會帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，電機不會超載、也不會因發(fā)熱而燒毀。
1.4、適合羅茨泵使用的液力偶合器
羅茨泵對液力偶合器有幾個特殊要求： 首先，相對其它機械而言，羅茨泵是屬于超載不頻繁而又不允許長時間超載，結(jié)構(gòu)強度相對其它機械而言比較低，電機配套功率也相對不大的機械，因此限矩要求比較嚴格；羅茨泵我們也不希望它長期工作在超負荷的低效工作區(qū)，例如泵的啟動狀態(tài)時間就比較短，所以短時間的效率損失可以少考慮一些。
根據(jù)上述要求，并結(jié)合羅茨泵瞬間超載的狀況在正常情況下一般不會發(fā)生，故適宜采用靜壓泄液式( 帶阻流板) 限矩型液力偶合器。它的結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本低，牽引啟動性能好。如圖1 所示，它由主動軸1、泵輪2、渦輪3、阻流板4、從動軸5 和側(cè)輔腔6 組成。側(cè)輔腔內(nèi)的液體大致以泵輪和渦輪的平均轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并以所產(chǎn)生的離心力來達到與工作腔中的液體壓力相平衡。在額定工況下，因渦輪轉(zhuǎn)速接近泵輪轉(zhuǎn)速，側(cè)輔腔內(nèi)液體的旋轉(zhuǎn)速度高，離心力大，平衡后的液面半徑為rn。當負載增加，渦輪轉(zhuǎn)速降低時，側(cè)輔腔內(nèi)液體的旋轉(zhuǎn)速度也降低，離心力減小，靜壓頭減小，工作腔中的液體有一部分流入側(cè)輔腔，使側(cè)輔腔的液面半徑減小為ri；此時由于工作腔中的液體減少，致使液力偶合器能容減少，傳遞力矩下降，起到了限矩作用；本裝置中，為使結(jié)構(gòu)簡單，采用開放式側(cè)輔腔。在此同時，由于渦輪轉(zhuǎn)速降低，液體在工作腔中趨向于大循環(huán)流動，而設(shè)置在渦輪出口處的阻流板4 卻強迫液體向上作小循環(huán)流動( 如圖2 所示) ，阻礙了偶合器在低轉(zhuǎn)速比時由小循環(huán)向大循環(huán)的轉(zhuǎn)化，降低了偶合器部分充液時的不穩(wěn)定性，也由于液流受到阻礙而產(chǎn)生渦流，造成能量損失，從而阻止力矩升高，也起到了一定的限矩作用。阻流板直徑與泵( 渦) 輪直徑之比通常在0. 53左右，羅茨泵由于限矩要求嚴格，超載工況也不是很頻繁，綜合考慮之下，這二者之比可以取0.65 ～0.70。在側(cè)輔腔和阻流板的雙重作用下，液力偶合器的超載系數(shù)可以降低到2 或2 以下。
圖1 靜壓泄液式( 帶阻流板) 限矩型液力偶合器
1.5、軸的密封
羅茨泵是一種無油泵，在與工藝氣體接觸的真空腔中，并沒有油潤滑和油密封的要求。但轉(zhuǎn)子是由軸承支持并彼此之間用齒輪精確嚙合的，這些軸承和齒輪則是需要潤滑的，它就可能成為無油清潔系統(tǒng)的污染源。反之，當抽取與油容易發(fā)生反應(yīng)的氣體時，它也有可能對潤滑油脂造成危害。為了防止偶合器腔和齒輪箱腔中的油轉(zhuǎn)移到真空腔里，必須對泵的相關(guān)部位作有效的密封。
圖2 阻流板的作用
液力傳動羅茨泵的軸封系統(tǒng)由以下各部分組成，高速旋轉(zhuǎn)的甩油環(huán)通過離心力甩出所有附著在上面的油，使它流回油箱。螺旋形的迷宮式密封封住任何進入的油并使其返回油箱。采用聚四氟乙烯(PTFE) 材料制成的干式軸封可有效防止工藝氣體與潤滑油之間的相互侵擾，而不需要潤滑。優(yōu)質(zhì)細毛氈襯套可防止工藝氣體中的粉塵微粒從真空腔進入軸封系統(tǒng)，從而防止軸封的異常磨損。通過以上各部分組成的軸封系統(tǒng)可以有效使工藝氣體與油和大氣之間無交叉污染。
1.6、液力傳動型與直聯(lián)型羅茨泵的性能比較
不帶溢流閥羅茨泵在低真空階段，必須用前級泵抽至一定真空度才能啟動羅茨泵，通常還須配置前級管路和控制閥，這個階段的抽速僅僅是前級泵的抽速。
帶溢流閥羅茨泵在低真空階段，在前級泵啟動后就可以立即啟動羅茨泵，但前級泵承受不了羅茨泵吸入的大量氣體，多數(shù)氣體從溢流閥返回至羅茨泵入口，隨著壓差的降低，返流量逐漸減少，直至溢流閥關(guān)閉。在上述階段由于羅茨泵入口是真空，而前級泵口開始的一段時間都處在接近大氣狀態(tài)下，隨著壓差的下降，壓力才逐步下降，因此相比之下溢流通道的阻力小，多量氣體從溢流閥返回至羅茨泵入口，而且它的返流量超過預(yù)期，這也就是為什么在這個階段的抽速要小于液力傳動型羅茨泵的原因。
液力傳動型羅茨泵可以與前級泵同時啟動，羅茨泵可以根據(jù)前級泵的承受力自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，因此羅茨泵與前級泵都處在非常協(xié)調(diào)的正常工作狀態(tài)下，沒有不正常的返流，它的抽氣性能得到充分發(fā)揮，而處于最佳狀態(tài)。
液力傳動型羅茨泵的抽氣性能( 曲線1) 與帶溢流閥( 曲線2) 、不帶溢流閥直聯(lián)型羅茨泵性能( 曲線3) 的比較，如圖3 所示。在低真空預(yù)抽階段，液力傳動型羅茨泵的抽速-入口壓力曲線明顯優(yōu)于后面二種直聯(lián)的羅茨泵；它的電機功率完全得到了充分的利用，又保證了電機不會超載。
圖3 不同類型羅茨泵抽速-入口壓力曲線對比
1.7、液力傳動用油
液力傳動用油除了作為液力元件的工作液體外，還用來作為液力元件的冷卻劑。它的基本要求是：油的運動粘度一般在100℃時以( 5 ～8) × 10-6m2 /s 為好。液力傳動中要求粘度指數(shù)越大越好，一般要求粘度指數(shù)在90 ～100。液力傳動傳遞動力的能力與工作液的密度成正比。工作液的密度越大，能傳遞的功率就越大。液力傳動型羅茨泵中油溫通�？刂圃�65℃ 左右，因此一般潤滑油的閃點都能滿足要求。傾點是指油樣在標準規(guī)定的試驗條件下冷卻時，能夠繼續(xù)流動的最低溫度。這一點對液力傳動型羅茨泵非常重要，因為它是靠油來傳遞能量的。
對液力傳動用油，傾點的要求隨不同地區(qū)、不同季節(jié)而異。液力傳動用油要求有良好的抗泡沫性和抗氧化安定性。泡沫過多會使液力元件傳遞的功率急劇下降，效率降低，冷卻效果下降以及加速油品老化�？寡趸捕ㄐ圆缓�，工作油容易氧化變質(zhì)，粘度增加，同時產(chǎn)生大量的酸類、膠質(zhì)、瀝青和沉淀物，使腐蝕加劇并引起通道堵塞。
根據(jù)上述要求，可以采用YLA-N46( 8# ) 液力傳動油。若真空泵油的各項性能指標都符合上述要求，也可作液力傳動油使用，如Edwards 公司在液力傳動型羅茨泵中就使用了Edwards Speedivac 15 和16 真空泵油。我國的真空泵油在抗泡沫性方面如作進一步改進，也可以作液力傳動油使用。
1.8、過載系數(shù)和泵輪力矩系數(shù)的考慮
羅茨泵所配置的限矩型液力偶合器在考慮腔型和結(jié)構(gòu)時，要優(yōu)先考慮過載系數(shù)是否滿足要求，對于泵輪力矩系數(shù)則希望在滿足過載系數(shù)要求的前提下，來探求高的泵輪力矩系數(shù)。
影響過載系數(shù)的因素除了設(shè)置側(cè)輔腔泄液分流和阻流板阻流之外，常常用改進葉輪結(jié)構(gòu)的方法來降低過載系數(shù)。如泵輪葉片內(nèi)緣削角，渦輪內(nèi)設(shè)置長短相間葉片，目的都是增大無葉片區(qū)，在啟動和低轉(zhuǎn)速比工況時，降低傳遞力矩；渦輪上鉆泄流孔，以使過載時液體由泄流孔噴出，降低工作腔的充液率，從而降低過載系數(shù)。
為了提高泵輪力矩系數(shù)，可以通過減小渦輪出口半徑，以提高偶合器的能頭，也就提高了泵輪力矩系數(shù)。適當增加葉片數(shù)也可提高泵輪力矩系數(shù)，但葉片數(shù)太多，工作腔的有效容積減小，葉片與液流的磨擦損失增大，導(dǎo)致傳遞功率容量降低；葉片數(shù)太少，則葉片間的二次流動加劇，渦流損失增加，也降低了傳遞功率容量，因此葉片數(shù)有一個最佳值。葉輪采用長短相間葉片，以減少液體循環(huán)流動的排擠，從而降低液力損失。加大葉輪的腔深，增加了工作腔的容積，對提高泵輪力矩系數(shù)也是一種很有效的方法。
2、傳動性能的驗證
由于在偶合器中液體的流動狀態(tài)非常復(fù)雜，理論計算不可避免地總是與實際情況有所區(qū)別；目前，液力元件的設(shè)計理論也還不夠完善，不能期望根據(jù)理論計算的方法來求得足夠準確的傳動特性，因而必須通過反復(fù)試驗來驗證和修正。對液力傳動型羅茨泵的液力元件而言，在參考有關(guān)資料和理論計算后，型腔數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)都已確定，液力元件的性能也已基本定性，對羅茨泵而言，最關(guān)鍵的是對傳遞轉(zhuǎn)矩的能力和限矩性能的驗證。此時最切實可行的方法是，首先根據(jù)所傳遞的轉(zhuǎn)矩初步確定充油量，然后根據(jù)限矩要求，通過試驗對阻流板、渦輪上的泄流孔進行必要的修正，并最終確定充油量，以滿足羅茨泵對傳動特性的要求。液力傳動油的溫度對測試結(jié)果影響較大，試驗時應(yīng)盡量控制在65 ± 5℃，為了防止在低效區(qū)時油溫超過上述范圍，需要對油進行冷卻。結(jié)構(gòu)內(nèi)通常設(shè)有冷卻盤管，可以通過冷卻水量的調(diào)節(jié)來控制油溫。
3、結(jié)論
液力傳動型羅茨泵具有非常優(yōu)異的工作特性，它使羅茨泵和前級泵處于非常協(xié)調(diào)的工作狀態(tài)下，它使羅茨泵電機可以在幾乎是空載的狀態(tài)下啟動，它使羅茨泵潛在的優(yōu)異的抽氣能力得到了充分發(fā)揮，它使羅茨泵和電機的過載保護得到可靠的保證，因此可以說，液力傳動使羅茨泵的工作處于最佳狀態(tài)下。
國內(nèi)至今還未有液力傳動在羅茨泵上應(yīng)用的研究文獻和成果發(fā)表，國外也僅有EDWARDS 公司有類似產(chǎn)品生產(chǎn)，因此還需進一步研究和改進，使液力傳動在羅茨真空泵上的應(yīng)用取得更完美的效果。
