双级滑阀真空泵振动平衡的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:于振华

  研究了双缸结构的双级滑阀真空泵的振动平衡,提出了定量平衡双级滑阀真空泵振动的方法;运用最小二乘法获得多级平衡配重的关键参数,精确平衡双级滑阀真空泵的不平衡惯性力。以2H-150 滑阀真空泵为例进行振动平衡,平衡后的剩余惯性力减至1500 N 以内,振动力降幅达到80%左右;应用多级平衡配重方法所设计的真空泵在松地脚螺钉时的最大振幅仅为0.13 mm。因此,针对双级滑阀泵振动的平衡计算方法是行之有效的,可使泵的振动在很小的范围内。

  滑阀泵有单级和双级两种形式,单级泵的极限压力在0.6~ 1.3 Pa( 关气镇) ,双级泵的极限压力在0.06 Pa。所谓双级,就是在结构上将两个单级泵串联起来,与单级滑阀泵相比,它具有可以获得较高的真空度,同时滑阀泵容量大,在与罗茨泵配置成机组后,可以使用在较低极限压力又要求有一定抽速的场合等优点,因此双级滑阀泵常使用在大型真空设备系统中,满足需要稳定较大抽速和较高真空度的需求,这是单级滑阀泵很难达到的,双级滑阀泵在这一领域具有很强的竞争力。随着新能源研究、半导体行业、平板玻璃镀膜设备以及航天所需的真空模拟设备、低压风洞装置等真空应用的广泛发展需要,对双级滑阀泵的需求增加十分明显。

  但长期以来中国双级滑阀真空泵发展缓慢,产品仅停留在2H-15、2H-30 和2H-70 等少数几种中小型泵,虽然2H-150 国家标准已经制定二十年,但其产品最近几年才面向市场。同单级滑阀泵一样,双级滑阀泵同样面临振动大、噪声高等问题,而且泵抽速越大其振动和噪声越高,很大程度影响了泵的各项性能的稳定性以及对环境造成严重污染。而现有的中国双级滑阀泵产品其振动、噪声还是偏大,泵的平衡也不太理想,缺乏一套针对双级滑阀泵的行之有效的减振理论和方法,严重制约了中国双级滑阀泵的发展。中国发展滑阀泵五十余年来,人们对单级滑阀泵的振动做了大量的工作[1- 3] ,但上述工作没有明确的针对双级滑阀泵产生的振动展开具体的计算和分析,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)翻阅了大量的文献,没有发现定量的方法对双级滑阀泵产生的振动进行平衡,甚至关于双级滑阀真空泵振动研究的相关文献也少之又少。

  本文针对双级滑阀泵建立力学模型及动力分析,给出定量平衡双级滑阀泵振动力的方法。并结合计算机技术,基于最小二乘法对平衡配重进行最优化设计。已用这种方法对2H-150 泵进行研制设计,实施以后双级滑阀泵的振动在可靠的约束下,并通过国家真空设备质量监督检验中心检测合格。

1、双级滑阀泵运动系统的动力分析与动平衡

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2、计算结果与讨论

3、实验验证

  作者与江苏海真真空设备有限公司共同开发设计了2H-150 双级滑阀式真空泵,将此方法成功运用在该型号泵上。实验证明,这种方法对双级滑阀真空泵的振动平衡是十分有效的,实施以后泵运转平稳,不要螺钉固定也不会有爬行和爬动现象,振动明显很小;在允许的范围内,并且完全消除了由于滑阀杆的离心惯性力引起的泵的移动,从而达到了预期的目的。同时将样机送往国家真空设备质量监督检验中心检测,测试合格,进入了国内先进水平[6]

  表2 给出该泵振动平衡前后振动数据( 振动振幅为双振幅) ,测点图由图6 给出。

表2 振动数据比较表

双级滑阀真空泵振动平衡的研究 - 振动数据比较表

双级滑阀真空泵振动平衡的研究 - 振动测试点图

图6 振动测试点图

4、结论

  对双缸结构的双级滑阀真空泵进行动力分析和动平衡设计计算,运用最小二乘法计算各级平衡配重的关键参数。理论计算表明经过平衡后剩余惯性力从10192.42 N 减至1500 N 以内,振动力大幅减小,振动力值在比较理想范围内;实验测试,平衡后泵运转平稳,松地脚螺钉的最大振幅由5.0mm 减小为0.13 mm,并都在允许范围内。结果表明本文提出的定量的双级滑阀真空泵的振动平衡方法是行之有效的,它易于实现,不仅对现有的中小抽速双级滑阀泵具有指导性意见,同时对今后发展大抽速的双级滑阀真空泵也具有重要意义。应用本文提出的方法,双级滑阀泵的振动控制在可靠的约束下。

参考文献

  [1] Li Zhiyuan,Chen Xinzhao. A Study of the Complete Dynamic Balance of the Rotor Inertial Forces in the Rotary Piston Vacuum Ppump[J] . Vacuum,1998,51(3) : 427- 31

  [2] 胡焕林,李志远. 机械真空泵振动控制的研究[J] . 真空科学与技术,1993(5) : 335- 341

  [3] 曹文钢,赵浩杰,李志远,等. 滑阀真空泵振动平衡的优化设计研究[J] . 真空科学与技术学报,2007,27(1) : 67 - 69

  [4] 魏培君. 积分方程及其数值方法[M] . 北京: 冶金工业出版社,2007: 63- 67

  [5] 董登峰,孟晓风,李晋阳. 一种真空状态下的气体流量测量新方法[J] . 真空科学与技术学报,2012,32(2) : 123 - 127

  [6] 于振华,刘兴善,胡焕林,等. 开拓发展中大抽速双极滑阀真空泵[J] . 真空,2009,46(6) : 29- 31

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