立式往复真空泵的结构设计(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京工业大学 作者:朱翔

2、关于气阀的设计

  在往复式真空泵中, 气阀是最为重要的部件之一, 它对真空泵运转的可靠性、经济性有着很大的影响。往复式真空泵目前大多采用环状阀,由于真空泵的吸、排气压力都不大, 尤其是吸入气体绝对压力很小, 气阀的压力降是影响极限真空度和功率消耗的一个重要原因。降低吸气阀的阻力, 对于提高真空度和降低功率消耗也具有重要意义。以下讨论吸气阀的气隙速率和弹簧力的取值。

2.1、气隙速率

  吸气阀的结构示意见图3。气隙速率为气流通过阀隙通道时的速率。气体顶开阀片进入气缸时, 气体在气阀处的最大压力降与气隙速率关系可近似用下式表示:

 

式中ξ——— 气阀阻力损失系数
  P——— 流径气阀的气体压力
  Cv ——— 气隙速率
  a——— 气体的声速
  图3 中PSP——— 气阀全闭时的弹簧力
  PS——— 气缸中膨胀终了时的吸气压力
  P1 ——— 吸气腔中的气体压力
  mg——— 阀片的重力

  由式(3)可知, 最大压力降与气隙速率Cv的平方成正比。减小Cv对于减小压力降有重要意义。气隙速率按往复式压缩机的方法取值范围为30~ 45 m/s。某些学者[1]设计真空泵时取Cv= 40 m/s。而日本文献介绍, 一般Cv 小于30m/s,我们认为对于真空泵来说, 减小压力降, 对于提高真空度显得十分重要, 对减少能量损失、提高阀片寿命也十分有利。应该把气隙速率尽可能取小点, 所以取气隙速率为30m/s。

气阀结构示意图和阀片受力图

图3 气阀结构示意图和阀片受力图

2.2、弹簧力

  要使得气阀能够正常工作, 弹簧起着十分重要的作用。真空泵的气阀弹簧力不宜过大, 适当小的弹簧力有利于减少阀片开启时所需要的压力差、降低功耗和噪音, 但弹簧力过小, 会造成阀片的延时关闭。弹簧的设计显得尤为重要。

  现在以盖侧吸气阀阀片上弹簧的设计为例。气阀全闭时, 为保证气阀开启的条件为:

PSP< P1Fa- PsFA+mg ( 4)


式中PSP——— 气阀全闭时阀片上总弹簧力
  Ps——— 气缸中吸气压力
  P1=Ps+ΔPs , P1 可近似看为吸气管道中的气体压力;
  FA——— 环状阀片面积
  Fa——— 阀座环状通道通流面积

  气阀全开时, 保证气阀关闭的条件:


PSP'< (P1- Ps)FA+mg (5)

  式中PSP'——— 气阀全开时阀片上总弹簧力

  式(4)和式(5)可作为保证气阀正常工作的各阀片弹簧力计算依据。气阀的设计还应考虑减少余隙容积。

3、关于平衡孔的设计

  往复真空泵与往复压缩机两者结构最根本的不同是往复真空泵为提高真空度, 气缸中采用了平衡通道。近些年来, 国内外在改进往复式真空泵的总体结构、降低功耗、提高真空度和运行可靠性等方面作了不少工作。改进平衡气道显得十分重要。

  不采用平衡孔时往复真空泵能达到的理论极限绝对压力:

  式中a———相对余隙容积, a=VO/V, 其余符号同式(1)。

  考虑吸气系统的阻力, 吸气系统的极限绝对压力为

  由式(6)和式(7)可知, 若不采用平衡通道,要取得较高的真空度有很大难度。例如, 已知某往复真空泵气缸直径D=300mm,活塞行程s=140mm, 相对余隙容积a=0.03, 平衡通道的宽度b=4 mm, 其截面积f=4.0×10-4m2, 活塞轴向高度H=56mm, 排气压力pd=1.13×105Pa,求理论极限绝对压力ps min。

  将F、V、VO 、Ve 的值代入式(1) , 取m=1.2,算得ps min =138 Pa。若不采用平衡通道, 由式( 6) 算得psmin =1623 Pa。可见, 若不开平衡通道, 难以得到很高的单级抽气真空度。而且余隙容积过小, 会加大制造和安装的难度。采用平衡通道, 对提高单级抽气真空度起着十分重要的作用。

  但平衡通道增加了真空泵的功耗。主要是开设平衡通道, 循环中多了个均衡压力过程,从而增大了功耗。其次是平衡通道减小了吸气量, 也影响功耗。此外, 平衡通道增加了余隙容积。因此, 平衡通道长度b 和截面积f 不宜过大。不过活塞两侧的气体经平衡通道连接, 必须有足够的时间才能达到均压。一般认为平衡通道的最佳通气时间约为0.02 s。本泵平衡孔通气时间接近这一值。

4、对比与总结

  现将本泵的性能检测数据和国内生产的W型泵以及国外一些厂家生产的往复真空泵的主要性能对比, 见表1。

  由表1 可见, 本泵综合这两项指标与国外厂家相比不分上下。

表1 国内外往复真空泵的主要性能对比

国内外往复真空泵的主要性能对比

  综上所述, 立式往复真空泵具有结构紧凑、减小运动零部件磨损的优点。采用气阀轴向布置, 改善气缸的冷却, 减小了压缩功。合理设计平衡通道和减小余隙容积是提高往复式真空泵真空度的有效措施; 减小气阀的阻力损失对提高真空度和降低功耗十分重要; 强化有磨损部件处的润滑, 并采用自润滑性能好的材料以减少摩擦损失, 对延长零件寿命和减少功耗都是有利的。

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