羅茨真空泵轉子型線設計與三坐標測量
介紹了羅茨真空泵轉子型線的設計及其對羅茨真空泵性能的影響，并介紹了羅茨真空泵轉子型線的三坐標測量方法，在此基礎上詳細說明如何結合計算機輔助設計軟件AutoCAD對測量結果進行處理。
羅茨真空泵屬于高效節(jié)能的機電產品， 在國民經濟各個部門得到了日益廣泛的應用。由于具有無油、節(jié)能、振動小、體積小、起動快、維護費用低等突出優(yōu)點，羅茨真空泵在未來仍將具有相當強的競爭能力。隨著基礎工業(yè)的發(fā)展及設計理念的不斷創(chuàng)新， 羅茨真空泵的結構設計與工作性能均取得了長足的進步。早期的羅茨真空泵必須依賴前級真空泵運行， 而如今已制造出能夠直接排大氣運行的氣冷式羅茨真空泵和濕式羅茨真空泵，級數也由單級發(fā)展成為雙級、多級，轉子型線也由雙葉發(fā)展成為寬頭雙葉、多葉，羅茨真空泵產品正朝著高性能、多樣化的方向發(fā)展。
在羅茨真空泵的整體設計中， 轉子型線設計是關鍵，其決定了泵的零流量壓縮比、最大允許壓差、容積利用系數等重要指標。中真空羅茨真空泵由于工作壓力較低，分子平均自由程較長，分子返流較少，因此密封設計要求相對較低，一般采用雙葉形轉子型線；氣冷式及濕式羅茨真空泵由于工作壓力較高， 分子平均自由程較短，分子返流較多，密封設計要求較高，一般采用寬頭雙葉形及多葉形轉子型線， 其原理均是改變羅茨真空泵相鄰兩葉間密封角h 為180°的情況，以獲得較佳的密封效果及返冷氣相位。為獲得更低的噪聲及振動性能， 羅茨真空泵的轉子也被設計成軸向扭轉的形式。
1、羅茨真空泵轉子型線設計
隨著設計理念的不斷更新， 羅茨真空泵型線設計的重點轉向了如下幾個方面：
1) 獲取更大的容積利用系數；
2) 獲得更有效的密封效果，采用盡量小的嚙合間隙；
3) 降低噪聲，尤其是直接排大氣工作時的噪聲。
隨著先進的加工中心、多軸聯動(5 軸以上)數控機床、數控刀具的逐漸普及，轉子的可加工性設計要求已經大大降低。隨著伺服控制和傳感器技術的進步，在數控系統的控制下，機床可以執(zhí)行亞微米級的精確運動，在加工精度方面，近10 年來，普通級數控機床已由10μm 提高到5 μm，轉子的加工難度已經大大降低。
羅茨真空泵轉子型線一般由數段線條組合而成，理論上可以是直線或者任何曲線， 目前的設計方案一般采用圓弧、漸開線及擺線作為曲線段相互配合構成共軛曲線，實現轉子的正常嚙合，為了尋求較大的性能突破，正在研究開發(fā)更多的曲線種類及曲線組合。容積利用系數是轉子型線設計的重要指標，容積利用系數值與泵理論抽速值成正比關系， 即在中心距和頂圓直徑相同的情況下，轉子本身所占體積越小，容積利用系數值就越大， 從而泵理論抽速值成正比提高。相較而言，容積利用系數高的轉子頂圓直徑齒寬比高，轉子顯得較為“狹長”。容積利用系數值與型線構成樣式及型線頂圓直徑節(jié)圓比息息相關， 在所有的型線構成樣式中， 圓弧齒型及漸開線型轉子容積利用系數較高。受制于材料強度，傳統設計方案中常犧牲一定的容積利用系數值來保證轉子強度。隨著材料科學的不斷進步和設計理念的更新， 轉子的容積利用系數將會逐漸提高， 一方面材料強度的提高會允許減少轉子最小斷面厚度， 另一方面提高容積利用系數可以顯著縮短轉子軸向長度，從而減輕轉子重量，增加軸向剛度，節(jié)省材料。
嚙合間隙是轉子型線設計的主要指標， 由于加工誤差、作用力引起的變形及轉子運行時熱膨脹的存在，羅茨真空泵必須選取一定的轉子嚙合間隙以避免工作時發(fā)生轉子干涉。嚙合間隙的大小對羅茨真空泵的零流量壓縮比、最大允許壓差指標影響極大，羅茨真空泵存在一定的“內泄漏”現象，由于間隙的存在，造成氣體通過嚙合間隙從高壓側往低壓側“返流”，且返流流量隨著間隙、壓力及壓力比的增加而增加。由于返流氣體壓力較高，返流后與羅茨泵入口氣體混合，導致羅茨泵入口壓力升高，根據容積真空泵抽氣速率計算公式：S=Q/P(式中S 為抽速，Q 為氣體流量，P 為泵入口壓力)，抽速S 與入口壓力P 成反比關系，因此測得的羅茨真空泵的實際抽速會降低，同理，返流氣體對羅茨真空泵的零流量壓縮比指標也有很大的影響。根據實際測試， 僅僅將一個轉子的頂圓直徑減少0.1mm，ZJP2500 羅茨真空泵在中真空段的抽氣速率就下降了7%。經過我公司對用戶返修泵的實際測試，由于磨損及腐蝕造成間隙變大后， 測得的實際抽速甚至只有理論抽速的50%，將此泵裝配成機組后，極限壓力只能達到130 Pa，而在同樣的工藝系統中，新的同樣配置的機組極限壓力就可以達到6 Pa。
嚙合間隙決定了內泄漏的大小， 因此羅茨真空泵的嚙合間隙控制非常關鍵， 如何保持泵運行過程中嚙合間隙合理、均勻成為型線設計的重要任務。羅茨真空泵的嚙合間隙不能過于放大或者縮小， 如果嚙合間隙放得過大，會造成零流量壓縮比指標、抽氣速率急劇下降；如果嚙合間隙過于縮小，雖然零流量壓縮比、抽氣速率指標較好，但是最大允許壓差指標會嚴重惡化，轉子在實際運行時會很容易卡死。
除增減嚙合間隙的方法外， 型線設計時也努力將密封形式由線密封轉為面密封從而改善密封效果，或者設法將密封距離延長。如圖1 所示，圖(a)示意的是早期設計的轉子頭部，采用了圓弧與泵體配合密封，為線密封，圖(b)示意的是改進設計的轉子頭部與泵體的密封，它在圖(a)設計的基礎上增加了與泵腔內徑一致的一段圓弧與泵體配合密封， 為面密封， 使密封效果改善。設計師也努力尋求合適的方式降低排氣氣流溫度或者降低轉子的熱膨脹伸長量，減小所需的補償間隙。轉子型線設計對噪聲指標的影響也較大， 羅茨真空泵直接排大氣工作時會產生很大的噪聲， 其特性與羅茨鼓風機的噪聲特性非常類似， 在高壓差條件運行時， 出口側的氣體必然會通過嚙合間隙向進口側返流并不斷撞擊高速運轉的轉子，產生逆流壓縮，根據聲波的“堆集”理論，由于真空狀態(tài)下的排出氣體較少，聲波來不及傳播出去而形成聲波的堆集， 聲能很快加強成強噪聲，所以噪聲很高。氣體逆流壓縮與壓力脈動產生強烈的空氣沖擊動力噪聲，氣體動力噪聲很大，排氣氣動噪聲、進排氣氣體渦流噪聲再加上泵進氣容積的亥姆霍茲共鳴三者結合疊加后造成噪聲值很高。根據實測， 氣冷式羅茨真空泵直排大氣時不帶消聲器的噪聲值可達120~140dB(A)。三葉型型線與二葉型型線相比，在噪聲指標方面有優(yōu)勢，一方面三葉型型線將有效容積從兩等分變?yōu)槿确郑?減少了單位氣流量及氣流壓力的脈動， 另一方面排氣腔部分體積通過葉輪間隙回流到進氣腔的氣體流量減少， 氣體的擾動和氣體的脈動壓力減小，從而降低噪聲強度。
為減少羅茨真空泵的本體噪聲， 設計師設計了扭葉型的轉子，圖2 為扭葉三葉型轉子的示意圖。這種結構不僅可以進一步擴大真空泵的基元容積， 而且可以進一步減小羅茨真空泵的噪聲。直葉型轉子的理論嚙合點曲線為一直線， 扭葉型轉子的理論嚙合點曲線為一空間曲線，扭葉型轉子的轉子嚙合線距離較長，可以加強密封，延緩回流過程，降低排氣脈動的幅度及不均勻度；另一方面，由于扭葉形轉子的噪聲點排布曲線也同樣為一空間曲線，因此疊加后的噪聲頻譜也相對“雜亂” ，從而改善了噪聲特性。
2、羅茨真空泵轉子型線的三坐標測量
在羅茨真空泵制造領域， 正在越來越多地設計出各種形式的轉子型線， 可是對應的測量方法卻始終沒有很大改進， 很多企業(yè)還在使用落后的靠模檢驗法或特征點測量法，對轉子型線的制造質量存在嚴重誤判、漏判。眾所周知，三坐標測量儀具有測量速度快、測量精度高、測量結果直觀可視、一次編程多次測量、大大減輕操作人員工作強度的優(yōu)點。隨著市場對真空泵性能需求的提高， 生產企業(yè)對自身產品加工精度和測量精度要求的提高， 以及生產企業(yè)的技術力量和資金實力的不斷提升，三坐標測量儀的使用勢在必然。對一個轉子必須先考慮如何測量， 對于不同形狀的轉子，應該使用不同的安裝方法及不同的測量程序�，F以羅茨真空泵的轉子為例介紹三坐標測量的方法與過程。
2.1、前期準備工作
2.1.1、零件的固定
零件在測量之前必須先固定在測量臺上， 這樣既可以保證測量時，不會因振動影響測量數據，也能保證每次測量時，不需要重新定位，讓程序自動執(zhí)行，方便操作，節(jié)約時間。
1) 理想的固定方法。如圖3 所示，理想的情況下肯定會考慮將轉子按照下面的方向固定在三坐標上，測量的曲面與測量桿成90°夾角。測量時測頭在同一個水平面內移動觸測零件。使用這種方法，可以很方便地測量轉子上全部的測量點。
2) 實際的固定方法。如圖4 所示，實際上轉子的加工工藝決定了必須安裝上轉子軸才能加工轉子，如果按照理想的轉子固定方法， 整個轉子的高度就可能超出三坐標測量儀所能測量的范圍。所以只能將轉子平放在測量平面上，凹面朝上，防止測量頭與零件干涉碰撞。雖然轉子能夠放到測量平臺上，但是只能測量一半的曲線，在后期的數據處理時必須考慮這一點。
2.1.2、坐標系的確立
直角坐標系的Z 軸沿著轉子軸的方向， 坐標原點落在轉子軸中心。X 軸為兩個平衡孔孔中心的連線。為了保證加工和測量使用相同的定位點， 平衡孔應該是經過仔細加工的定位孔。Y 軸為豎直向上。確定坐標系是為了編程時有一個固定的方向，以及測量完畢后，可以得到一組便于處理的數據。
2.2、編程思路
可按以下流程編制程序：手動選取定位特征→手動建立坐標系→自動執(zhí)行→自動選取定位特征→重新建立坐標系→設定起始測量點坐標、起始測量法向量、數據點的保存位置→(循環(huán)判斷開始→計算下一個點坐標和法向量→根據計算出的點坐標和法向量測量一次→根據測量出的點坐標和法向量重新測量點坐標和法向量→保存測量的點數據→如果沒有超出測量范圍繼續(xù)循環(huán))。注意保存成"x,y,z" 的格式， 以方便接下來用AutoCAD 調用顯示。
上述括號中的內容用來測量曲線點， 有些軟件會將曲線掃描的功能集成為模塊賣給使用者， 這樣對于使用者來說編程會輕松一些。如何正確計算下一個點坐標和法向量， 防止測頭與零件的無效碰撞是整段測量程序的關鍵。因為使用的軟件不同，測量程序也會不同。
2.3、測量方法
一旦測量程序調試正確后，就可以開始測量。因為測量過程是自動的， 所以只需要測量人員先將零件按照預先安排好的位置固定好，手動建立一個坐標以后，三坐標測量儀就會自動測量并且將結果保存到相應的文件中。有些測量軟件還會將測量的結果以圖形的形式顯示出來。另外，實際的安裝位置決定了只能測量一半的曲線數據，如果需要另一半的數據，就要將零件翻轉后再測量一遍。
2.4、測量結果的處理
測量結束以后還需要將測量所得的數據進行處理，才能知道零件的加工誤差是多少。為了直觀顯示獲得的測量數據， 這里使用AutoCAD 附帶的AutoLISP 語言編寫一個簡單的程序讀取點并且顯示。將下面的代碼保存為后綴名為lsp的文件。
然后將這個lsp 文件載入到AutoCAD 里， 在命令行里執(zhí)行l(wèi)oadpoints 命令，根據提示打開一個以dat 為后綴的數據點文件，數據點的保存格式應該為：
x1,y1,z1
x2,y2,z2
x3,y3,z3
x4,y4,z4
...
所有的測量數據就顯示出來, 然后將理論值與測量值進行比較即可得到任意一點的實際加工誤差。
