新興行業(yè)的不斷興起給真空泵帶來了快速發(fā)展的機(jī)遇，同時(shí)也對(duì)真空泵的集成化、高效率、節(jié)約空間、高技術(shù)含量提出了更高的要求。本文提出了一種三軸式的羅茨真空泵，對(duì)其抽氣過程進(jìn)行了介紹，并基于嚙合原理，給出了一種典型的四葉圓弧型轉(zhuǎn)子的型線方程。通過對(duì)抽氣過程的建模分析，在抽氣效率、壓縮比、旋轉(zhuǎn)應(yīng)力和熱變形等方面，與常規(guī)的雙軸式羅茨真空泵進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算和模擬結(jié)果表明，在空間尺寸增加不多的情況下，三軸式羅茨真空泵具有接近兩倍的抽速、良好的壓縮比和更好的動(dòng)平衡特性的特點(diǎn)，具有較好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

　　羅茨式真空泵是一種無內(nèi)壓縮的旋轉(zhuǎn)變?nèi)菔秸婵毡茫�它是由羅茨鼓風(fēng)機(jī)演變而來的，目前在真空系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。由于在較寬的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速，且泵腔內(nèi)無油，至今在半導(dǎo)體、光伏、電子、石油、化工等行業(yè)仍在大量的應(yīng)用中。隨著新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和傳統(tǒng)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，真空泵的研發(fā)需要向高效率、高集成度、空間節(jié)約、智能化和高可靠性的方向發(fā)展，適應(yīng)不同工藝的苛刻需求。

　　三軸羅茨真空泵，正是在傳統(tǒng)的雙軸羅茨真空泵基礎(chǔ)上，在主動(dòng)轉(zhuǎn)子軸兩側(cè)各集成了一套從動(dòng)轉(zhuǎn)子，兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行吸氣或排氣的工作過程。與雙軸羅茨泵相比，具有受力均衡、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抽速大、噪音低、零流量壓縮比高等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文詳細(xì)介紹了這種三軸羅茨真空泵的抽氣過程和工作原理，并給出一種典型的四葉圓弧型轉(zhuǎn)子的型線方程，通過理論推導(dǎo)和有限元分析，對(duì)三軸羅茨轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行了強(qiáng)度分析和變形模擬，并與雙軸羅茨真空泵進(jìn)行比較。

　　1、三軸羅茨泵的抽氣原理

　　羅茨泵是一種容積式真空泵，三根軸水平平行安裝，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵壁間彼此無接觸，依靠間隙密封。如圖1 所示，中間軸為主動(dòng)軸，與其相連接的為主動(dòng)轉(zhuǎn)子，左右兩邊的軸為從動(dòng)軸，與其相連接的為從動(dòng)轉(zhuǎn)子。主動(dòng)軸經(jīng)由軸端的同步齒輪帶動(dòng)兩側(cè)的從動(dòng)軸，從而帶動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子分別與兩側(cè)的從動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行嚙合。以圖1 為例，主動(dòng)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩從動(dòng)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，圖中標(biāo)出了進(jìn)氣口與排氣口的位置。

圖1 抽氣式三軸羅茨泵抽氣原理示意圖

　　轉(zhuǎn)子處于圖1(a) 中所示位置，氣體分別從布置在兩側(cè)的進(jìn)氣口進(jìn)入，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至圖1(b) 所示位置時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子與兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子分別密封裹住一部分氣體。旋轉(zhuǎn)至圖1(c) 所示位置，兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子分別帶動(dòng)密封腔內(nèi)的氣體旋轉(zhuǎn)，而主動(dòng)轉(zhuǎn)子則與兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子相嚙合，經(jīng)過出氣口，排出一部分氣體，另外還殘余一部分氣體。當(dāng)旋轉(zhuǎn)至圖1(d) 所示位置時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子與兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子相互嚙合，將上一次未排盡的氣體盡數(shù)排出，并且再次密封了兩個(gè)腔的氣體，準(zhǔn)備排出。而且此時(shí)兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子分別密封了兩個(gè)腔的氣體，并帶動(dòng)氣體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)再次旋轉(zhuǎn)至圖1( a)所示的位置時(shí)，兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子密封的氣體分別與排氣口相通，在轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合的作用下從而進(jìn)行排氣。而主動(dòng)轉(zhuǎn)子密封的氣體則發(fā)生了圖1(c) 中所述的過程。此后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，重復(fù)上述過程，主動(dòng)轉(zhuǎn)子與兩從動(dòng)轉(zhuǎn)子源源不斷地將氣體排出。

　　從分析抽氣原理圖可以看出，各軸受力較均衡，特別是主動(dòng)軸，幾乎各處受力均是壓力對(duì)稱。從基本的變形形式來看，軸的主要變形為扭轉(zhuǎn)，而彎曲變形則很小。不難想象，該型泵運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)比較平穩(wěn)，噪音較低。

　　文獻(xiàn)報(bào)道了另外一種串聯(lián)抽氣式三軸真空泵的氣道布置形式，通過將同一級(jí)內(nèi)排氣口與吸氣口的連接，延長(zhǎng)了抽氣路徑，減少了返流氣體和返流的油蒸汽對(duì)真空室的污染，壓縮比提高近一倍。

　　4、結(jié)論

　　本文主要介紹了一種三軸式羅茨泵，對(duì)其結(jié)構(gòu)、抽氣原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。選用了綜合性能較高的圓弧型型線，設(shè)計(jì)了四葉轉(zhuǎn)子，推導(dǎo)了型線的直角坐標(biāo)方程，給出了其理論抽速計(jì)算公式，并與雙軸式羅茨泵比較，抽速增加了將近一倍；同時(shí)計(jì)算了粘滯流態(tài)下的零流量壓縮比，比較發(fā)現(xiàn)該型泵零流量壓縮比也要高于雙軸式羅茨泵，這是因?yàn)槿�軸式羅茨泵的抽速較間隙流導(dǎo)C 增加快得多。基于有限元分析軟件，對(duì)轉(zhuǎn)子體進(jìn)行強(qiáng)度和變形模擬，發(fā)現(xiàn)最大變形量和最大應(yīng)力均在許用范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求；同時(shí)三軸式羅茨真空泵在抽速大、受力大、軸截面積小的情況下，較雙軸式變形量小，應(yīng)力增加也較小，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。