立式往復(fù)真空泵的設(shè)計(jì)與分析

立式往復(fù)真空泵的設(shè)計(jì)與分析前言

***工業(yè)大學(xué)先后與*****新型工業(yè)泵廠和*****真空設(shè)備廠等企業(yè)合作對(duì)往復(fù)真空泵開展設(shè)計(jì)和構(gòu)造研究。將設(shè)計(jì)的立式往復(fù)真空泵(原型號(hào)LVP型、現(xiàn)為WL型)投入生產(chǎn),得到了廣泛的運(yùn)用,取得了很好的效益。

評(píng)價(jià)真空泵性能的指標(biāo)有多條,一是真空度;二是功率消耗;三是易損件如活塞環(huán)、填料、氣閥的使用壽命;還有泵的構(gòu)造緊湊、平穩(wěn)運(yùn)行等。

立式構(gòu)造往復(fù)真空泵具有以下幾個(gè)特點(diǎn):氣缸豎直布置,構(gòu)造緊湊、占地面積小,尤其是改善了臥式泵因活塞自重下垂摩擦不均勻的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了自潤(rùn)滑性能好的聚四氟乙烯活塞環(huán)和填料密封環(huán),使運(yùn)動(dòng)部件磨損減小,并適用于少油潤(rùn)滑或無油潤(rùn)滑。它設(shè)計(jì)為雙作用氣缸,既可單級(jí)抽氣(抽氣速率大),亦可雙級(jí)抽氣(真空度高),以滿足不同客戶的需要。1、往復(fù)真空泵的熱力過程及構(gòu)造改良措施

往復(fù)真空泵氣缸兩側(cè)一般設(shè)有平衡通道,參見圖1(a),蓋側(cè)缸循環(huán)過程簡(jiǎn)述如下:活塞由內(nèi)止點(diǎn)D向外移動(dòng)到E點(diǎn)時(shí),由于平衡通道的作用,氣體壓力均衡至p′s;由E點(diǎn)到F點(diǎn)為壓縮過程,氣體被壓縮至排氣壓力pd,排氣閥開啟;由F點(diǎn)到G點(diǎn)為排氣過程,在G點(diǎn)處活塞右側(cè)活塞環(huán)與蓋側(cè)平衡通道右邊線相對(duì)應(yīng),如圖1(a)所示;

當(dāng)活塞由G點(diǎn)移動(dòng)到外止點(diǎn)H點(diǎn)時(shí),蓋側(cè)余隙容積中的高壓氣體大部分通過平衡通道流入軸側(cè),氣體壓力降至pH;當(dāng)活塞由外止點(diǎn)H向內(nèi)移動(dòng)到A點(diǎn)(與G點(diǎn)位置相同)時(shí),氣體壓力降至p′s,此時(shí)活塞兩側(cè)氣體壓力相同;活塞由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),蓋側(cè)氣體繼續(xù)膨脹,壓力降至吸氣壓力ps;B點(diǎn)至C點(diǎn)為吸氣過程,蓋側(cè)吸氣在C點(diǎn)結(jié)束,吸氣閥關(guān)閉;活塞移動(dòng)到內(nèi)止點(diǎn)D,再向外移動(dòng)到E點(diǎn),由于平衡通道的作用,氣體壓力均衡至p′s。G點(diǎn)到H點(diǎn)的軸向?qū)挾菺H即為平衡通道的寬度b。圖1(a)中,s為活塞行程,so和se分別為Vo和Ve折算的行程。

圖1帶平衡通道的示功圖和平衡通道的構(gòu)造圖

往復(fù)真空泵能到達(dá)極限真空度時(shí),可用下式表示:

考慮到吸氣系統(tǒng)的阻力損失,泵的極限真空絕對(duì)壓力為:

p1min=psmin+Δps(2)

式(1)、(2)中:p1min為極限真空度時(shí)的絕對(duì)壓力,俗稱絕對(duì)真空度;pd為排氣壓力;Δps為吸氣系統(tǒng)的阻力損失;Vo為氣缸余隙容積;Ve為平衡通道容積;V為氣缸行程容積,V=s×F,s為活塞行程;F為氣缸截面積;b為平衡通道寬度;m為氣體多變指數(shù),一般可取m=1.2。

由式(1)和式(2)可知:減小余隙容積,合理設(shè)置平衡通道,減少吸氣系統(tǒng)的阻力損失,是減小極限絕對(duì)壓力的有效措施。為提高極限真空度,須采取以下措施:

(1)減小余隙容積,為此,活塞端部在保證強(qiáng)度和剛度的前提下盡可能取小的厚度(2.5mm),以減少余隙容積,見圖2并設(shè)計(jì)了厚度僅為24mm超薄形的氣閥;

圖2活塞與活塞環(huán)示意圖

(2)優(yōu)化氣閥彈簧力的設(shè)計(jì),盡可能減小氣閥的阻力;

(3)在氣缸上合理設(shè)置平衡氣道,以保證真空度;

(4)減少泄漏,活塞中采用四道活塞環(huán),每槽內(nèi)放兩道切口錯(cuò)開的活塞環(huán),見圖2,填料密封采用五道密封環(huán)。

為減少往復(fù)真空泵的功率消耗,主要采取以下措施:

氣缸壁采用水冷卻,氣閥軸向布置,因而增加了汽缸冷卻水的面積,改善了冷卻效果,氣體壓縮過程溫度升高不超過10℃,接近等溫壓縮,減小壓縮功耗;活塞環(huán)和填料密封環(huán)采用自潤(rùn)滑性能好的材料,減少摩擦損失,降低功耗;優(yōu)化氣閥的設(shè)計(jì),合理設(shè)置平衡氣道寬度,節(jié)省功率。2、關(guān)于氣閥的氣隙速率設(shè)計(jì)

往復(fù)式真空泵目前大多采用環(huán)狀閥,由于真空泵的吸、排氣壓力都不大,尤其是吸入氣體絕對(duì)壓力很小,氣閥的壓力降是影響極限真空度和功率消耗的一個(gè)重要原因。尤其是吸氣閥的阻力,對(duì)于提高真空度和降低功率消耗具有重要意義。