長期以來，我國發(fā)展雙級滑閥真空泵遇到不少困難和挑戰(zhàn)，標準制定后相隔二十多年才有生產(chǎn)2H-150等產(chǎn)品。實際上由于大抽速的雙級滑閥真空泵設計制造會遇到動平衡、控制雙級供油、降低噪聲等一系列的問題，所以其設計制造給廠方帶來很大麻煩。但是大抽速雙級滑閥真空泵在使用上有很廣泛的應用前景，本文介紹大抽速雙級滑閥真空泵開拓發(fā)展的必要性和介紹研制成功的2H-150滑閥真空泵設計特點，并提出發(fā)展更大抽速的雙級滑閥真空泵的必要性。
滑閥泵由于結(jié)構(gòu)特點，容量比旋片泵大得多，由于滑閥真空泵可以在較差的真空環(huán)境下長期工作，因此常常被用于大型真空設備上。滑閥泵有單級和雙級兩種形式，單級泵的極限壓力在0.6~1.3Pa(關(guān)氣鎮(zhèn))，雙級泵的極限壓力在0.06Pa。
抽速≥150L/s以上的可以看作為大型滑閥泵。長期以來國內(nèi)只有70L/s的雙級滑閥泵，但是在使用上如果有大抽速的雙級滑閥真空泵，在許多工業(yè)應用領(lǐng)域特別有利于簡化真空設備的機組構(gòu)造，有利于降低功耗，實現(xiàn)節(jié)能效果，有利于簡化操作，提高控制的可靠性。本文以設計研制成功的2H-150雙級滑閥真空泵為例，介紹發(fā)展開拓大型抽速的雙級滑閥真空泵的必要性，同時通過介紹2H-150雙級滑閥真空泵進行雙缸設計結(jié)構(gòu)的特點，提出實現(xiàn)在大抽速結(jié)構(gòu)的雙級滑閥泵雙缸結(jié)構(gòu)動平衡的可能性，提出實現(xiàn)雙級滑閥泵在低壓強時(2Pa)獲得大抽速的可能性。同時提出簡化結(jié)構(gòu)設計有利于單泵的啟動和控制的可能性。
1、發(fā)展大抽速雙級滑閥真空泵的意義
長期以來我國對大型真空設備使用在一定真空度的條件下(1~10-2Pa)廣泛使用滑閥真空泵、羅茨-滑閥真空機組，據(jù)不完全統(tǒng)計,浙江一省以生產(chǎn)滑閥真空泵、羅茨-滑閥真空機組的產(chǎn)值超過4個億人民幣。但是由于沒有大抽速的雙級滑閥真空泵，在許多羅茨-滑閥機組配置上需要設計成羅茨-羅茨-滑閥機組，或者用一個雙級滑閥泵可以達到使用目的的需要采用滑閥-羅茨來代替才能滿足真空度的要求。例如需要極限真空為10-2Pa、抽速為150L/s時，必須設計成主泵為ZJ-150的羅茨泵，前級泵可以選用2H-30的滑閥泵。但是在使用上有時希望在較高壓強時也具有大抽速，顯然用2H-30泵作為前級泵不能滿足這個要求，因此只好配2H-70泵作為前級泵，但是有些用戶還是不能滿足較高壓強下大抽速的要求，于是出現(xiàn)主泵是ZJ-150，用戶要求前級泵配用H-150滑閥泵使用的怪現(xiàn)象。同時，我們分析羅茨泵的結(jié)構(gòu)特點可以明顯看出，所謂羅茨泵的抽速完全受到前級泵的抽速的影響，羅茨泵的極限壓力主要決定于前級泵的極限壓力，前級泵的極限壓力低，羅茨泵才能獲得較低的極限壓力。由于過去沒有大抽速的雙級滑閥真空泵，所以不少時候只能用增加羅茨泵為基礎設計成羅茨-羅茨-滑閥機組來滿足和提高真空度的要求，這無疑使結(jié)構(gòu)增加了復雜性。因此在總結(jié)羅茨機組的應用時，權(quán)威性資料提出對入口壓力非常低(PA<10-2hPa)和前級泵氣鎮(zhèn)閥工作時，通常使用雙級前級泵，否則羅茨泵所需的壓力很難達到，而且，在這種壓力下前級泵的抽速變得太低了，將導致壓縮比太高，容積效率降低了。現(xiàn)在羅茨真空泵已經(jīng)發(fā)展有5000L/s、10000L/s和20000L/s，在很多情況下既需要大的抽速又需要較低的極限壓力，顯然單級滑閥真空泵就無法滿足這一要求，發(fā)展大抽速的雙級滑閥真空泵與之相匹配，必然可以簡化結(jié)構(gòu)，達到節(jié)能，控制可靠的結(jié)果。
但是發(fā)展雙級滑閥真空泵會遇到很多技術(shù)難點，國外以美國KINNY公司為代表，以三缸結(jié)構(gòu)為主體發(fā)展單級和雙級滑閥真空泵，這一結(jié)構(gòu)具有較好的動平衡效果，不需要在皮帶輪上加配重，不需要加平衡輪，雖然對滑閥桿的離心慣性力沒有得到平衡，但由于這一離心慣性力的干擾力較小，不足以產(chǎn)生大的振動，所以從平衡角度來說是一種好的結(jié)構(gòu)形式。但是由于三缸結(jié)構(gòu)需要兩個中壁，中間油缸供油比較困難，同樣轉(zhuǎn)速下，其結(jié)構(gòu)設計體積偏大。所以據(jù)查，KINNY公司生產(chǎn)最大的雙級滑閥真空泵為KTC-112泵，抽速為51L/s，極限壓力為3×10-2Pa。根據(jù)KINNY公司技術(shù)英國GENERAL公司生產(chǎn)的GKTC-225泵，最大抽速為104L/s，極限壓力為3×10-2Pa。我國為了發(fā)展大抽速的雙級滑閥真空泵，上海神工、浙江臺州環(huán)球、江蘇海真、浙江臺州力鑫、浙江真空設備公司等單位先后研制成功2H-120、2H-150、2H-230雙級滑閥真空泵，開拓了我國生產(chǎn)大型雙級滑閥真空泵的發(fā)展里程，為今后配置大型真空機組廣泛使用于太陽能利用、航空航天的真空模擬、稀有金屬提煉、真空冶金、電力設備的改造等領(lǐng)域提供了理想的預抽真空設備。
2、2H-150雙級滑閥式真空泵研制
對于雙級滑閥式真空泵抽速在150L/s以上的泵究竟在設計制造中會遇到哪些問題，進行嘗試和研究。在2008年11月與江蘇海真真空設備有限公司共同合作下研制成功2H-150雙級滑閥式真空泵，于2009年6月通過國家真空設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，
在設計和研制過程中，我們首先遇到的問題是選擇兩缸結(jié)構(gòu)還是三缸結(jié)構(gòu)，美國KINNY公司為代表的國際潮流是選用三缸結(jié)構(gòu)，經(jīng)我們研究三缸結(jié)構(gòu)可以自身平衡偏心輪、滑閥環(huán)所產(chǎn)生的離心慣性力。但無法平衡滑閥桿所產(chǎn)生的離心慣性力。同時三缸結(jié)構(gòu)需要兩個中壁，體積相應增大，供油情況比較復雜，而且這是美國KINNY公司具有的專利項目。選用兩缸結(jié)構(gòu)，它的難點是必須通過特殊的平衡計算，高缸存在滑閥、偏心輪產(chǎn)生的離心慣性力，低缸也存在偏心輪和滑閥產(chǎn)生的離心慣性力，同時高缸、低缸的滑閥桿也存在離心慣性力，并且在對泵轉(zhuǎn)子慣性力進行平衡時不能忽略導軌的慣性力，組成相當復雜的空間力系，能夠部分平衡的辦法就是在高缸一側(cè)裝有的皮帶輪上進行特殊的配重計算，使之產(chǎn)生的殘余慣性力盡量小，使它們產(chǎn)生的力和力矩對泵的振動影響足夠小。經(jīng)過實踐，我們成功完成這一任務，這里在高缸與低缸的長度分配上打破了傳統(tǒng)的高缸長度是低缸長度的一倍這一慣例，使計算和實踐都取得了良好效果。樣機在不用螺釘固定的情況下沒有爬行和爬動現(xiàn)象，振動控制在可靠的約束下。選擇兩缸結(jié)構(gòu)大大的有利于泵的結(jié)構(gòu)簡化，從而減小了泵的體積，實際上樣機與H-150單級泵比較增加的體積不太大，達到了預想的要求。
在設計和研制過程中，我們特別注意氣路和油路的設計，常規(guī)的國內(nèi)雙級滑閥真空泵采用三缸結(jié)構(gòu)，其供油要用手動閥控制，給用戶帶來使用上的很大不便，而且手動控制受人的因素影響容易產(chǎn)生誤操作，本設計采用強制供油的辦法，保證高缸和低缸供油量，同時無須手動閥控制，依靠泵啟動就能供油，停泵就停止供油，使操作大大簡化，樣機操作完全達到了這一理想效果，經(jīng)反復試驗沒有任何故障出現(xiàn)，這一內(nèi)容也申請了專利。在氣路設計方面，由于要保證在低壓強下泵具有大抽速，通常國內(nèi)的泵在2Pa時，抽速下降得很快，只有45%的抽氣效率。而國外的泵這一比例較高，研究其原因就是要使高級腔具有清潔、少油，同時氣道特別暢通，沒有返流，根據(jù)這一原則我們在結(jié)構(gòu)上采用特殊設計，使得泵在2Pa時抽氣效率達到72%。從這一技術(shù)上講，我們不遜于國外的先進產(chǎn)品。關(guān)于氣道設計我們也申請了國家專利。
在設計和研制過程中，我們特別考慮滑閥真空泵是在真空環(huán)境較差、大的真空系統(tǒng)中廣泛使用的，我國上世紀90年代大規(guī)模真空煉鎂時廣泛使用H-150滑閥真空泵，也由于使用條件差，其泵軸和軸承容易在過載情況下出現(xiàn)故障。在2H-150的設計中，我們也充分考慮這一因素，加大了軸和軸承的尺寸，并選用40Cr鋼代替45#鋼作為泵軸的材料，以減小故障。當然當2H-150大量投入使用時，必須采取在進氣口前加真空過濾器，以減少粉塵、顆粒、有毒氣體、腐蝕性氣體等影響。
2H-150雙級滑閥真空泵的研制成功開拓了在今后發(fā)展更大型雙級滑閥泵的可能性，從技術(shù)難點來看，發(fā)展更大型如2H-300雙級滑閥真空泵也變成基本可能。通過研制2H-150雙級滑閥真空泵，我們發(fā)現(xiàn)滑閥真空泵的振動噪聲控制始終是一個重要問題，早在上世紀90年代末我們研究H-150A滑閥真空泵就取得了低噪音設計的效果。其樣機噪聲Lw僅為81.4dB(A)，但是這次試制泵的噪聲就超過預期，因此，控制泵的噪聲對泵噪聲的機理研究仍然是一個長期任務，對于泵的噪聲源分析找出這一結(jié)構(gòu)主要噪聲源將成為今后工作的一個重點。
3、開拓更大抽速的雙級滑閥真空泵
從節(jié)能和方便用戶使用、減少控制系統(tǒng)、提高機組的可靠性等方面的要求，需要開拓更大抽速的雙級滑閥真空泵。例如，ZJ2500羅茨真空泵作為主泵，配上一臺2H-300滑閥真空泵，就可以取得較好的真空度和較大的抽速范圍(在2Pa和1.5kPa范圍內(nèi)具有較好的抽速)。按目前國內(nèi)的配置，ZJ2500羅茨真空泵作為主泵必須再配一個羅茨泵ZJ600或ZJ300作為中間泵，再加上H-300滑閥泵或者兩臺H-150滑閥泵作為前級泵組成機組。而這樣組成的機組，在2Pa~1.5kPa范圍內(nèi)抽氣效率遠不如上述的配置好。
在我國航天技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，航天技術(shù)的真空模擬裝置就需要大抽速的滑閥泵，在太空模擬的條件下，更需要雙級大抽速滑閥泵。今后新能源的研究利用太陽能提供能源需要開拓多晶硅的提煉，也需要雙級大抽速的滑閥真空泵。在石油資源和煤炭資源日趨緊張的情況下，利用太陽能這一取之不盡用之不竭的能源就顯得十分重要。提高太陽能的利用率開拓新材料離不開新的、高效率的真空設備作為前級真空泵，發(fā)展大抽速的雙級滑閥真空泵就顯得十分必要。這是旋片真空泵很難達到的，而這一真空領(lǐng)域沒有其它理想的泵與它競爭。所以可以預計隨著真空技術(shù)的迅速發(fā)展，隨著各種應用領(lǐng)域?qū)φ婵占夹g(shù)日益提高的要求，研制大型的基礎真空泵是擺在我國面前的一大課題，我國已經(jīng)研制成功世界上最大的水環(huán)真空泵，經(jīng)過努力，我們一定能開發(fā)出世界最大的雙級滑閥真空泵。
4、結(jié)論
①我國研制成功的2H-150雙級滑閥真空泵具有自主的知識產(chǎn)權(quán)。它的給油控制及氣路設計等方面都具有獨立的知識產(chǎn)權(quán)，尤其值得提出的解決了兩缸結(jié)構(gòu)依靠皮帶輪配重進行動平衡這一難題，取得了理想的效果。
②雙級滑閥真空泵必須發(fā)展大抽速的泵，它可以大大簡化羅茨真空機組，同時提高在2Pa~1.5kPa范圍內(nèi)的抽氣效率，同時它可以開拓新能源研究和太空宇宙模擬等方面作為基礎泵的使用。
③進一步加強對滑閥真空泵減振降噪的研究，分析出大抽速雙級滑閥真空泵主要噪聲源，是今后開拓大抽速雙級滑閥真空泵的技術(shù)關(guān)鍵。
雖然我國早已制定2H-150雙級滑閥泵的標準，但是研制成功2H-150雙級滑閥真空泵卻是二十多年以后的事情。通過自主創(chuàng)新走中國自己的路，開拓發(fā)展中大抽速的雙級滑閥真空泵必然在科研、工業(yè)生產(chǎn)等方面會有廣泛的應用，也是有利于節(jié)能降耗的一個重要措施。
