v形带传动设计
本文讨论了一级和二级“中真空”油封旋片真空泵,可产生约1 × 10的最高真空-2Torr (0.01 Torr或10微米)用于一级模型和大约1 × 103Torr (0.001 Torr或1微米)为两级模型。
油封旋片真空泵在真空热处理和真空炉工业中作为油扩散泵排气侧的持压泵使用。当较大的机械泵从主真空室抽气(从大气压力中抽气)时,它们使排气管路压力保持在足够低的水平,以防止油扩散泵的失速。
在第二次世界大战之前的早期,也有油密封旋转凸轮泵的设计,如“世界著名的Cenco ' Hyvac '两级真空泵(图1)和尼尔森泵公司' Nevaco '真空泵(a)。虽然Hyvac泵和其他Cenco型号今天仍然由Hyvac Products, PA生产,尼尔森泵公司被Ace pump, TN收购,他们的真空泵不再生产。
图1所示。Cenco“HyVac”真空泵。 |
还有其他的油润滑旋转叶片真空泵,通常由不同的制造商,没有密封(有时被称为“注水”)与油。这些真空泵允许有限的油进入泵进行润滑,通常产生约0.5托的最佳真空。对于许多工业和科学应用来说,这不是一个足够低的压力,特别是那些使用石油扩散泵,涡轮分子泵或低温泵进行高真空泵。
早期旋转叶片油密封真空泵(v形带传动)
旋转叶片油密封真空泵(RVOSVPs)最初是v形带驱动的。泵安装在底板上,电机安装在旁边的一个滑动底座上。泵通过安装在泵和电机上的滑轮上的v形带驱动。不同尺寸的滑轮允许设定泵的转速,通常在500到600转/分钟的范围内,大约是电机转速的三分之一。滑动底座允许v形带张力进行调整。后来,随着安全标准的引入,v形皮带和滑轮必须用金属罩盖住。
由于泵转子的转速相对较低,叶片或叶片一般都是钢制的,希望向心力能把它们向外抛,与定子内部接触,形成密封。为了确保这一点,在叶片的内缘钻了洞,并插入了弹簧。通常在弹簧内部加钢销,以减少屈曲和防止屈曲。
在爱德华兹,他们还使用了模压石棉/树脂叶片,这使得弹簧和销更重要。弹簧,因为叶片比钢叶片轻,需要一个正的力来确保与定子接触;还有别针,因为弯曲的弹簧会磨损成型刀片的侧面,造成很大的损伤。
在北美和欧洲有许多rvosvp制造商,直到20世纪50年代,大多数制造商通常在自己的当地市场销售产品。在北美销售的欧洲制造的真空泵很少,很可能,在欧洲销售的北美制造的真空泵也很少。其中一个原因可能是不同的电力供应,即美国的60hz 115v和欧洲的50hz 230 V。当大多数真空泵由v形带驱动时,这个问题并不太难处理,因为电机是一个单独的项目。事实上,爱德华在英国出售更大的美国制造的Kinney旋转柱塞泵之前,他们设计了自己的大型旋转柱塞泵。在我看来,另一个原因是两大洲之间的旅行时间和成本,以及海上运输时间的延长。
图2所示。韦尔奇DuoSeal真空泵。 |
最流行的油封式旋转叶片泵设计从1907年开始是Gaede设计的改进版本(图3)。韦尔奇科学公司在1934年推出了Wegner微型deka,它是Gaede设计的改进(b)。这种改进就是定子进气口和排气口之间的油封。定子的这一区域被加工成与转子直径相同的直径,因此,在转子和定子之间产生了一个狭窄的带,当间隙约为0.002英寸时,就可以将油保存在其中。过小的间隙会让金属与金属接触,过大的间隙会让密封排气侧的高压气体把油吹出密封区域,让气体穿过密封泄漏。这种密封设计被称为弧形密封。韦尔奇商标名称“DuoSeal”,并继续使用该商标的v形带驱动油密封旋转叶片真空泵今天。(图2)大多数其他制造商也使用这种弧形密封设计,因为它被证明是非常健壮的。
当间隙设置在正确的数量时,泵叶片(或叶片)倾向于在它的前端区域扫过少量的油,将这些油添加到排气侧的弧形密封区,同样数量的油将从进口侧的密封区排出。这意味着密封区域内的油是不断变化的。在某些型号的这种泵设计中,被推入弧形密封的油会产生独特的噪声。一旦泵运行了一分钟左右,在一个小的音量,并可以听到“拍打”或“咔咔”的声音,泵应该是一个良好的真空(低压)。
v形带传动真空泵的优点和缺点
对于一些真空泵用户,特别是在安静的实验室环境中,这种“啪啪啪”或“噼啪啪啪”的噪音是令人反感的,可以通过少量打开气体镇流器阀门,让少量空气进入泵来减少这种声音。打开气体镇流器阀门可能导致额外的油雾产生从泵的排气,需要使用油雾过滤器。
正如我所提到的气体镇流器阀,对它做一个简短的评论是必要的。早期的油密封旋片真空泵没有气体镇流器阀。直到1953年左右,英国爱德华公司才制造出vbd泵(图4)。在那些日子里,如果应用导致水蒸气被吸入真空泵,水蒸气足以在泵油中凝结并稀释油,它的润滑和密封性能就会受到不利影响。如果在泵内留下水和油的混合物,就会发生腐蚀,影响泵的使用寿命。
图3。1907年Gaede设计。 |
在有气体镇流器阀之前的补救措施是在泵的进口上增加一个蒸汽疏水阀。我熟悉的捕兽器是爱德华兹提供的一个多托盘捕兽器,含有五氧化二磷(P2O5)看起来像白色粉末。当水蒸气与P发生反应时2O5它将表面粉末变成一种潮湿的物质,磷酸。在完全更换材料之前,可以搅拌一到两次托盘中的材料,使干燥的粉末浮到表面。通常是用最近的水槽冲洗。当然,这在今天是不被允许的。
一旦气体镇流器阀被发明,它首先成为一个可选的附件,然后成为任何这种类型的泵的永久部分。作为一个更新为您,允许排气(镇流器)的空气(或惰性气体在某些应用)进入泵的排气阀区域允许水蒸气排出泵的蒸汽,在它被压缩到足够达到其蒸汽压力和冷凝成水滴,将混合到泵的油。油看起来是乳白色的乳状液体和绿色条纹是明显的迹象,主要的油污染的水。
大多数早期的v形带驱动泵都有一个油润滑回路,依靠油从“满到顶部”的油盒通过重力通过泵顶部的小孔排出,通过通道到达轴承、转子和定子。这些小型实验室大小的真空泵没有球轴承支撑转子。转子相对较轻,真空泵只产生非常小的径向和轴向载荷,所以一个简单的金属与金属油膜轴承将支持转子。轴承是转子两端的直线段,与定子上的钻孔相匹配,并具有紧密的公差,以保持表面之间的油膜。这就是为什么这种真空泵的设计需要一直有清洁的油在里面的主要原因。任何污染都可能影响轴承表面,导致泵故障。
简单的重力泄油回路的一个缺点是存在油的“回吸”问题。
如果泵故意停止或由于电源故障,它将使泵入口对处于真空状态的系统打开。在这种情况下,石油会被抽回。作用于油箱内油面的大气压力,将油沿重力泄油口缓慢地推入泵机构,并朝向处于低压状态的泵的进口侧。如果油量很大,系统靠近泵入口,就有可能有油被“吸回”到系统中,造成污染。重力泄油润滑需要大量的油在泵进油孔上方使其工作,因此出现了问题。理想的泵设置是这样的:在关闭时,真空泵与真空系统隔离,然后允许泵内部进入常压。这就最大限度地减少了油流入泵机构的机会。
这个“吸回”问题要求真空泵用户在真空泵进口安装一个自动关闭阀,以防止任何油通过它。爱德华兹使用的一个简单的止回阀是一个轻质球体,内部有一个有角度的顶部。如果油被吸向系统,球就会浮在水面上,直到与倾斜的内表面密封为止。这不是百分之百的万无一失,但效果相当不错。后来的一种选择是电磁阀,它会在停电时关闭,以提供安全密封。这些附件的一个缺点是占用了泵的顶部空间。在许多情况下,设备设计者在框架内有有限的空间来安装真空泵。加上这些配件又占了三四英寸的空间。
当重新启动真空泵时,由于油向下排入定子的开口容积而引起的另一个问题发生了。当真空泵抽气时,气体通过真空泵相对较小的排气阀被压缩。试图通过这些小孔排出石油是比较困难的,因为石油是不可压缩的。在v形带驱动泵上,它会导致v形带在滑轮上打滑,可能烧坏,或者它会导致电机过热保护装置或保险丝过载而关闭。
图4。爱德华兹vbd泵。 |
慢速运行的v形带传动旋片真空泵的主要积极特点是他们能够稀释大量油中的污染物,并保持运行尽管污染。它们的运行温度一般低于运行速度较快的直接驱动真空泵,是一种简单耐用的机器。它们仍然在湿化学实验室等应用中很受欢迎,在这些实验室中摄入各种化学污染物的几率很高。
v形带驱动真空泵的装配是劳动密集型的,底板、泵、电机、滑轮、v形带和皮带罩使其在最终的装配区非常耗时。在50年代和60年代,工业和科学研究应用的巨大增长导致真空泵制造商重新思考他们的设计。为了保持竞争力,有一种追求紧凑和降低制造成本的需求。直接驱动真空泵的时代即将到来。
美国制造商的v形带驱动旋转叶片油密封真空泵。
从20世纪20年代到20世纪70年代和80年代,有许多公司生产这种泵,大多数公司要么被其他公司收购,要么完全破产。以下是一些你可能听说过也可能没听说过的名字:
- Arthur F. Smith,出售给All Starr Scientific(停业)
- 中央科学公司(Cenco),卖给了Boekel, 1990年又卖给了HyVac Products(仍在生产)
- Marvac科学制造有限公司(2003年封闭真空泵部门)
- Precision Scientific,卖给GCA公司,1966年又卖给Jouan(不再生产)
- 红点公司在20世纪70年代中期停产了真空泵
- Robinair现在是SPX的一个部门,现在生产小型直接驱动泵用于空调和制冷
- W·M·韦尔奇科学公司与EH·萨金特公司合并,被托马斯工业公司收购然后又被加德纳·丹佛公司收购。Welch DuoSeal密封泵仍在生产,并已现代化。
在下一节中,我将讨论直接驱动油封旋片真空泵的发展及其设计变化。
直接驱动设计
如上所述,本文只讨论一级和两级“中真空”油封旋片真空泵,可产生约1 × 10的目录极限真空-2Torr (0.01 Torr或10微米)用于一级模型和大约1 × 103Torr (0.001 Torr或1微米)为两级模型。
较小的真空泵,如用于加热、通风和空调工业(HVAC)的真空泵,不包括在内,因为它们通常只用于间歇使用,不具备工业和科学中使用的实验室大小的连续运行真空泵的设计特点。
图1直接驱动真空泵。 |
较大的旋转叶片真空泵,需要球或滚子轴承来支持转子的重量也不包括在内。虽然他们有许多类似的功能,实验室大小的真空泵,他们也有各种各样的选择,以适应不同的应用。
上个月我们看了老设计的v形带传动油密封旋转叶片真空泵。这些泵虽然可靠,能够应对工业和科学真空应用的污染,但制造和组装是劳动密集型的,因为它们需要一个底板来安装泵、电机和驱动组件。
在这个讨论中,我忽略了一点,那就是在大多数实验室应用中,你会看到油密封真空泵放在某种托盘上。这是为了捕捉从轴封泄漏的油,防止它弄得一团糟,可能会损坏地板。这往往适用于较新的直接驱动油封真空泵以及,即使轴密封技术已经改进。真空泵通常在长凳下面,仪器后面或通风柜里,不接受应该进行的常规服务。在工业真空泵的应用中可能没有太大的不同。机器或生产线最重要的部分是生产本身,很少有人想到真空泵-如果它的工作。只有当它因为某种原因而失败时,它才会受到关注,通常是被忽视。
我必须在这里说句公道话;许多公司都有很好的维修部门,对每一件需要的设备都有例行的维修计划。如今,这个时间表通常是一个计算机程序,每天/每周的任务清单是为需要检查或操作的机器生成的。然而,根据我对商业周期的经验,当形势变得艰难时,维护计划通常是最先要减少的事情之一。工厂从常规的时间表转变为“坏了就修理”的时间表。当高的生产需求压倒了常规关闭的需要时,也可能出现这种情况。当它违反规则时,再一次修复它。
北美真空泵市场的增长
图2 DD真空泵截面。 |
在上面的章节中,我写到欧洲真空泵公司在50年代开始在北美设立办事处。这是当老爱德华兹高真空有限公司第一次冒险在这里,开始在汉密尔顿,安大略1953年左右,然后在纽约格兰德岛开设了另一个分支数年后。因此,我认为莱堡真空到达美国大约在同一时间,出口,PA。我搜索了一些莱博尔德和其他欧洲真空泵制造商到达美国的历史,但没有找到太多。1952年有一份关于阿尔卡特的资料,1962年有一份关于莱博尔德的资料。其中一个来源是一本叫做《真空技术》的月刊,是《研究与发展》杂志的一部分。它们由芝加哥的F D汤普森出版社于1962年和1963年出版。
从这些杂志上的广告和文章可以看出,真空镀膜行业是一个重要的行业。有一些美国公司提供真空镀膜机,以及一些严格提供真空泵。老爱德华兹高真空广告几乎在每一期,但没有一个真空泵,只有涂布机和冷冻干燥机。后来,他们的重点确实发生了变化,减少了真空系统,增加了真空泵。
我在这些1960年代的杂志中寻找任何直接驱动真空泵的参考资料,但发现很少。韦尔奇、肯尼、斯托克斯、中央科学公司和拉皮因科学公司都展示了VBD真空泵。Lapine Scientific公司的泵是Leybold公司生产的“真空大师”。这让我想到Leybold在当时的美国还是一个相对较新的项目。
有三家公司提到了直接驱动真空泵:
- 威斯康星州基础产品集团(Basic Products Group)旗下的Hevi-Duty公司发布了兰登水冷单级35升/米小型发动机的广告。
- CVC提供9个尺寸的两级“无振动”泵,和
- 来自纽约的标准科学供应公司(Standard Scientific Supply)提供的是“垂直设计的真空泵”。
我认为这些公司都不复存在了。
图3直接驱动泵转子和叶片。 |
到20世纪70年代,欧洲制造商都在美国有一个存在,Leybold在出口,PA开设了一个制造设施。莱博尔德(Leybold)、阿尔卡特(Alcatel)和爱德华兹(Edwards)等公司克服了不愿从离岸公司购买真空泵的心理,变得更加成功。我认为,之所以不情愿,很大程度上是因为人们意识到很难迅速获得备件,而且全国各地缺乏技术支持。Balzers和Pfeiffer等公司也在此期间在美国建立了基地。这些公司为工业和科学应用提供真空泵,也有压力表,阀门和配件,以扩大产品的范围。多年来,他们还在美国各地开设了分公司和维修中心,以更好地服务当地市场。
美国制造商对这些小型直接驱动真空泵的欧洲入侵反应迟缓。当这些欧洲公司开发出自己的设计时,它们在北美都已经站稳了脚跟。(图1)韦尔奇(Welch)、精密科学(Precision Scientific)和金尼(Kinney)等公司确实成功地生产了直驱泵,但那时他们已经失去了大量的市场份额,我认为这些份额再也没有恢复。
VBD和直接驱动真空泵的区别
从两种泵类型来看,直接驱动泵更紧凑,重量更轻。大多数早期型号都有提手,直到ISO标准将提手泵的重量限制在25公斤(55磅)左右。例如,现在爱德华兹RV3和RV5有一个搬运手柄,而RV8和RV12有一个举升眼。
第二个主要区别是,与VBD泵运行在500 rpm左右的转速,直接驱动泵有一个1750 rpm的电机。
运行速度越快,泵送速度(l/m, m3/h或cfm)越小,但也有缺点。
图4轴封设计。 |
我所熟悉的泵的早期问题之一是,英国工程师没有考虑到英国和美国之间电机转速的差异。
在英国运行转速为1450转的泵在美国运行转速为1750转时发生故障。这是考虑到第2代直接驱动泵!
泵的内部设计也必须进行修改。(图2)
更快的运行速度也使转子、定子和端面之间的表面速度更快。这意味着需要一个加压润滑系统,以确保泵的所有部分都有良好的润滑。
为了降低转子的表面速度,它被重新设计,使其直径更小,但长度更长,以保留泵的体积。(图3)
早期设计的两级泵转子要么为每级单独的转子,在它们之间有一个小型的驱动联轴器,要么为较小的泵转子为两个级。转子依赖于轴承上良好的油膜,以确保它不会实际接触定子的孔。较轻的转子“浮”在油膜上效果更好。
另一个物理变化是在叶片(叶片)区域。运行较慢的VBD泵需要钢叶片和叶片之间的弹簧,以确保叶片接触到定子的表面。运行速度更快的直接驱动泵的向心力更高,叶片可以由重量更轻的复合材料制成。后来的型号使叶片变得更长,以便相互推动,弹簧也被取消了。
早期VBD泵的轴封设计简单,经常漏油,因此在引进直驱泵后,必须对轴封进行升级。更快的速度在密封表面产生更多的热量,使用了更好的材料和创新的唇设计。我熟悉的一个轴密封有一个波浪线铸成它作为密封唇。这倾向于擦拭更广泛的区域的轴表面和减少可能性的凹槽被磨损。另一种密封设计在密封面上有一个模压的螺旋,它倾向于将油“泵”回油箱。这种密封必须选择轴旋转的方向-即它是单向的-否则它可以“泵”出油盒的油。(图4)由于缺乏注意,轴封仍然泄漏,但通常在失效前可以使用数年。
爱德华兹直接驱动泵的一种型号在泵外的密封下增加了一层厚厚的毡材料垫,以吸附轴密封泄漏的任何油。可以通过取下一个塑料侧板来检查里面是否有油。实验室泵用户认为这是一个好主意。
图5液压进气阀。 |
直接驱动泵的运行温度比旧的VBD泵高,这是真空泵油规格在多年来不断改进的部分原因。一个主要的变化是直接驱动泵的SAE30粘度油改为更稀的SAE20粘度油。
较高的运行速度的长期结果是,如果直接驱动真空泵持续使用,大约每两年需要进行一次小规模的维修。应该彻底更换阀门、密封件、o形圈和垫圈,并检查泵的内部部件是否磨损。
金属或弹性体的排气阀等产品往往会失去一些灵活性,弹性体o形环会慢慢变得更硬更脆。如果在泵停止时排气阀没有密封排气孔,油就会向下泄漏到定子空隙中。这将导致第二天启动问题,并可能导致保险丝过载或电机热保护切断。
来自轴密封的持续压力也会磨损转子轴上的凹槽。这有时可以抛光,但可能需要一个新的轴或轴套。延长这些部件寿命的另一种方法是在安装时在新的轴密封旁边插入一个合适的间隔,这将密封唇移动到轴或轴套的清洁部分。
叶片通常不会很快磨损,但可能会由于外来物质进入泵而划伤密封面。真空叶片和油泵叶片应在每次小型维修时进行检查,必要时进行更换。在一个磨损的泵,弧形密封区域也可能有一些痕迹贯穿它。不建议加工这个区域,因为它会影响油膜的间隙。如果有粗糙的毛刺,用油石轻轻擦拭一下就可以去除。
如果新叶片安装在具有弧形密封区域的泵内,新叶片可能需要数小时才能磨损。在这种情况发生之前,真空读数可能没有预期的那么好。
与VBD泵相比,直接驱动泵的最后一个优点是能够利用油压来打开和关闭泵入口的阀门。在VBD泵中,油“吸回”到真空系统的问题一直存在。许多系统会在入口上方安装一个单独的隔离阀,当泵启动时隔离阀打开,当泵关闭时隔离阀关闭。VBD泵在排气阀上方有更大的油量,因为油通过重力排到泵内进行润滑。例如,如果一个泵由于电源故障而关闭,那么泵中的油就有可能被大气压力通过泵机构推入泵入口一侧的真空管中。
加压油回路现在用于打开和关闭一个内置的进口阀门,如果泵停止导致油压降为零,该阀门将真空系统与泵内部和油完全隔离。当泵启动时,用油压液压打开进气阀,当泵停止时,弹簧将自动关闭阀门。(图5)然后允许泵内部达到大气压力。
油压可由在泵体内偏心孔内旋转的轴内的小叶片产生。这种设计要求在它的两侧有一个轴密封来密封压力。另一种方法是使用旋转电机;这是一个小齿轮内旋转齿轮轮廓。
结论
我希望这能让读者了解旋转叶片,油封机械真空泵的市场和技术在这些年来发生了怎样的变化。这种类型的真空泵仍有许多用途。像往常一样,欢迎评论和或更正。
引用:
a)美国机械真空泵的历史。作者:d·b·韦伯,来自加州阿拉莫的真空技术公司。该公司现已关闭。这篇文章在2002年真空涂布机协会年会上发表。
b)真空装置的历史。作者:Pal A. Redhead (NRC,加拿大)。
版权归Howard Tring, Tring企业有限责任公司真空和低压咨询。