【正文】 具有良好的潤滑性能。2，飽和蒸氣壓低于前級泵的飽和蒸氣壓；黏度適當，使用兼有軸承冷卻液的作用。3，黏度適當，實用兼有軸承冷卻液的作用，4，化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗氧化；5，不與水發(fā)生作用。本泵的潤滑采用高級儀表油。電動機和軸承需要冷卻。電機的冷卻，水冷比風冷效果要好。具體形式是在電機外殼纏水管。為了防止冷卻水管故障及意外事故使電機溫度過高而燒壞電機，在電機外殼上安裝溫度繼電器，使電機溫度過高時能自動斷電從而保護電機。軸承的冷卻，采用倒錐式潤滑系統(tǒng)在潤滑的同時起到冷卻的作用，所以潤滑油在循環(huán)過程中需要冷卻和過濾。軸承有三種類型，滾動軸承，磁懸浮軸承，空氣軸承。采用滾動軸承的較多，為了提高軸承壽命和運動精度，可選陶瓷軸承。本設計采用輕系列陶瓷單葉列向心推力球軸承B7012C。為提高軸承旋轉精度，減小振動并增加支撐的剛性，消除軸承的軸向游隙，軸承應預緊。上軸承的預緊力由轉子自重提供，下軸承的預緊力由彈簧提供。軸承的支承形式采用上軸承固定的形式以減小軸端的動撓度，軸承外圈加減振橡膠圈，以減少振動。電機軸端和轉子體之間用錐面無鍵聯(lián)接，這種聯(lián)接方法有同心度好，便于裝卸，重復性好，不易造成質量偏心，而且加工也比較容易等優(yōu)點。這種聯(lián)接主要是靠接觸面的摩擦力來傳遞扭拒，軸端用螺釘緊固，緊固螺釘?shù)男蚝捅玫霓D向相同，而且要求具有好的自鎖性能。常用的密封材料有金屬和橡膠兩種。由于金屬密封價格比較昂貴，且橡膠密封中的氟橡膠即可滿足要求，能應用于較高真空，故除分油環(huán)，油杯等處需耐油橡膠外，均選用氟橡膠為材料的O型密封圈。但在高真空法蘭處，內部壓力很低，需要更為有效得密封方式，所以選擇金屬刀口密封。在機械運動的各類真空泵中，分子泵是一種結構緊密，工藝要求高的泵，泵的動靜葉片的幾何形狀與抽速有很大的關系，需要特殊的工藝加工來保證葉片的尺寸和精度。同時要求轉子有很好的動平衡，動葉片應具有高強度以承受高速轉動產生的離心力，保證泵的運動可靠。銑制葉片和扭制葉片的選擇，現(xiàn)有渦輪分子泵的葉片有兩種形式：銑制和扭制。銑制葉片適用于小泵，而扭制葉片具有較高的強度以承受高速轉動產生的離心力，且實用于大泵，故本設計采用扭制葉片。由于分子泵轉速較高，屬輕載運轉，故應選比重較輕的鋁合金。鋁合金根據(jù)生產方法不同可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。鑄造鋁合金合金元素含量高，有較多的共晶體，因而鑄造性能好，但塑性底適合鑄造零件，而變形鋁合金塑性好，可通過壓力加工方法生產出板，帶，線，管，棒，型材或鍛件。熱處理可強化的變形鋁合金主要通過淬火和時效或形變熱處理來使合金強化，包括硬鋁，超硬鋁，鍛鋁，及特殊鋁。故本設計中采用塑性好的硬鋁合金LY12通過扭制而生產的葉輪葉片。材料的性能指標 彈性模量 E=73Gpa 硬度： HB=200 線膨脹系數(shù)： 比重： 抗拉強度 =470Mpa第三章 渦輪分子泵的抽氣原理與結構特性雖然分子泵是一種機械泵，但它已經擺脫了那種靠容積變化來抽氣的容積泵原理，而是靠高速運轉的剛體表面攜帶氣體分子實現(xiàn)抽氣的一種新型機械泵。通常把用高速剛體表面攜帶氣體分子按一定方向運動的現(xiàn)象稱為分子牽引。渦輪分子泵是一種高速旋轉的機械，動葉片的線速度很高，轉子的轉速一般為200～1200r/s。渦輪分子泵具有如下一些特點[5]：（1）能夠連續(xù)排氣（2）容易獲得清潔的超高真空（3）被抽氣體的種類對泵的抽速影響不大（4）操作與保養(yǎng)簡便，維修周期長（5）起動、停車時間短（6）振動小、噪音低渦輪分子泵是以高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現(xiàn)抽氣的。這種泵的極限壓力可以達到109Pa以下，對油蒸汽等高分子量氣體的壓縮比很高，幾乎可以達到測不出的程度。因而殘余氣體中油蒸汽的分壓力很低，可以獲得清潔無油的超高真空。在渦輪分子泵內裝有許多輪葉，每一輪葉上有許多斜置葉片。輪葉轉動時有電風扇輪葉類似的作用，能將氣體從一方抽向另一方。研究渦輪分子泵的抽氣原理時，首先研究單級轉子葉列的抽氣特性。，葉片是彼此平行的很長的平板，轉子葉片將空間分割成空間①和空間②。葉片的幾何形狀和尺寸用三個參數(shù)表示：槽間隙a，弦長b，槽平面與輪葉平面的夾角α，葉片的厚度t遠小于節(jié)距a，故可略去不計。經過葉列的氣體分子的平均自由程遠遠大于葉列通道的幾何尺寸，氣體分子以麥克斯韋速度分布，以平均熱運動速度運動，在葉列上吸附及解吸遵守余弦定律，在半徑方向上葉片的運動速度認為是常量ū[11]。氣體葉片從空間①經葉片通道進入空間②的通過幾率為M12。從A1A1面的左側入射的氣體分子進入②側的通過幾率大于從A2A2面入射的氣體分子通過到①的通過幾率M21。轉子的運動速度ū，其運動方向如圖所示。在空間①和空間②內的氣體分布速度如圖(b)和(c)所示。，但僅一半的速度矢量是朝向A1A1面和A2A2面的。氣體分子都以相同的平均熱運動速度C運動，為簡化起見，令ū=C，如果我們站在動葉列上觀察兩側氣體分子的相對速度分布，則如圖的(d)和(e)所示的形式。，A/，A/。從左側①入射到表面元dA1上的氣體分子其速度分布如圖的d所示。在與兩個葉片面成β1的扇形空間，氣體分子可自由地通過葉片通道。，所對應的β1角稍有些不同?？蓮膱D的(d)和(a)另取，在A/，其入射氣體分子的入射角度β2，沒有一個氣體分子從右邊向左邊自由地飛過K區(qū)的。因此從葉片運動的觀點看，由①向②自由飛過K區(qū)的通過幾率大于①向②自由飛過K區(qū)的通過幾率，即M12freeM12free[11]。 渦輪分子泵的抽氣原理圖。因而，這些氣體分子將被吸附在壁上停留一段時間被解吸，各向同性的向半空間發(fā)射，因為葉片表面的溫度與氣體分子的溫度相同，所以發(fā)射的氣體分子的熱運動速度為C。從特殊的表面元dA3（dA3的選取面對于A/，A/）上解吸的氣體分子入射到①側和入射到②側的幾率是相等的（，A/，）。從葉片的幾何關系看，對dA3右邊的所有表面元對②側的張角總是大于對①側的（γ2γ1）。因為dA3左側的單元數(shù)少于右側的單元數(shù)，因此由壁面上解吸的氣體分子朝向②側的要大于朝向①側的。同樣得知對A/，但粒子的數(shù)目也是逐漸減少了?？偟目磥韽谋谏辖馕臍怏w分子進入②側的粒子數(shù)大于進入①側的粒子數(shù)。因為解吸的粒子還可能入射到相對的葉片壁上再被吸附和解吸，最后傳輸?shù)舰賯然颌趥鹊牧Ｗ硬皇秋@而易見的,只能從大量的計算中才能得到【11】。用何氏系數(shù)表征葉列的抽速，當槽的間隙a與b之比a/b=，在計算機上用蒙特卡羅方法，可以得到單葉列、零流量時的壓縮比和單位壓縮比下的何氏系數(shù)與速率比（輪葉的線速率與氣體分子最可幾速率之比）的關系。 單葉列最大何氏系數(shù)、壓縮比與速率比之間的關系在一般情況下，輪葉轉速所能達到的速率比值一般小于2（對常遇氣體）。由圖可見，在這范圍內，隨著轉速的增加，輪葉的何氏系數(shù)和壓縮比均有顯著的增加，這相當于氣體分子中有更多的分子直接進入由空間1進入空間2，以及以較接近于切向速率的方向與輪葉相碰撞。隨著葉面角的增加，在同一速率比值下壓縮比有所減少，而對何氏系數(shù)則以α為30176?！?0176。最佳。由于一個輪葉所能得到的壓縮比有限，實際泵是由數(shù)十個裝于同一個轉軸上的葉列組成轉子、定子、轉子、定子，……，葉列是幾何相似的，而且轉子葉列槽的方向與定轉子葉列槽的方向恰好相反，通常選擇不同幾何參數(shù)的葉列組成高、中、低三個抽氣段，高段以提高抽速為目的，低段以提高壓縮比為目的，而中段是高、低段的過渡階段，既考慮適當?shù)某樗儆旨骖檳嚎s比的過渡達到合理的匹配，以適應流量Q=sp=常數(shù)的要求。泵的級數(shù)是由泵要求的壓縮比來確定的，一般渦輪分子泵都有15～31級葉列[11]。 渦輪分子泵結構示意圖靜止葉列的作用如下。氣體分子經第一個動輪葉作用后，除了少數(shù)未與葉片相碰直接飛過去的外，大部分與動輪葉碰撞并獲得接近于輪葉的切向速率。這些分子如果直接進入第二個動輪葉，由于它們與動輪葉之間幾乎沒有相對速率，因此動輪葉對它們就不起作用。如果它們進入靜輪葉，因兩者有相對速率，就能發(fā)生碰撞并有往下飛行的速度分量。實際上，運動的氣流對于靜輪葉之間的關系，與靜止的氣流與動輪葉之間的關系，情況是類似的。因此夾于動輪葉之間的靜輪葉同樣具有抽氣效果[1]。多極葉列的抽氣性能的計算問題可以得到簡化，在葉列之間向左向右流動的氣體分子是不符合麥克斯韋速度分布的，然而按麥氏速度分布計算其誤差不大，因此便將葉列按麥氏分布得到的傳輸幾率的結果，用來表示渦輪分子泵串聯(lián)葉列的傳輸幾率。對于定子葉列可以用對轉子葉列相同的辦法進行計算。通常渦輪分子泵的第一級葉輪為轉子葉列，而最末一級葉輪也是轉子葉列，每一級葉列都發(fā)揮應有的抽氣作用。多級葉列首先應注意的問題是如何去選擇這些組成多級泵的單葉列的幾何尺寸和形狀，從上述的單葉列的抽氣特性的結果看出，幾何形狀不同的葉片其抽氣特性是不同的。因此，在多級葉列組合時，在泵的吸入側應選擇抽速大的葉片形狀，其壓縮比可相對小一些，即可以選擇節(jié)弦比和傾角均大的葉片形狀，抽氣級的葉片特點是齒長、厚，齒數(shù)少，在經幾級葉列壓縮之后，壓力增大，抽速下降，這時應該選擇那種壓縮比高抽速低的葉片形狀，即節(jié)弦比和傾角相對較小的，其特點是齒短、薄，齒數(shù)多，這樣安排葉列，整個渦輪分子泵的抽氣性能就會得到抽速高，壓縮比大，級數(shù)少的結果。若想提高葉列的抽速，α、S0的值應選大些，葉列的幾何參數(shù)應選a/b≥，α=300～400，若想提高壓縮比，α、S0應選小些，則應選a/b=，α=100～200。葉片的速度比C1值越高，葉列的抽氣性能越好，但由于葉列受強度和摩擦生熱的限制，C1值不能選的太高，一般來說，C1≤[11]。分子泵屬于高速旋轉的精密儀器，同時它又是利用渦輪高速運動改變分子運動方向的物理儀器，因此，分子泵的回轉系統(tǒng)的特性決定了它的主要性能和技術水平?；剞D系的渦輪轉子又是回轉系的主要組成部分，渦輪轉子對高速旋轉和改變分子運動方向的影響主要體現(xiàn)在剛性、慣性、強度、表面粗糙度、材質和抽速、壓縮比等方面。在材質選定、抽速和壓縮比設計確定以后，渦輪轉子的剛性、慣性、強度、表面粗糙度等主要決定于制造方法、工藝技術和工藝裝備。 渦輪分子泵的壽命和可靠性也是不容忽視的問題。振動對渦輪分子泵性能產生很大影響，動載荷過大造成的故障可能是由于內部或外部的振動而引起的，內部振動通常是不平衡而造成的。因此渦輪分子泵轉子裝配后要進行精密的動平衡試驗。因為轉子的轉速很高，造成偏心質量的離心力過大，從而軸承的動負荷顯著下降，有些產品要求轉子的許可的不平衡量D為： D=（gcm） （21）式中：m轉子的質量g；n轉子的轉速r/min過大的靜載荷很容易避免，對可靠性影響不大。當泵受到污染，有顆粒物或腐蝕存在時，軸承首先遭到損壞。為了避免污染造成的故障，要有良好的，符合真空衛(wèi)生要求的加工、裝配環(huán)境[12]。本課題研究的兩款渦輪分子泵分別是機械軸承型和磁懸浮型渦輪分子泵，這里著重對這兩種泵的結構特性作以介紹。渦輪分子泵大都由4部分組成，即帶有進氣口法蘭的泵殼，包括動輪葉和靜輪葉的渦輪排，由中頻電機和潤滑油循環(huán)系統(tǒng)構成的驅動裝置，裝置著泵內其他零件的泵座。驅動動輪葉的中頻電機置于泵內高壓強區(qū)。機械軸承型渦輪分子泵多采用油潤滑的球軸承和橡膠圈減震的支承結構，根據(jù)軸承的使用壽命和潤滑油的變質情況進行定期的維護和保養(yǎng)，此結構有油向高真空擴散的問題。據(jù)統(tǒng)計機械軸承型渦輪分子泵90%的故障是來自軸承的損壞，渦輪分子泵上的球軸承是造成故障的主要原因，提高渦輪分子泵的可靠性，必須消除球軸承出現(xiàn)的故障。球軸承的故障有幾個方面：（1）潤滑油膜遭到破壞。（2）在脂潤滑的球軸承中載荷過大使?jié)櫥ぴ獾狡茐膶е聺L道和鋼球很快磨損，對可靠性影響很大。陶瓷軸承也不能從根本上解決潤滑不足造成不必要的磨損。（3）受到污染。（4）潤滑介質老化和耗損。：在左圖中，有油潤滑系統(tǒng)的渦輪分子泵中，油從油泵注入軸承，然后回流到油池中，經過金屬網(wǎng)過濾再重新進入軸承中，分子泵內的雜質顆粒物被油沖洗，進而被過濾器捕獲，可以清除顆粒物對軸承的損害，易維護，延長泵的使用壽命，運行成本低。另外油還可作為冷卻劑起到散熱作用。右圖的脂潤滑的封閉式軸承中，只有少量的潤滑介質，有較多的顆粒物積留在潤滑脂中，造成潤滑效果差，軸承損壞[32]?；肿颖玫膬?yōu)點是可任意位置安裝。 油潤滑與脂潤滑系統(tǒng)示意圖在熱核反應裝置上使用的渦輪分子泵，常采用氣體靜壓軸承，如采用油潤滑的軸承，氚會引起油變質。若用磁懸浮軸承，在有強磁場存在的環(huán)境里，維持渦輪分子泵穩(wěn)定運行是困難的。渦輪分子泵在強磁場環(huán)境中運行，泵的轉子會因渦流發(fā)熱并引起轉速下降，故采用不受磁場干擾的氣體靜壓軸承系統(tǒng)和氣體渦輪驅動系統(tǒng)。磁懸浮渦輪分子泵為立式，并采用了磁懸浮軸承，磁懸浮轉子系統(tǒng)主要是由徑向磁力軸承、軸向磁力軸承、保護軸承、轉子、傳感器、功率放大器、控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。各組成部分必須協(xié)調工作，才能保證轉子穩(wěn)定高速旋轉。由于磁懸浮轉子系統(tǒng)是一個帶有控制器的多自由度系統(tǒng)，采用了位移傳感器和控制器等環(huán)節(jié)，因此，整個系統(tǒng)的研制和設計過程涉及諸多理論和領域，如動力學和振動理論、電磁場理論、電子電路、信號檢測與分析和計算機控制等。磁力軸承[30]磁懸浮技術發(fā)展而產生的一種高性能機電一體化軸承，它是利用電磁力來支承運動部件使其與固定部件脫離接觸而實現(xiàn)無機械接觸的新型高性能軸承。磁力軸承按工作原理可分為三類：主動磁力軸承（Active Magnetic Bearing簡稱AMB）、被動磁力軸承（Passive Magnetic Bearing簡稱PMB）、混合磁力軸承（Hybrid Magnetic Bearing簡稱HMB）。主動磁力軸承按支承方式的不同分為徑向AMB圖（）和軸向AMB（）[6]。 徑向AMB結構 軸向AMB結構主動磁力軸承是利用電磁力將轉子懸浮起來，它主要由轉子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器組成。被動磁力軸承沒有主動電子控制系統(tǒng)，它是利用磁場本