【正文】 具有良好的潤(rùn)滑性能。2，飽和蒸氣壓低于前級(jí)泵的飽和蒸氣壓；黏度適當(dāng)，使用兼有軸承冷卻液的作用。3，黏度適當(dāng)，實(shí)用兼有軸承冷卻液的作用，4，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗氧化；5，不與水發(fā)生作用。本泵的潤(rùn)滑采用高級(jí)儀表油。電動(dòng)機(jī)和軸承需要冷卻。電機(jī)的冷卻，水冷比風(fēng)冷效果要好。具體形式是在電機(jī)外殼纏水管。為了防止冷卻水管故障及意外事故使電機(jī)溫度過高而燒壞電機(jī)，在電機(jī)外殼上安裝溫度繼電器，使電機(jī)溫度過高時(shí)能自動(dòng)斷電從而保護(hù)電機(jī)。軸承的冷卻，采用倒錐式潤(rùn)滑系統(tǒng)在潤(rùn)滑的同時(shí)起到冷卻的作用，所以潤(rùn)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(dòng)軸承，磁懸浮軸承，空氣軸承。采用滾動(dòng)軸承的較多，為了提高軸承壽命和運(yùn)動(dòng)精度，可選陶瓷軸承。本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)精度，減小振動(dòng)并增加支撐的剛性，消除軸承的軸向游隙，軸承應(yīng)預(yù)緊。上軸承的預(yù)緊力由轉(zhuǎn)子自重提供，下軸承的預(yù)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(dòng)撓度，軸承外圈加減振橡膠圈，以減少振動(dòng)。電機(jī)軸端和轉(zhuǎn)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(fù)性好，不易造成質(zhì)量偏心，而且加工也比較容易等優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)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(jià)格比較昂貴，且橡膠密封中的氟橡膠即可滿足要求，能應(yīng)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(nèi)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的各類真空泵中，分子泵是一種結(jié)構(gòu)緊密，工藝要求高的泵，泵的動(dòng)靜葉片的幾何形狀與抽速有很大的關(guān)系，需要特殊的工藝加工來保證葉片的尺寸和精度。同時(shí)要求轉(zhuǎn)子有很好的動(dòng)平衡，動(dòng)葉片應(yīng)具有高強(qiáng)度以承受高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，保證泵的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度以承受高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，且實(shí)用于大泵，故本設(shè)計(jì)采用扭制葉片。由于分子泵轉(zhuǎn)速較高，屬輕載運(yùn)轉(zhuǎn)，故應(yīng)選比重較輕的鋁合金。鋁合金根據(jù)生產(chǎn)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(chǎn)出板，帶，線，管，棒，型材或鍛件。熱處理可強(qiáng)化的變形鋁合金主要通過淬火和時(shí)效或形變熱處理來使合金強(qiáng)化，包括硬鋁，超硬鋁，鍛鋁，及特殊鋁。故本設(shè)計(jì)中采用塑性好的硬鋁合金LY12通過扭制而生產(chǎn)的葉輪葉片。材料的性能指標(biāo) 彈性模量 E=73Gpa 硬度： HB=200 線膨脹系數(shù)： 比重： 抗拉強(qiáng)度 =470Mpa第三章 渦輪分子泵的抽氣原理與結(jié)構(gòu)特性雖然分子泵是一種機(jī)械泵，但它已經(jīng)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(yùn)轉(zhuǎn)的剛體表面攜帶氣體分子實(shí)現(xiàn)抽氣的一種新型機(jī)械泵。通常把用高速剛體表面攜帶氣體分子按一定方向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為分子牽引。渦輪分子泵是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，動(dòng)葉片的線速度很高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般為200～1200r/s。渦輪分子泵具有如下一些特點(diǎn)[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(duì)泵的抽速影響不大（4）操作與保養(yǎng)簡(jiǎn)便，維修周期長(zhǎng)（5）起動(dòng)、停車時(shí)間短（6）振動(dòng)小、噪音低渦輪分子泵是以高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片和靜止的定葉片相互配合來實(shí)現(xiàn)抽氣的。這種泵的極限壓力可以達(dá)到109Pa以下，對(duì)油蒸汽等高分子量氣體的壓縮比很高，幾乎可以達(dá)到測(cè)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(nèi)裝有許多輪葉，每一輪葉上有許多斜置葉片。輪葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有電風(fēng)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(shí)，首先研究單級(jí)轉(zhuǎn)子葉列的抽氣特性。，葉片是彼此平行的很長(zhǎng)的平板，轉(zhuǎn)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(gè)參數(shù)表示：槽間隙a，弦長(zhǎng)b，槽平面與輪葉平面的夾角α，葉片的厚度t遠(yuǎn)小于節(jié)距a，故可略去不計(jì)。經(jīng)過葉列的氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)速度認(rèn)為是常量ū[11]。氣體葉片從空間①經(jīng)葉片通道進(jìn)入空間②的通過幾率為M12。從A1A1面的左側(cè)入射的氣體分子進(jìn)入②側(cè)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(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)速度ū，其運(yùn)動(dòng)方向如圖所示。在空間①和空間②內(nèi)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(yùn)動(dòng)速度C運(yùn)動(dòng)，為簡(jiǎn)化起見，令ū=C，如果我們站在動(dòng)葉列上觀察兩側(cè)氣體分子的相對(duì)速度分布，則如圖的(d)和(e)所示的形式。，A/，A/。從左側(cè)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(gè)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(duì)應(yīng)的β1角稍有些不同。可從圖的(d)和(a)另取，在A/，其入射氣體分子的入射角度β2，沒有一個(gè)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(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)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(shí)間被解吸，各向同性的向半空間發(fā)射，因?yàn)槿~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(yùn)動(dòng)速度為C。從特殊的表面元dA3（dA3的選取面對(duì)于A/，A/）上解吸的氣體分子入射到①側(cè)和入射到②側(cè)的幾率是相等的（，A/，）。從葉片的幾何關(guān)系看，對(duì)dA3右邊的所有表面元對(duì)②側(cè)的張角總是大于對(duì)①側(cè)的（γ2γ1）。因?yàn)閐A3左側(cè)的單元數(shù)少于右側(cè)的單元數(shù)，因此由壁面上解吸的氣體分子朝向②側(cè)的要大于朝向①側(cè)的。同樣得知對(duì)A/，但粒子的數(shù)目也是逐漸減少了。總的看來從壁上解吸的氣體分子進(jìn)入②側(cè)的粒子數(shù)大于進(jìn)入①側(cè)的粒子數(shù)。因?yàn)榻馕牧Ｗ舆€可能入射到相對(duì)的葉片壁上再被吸附和解吸，最后傳輸?shù)舰賯?cè)或②側(cè)的粒子不是顯而易見的,只能從大量的計(jì)算中才能得到【11】。用何氏系數(shù)表征葉列的抽速，當(dāng)槽的間隙a與b之比a/b=，在計(jì)算機(jī)上用蒙特卡羅方法，可以得到單葉列、零流量時(shí)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(guān)系。 單葉列最大何氏系數(shù)、壓縮比與速率比之間的關(guān)系在一般情況下，輪葉轉(zhuǎn)速所能達(dá)到的速率比值一般小于2（對(duì)常遇氣體）。由圖可見，在這范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)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(dāng)于氣體分子中有更多的分子直接進(jìn)入由空間1進(jìn)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(duì)何氏系數(shù)則以α為30176?！?0176。最佳。由于一個(gè)輪葉所能得到的壓縮比有限，實(shí)際泵是由數(shù)十個(gè)裝于同一個(gè)轉(zhuǎn)軸上的葉列組成轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)子、定子，……，葉列是幾何相似的，而且轉(zhuǎn)子葉列槽的方向與定轉(zhuǎn)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(gè)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(dāng)?shù)某樗儆旨骖檳嚎s比的過渡達(dá)到合理的匹配，以適應(yīng)流量Q=sp=常數(shù)的要求。泵的級(jí)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(jí)葉列[11]。 渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖靜止葉列的作用如下。氣體分子經(jīng)第一個(gè)動(dòng)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(dòng)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(jìn)入第二個(gè)動(dòng)輪葉，由于它們與動(dòng)輪葉之間幾乎沒有相對(duì)速率，因此動(dòng)輪葉對(duì)它們就不起作用。如果它們進(jìn)入靜輪葉，因兩者有相對(duì)速率，就能發(fā)生碰撞并有往下飛行的速度分量。實(shí)際上，運(yùn)動(dòng)的氣流對(duì)于靜輪葉之間的關(guān)系，與靜止的氣流與動(dòng)輪葉之間的關(guān)系，情況是類似的。因此夾于動(dòng)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(jì)算問題可以得到簡(jiǎn)化，在葉列之間向左向右流動(dòng)的氣體分子是不符合麥克斯韋速度分布的，然而按麥?zhǔn)纤俣确植加?jì)算其誤差不大，因此便將葉列按麥?zhǔn)戏植嫉玫降膫鬏攷茁实慕Y(jié)果，用來表示渦輪分子泵串聯(lián)葉列的傳輸幾率。對(duì)于定子葉列可以用對(duì)轉(zhuǎn)子葉列相同的辦法進(jìn)行計(jì)算。通常渦輪分子泵的第一級(jí)葉輪為轉(zhuǎn)子葉列，而最末一級(jí)葉輪也是轉(zhuǎn)子葉列，每一級(jí)葉列都發(fā)揮應(yīng)有的抽氣作用。多級(jí)葉列首先應(yīng)注意的問題是如何去選擇這些組成多級(jí)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(jié)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(jí)葉列組合時(shí)，在泵的吸入側(cè)應(yīng)選擇抽速大的葉片形狀，其壓縮比可相對(duì)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(jí)的葉片特點(diǎn)是齒長(zhǎng)、厚，齒數(shù)少，在經(jīng)幾級(jí)葉列壓縮之后，壓力增大，抽速下降，這時(shí)應(yīng)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(duì)較小的，其特點(diǎn)是齒短、薄，齒數(shù)多，這樣安排葉列，整個(gè)渦輪分子泵的抽氣性能就會(huì)得到抽速高，壓縮比大，級(jí)數(shù)少的結(jié)果。若想提高葉列的抽速，α、S0的值應(yīng)選大些，葉列的幾何參數(shù)應(yīng)選a/b≥，α=300～400，若想提高壓縮比，α、S0應(yīng)選小些，則應(yīng)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(qiáng)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(zhuǎn)的精密儀器，同時(shí)它又是利用渦輪高速運(yùn)動(dòng)改變分子運(yùn)動(dòng)方向的物理儀器，因此，分子泵的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的特性決定了它的主要性能和技術(shù)水平?；剞D(zhuǎn)系的渦輪轉(zhuǎn)子又是回轉(zhuǎn)系的主要組成部分，渦輪轉(zhuǎn)子對(duì)高速旋轉(zhuǎn)和改變分子運(yùn)動(dòng)方向的影響主要體現(xiàn)在剛性、慣性、強(qiáng)度、表面粗糙度、材質(zhì)和抽速、壓縮比等方面。在材質(zhì)選定、抽速和壓縮比設(shè)計(jì)確定以后，渦輪轉(zhuǎn)子的剛性、慣性、強(qiáng)度、表面粗糙度等主要決定于制造方法、工藝技術(shù)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(dòng)對(duì)渦輪分子泵性能產(chǎn)生很大影響，動(dòng)載荷過大造成的故障可能是由于內(nèi)部或外部的振動(dòng)而引起的，內(nèi)部振動(dòng)通常是不平衡而造成的。因此渦輪分子泵轉(zhuǎn)子裝配后要進(jìn)行精密的動(dòng)平衡試驗(yàn)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，造成偏心質(zhì)量的離心力過大，從而軸承的動(dòng)負(fù)荷顯著下降，有些產(chǎn)品要求轉(zhuǎn)子的許可的不平衡量D為： D=（gcm） （21）式中：m轉(zhuǎn)子的質(zhì)量g；n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速r/min過大的靜載荷很容易避免，對(duì)可靠性影響不大。當(dāng)泵受到污染，有顆粒物或腐蝕存在時(shí)，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(jī)械軸承型和磁懸浮型渦輪分子泵，這里著重對(duì)這兩種泵的結(jié)構(gòu)特性作以介紹。渦輪分子泵大都由4部分組成，即帶有進(jìn)氣口法蘭的泵殼，包括動(dòng)輪葉和靜輪葉的渦輪排，由中頻電機(jī)和潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)裝置，裝置著泵內(nèi)其他零件的泵座。驅(qū)動(dòng)動(dòng)輪葉的中頻電機(jī)置于泵內(nèi)高壓強(qiáng)區(qū)。機(jī)械軸承型渦輪分子泵多采用油潤(rùn)滑的球軸承和橡膠圈減震的支承結(jié)構(gòu)，根據(jù)軸承的使用壽命和潤(rùn)滑油的變質(zhì)情況進(jìn)行定期的維護(hù)和保養(yǎng)，此結(jié)構(gòu)有油向高真空擴(kuò)散的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)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(gè)方面：（1）潤(rùn)滑油膜遭到破壞。（2）在脂潤(rùn)滑的球軸承中載荷過大使?jié)櫥ぴ獾狡茐膶?dǎo)致滾道和鋼球很快磨損，對(duì)可靠性影響很大。陶瓷軸承也不能從根本上解決潤(rùn)滑不足造成不必要的磨損。（3）受到污染。（4）潤(rùn)滑介質(zhì)老化和耗損。：在左圖中，有油潤(rùn)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(jīng)過金屬網(wǎng)過濾再重新進(jìn)入軸承中，分子泵內(nèi)的雜質(zhì)顆粒物被油沖洗，進(jìn)而被過濾器捕獲，可以清除顆粒物對(duì)軸承的損害，易維護(hù)，延長(zhǎng)泵的使用壽命，運(yùn)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(rùn)滑的封閉式軸承中，只有少量的潤(rùn)滑介質(zhì)，有較多的顆粒物積留在潤(rùn)滑脂中，造成潤(rùn)滑效果差，軸承損壞[32]?；肿颖玫膬?yōu)點(diǎn)是可任意位置安裝。 油潤(rùn)滑與脂潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖在熱核反應(yīng)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(rùn)滑的軸承，氚會(huì)引起油變質(zhì)。若用磁懸浮軸承，在有強(qiáng)磁場(chǎng)存在的環(huán)境里，維持渦輪分子泵穩(wěn)定運(yùn)行是困難的。渦輪分子泵在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)行，泵的轉(zhuǎn)子會(huì)因渦流發(fā)熱并引起轉(zhuǎn)速下降，故采用不受磁場(chǎng)干擾的氣體靜壓軸承系統(tǒng)和氣體渦輪驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)子系統(tǒng)主要是由徑向磁力軸承、軸向磁力軸承、保護(hù)軸承、轉(zhuǎn)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(diào)工作，才能保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定高速旋轉(zhuǎn)。由于磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的研制和設(shè)計(jì)過程涉及諸多理論和領(lǐng)域，如動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)理論、電磁場(chǎng)理論、電子電路、信號(hào)檢測(cè)與分析和計(jì)算機(jī)控制等。磁力軸承[30]磁懸浮技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種高性能機(jī)電一體化軸承，它是利用電磁力來支承運(yùn)動(dòng)部件使其與固定部件脫離接觸而實(shí)現(xiàn)無機(jī)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(dòng)磁力軸承（Active Magnetic Bearing簡(jiǎn)稱AMB）、被動(dòng)磁力軸承（Passive Magnetic Bearing簡(jiǎn)稱PMB）、混合磁力軸承（Hybrid Magnetic Bearing簡(jiǎn)稱HMB）。主動(dòng)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(jié)構(gòu) 軸向AMB結(jié)構(gòu)主動(dòng)磁力軸承是利用電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮起來，它主要由轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器組成。被動(dòng)磁力軸承沒有主動(dòng)電子控制系統(tǒng)，它是利用磁場(chǎng)本