基于對(duì)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)資料的學(xué)習(xí)和作者多年研究工作的總結(jié)，本文回顧了當(dāng)前關(guān)于無(wú)油螺桿真空泵中螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)思路與方法，從轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的幾何學(xué)計(jì)算、常用轉(zhuǎn)子型線的構(gòu)成、等螺距與變螺距的螺旋展開(kāi)方式、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡設(shè)計(jì)方法等幾方面，進(jìn)行了詳細(xì)的綜述；選擇介紹在國(guó)內(nèi)有產(chǎn)品銷售的六款采用特殊結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子的外國(guó)螺桿泵產(chǎn)品，對(duì)其轉(zhuǎn)子特點(diǎn)進(jìn)行了分析。針對(duì)干式泵在應(yīng)用領(lǐng)域所面臨的新挑戰(zhàn)，本文還提出了基于氣體熱力過(guò)程分析的螺桿泵專屬設(shè)計(jì)新理念和采用通用泵體和專屬轉(zhuǎn)子的螺桿泵生產(chǎn)新方法，并展望由此可能帶來(lái)的新變化。

　　國(guó)內(nèi)真空行業(yè)的專家學(xué)者很早就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，無(wú)油螺桿真空泵是一種具有廣闊應(yīng)用前景和巨大市場(chǎng)潛力的干式真空泵。因?yàn)樽鳛橐环N直排大氣的低真空泵，與旋片泵、滑閥泵等傳統(tǒng)油封泵相比，螺桿泵具有無(wú)油污染、排除水蒸氣和固體粉塵顆粒能力強(qiáng)等特點(diǎn)；與水環(huán)泵等液封泵相比，螺桿泵具有真空度高、能耗低、抽除可溶性蒸汽時(shí)無(wú)廢液產(chǎn)生的特點(diǎn)；與爪式泵、多級(jí)羅茨泵、渦旋泵等其它干式真空泵相比，螺桿泵具有抽速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抽氣腔元件無(wú)摩擦、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

　　目前，螺桿泵已被成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體、醫(yī)藥、食品、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域，所占真空泵市場(chǎng)份額逐年上升。然而，我國(guó)目前僅有十余家生產(chǎn)單位能夠提供國(guó)產(chǎn)螺桿真空泵定型產(chǎn)品，且主要面向低端市場(chǎng)，外國(guó)的螺桿泵產(chǎn)品依然占據(jù)著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。這一格局與其它種類真空泵有很大不同，充分說(shuō)明我國(guó)的螺桿真空泵生產(chǎn)能力和水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)真空泵應(yīng)用市場(chǎng)的需求。同時(shí)，這一現(xiàn)狀也備受國(guó)內(nèi)真空行業(yè)的關(guān)注，并極大地激發(fā)了國(guó)內(nèi)真空泵生產(chǎn)企業(yè)的開(kāi)發(fā)熱情，目前國(guó)內(nèi)已有一些真空泵生產(chǎn)廠家開(kāi)始致力于螺桿真空泵的開(kāi)發(fā)研制與生產(chǎn)銷售，使螺桿泵的研發(fā)工作成為國(guó)內(nèi)真空泵行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿真空泵中最關(guān)鍵的抽氣部件，直接決定著泵的工作性能和使用壽命，其加工制造成本約占整個(gè)螺桿泵總成本近一半。螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與制造則是整個(gè)螺桿泵生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是國(guó)內(nèi)各企業(yè)開(kāi)發(fā)、研制螺桿真空泵過(guò)程中所普遍面臨的技術(shù)難題。由于螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)理論尚不夠成熟，且有技術(shù)保密因素，致使關(guān)于螺桿真空泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的公開(kāi)資料十分稀少。國(guó)內(nèi)不同單位中從事螺桿真空泵開(kāi)發(fā)研制的研究學(xué)者和技術(shù)人員，大多是從最基礎(chǔ)原理出發(fā)，開(kāi)展研究工作，發(fā)現(xiàn)和解決開(kāi)發(fā)工作中所遇到的一個(gè)個(gè)技術(shù)難題，制約了國(guó)內(nèi)螺桿真空泵開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的速度與水平的提高。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，本文作者在學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)資料和總結(jié)課題組多年研究成果經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，嘗試回顧總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)理念，介紹最基本的相關(guān)概念與設(shè)計(jì)方法，并對(duì)未來(lái)螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)方法提出新的設(shè)想和展望，以期對(duì)國(guó)內(nèi)螺桿真空泵的開(kāi)發(fā)和研究工作有所幫助。

1、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的幾何學(xué)計(jì)算

　　關(guān)于螺桿真空泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的最基本幾何學(xué)計(jì)算，涉及其幾何抽速、吸排氣壓縮比和動(dòng)平衡設(shè)計(jì)。

　　1.1、抽速計(jì)算

　　螺桿泵的名義抽速計(jì)算公式為

　　式中：η 為泵的抽氣效率，是一個(gè)小于1 的系數(shù)。由于螺桿泵內(nèi)部沒(méi)有液體密封，泵內(nèi)的級(jí)間返流泄漏十分嚴(yán)重，所以與其它傳統(tǒng)容積式真空泵相比，其抽氣效率要低得多。St 為泵的幾何抽速，或稱理論抽速，單位取m³/s 或L/s。n 為螺桿的轉(zhuǎn)速，單位取r/min。Vin 為單一螺桿轉(zhuǎn)子的齒間有效吸氣容積，單位取為m³，考慮螺桿真空泵大多是采用雙螺桿，所以式中乘以系數(shù)2。對(duì)于端面型線形狀尺寸沿軸向保持不變的螺桿轉(zhuǎn)子，Vin 可表示為

　　其中Ae 為單一螺桿轉(zhuǎn)子的有效抽氣面積，單位取為m²；Lin 是對(duì)應(yīng)泵吸氣口結(jié)束點(diǎn)之后第一個(gè)螺旋導(dǎo)程的長(zhǎng)度，單位取為m。

　　1.2、壓縮比計(jì)算

　　螺桿泵的吸排氣壓縮比κ 取決于螺桿轉(zhuǎn)子螺旋導(dǎo)程的變化，可表示為

　　其中Vout 為單一螺桿轉(zhuǎn)子的齒間排氣容積，單位取為m³；Lout 是轉(zhuǎn)子排氣端面前一個(gè)螺旋導(dǎo)程的長(zhǎng)度，單位取為m。

　　1.3、動(dòng)平衡計(jì)算

　　目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)與應(yīng)用的無(wú)油螺桿真空泵，大多數(shù)采用單頭螺桿轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子的共同特征是其端面型線的形心遠(yuǎn)離其回轉(zhuǎn)軸線，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。因此，在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)階段，就必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行專門的動(dòng)平衡計(jì)算，以消除其不平衡量。剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)力平衡的條件是要求回轉(zhuǎn)體的整體質(zhì)心處于回轉(zhuǎn)軸之上，以及要求回轉(zhuǎn)體對(duì)垂直于回轉(zhuǎn)軸的二坐標(biāo)軸的慣性積為零，二者的數(shù)學(xué)表達(dá)形式分別為：

　　式中，ex 和ey 分別對(duì)應(yīng)為轉(zhuǎn)子在x 軸和y 軸方向的質(zhì)心坐標(biāo)；Iyz 和Izx 分別為轉(zhuǎn)子對(duì)y-z 軸和z-x 軸的慣性積；坐標(biāo)系的z 軸沿轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)軸線，所有積分都是對(duì)轉(zhuǎn)子體的全部質(zhì)量m 進(jìn)行。關(guān)于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的方法，后文還有論述。

2、螺桿轉(zhuǎn)子型線

　　毋庸置疑，螺桿轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計(jì)與加工是無(wú)油螺桿真空泵的最關(guān)鍵技術(shù)訣竅之一，幾乎所有生產(chǎn)廠家都將其作為頭等技術(shù)機(jī)密加以專利保護(hù)或秘不示人，也是所有新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員所面臨的首要設(shè)計(jì)難題。

　　螺桿真空泵的工作原理脫胎于在其出現(xiàn)前已經(jīng)技術(shù)成熟的螺桿氣體壓縮機(jī)和螺桿液體輸送泵。螺桿真空泵中螺桿轉(zhuǎn)子的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念也是由這兩種產(chǎn)品衍化而來(lái)。盡管螺桿真空泵輸送的介質(zhì)與螺桿氣體壓縮機(jī)相同，但其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式卻更接近于螺桿液體輸送泵中的螺桿轉(zhuǎn)子。至今為止，多數(shù)螺桿真空泵的定型產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子均采用單頭自嚙合型線結(jié)構(gòu)。所謂“自嚙合”屬性，就是主從螺桿轉(zhuǎn)子采用完全相同的端面型線，這一點(diǎn)與螺桿氣體壓縮機(jī)有很大不同而與螺桿液體輸送泵類似。

　　2.1、端面型線、軸面型線與法面型線

　　依據(jù)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子剖切面方位的不同，螺桿轉(zhuǎn)子型線的常用表述方式也有三種形式，分別為端面型線、軸面型線和法面型線。端面型線對(duì)于研究主、從螺桿轉(zhuǎn)子的共軛屬性、分析級(jí)間泄漏特性、計(jì)算泵腔的容積效率等都十分直觀方便，因此在型線設(shè)計(jì)過(guò)程中被普遍采用。而軸面型線和法面型線，主要用于表征等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，但在等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用更為方便，因此也時(shí)有使用。如果希望采用成型刀具直接加工等螺距螺桿轉(zhuǎn)子，則必須依據(jù)法面型線來(lái)設(shè)計(jì)成型刀具。螺桿轉(zhuǎn)子端面型線、軸面型線和法面型線的各自表征方程，以及轉(zhuǎn)子齒面的螺旋曲面方程，均可以在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中相互轉(zhuǎn)換求得，因此只要確定了其中一種型線表征方式和螺旋展開(kāi)方式，其余型線表征方式就已經(jīng)確定。各種型線表征方程的互求轉(zhuǎn)換方法，可以參照螺桿壓縮機(jī)、螺桿泵或螺旋齒輪的相關(guān)理論方法。圖1 給出的是同一個(gè)等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線、軸面型線和法面型線的剖切方位和對(duì)應(yīng)的三個(gè)型線圖形。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線、軸面型線和法面型線示意圖

3、結(jié)束語(yǔ)

　　正如本文引言中所述，無(wú)油螺桿真空泵的應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)成熟并正在迅速成長(zhǎng)，而我國(guó)螺桿泵的設(shè)計(jì)、制造水平尚處于低水平的引進(jìn)消化探索階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前市場(chǎng)的實(shí)際需求。其中螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)的落后，正是制約螺桿泵技術(shù)與產(chǎn)品進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一。例如，在北京2015年第十三屆國(guó)際真空展覽會(huì)上，所展出的國(guó)產(chǎn)螺桿泵大多數(shù)還是采用的等螺距螺桿轉(zhuǎn)子，因此排氣功耗大，轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速也多是直連電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)對(duì)照近幾年外國(guó)公司的產(chǎn)品，大量出現(xiàn)排氣功耗小的變螺距轉(zhuǎn)子，且多采用增速機(jī)構(gòu)以提高轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速。

　　本文嘗試從幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算、型線構(gòu)成、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法、螺旋展開(kāi)方式等幾方面，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思想和國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行粗淺的分析，總結(jié)并提出一些不成熟的設(shè)想，掛一漏萬(wàn)，屬一孔之見(jiàn)。本文作者之所以敢于大膽、冒昧地提出自己的觀點(diǎn)看法，其本意在于拋磚引玉，激發(fā)國(guó)內(nèi)相關(guān)同行學(xué)者和工程技術(shù)人員的熱情，共同探討相關(guān)技術(shù)的突破點(diǎn)，從而盡快提升我國(guó)無(wú)油螺桿真空泵的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用水平，為國(guó)家的整體技術(shù)水平的提升做出自己應(yīng)盡的義務(wù)，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。

　　由于本文作者很少有機(jī)會(huì)親臨工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)直接參與螺桿泵的開(kāi)發(fā)研制和工程應(yīng)用工作，所以缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和信息來(lái)源，文中所提觀點(diǎn)多是通過(guò)文獻(xiàn)資料的學(xué)習(xí)和“閉門造車”式的研究所得，因此，錯(cuò)誤、不足之處在所難免，但期望對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員有所幫助，供大家參考借鑒，也衷心歡迎提出批評(píng)指正。