往復真空泵作為真空設備, 廣泛應用于化工、石油、食品和制藥等行業(yè)中的蒸餾、結(jié)晶、干燥和過濾等過程中的真空操作。

　　1990年以前,國內(nèi)生產(chǎn)老式的臥式往復真空泵。這種泵的主要缺點是消耗功率大、真空度低、結(jié)構(gòu)龐大、占地面積大。運動部件磨損大, 使用壽命短。

　　南京工業(yè)大學(原南京化工學院)從1992年開始對往復真空泵進行設計和結(jié)構(gòu)研究。我們先后與江蘇泰興新型工業(yè)泵廠和山東淄博真空設備廠等企業(yè)合作。將設計的立式往復真空泵(原型號LVP型、現(xiàn)為WL型) 投入生產(chǎn)。得到了廣泛的運用, 取得了很好的效益。

1、提高真空泵性能的主要措施

　　評價真空泵性能的指標有多條。一是真空度。二是功率消耗。真空度和功率消耗這兩條指標不是相互獨立的, 提高了真空泵的真空度, 則功率消耗會相應增大, 應聯(lián)系起來進行評價。三是易損件如活塞環(huán)、填料、氣閥的使用壽命。還有泵的結(jié)構(gòu)緊湊, 平穩(wěn)運行等。

1.1、泵體結(jié)構(gòu)

　　立式結(jié)構(gòu)往復真空泵具有以下幾個特點: 氣缸豎直布置, 結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小; 尤其是改善了臥式泵因活塞自重下垂摩擦不均勻的缺點。

　　本泵設計了自潤滑性能好的聚四氟乙烯活塞環(huán)和填料密封環(huán), 使運動部件磨損減小, 并適用于少油潤滑或無油潤滑。為了提高泵運轉(zhuǎn)的可靠性, 在曲軸的非驅(qū)動側(cè)設置了齒輪油泵, 對連桿大頭瓦和小頭瓦進行強制潤滑。

　　本泵活塞環(huán)、填料、氣閥等關(guān)鍵部件的使用壽命為臥式泵的1.5~2倍。本泵占地面積約為臥式泵的1/2。

　　本泵為雙作用氣缸, 設計成即可單級抽氣( 抽氣速率大) 、亦可雙級抽氣( 真空度高) 的結(jié)構(gòu), 利于泵的變型, 以滿足不同客戶的需要。

1.2、提高真空度的措施

　　往復真空泵氣缸兩側(cè)一般設有平衡通道, 結(jié)構(gòu)示意及示功圖(蓋側(cè)缸) 如圖1, 蓋側(cè)缸循環(huán)過程簡述如下:

　　活塞由內(nèi)止點D向外移動到E點時, 由于平衡通道的作用, 氣體壓力均衡至ps'; 由E點到F點為壓縮過程, 氣體被壓縮至排氣壓力pd,排氣閥開啟;由F點到G點為排氣過程, 在G點處活塞右側(cè)活塞環(huán)與蓋側(cè)平衡通道右邊線相對應如圖1(a); 當活塞由G點移動到外止點H點時,蓋側(cè)余隙容積中的高壓氣體大部分通過平衡通道流入軸側(cè), 氣體壓力降至PH;當活塞由外止點H 向內(nèi)移動到A點(與G點位置相同)時, 氣體壓力降至ps',此時活塞兩側(cè)氣體壓力相同; 活塞由A點移動到B點, 蓋側(cè)氣體繼續(xù)膨脹, 壓力降至吸氣壓力ps;B點至C點為吸氣過程, 蓋側(cè)吸氣在C點結(jié)束,吸氣閥關(guān)閉; 活塞移動到內(nèi)止點D,再向外移動到E點, 由于平衡通道的作用,氣體壓力均衡至ps'。G點到H點的軸向?qū)挾菺H 即為平衡通道的寬度b。圖1(a) 中,S為活塞行程,SO和Se分別為VO和Ve折算的行程。

圖1 帶平衡通道的示功圖和平衡通道結(jié)構(gòu)示意圖

　　往復真空泵能達到的理論極限絕對壓力, 可用下式表示：

　　考慮到吸氣系統(tǒng)的阻力損失, 泵的極限絕對壓力為:

p_1min = p_smin + Δp_s ( 2)

式中p1 min——— 極限真空度時的絕對壓力, 俗稱絕對真空度
　　pd——— 排氣壓力
　　Δps ——— 吸氣系統(tǒng)的阻力損失
　　Vo——— 氣缸余隙容積
　　Ve ——— 平衡通道容積
　　V——— 氣缸行程容積, V=s×F
　　s——— 活塞行程
　　F——— 氣缸截面積
　　b——— 平衡通道寬度
　　m——— 氣體多變指數(shù), 一般可取m=1.2。

　　由式(1)和式(2)可知: 減小余隙容積, 合理設置平衡通道, 減少吸氣系統(tǒng)的阻力損失, 是減小極限絕對壓力的有效措施。為提高極限真空度, 主要從下幾方面考慮:

　　1.2.1、減小余隙容積, 為此, 在保證強度和剛度的前提下, 活塞端部盡可能取小的厚度, 為2.5 mm, 以減少余隙容積, 見圖2; 并設計了厚度僅為24mm 超薄形的氣閥。

　　1.2.2、優(yōu)化氣閥彈簧力的設計, 盡可能減小氣閥的阻力。

　　1.2.3、在氣缸上合理設置平衡氣道, 以保證真空度。

　　1.2.4、減少泄漏, 活塞中采用四道活塞環(huán), 每槽內(nèi)放兩道切口錯開的活塞環(huán), 見圖2。填料密封采用五道密封環(huán)。

圖2 活塞與活塞環(huán)示意圖

1.3、降低功耗

　　減少功率消耗, 主要從以下方面:

1.3.1、氣缸壁外的周圍都有水冷卻, 氣閥軸向布置, 因而增加了氣缸冷卻水的面積, 改善了冷卻效果, 氣體壓縮過程溫度升高不超過10℃ , 接近等溫壓縮, 減小壓縮功。

1.3.2、活塞環(huán)和填料密封環(huán)采用自潤滑性能好的材料, 減少摩擦損失, 降低功耗。

1.3.3、優(yōu)化氣閥的設計, 合理設置平衡氣道寬度,節(jié)省功率。