液力傳動在羅茨真空泵上的應用
論述了液力傳動的基本概念，對羅茨真空泵中常用的直聯傳動、皮帶傳動和磁力傳動進行了分析，著重指出將液力傳動應用到羅茨泵上以后，將使羅茨泵更能顯示出其獨特優異的性能。介紹了適合在羅茨泵中應用的靜壓泄液式( 帶阻流板)限矩型液力偶合器的限矩原理和基本結構，并突出了應對羅茨泵嚴格的限矩要求所采取的措施。
羅茨真空泵有一個非常重要的性能指標———最大容許壓差，它是關系到泵能否正常運轉的關鍵性指標，超過最大容許壓差，羅茨泵不容許長時間運行，因此通常羅茨泵啟動前必須要用前級泵將真空系統預抽到一定的真空度，而當羅茨泵在工作中壓差超過最大容許壓差時，又必須關閉羅茨泵，否則會損壞泵和電機。將液力傳動應用到羅茨泵上，上述問題迎刃而解，而且對羅茨泵的啟動過程、運行、抽氣性能和過載保護等帶來很大的好處。
1、液力傳動與羅茨泵特性
1.1、液力傳動的基本概念
流體力學中，單位質量流體所具有的能量可由下式來表示
式中，v 為流體的速度，m/s；v2 /2g 稱為流體的動力能；p 為流體的壓力，Pa；p /ρg 稱為流體的壓力能；ρ為流體的密度，kg /m3 ；g 為重力加速度，m/s2 ；z 為壓力測點相對于某一基準水平面的幾何高度，m，又稱位置能。
在流體元件傳遞能量的過程中，相對位置高度變化很小，位置能( z) 的變化可以忽略不計，因此在流體元件中運動流體的能量變化主要表現為動力能和壓力能兩種形式。液壓傳動主要依靠工作液體的壓力能的變化來傳遞能量。液力傳動主要依靠工作液動力能的變化來傳遞能量，它的液體元件稱為液力元件，包括各種型式的液力偶合器和液力變矩器。液力偶合器按其結構和性能又分為普通型、限矩型和調速型等三種類型，本文所討論的就是限矩型液力偶合器。
1.2、羅茨泵的傳動
常用的中真空羅茨泵基本上都是電機直聯的，又分不帶溢流閥和帶溢流閥二種類型。不帶溢流閥的羅茨泵不能在大氣壓下啟動，它必須由前級泵預抽到一定真空度時才能啟動，因此它有一個非常重要的性能指標———最大容許壓差，羅茨泵可以在此壓差下正常工作一段時間。帶溢流閥的羅茨泵也不可以單獨工作，但可以在前級泵啟動完成后立即啟動羅茨泵，也就是可以在接近大氣壓的狀態下啟動。它也有一個非常重要的性能指標———溢流閥壓差，它在接近大氣壓的狀態下啟動或在工作中負荷超載時，溢流閥將會起跳，前級泵無法抽走的部分氣體將從溢流閥返回到羅茨泵進口，所以它是以損失羅茨泵的抽速為代價的，當然反復抽取這部分返流氣體需要損耗相當的功率。需要指出的是，溢流閥的流導要足夠大，以使羅茨泵在0 ～105 Pa 的整個壓力范圍內消耗功率限制在規定的電機功率范圍內。
羅茨泵也有V 帶傳動的，但僅用于大型泵中。也有為了增加泵的抽速檔次范圍而用V 帶傳動降速的，這在國外一些廠商有使用。需要注意的是，過多的降速會對羅茨泵的性能，例如極限壓力、抽氣效率帶來一定的影響。在V 帶傳動中，由于降速和額外增加了V 帶拉力，軸的強度必須重新校核，軸承也須重新計算和選擇。
磁力傳動羅茨泵主要解決了泵出軸的密封問題，它的漏率可降到< 1 × 10 -3 Pa·L /s，較普通徑向密封的泵降低二個數量級。它的優異之處是工藝氣體對大氣無交叉污染，對環境無油污染。磁力傳動羅茨泵也分不帶溢流閥和帶溢流閥二種類型。它的工作狀況與普通直聯羅茨泵的二種類型相似，但由于在高壓差下發熱厲害，容易導致磁鐵在高溫下退磁，因此限制了它在高壓差下的運行；此外，真空技術網(http://www.jnannai.com/)認為磁鐵在長時間工作后的自然消磁現象也是一個需要研究和解決的問題。
最合理、最有效的方法是采用液力傳動型羅茨泵，它用限矩型液力偶合器取代普通的聯軸器，因此液力偶合器又被稱之為液力聯軸節。液力傳動型羅茨泵在工作中，充分顯示出了液力傳動的優異特性。此時的羅茨泵雖然也不可以單獨工作，但它可以與前級泵同時啟動。在羅茨泵電機配套功率范圍內，電機將帶著泵輪以近似空載的狀態啟動并迅速加速、進入正常運轉狀態，因此大大降低了啟動電流、減少啟動時間，有一定的節能作用。當泵輪的轉矩達到羅茨泵的啟動轉矩時，羅茨泵本體將緩慢啟動并加速，隨著羅茨泵壓差的下降，轉速逐漸上升并進入正常運轉。上述泵在啟動過程中，電機一直工作在正常運轉狀態范圍內。液力傳動型羅茨泵可以在0 ～ 105 Pa 的整個壓力范圍內連續運轉和工作。
1.3、液力傳動型羅茨泵的特點
采用限矩型液力偶合器的液力傳動型羅茨泵具有如下優點：
(1) 由于電機與泵之間通過液力傳動，可吸收振動，減少沖擊，啟動平穩。避免了普通聯軸器可能產生的噪聲和振動。
(2) 液力偶合器改善了電機的啟動性能，使電機空載啟動，啟動后迅速進入正常運轉。泵啟動階段電流小，僅為電機額定電流的2. 2 ～ 2. 5 倍。而電機與羅茨泵直聯，不使用液力傳動時，啟動電流可達電機額定電流的6.5 倍。
(3) 有自動無級變速的特性。電機空載啟動并迅速進入正常運轉，在此同時羅茨泵也開始啟動，并隨著羅茨泵壓差的降低，轉速逐漸上升并進入正常運轉。在運轉中，隨著負荷的改變，羅茨泵會自動變速。
(4) 提高了羅茨泵在低真空下的抽速，在同等條件下，可減少抽氣時間50%。結構簡單，安裝方便，無需旁通預抽管路、管路閥和壓力傳感器。
(5) 羅茨泵可以與前級泵同時在大氣壓下啟動，并在0 ～ 105 Pa 的整個壓力范圍內連續運轉，避免電機過載。即使遇到意外泄漏，也具有一定的自我保護作用。
(6) 即使羅茨泵發生故障卡住( 渦輪停止轉動) ，電機仍會帶動泵輪旋轉，電機不會超載、也不會因發熱而燒毀。
1.4、適合羅茨泵使用的液力偶合器
羅茨泵對液力偶合器有幾個特殊要求： 首先，相對其它機械而言，羅茨泵是屬于超載不頻繁而又不允許長時間超載，結構強度相對其它機械而言比較低，電機配套功率也相對不大的機械，因此限矩要求比較嚴格；羅茨泵我們也不希望它長期工作在超負荷的低效工作區，例如泵的啟動狀態時間就比較短，所以短時間的效率損失可以少考慮一些。
根據上述要求，并結合羅茨泵瞬間超載的狀況在正常情況下一般不會發生，故適宜采用靜壓泄液式( 帶阻流板) 限矩型液力偶合器。它的結構比較簡單，制造成本低，牽引啟動性能好。如圖1 所示，它由主動軸1、泵輪2、渦輪3、阻流板4、從動軸5 和側輔腔6 組成。側輔腔內的液體大致以泵輪和渦輪的平均轉速旋轉，并以所產生的離心力來達到與工作腔中的液體壓力相平衡。在額定工況下，因渦輪轉速接近泵輪轉速，側輔腔內液體的旋轉速度高，離心力大，平衡后的液面半徑為rn。當負載增加，渦輪轉速降低時，側輔腔內液體的旋轉速度也降低，離心力減小，靜壓頭減小，工作腔中的液體有一部分流入側輔腔，使側輔腔的液面半徑減小為ri；此時由于工作腔中的液體減少，致使液力偶合器能容減少，傳遞力矩下降，起到了限矩作用；本裝置中，為使結構簡單，采用開放式側輔腔。在此同時，由于渦輪轉速降低，液體在工作腔中趨向于大循環流動，而設置在渦輪出口處的阻流板4 卻強迫液體向上作小循環流動( 如圖2 所示) ，阻礙了偶合器在低轉速比時由小循環向大循環的轉化，降低了偶合器部分充液時的不穩定性，也由于液流受到阻礙而產生渦流，造成能量損失，從而阻止力矩升高，也起到了一定的限矩作用。阻流板直徑與泵( 渦) 輪直徑之比通常在0. 53左右，羅茨泵由于限矩要求嚴格，超載工況也不是很頻繁，綜合考慮之下，這二者之比可以取0.65 ～0.70。在側輔腔和阻流板的雙重作用下，液力偶合器的超載系數可以降低到2 或2 以下。
圖1 靜壓泄液式( 帶阻流板) 限矩型液力偶合器
1.5、軸的密封
羅茨泵是一種無油泵，在與工藝氣體接觸的真空腔中，并沒有油潤滑和油密封的要求。但轉子是由軸承支持并彼此之間用齒輪精確嚙合的，這些軸承和齒輪則是需要潤滑的，它就可能成為無油清潔系統的污染源。反之，當抽取與油容易發生反應的氣體時，它也有可能對潤滑油脂造成危害。為了防止偶合器腔和齒輪箱腔中的油轉移到真空腔里，必須對泵的相關部位作有效的密封。
圖2 阻流板的作用
液力傳動羅茨泵的軸封系統由以下各部分組成，高速旋轉的甩油環通過離心力甩出所有附著在上面的油，使它流回油箱。螺旋形的迷宮式密封封住任何進入的油并使其返回油箱。采用聚四氟乙烯(PTFE) 材料制成的干式軸封可有效防止工藝氣體與潤滑油之間的相互侵擾，而不需要潤滑。優質細毛氈襯套可防止工藝氣體中的粉塵微粒從真空腔進入軸封系統，從而防止軸封的異常磨損。通過以上各部分組成的軸封系統可以有效使工藝氣體與油和大氣之間無交叉污染。
1.6、液力傳動型與直聯型羅茨泵的性能比較
不帶溢流閥羅茨泵在低真空階段，必須用前級泵抽至一定真空度才能啟動羅茨泵，通常還須配置前級管路和控制閥，這個階段的抽速僅僅是前級泵的抽速。
帶溢流閥羅茨泵在低真空階段，在前級泵啟動后就可以立即啟動羅茨泵，但前級泵承受不了羅茨泵吸入的大量氣體，多數氣體從溢流閥返回至羅茨泵入口，隨著壓差的降低，返流量逐漸減少，直至溢流閥關閉。在上述階段由于羅茨泵入口是真空，而前級泵口開始的一段時間都處在接近大氣狀態下，隨著壓差的下降，壓力才逐步下降，因此相比之下溢流通道的阻力小，多量氣體從溢流閥返回至羅茨泵入口，而且它的返流量超過預期，這也就是為什么在這個階段的抽速要小于液力傳動型羅茨泵的原因。
液力傳動型羅茨泵可以與前級泵同時啟動，羅茨泵可以根據前級泵的承受力自動調節轉速，因此羅茨泵與前級泵都處在非常協調的正常工作狀態下，沒有不正常的返流，它的抽氣性能得到充分發揮，而處于最佳狀態。
液力傳動型羅茨泵的抽氣性能( 曲線1) 與帶溢流閥( 曲線2) 、不帶溢流閥直聯型羅茨泵性能( 曲線3) 的比較，如圖3 所示。在低真空預抽階段，液力傳動型羅茨泵的抽速-入口壓力曲線明顯優于后面二種直聯的羅茨泵；它的電機功率完全得到了充分的利用，又保證了電機不會超載。
圖3 不同類型羅茨泵抽速-入口壓力曲線對比
1.7、液力傳動用油
液力傳動用油除了作為液力元件的工作液體外，還用來作為液力元件的冷卻劑。它的基本要求是：油的運動粘度一般在100℃時以( 5 ～8) × 10-6m2 /s 為好。液力傳動中要求粘度指數越大越好，一般要求粘度指數在90 ～100。液力傳動傳遞動力的能力與工作液的密度成正比。工作液的密度越大，能傳遞的功率就越大。液力傳動型羅茨泵中油溫通常控制在65℃ 左右，因此一般潤滑油的閃點都能滿足要求。傾點是指油樣在標準規定的試驗條件下冷卻時，能夠繼續流動的最低溫度。這一點對液力傳動型羅茨泵非常重要，因為它是靠油來傳遞能量的。
對液力傳動用油，傾點的要求隨不同地區、不同季節而異。液力傳動用油要求有良好的抗泡沫性和抗氧化安定性。泡沫過多會使液力元件傳遞的功率急劇下降，效率降低，冷卻效果下降以及加速油品老化。抗氧化安定性不好，工作油容易氧化變質，粘度增加，同時產生大量的酸類、膠質、瀝青和沉淀物，使腐蝕加劇并引起通道堵塞。
根據上述要求，可以采用YLA-N46( 8# ) 液力傳動油。若真空泵油的各項性能指標都符合上述要求，也可作液力傳動油使用，如Edwards 公司在液力傳動型羅茨泵中就使用了Edwards Speedivac 15 和16 真空泵油。我國的真空泵油在抗泡沫性方面如作進一步改進，也可以作液力傳動油使用。
1.8、過載系數和泵輪力矩系數的考慮
羅茨泵所配置的限矩型液力偶合器在考慮腔型和結構時，要優先考慮過載系數是否滿足要求，對于泵輪力矩系數則希望在滿足過載系數要求的前提下，來探求高的泵輪力矩系數。
影響過載系數的因素除了設置側輔腔泄液分流和阻流板阻流之外，常常用改進葉輪結構的方法來降低過載系數。如泵輪葉片內緣削角，渦輪內設置長短相間葉片，目的都是增大無葉片區，在啟動和低轉速比工況時，降低傳遞力矩；渦輪上鉆泄流孔，以使過載時液體由泄流孔噴出，降低工作腔的充液率，從而降低過載系數。
為了提高泵輪力矩系數，可以通過減小渦輪出口半徑，以提高偶合器的能頭，也就提高了泵輪力矩系數。適當增加葉片數也可提高泵輪力矩系數，但葉片數太多，工作腔的有效容積減小，葉片與液流的磨擦損失增大，導致傳遞功率容量降低；葉片數太少，則葉片間的二次流動加劇，渦流損失增加，也降低了傳遞功率容量，因此葉片數有一個最佳值。葉輪采用長短相間葉片，以減少液體循環流動的排擠，從而降低液力損失。加大葉輪的腔深，增加了工作腔的容積，對提高泵輪力矩系數也是一種很有效的方法。
2、傳動性能的驗證
由于在偶合器中液體的流動狀態非常復雜，理論計算不可避免地總是與實際情況有所區別；目前，液力元件的設計理論也還不夠完善，不能期望根據理論計算的方法來求得足夠準確的傳動特性，因而必須通過反復試驗來驗證和修正。對液力傳動型羅茨泵的液力元件而言，在參考有關資料和理論計算后，型腔數據和結構都已確定，液力元件的性能也已基本定性，對羅茨泵而言，最關鍵的是對傳遞轉矩的能力和限矩性能的驗證。此時最切實可行的方法是，首先根據所傳遞的轉矩初步確定充油量，然后根據限矩要求，通過試驗對阻流板、渦輪上的泄流孔進行必要的修正，并最終確定充油量，以滿足羅茨泵對傳動特性的要求。液力傳動油的溫度對測試結果影響較大，試驗時應盡量控制在65 ± 5℃，為了防止在低效區時油溫超過上述范圍，需要對油進行冷卻。結構內通常設有冷卻盤管，可以通過冷卻水量的調節來控制油溫。
3、結論
液力傳動型羅茨泵具有非常優異的工作特性，它使羅茨泵和前級泵處于非常協調的工作狀態下，它使羅茨泵電機可以在幾乎是空載的狀態下啟動，它使羅茨泵潛在的優異的抽氣能力得到了充分發揮，它使羅茨泵和電機的過載保護得到可靠的保證，因此可以說，液力傳動使羅茨泵的工作處于最佳狀態下。
國內至今還未有液力傳動在羅茨泵上應用的研究文獻和成果發表，國外也僅有EDWARDS 公司有類似產品生產，因此還需進一步研究和改進，使液力傳動在羅茨真空泵上的應用取得更完美的效果。
