节能与增效：真空技术创新问题的探讨

节能是当前形势下最重要的课题，我们认为真空泵的节能增效应以“能效比”来表示为好。

真空泵的能效，应该是单位消耗功率在泵运行过程中转换成的气体量。通常容积真空泵的实际工作的压力范围在1Pa~10^5Pa之间，相差达五个数量级，计算和表示都不够简便。因此我们认为，可以把真空泵的能效比定义简称为：单位消耗功率在泵运行过程中转换成的体积流率。这样虽然用体积流率取代了气体量，但它并不影响对真空泵能效比的衡量和考核。

从中可以看出，能效比同时考核了泵的能耗和体积流率，以及二者之间的关系，是考核真空泵节能增效的重要数据和项目，应该提升为现代真空泵最重要的特性指标。

提高能效比的关键是降低能耗与提高抽气效率，应当使单位消耗功率在泵运行过程中转换成最多的体积流率（或气体量）。

泵所消耗的功率中主要是摩擦功和压缩功。

1减少摩擦功

根据测算，滑阀泵的功率损耗约在电机配套功率的25%~30%之间。功率损耗中最重要的是摩擦功的损耗，它包括了机械摩擦、机械撞击、液体摩擦和气体摩擦。

减少液体摩擦可以降低摩擦功耗，例如可适当选用低粘度泵油，在保证工作压力的条件下适当提高泵温以降低运转时的泵油粘度，都可以降低功耗。试验证明，泵运行的温度从50℃提高到70℃~80℃，功耗可降低8%~10%，改善泵腔进、排气流道形状，使之通畅、无突变、尽量减少转弯；减少油气分离器中的阻力损失，都可以减少气体和液体（油）的摩擦撞击功耗。

在保证必须的足够的摩擦面条件下，适当减少接触面积，改善润滑条件，避免轴承不正常运转，减少运动部件的质量，控制油封和机械密封的数量等，都可以减少机械摩擦的功耗。

机械撞击曾经被忽视，据了解某高校曾经的噪声频谱分析图中也曾出现过，但当时研究缺少实践经历，被忽略了。是我们从实践中发现了机械撞击，也通过频谱分析证实了它的存在，并彻底找到了原因、找到了解决的方法。这就是滑阀对泵缸（大、小缸交接处）的撞击，我们曾专题作了研究，它可使噪声增加（3~5）dB（A），功耗也有异增。此外还存在导轨与滑阀杆之间的撞击，这种现象主要体现在分体导轨上，在整体导轨上不是很明显。

“气蚀现象”过去只注意到、可能会在水泵和水环泵上发生，在滑阀泵中虽具有发生气蚀的必要条件，但通常由于条件不充分，而且程度又较轻，没有出现破坏现象，所以一直没有被发现。我们多年前，曾在试制的转速高达920r/min、体积流率达110L/s的中型滑阀泵上发现噪声异常、功率异增，开始还不知是什么原因，因为当时仅运转6个小时，拆检后才发现，在滑阀环排气侧外圆上出现许多浅浅的针孔，从破坏现象分析，应该是发生了气蚀（破坏）现象，去除表面针孔后再运转了6个小时，拆检又继续出现许多针孔，这才证明在滑阀泵史上首次发现了气蚀破坏现象，而且运转时间那么短，破坏又如此厉害，是前所未有的，此前国内外真空界从未有过这类 导上述泵气蚀发生时，泵缸的压缩腔内气泡瞬间破裂，造成了瞬间高速的液（气）与泵腔的撞击，主要表现在滑阀环外表面受到强裂的冲击损伤，导致噪声增加了5dB，功率提增了1.5kW，可见气蚀的破坏力和对功耗和噪声的影响有多大，长时间运转必将造成其他零部件的损坏，因此大中型油封泵的转速一般都不高。

液环泵既具备了发生气蚀的必要条件，又具备了充分条件，故最容易发生气蚀现象，故不宜在基础压力下工作，此时泵能耗最大，也最容易发生气蚀，气蚀破坏的程度要大大超过滑阀泵，气蚀发生时功率剧增，噪声异常，长期运转将导致叶轮损坏、泵轴断裂，除了短时间测试外，应绝对避免在基础压力下运行。如工艺上需要在接近基础压力时工作，单级泵可在进口掺入少量气体，双级泵可在前、后级之间掺入少量气体。

2降低压缩功

压缩功是不可避免的，有用的压缩功是不可能人为减少的，它只随入口压力的变化而变化。要减少压缩功，只能从减少无用压缩功着手。气镇所消耗的功率也是压缩功，它取决于气镇量的大小。而气镇量又取决于被抽气体中可凝蒸气量的多少。所以应该按被抽气体中可凝蒸气的量来调节气镇量，这样既能完全抽除掉可凝蒸气，又能恰到好处地控制压缩功的损耗和抽气效率。

滑阀真空泵中，泵油在泵中起了密封、润滑、冷却和顶开排气阀的作用，所以泵油参与了压缩和摩擦，又减少了各零部件之间的摩擦。对于没有设置油泵的滑阀泵，只要滑阀与泵盖、中隔板之间的间隙适当，泵的进油量会自动调节。但如设置了油泵，则油泵的流量必须经过仔细核算，经过反复试验验证，油量应控制在（7~10）10^-4S（S为泵的体积流率，单位为L/s），如油量过大，进入泵腔后将使真空泵变成油泵，不但压缩功增加，而且摩擦损失也急剧增加。因此，在保证润滑、密封和顶开排气阀的前提下，应适当减少供油量。

减少排气阀弹簧力，降低排气压力，可以有效减少压缩功。过去排气压力通常设定为1.2×10^5Pa，导致排气阀弹簧过硬，不但增加了排气压力，而且使低压区域体积流率曲线下跌。经我们多次反复试验，确定排气压力设定为1.05×10^5Pa就足够保证密封了。

增加排气通道面积，降低排气速度，可明显减少压缩功如某170L/s滑阀泵的排气速度从53m/s降低到29m/s，排气阀弹簧力也作了调整，在整个压力工作范围内，功率降低了1kW以上，尤其显著的是，在2×10^4Pa~1×10^5Pa的最大功率范围内，均降低了3kW。

液环泵的供液量一定要按技术参数的要求，供液量超过了规定，不但功耗会随着供液量的增加而增加，而且抽气量则会随着供液量的增加而减少；如供液量过大，液环真空泵变成了水（液）泵，功耗将剧增，而抽气量则会急剧下降。

3提高抽气效率

a减少泄漏

泵的主体工作部件，无论是铸件还是焊接件都必须检漏，漏率必须在允许范围内。

转动轴的密封是泄漏的关键，既要防止空气渗入泵内，又要防止有害气体向外泄漏。当然，单纯从密封角度来说，磁传动是一种比较好的方式，但它有高温退磁和自然退磁的问题。液力传动是一种传动功能优越、密封性很好的传动方式，对泵的启动和限矩性能、对扩大工作范围和提高抽气效，率都有很好的效果，但结构相对比较复杂。如密封性要求一般，则油封和机械密封是一种很好的选择。

b减少返流

采用饱和蒸气压低的、润滑性能好的泵油，可有效降低机械泵油蒸气的返流，定期和及时更换性能变坏的泵油也可降低返流。

在保证结构强度和运转可靠性的基础上，适当提高泵的转速，尤其是罗茨泵，可以有效减少气体的返流，提高抽气效率。

对于罗茨泵，它的转子外径处线速度一般应大于30m/s，小于此值会使泄漏和返流迅速增加，这也就是小型罗茨泵即使转速已经达到3000r/min，性能仍然不是很好的主要原因。如有必要，可以通过齿轮或皮带提高转速。

c严格控制间隙

对油封泵而言，它的各相对转动部件之间的间隙要确当，不能过大和过小。由于是油封泵，间隙过大密封油不能充满间隙，间隙过小则密封油不能顺利进入，这样就很难保证油的密封作用。当然，在保证润滑和油密封的前提下，间隙应取小一些为好。对双级泵而言，一般认为低级腔，由于真空度较低，故它的间隙可以大一些。恰恰相反，低真空状态下气体的分子自由程较小，更容易穿通返流，间隙应该控制得严格一些，事实也证明了这一点。

对于罗茨泵、螺杆泵等其他一些泵，在保证泵可以在规定的容许压差下正常工作的条件下，间隙可以选得小一些。一些特殊要求的场合，需要泵在超高压差下工作，则间隙可以适当放大一些，但它是以损失抽气效率为代价的，一定要慎之又慎。

必须指出，罗茨泵的端面间隙受轴承轴向间隙的影响非常大，我们遇到过一种轴承，它的轴向间隙小的有0.08mm~0.10mm，大的竟达0.25mm~0.30mm，显然这种轴承是不能使用的，自此以后，我们明确规定罗茨泵必须采用名牌优质轴承。

液环泵的间隙要适中，过大的间隙会严重影响泵的抽气效率，达10%~20%。

4泵的有机组合

利用各种泵的工作特点，进行有机组合，在不同的压力范围内、有不同的节能效果，而且效果极其显著。如ZJQ型气冷式罗茨泵，单独（台）运转时功耗极大，通过合理分配各台泵之间的压差，组成各种机组，可在常用的压力范围内达到节能的目的。实测数据如表1所示。

表1 ZJQ型泵和机组的输入总功率对比