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

　　1990年以前,國內生產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、結構龐大、占地面積大。運動部件磨損大, 使用壽命短。

　　南京工業大學(原南京化工學院)從1992年開始對往復真空泵進行設計和結構研究。我們先后與江蘇泰興新型工業泵廠和山東淄博真空設備廠等企業合作。將設計的立式往復真空泵(原型號LVP型、現為WL型) 投入生產。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, 應聯系起來進行評價。三是易損件如活塞環、填料、氣閥的使用壽命。還有泵的結構緊湊, 平穩運行等。

1.1、泵體結構

　　立式結構往復真空泵具有以下幾個特點: 氣缸豎直布置, 結構緊湊、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和填料密封環, 使運動部件磨損減小, 并適用于少油潤滑或無油潤滑。為了提高泵運轉的可靠性, 在曲軸的非驅動側設置了齒輪油泵, 對連桿大頭瓦和小頭瓦進行強制潤滑。

　　本泵活塞環、填料、氣閥等關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) 的結構, 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一般設有平衡通道, 結構示意及示功圖(蓋側缸) 如圖1, 蓋側缸循環過程簡述如下:

　　活塞由內止點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點處活塞右側活塞環與蓋側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,蓋側余隙容積中的高壓氣體大部分通過平衡通道流入軸側, 氣體壓力降至PH;當活塞由外止點H 向內移動到A點(與G點位置相同)時, 氣體壓力降至ps',此時活塞兩側氣體壓力相同; 活塞由A點移動到B點, 蓋側氣體繼續膨脹, 壓力降至吸氣壓力ps;B點至C點為吸氣過程, 蓋側吸氣在C點結束,吸氣閥關閉; 活塞移動到內止點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點的軸向寬度GH 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構示意圖

　　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, 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, 每槽內放兩道切口錯開的活塞環, 見圖2。填料密封采用五道密封環。

圖2 活塞與活塞環示意圖

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、活塞環和填料密封環采用自潤滑性能好的材料, 減少摩擦損失, 降低功耗。

1.3.3、優化氣閥的設計, 合理設置平衡氣道寬度,節省功率。