基于對國内外公開文獻資料的學習和作者多年研究工作的總結，本文回顧了當前關于無油螺杆真空泵中螺杆轉子的設計思路與方法，從轉子設計的幾何學計算、常用轉子型線的構成、等螺距與變螺距的螺旋展開方式、轉子動平衡設計方法等幾方面，進行了詳細的綜述；選擇介紹在國内有産品銷售的六款采用特殊結構螺杆轉子的外國螺杆泵産品，對其轉子特點進行了分析。

針對幹式泵在應用領域所面臨的新挑戰，本文還提出了基于氣體熱力過程分析的螺杆泵專屬設計新理念和采用通用泵體和專屬轉子的螺杆泵生産新方法，并展望由此可能帶來的新變化。

國内真空行業的專家學者很早就已經認識到，無油螺杆真空泵是一種具有廣闊應用前景和巨大市場潛力的幹式真空泵。

因為作為一種直排大氣的低真空泵，與旋片泵、滑閥泵等傳統油封泵相比，螺杆泵具有無油污染、排除水蒸氣和固體粉塵顆粒能力強等特點；與水環泵等液封泵相比，螺杆泵具有真空度高、能耗低、抽除可溶性蒸汽時無廢液産生的特點；與爪式泵、多級羅茨泵、渦旋泵等其它幹式真空泵相比，螺杆泵具有抽速範圍寬、結構簡單緊湊、抽氣腔元件無摩擦、壽命長等特點。

目前，螺杆泵已被成功地應用于半導體、醫藥、食品、化工等衆多工業領域，所占真空泵市場份額逐年上升。然而，我國目前僅有十餘家生産單位能夠提供國産螺杆真空泵定型産品，且主要面向低端市場，外國的螺杆泵産品依然占據着國内市場的主導地位。

這一格局與其它種類真空泵有很大不同，充分說明我國的螺杆真空泵生産能力和水平遠遠不能适應我國真空泵應用市場的需求。

同時，這一現狀也備受國内真空行業的關注，并極大地激發了國内真空泵生産企業的開發熱情，目前國内已有一些真空泵生産廠家開始緻力于螺杆真空泵的開發研制與生産銷售，使螺杆泵的研發工作成為國内真空泵行業的一個熱點。

螺杆轉子是螺杆真空泵中最關鍵的抽氣部件，直接決定着泵的工作性能和使用壽命，其加工制造成本約占整個螺杆泵總成本近一半。螺杆轉子的設計與制造則是整個螺杆泵生産中的關鍵技術之一，也是國内各企業開發、研制螺杆真空泵過程中所普遍面臨的技術難題。

由于螺杆真空泵螺杆轉子的設計理論尚不夠成熟，且有技術保密因素，緻使關于螺杆真空泵轉子設計的公開資料十分稀少。

國内不同單位中從事螺杆真空泵開發研制的研究學者和技術人員，大多是從最基礎原理出發，開展研究工作，發現和解決開發工作中所遇到的一個個技術難題，制約了國内螺杆真空泵開發生産的速度與水平的提高。

針對這一問題，本文作者在學習借鑒國内外公開文獻資料和總結課題組多年研究成果經驗的基礎上，嘗試回顧總結國内外關于螺杆真空泵螺杆轉子的設計理念，介紹最基本的相關概念與設計方法，并對未來螺杆轉子的設計方法提出新的設想和展望，以期對國内螺杆真空泵的開發和研究工作有所幫助。

關于螺杆真空泵轉子設計的最基本幾何學計算，涉及其幾何抽速、吸排氣壓縮比和動平衡設計。

1.1、抽速計算

螺杆泵的名義抽速計算公式為：

式中：η 為泵的抽氣效率，是一個小于1 的系數。由于螺杆泵内部沒有液體密封，泵内的級間返流洩漏十分嚴重，所以與其它傳統容積式真空泵相比，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 為螺杆的轉速，單位取r/min。Vin 為單一螺杆轉子的齒間有效吸氣容積，單位取為m3，考慮螺杆真空泵大多是采用雙螺杆，所以式中乘以系數2。對于端面型線形狀尺寸沿軸向保持不變的螺杆轉子，Vin 可表示為：

其中Ae 為單一螺杆轉子的有效抽氣面積，單位取為m2；Lin 是對應泵吸氣口結束點之後第一個螺旋導程的長度，單位取為m。

1.2、壓縮比計算

螺杆泵的吸排氣壓縮比κ 取決于螺杆轉子螺旋導程的變化，可表示為

其中Vout 為單一螺杆轉子的齒間排氣容積，單位取為m3；Lout 是轉子排氣端面前一個螺旋導程的長度，單位取為m。

1.3、動平衡計算

目前國内生産與應用的無油螺杆真空泵，大多數采用單頭螺杆轉子。這種轉子的共同特征是其端面型線的形心遠離其回轉軸線，轉動時必然會産生質量不平衡。

因此，在轉子的設計階段，就必須對轉子進行專門的動平衡計算，以消除其不平衡量。剛性轉子的動力平衡的條件是要求回轉體的整體質心處于回轉軸之上，以及要求回轉體對垂直于回轉軸的二坐标軸的慣性積為零，二者的數學表達形式分别為：

式中，ex 和ey 分别對應為轉子在x 軸和y 軸方向的質心坐标；Iyz 和Izx 分别為轉子對y-z 軸和z-x 軸的慣性積；坐标系的z 軸沿轉子的回轉軸線，所有積分都是對轉子體的全部質量m 進行。關于實現轉子動平衡的方法，後文還有論述。

毋庸置疑，螺杆轉子的型線設計與加工是無油螺杆真空泵的最關鍵技術訣竅之一，幾乎所有生産廠家都将其作為頭等技術機密加以專利保護或秘不示人，也是所有新開發設計人員所面臨的首要設計難題。

螺杆真空泵的工作原理脫胎于在其出現前已經技術成熟的螺杆氣體壓縮機和螺杆液體輸送泵。螺杆真空泵中螺杆轉子的工作原理與結構設計理念也是由這兩種産品衍化而來。

盡管螺杆真空泵輸送的介質與螺杆氣體壓縮機相同，但其轉子結構形式卻更接近于螺杆液體輸送泵中的螺杆轉子。至今為止，多數螺杆真空泵的定型産品，其轉子均采用單頭自齧合型線結構。

所謂“自齧合”屬性，就是主從螺杆轉子采用完全相同的端面型線，這一點與螺杆氣體壓縮機有很大不同而與螺杆液體輸送泵類似。

2.1、端面型線、軸面型線與法面型線

依據對螺杆轉子剖切面方位的不同，螺杆轉子型線的常用表述方式也有三種形式，分别為端面型線、軸面型線和法面型線。

端面型線對于研究主、從螺杆轉子的共轭屬性、分析級間洩漏特性、計算泵腔的容積效率等都十分直觀方便，因此在型線設計過程中被普遍采用。

而軸面型線和法面型線，主要用于表征等螺距螺杆轉子的結構，但在等螺距螺杆轉子的設計、加工、檢驗過程中應用更為方便，因此也時有使用。如果希望采用成型刀具直接加工等螺距螺杆轉子，則必須依據法面型線來設計成型刀具。

螺杆轉子端面型線、軸面型線和法面型線的各自表征方程，以及轉子齒面的螺旋曲面方程，均可以在轉子坐标系中相互轉換求得，因此隻要确定了其中一種型線表征方式和螺旋展開方式，其餘型線表征方式就已經确定。

各種型線表征方程的互求轉換方法，可以參照螺杆壓縮機、螺杆泵或螺旋齒輪的相關理論方法。圖1 給出的是同一個等螺距螺杆轉子的端面型線、軸面型線和法面型線的剖切方位和對應的三個型線圖形。

（a）三種型線剖切面方位示意圖；（b）端面型線；（c）軸面型線；（d）法面型線

圖1

正如本文引言中所述，無油螺杆真空泵的應用市場已經成熟并正在迅速成長，而我國螺杆泵的設計、制造水平尚處于低水平的引進消化探索階段，還遠遠不能适應我國當前市場的實際需求。其中螺杆轉子的設計理論和制造技術的落後，正是制約螺杆泵技術與産品進步的關鍵因素之一。

例如，在北京2015年第十三屆國際真空展覽會上，所展出的國産螺杆泵大多數還是采用的等螺距螺杆轉子，因此排氣功耗大，轉子的工作轉速也多是直連電機的同步轉速。對照近幾年外國公司的産品，大量出現排氣功耗小的變螺距轉子，且多采用增速機構以提高轉子的工作轉速。

本文嘗試從幾何結構計算、型線構成、轉子動平衡方法、螺旋展開方式等幾方面，對現有的設計思想和國外産品進行粗淺的分析，總結并提出一些不成熟的設想，挂一漏萬，屬一孔之見。

本文作者之所以敢于大膽、冒昧地提出自己的觀點看法，其本意在于抛磚引玉，激發國内相關同行學者和工程技術人員的熱情，共同探讨相關技術的突破點，從而盡快提升我國無油螺杆真空泵的設計、制造和應用水平，為國家的整體技術水平的提升做出自己應盡的義務，為國家的經濟建設做出更大的貢獻。

由于本文作者很少有機會親臨工程實際現場直接參與螺杆泵的開發研制和工程應用工作，所以缺乏實際經驗和信息來源，文中所提觀點多是通過文獻資料的學習和“閉門造車”式的研究所得，

因此，錯誤、不足之處在所難免，但期望對國内相關技術人員有所幫助，供大家參考借鑒，也衷心歡迎提出批評指正。

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