CN101189436A - 真空泵 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮分子真空泵(54)，其包括壳体(70)和转子(52)，转子(52)由轴承布置(64)支承以便相对壳体(70)转动。轴承布置(64)包括由弹性支承件(80)以径向方向和轴向方向支承的轴承(72、74、76、78)，弹性支承件(80)包括由多个柔性构件(84)连接的内环形部(86)和外环形部(88)，弹性支承件(80)具有处于50牛顿/毫米至500牛顿/毫米范围内的径向刚度。

Description

真空泵
本发明涉及一种真空泵。
真空泵通常包括以转子的形式安装在轴上的叶轮以便相对于围绕的定子进行转动。轴通过轴承布置(bearing arrangement)而支承，该轴承布置包括位于轴的各端部或各端部之间的两个轴承。这些轴承中的一个或两个可采用的是滚动轴承的形式。通常，上轴承采用磁性轴承的形式，而下轴承采用滚动轴承的形式。
如图1所示，典型的滚动轴承10包括相对于泵的轴14固定的内圈12、外圈16和多个滚动元件18，该多个滚动元件18由保持架20支承以便允许内圈12和外圈16的相对转动。为了降低摩擦和磨损，对滚动轴承10进行润滑以便建立隔离滚动接触和滑动接触时轴承部件的承载膜，并且提供了防护元件22以便阻挡润滑剂渗出滚动轴承10。在泵内用于支承滚动轴承10的安装布置包括径向定位在外圈16和壳体部26之间的径向的弹性体缓冲环24，以便缓冲外圈16的径向移动，以及定位在外圈16的端面和壳体部26之间的轴向的弹性体缓冲环28，以便缓冲外圈16的轴向移动。
关于使用径向的弹性体缓冲环24和轴向的弹性体缓冲环28来减缓真空泵内的振动，存在着许多问题。
首先，复杂的缓冲环位置同样需要动态稳定性。薄的轴向缓冲环需要有益的轴向至径向的刚度作用，且薄的轴向缓冲环的准确位置需要复杂的机械加工以便确保动态稳定性。径向的缓冲环需要完整的凹槽以便可靠地轴向定位。这些凹槽具有紧密公差，因而要求困难和费钱的机械加工，并且这些凹槽难于清洁，从而引起玷污和过早的轴承损坏。
其次，涡轮分子泵良好的隔振要求用于下滚动轴承10的安装布置具有低的径向刚度。上文所述安装布置的整个径向刚度为径向缓冲环24的刚度以及有关轴向缓冲环28剪切变形的进一步刚度的总和。然而，弹性体材料的最小硬度限制了通过使用径向的弹性体缓冲环和轴向的弹性体缓冲环而能获得的最小径向刚度。此外，一段时间后，弹性体材料在载荷下遭受蠕变和应力松弛。弹性体材料还由于同从轴承排出的润滑剂相互作用而变得柔软。轴向缓冲环的软化提高了该缓冲环的剪切模量并因而提高了下轴承安装布置的有效径向刚度，从而不合需要地提高了泵壳体随着时间的振动传递。
弹性体材料的刚度特性是高度地非线性的，且随着时间、温度以及同润滑剂的交互作用而显著变化，因此当前没有精确的分析模型来预测使用中缓冲环的刚度特性和缓冲特性。
此外，正常实践中通过使用装配到转子上的“从动”滚动轴承而实现泵的低速粗平衡，以便在泵正常使用中将会使用的“最终(final)”滚动轴承在平衡期间不会经受过多的载荷。当最终轴承随后装配到转子上时，但由于装配中的偏差以及在从动轴承和最终轴承之间偏转(run out)的座圈(raceway)而存在一定程度的不平衡。因此，当最终轴承装配到转子上时必须接着执行高速平衡。由于弹性体材料的刚度特性随着时间、温度以及同轴承润滑剂的相互作用而变化，于是泵的动态属性在平衡时发生变化，这导致增加了平衡过程的持续时间以便适应安装布置的机械属性随着时间的振动。
至少本发明优选实施例的目的是寻求解决这些和其它问题。
本发明提供了一种真空泵，优选为涡轮分子真空泵，该真空泵包括壳体和通过轴承布置支承的转子以便相对壳体转动，轴承布置包括通过弹性支承件以径向方向和轴向方向支承的轴承，该弹性支承件包括由多个柔性构件连接的内环形部和外环形部。
现有技术的径向弹性体密封环和轴向弹性体密封环因此被单一的弹性支承件所取代。由于仅需要单一的弹性支承件代替如现有技术中那样的两个单独的缓冲环，可极大地降低成本。弹性支承件的位置特征可被大大简化，以及因而低廉得多的机械加工费用。例如，为安装弹性支承件可不提供完整的凹槽。同安装两个分离的缓冲环相比，单一弹性支承件的安装相对直接。
弹性支承件的柔性例如通过使用有限元分析，可容易地设计成具有适于转子振动特性的预定的弯曲特性。弹性支承件因而可设计成具有很低的径向刚度，处于50牛顿/毫米至500牛顿/毫米的范围内，优选大约为200牛顿/毫米，以便满足真空泵所需的转子动态特性。由于消除了现有技术的轴向缓冲环，没有来自该构件的对整个径向刚度的作用，并且因而总的径向刚度很低。由于这点，可获得所传递的不平衡振动的可接受水平而不用考虑因装配偏差以及“从动”轴承和“最终”轴承的座圈偏转而导致的不平衡。结果，可不用要求高速平衡。
柔性构件中的每一个都优选为伸长的拱形(arcuate)构件且大致同内环形部和外环形部同心。在优选实施例中，这些构件沿圆周地排列。弹性支承件的柔性构件因而可提供弹性支承件的整体片簧，并因此确定了弹性支承件的径向刚度。
弹性支承件可方便地由金属材料形成，例如回火钢、铝、钛、磷青铜、铍铜、铝合金以及钛合金。该情形下，弹性支承件的刚度取决于片簧的几何结构而并非温度。在相对低的径向刚度时，将不会有随着时间会改变弹性支承件的径向刚度的重要蠕变、应力松弛或润滑剂的相互作用效果。
弹性支承件优选包括多个限定了所述柔性构件的多个开槽。在一个优选实施例中，提供了向开槽供给润滑剂或其它流体以便提供承载缓冲膜的装置。在泵的使用期间，轴承经受了因转子内一定的不平衡而产生的振动。在这些振动期间，因在弹性支承件的开槽内存在润滑剂而提供的液压缓冲膜在成一定角度的位置处受压，并且振动在弹性支承件周围驱动该受压点。开槽内维持在压力下的润滑剂的存在具有缓冲振动的效果，从而减缓了振动向真空泵壳体的传送。
流体供给装置可包括位于弹性支承件上并流体连通开槽的流体贮藏腔。例如，贮藏腔可包括形成在弹性支承件端表面内的环形凹槽，自该凹槽中，流体向开槽供给。通过形成在弹性支承件相反端表面内并流体连通开槽的另一环形凹槽，同样地可提供第二流体贮藏腔。一个实施例中，两个贮藏腔被密封以便在弹性支承件内保持固定数量的流体。这使得泵能够在任何方位中使用而不会从弹性支承件中损耗润滑剂。
在另一实施例中，提供了流体泵以便从流体泵的源中供给流体。在泵的使用期间，泵可利用用于向轴承提供润滑剂的润滑剂源。例如，为了向轴承供给润滑剂，可提供装置以便从其源中向转子供给润滑剂，连同设置在转子上的装置一起以便随着转子的转动向轴承传送润滑剂。在一个优选实施例中，毛毡吸液芯(felt wick)向转子供给润滑剂。具有直径朝轴承增大的圆锥形表面设置在转子上，例如通过圆锥形螺母或通过转子的整体表面。随着转子的转动，润滑剂沿着圆锥形表面行进，并因此在表面的末端进入轴承内。然后提供了装置以便向弹性支承件的开槽供给从轴承排出的润滑剂。例如，轴承和弹性支承件可位于装接到壳体的盒体内，该盒体至少部分地限定了环形凹腔以便接收从轴承排出的润滑剂，并且从该凹腔中，所排出的润滑剂在重力作用下被供给到弹性支承件的开槽。
由于弹性支承件不需要单独的润滑剂源或润滑剂储备(supply)，所以降低了成本。此外，该润滑剂供给系统以流动速率f输送润滑剂，其中，f与1/ω2成比例，ω为转子的转速。结果，润滑剂向开槽的供给速率在转子初始加速运行至最大转速时以及转子随后自最大转速的减速运行期间，将会相对地高。通过弹性支承件内开槽的适当设计，有可能在加速运行和减速运行期间布置缓冲膜完全地充满润滑剂，以便提供最大缓冲从而控制“临界速度”，也就是，在加速运行和减速运行期间与非常高的振动相关联的速度。
在另一实施例中，至少一个弹性体缓冲构件位于弹性支承件的内环形部和外环形部之间。例如，一个缓冲构件可构造成提供径向振动的缓冲，而另一缓冲构件可构造成提供轴向振动的缓冲。每个缓冲构件都可包括位于环形凹槽内的弹性体环，该环形凹槽形成在弹性支承件各自的端表面内。由于此时不要求润滑剂产生缓冲振动的缓冲膜，于是可再次地以任何方便的方位利用泵而无需从弹性支承件中损耗润滑剂。
装置可被提供以便确定轴承和弹性支承件在盒体内的位置。为了降低因残留的不平衡所引起的振动从泵转子向泵壳体的传递，允许轴承作些径向移动是有利的。由于弹性支承件可具有非常低的刚度，当存在高的不平衡时可具有相对大的转子位移和轴承位移。为了避免转子和泵的静止部分的接触，尤其是转子叶片和泵的定子之间的接触，轴向定位装置可方便地提供径向阻挡表面以便限制转子和轴承可允许的最大径向位移。在向弹性支承件供给润滑剂处，可提供装置以便从弹性支承件的开槽向外圈的轴向延伸外表面和径向阻挡表面之间的间隙传送润滑剂。因此外圈和径向阻挡表面之间的间隙可形成用于缓冲轴承振动的缓冲膜。
在弹性支承件内安装轴向缓冲环处，轴向弹性支承件可通过提供轴向缓冲的轴向定位装置而受压。
现在将结合附图说明仅作为示例的本发明的优选特征，在附图中：
图1示出了已知的滚动轴承的截面图；
图2示出了涡轮分子真空泵的截面图；
图3示出了图2真空泵的局部特写，图中示出了由弹性支承件第一实施例支承的滚动轴承的截面图；
图4为图2真空泵的弹性支承件的透视图；
图5示出了润滑剂向图2真空泵的弹性支承件的供给；
图6示出了由弹性支承件第二实施例支承的滚动轴承的截面图；和
图7示出了由弹性支承件第三实施例支承的滚动轴承的截面图。
图2示出了真空泵50的截面图，真空泵50包括通过轴52驱动的泵布置(pumping arrangement)。示出的真空泵为涡轮分子真空泵，该涡轮分子真空泵包括涡轮分子泵机构54和牵引分子泵机构(molecular drag pumping mechanism)56。涡轮分子泵机构包括多个安装在轴52上或与其成整体的转子叶片58。牵引分子泵机构56采用霍尔威克(Holweck)泵机构的形式，且包括安装在轴52上的多于一个的缸60。轴52由马达62旋转，以便驱动该泵机构。
轴52通过轴承布置支承，该轴承布置包括可如图所示定位在轴的各端部或者备选地定位在端部中间的两个轴承。图2中，滚动轴承64支承轴52的第一部分而磁性轴承66支承轴52的第二部分。第二滚动轴承可用作磁性轴承66的替代物。当使用磁性轴承时，可任选地设置备用滚动轴承68。
同样地参照图3，滚动轴承64设置在轴52的第二端部和泵50的壳体部70之间。滚动轴承64包括相对于轴52固定的内圈72、外圈74以及多个滚动元件76，滚动元件76由保持架78支承以便允许内圈72和外圈74的相对转动。如下文更详细地论述的那样，滚动轴承64通过使用诸如油的润滑剂进行润滑，以便建立隔离滚动接触和滑动接触时轴承部件的承载膜从而降低摩擦和磨损。
为了在使用泵50时向轴52和轴承64提供振动缓冲，提供了弹性支承件80以便相对于壳体70在径向方向和轴向方向上支承轴承64。如图4所示，弹性支承件80包括多个开槽82，该开槽82限定了弹性支承件80的多个整体柔性构件84。每个柔性构件84位于弹性支承件80的内环形部86和弹性支承件80的外环形部88之间。每个柔性构件84通过第一弹性铰合部90连接到内部86，且通过第二弹性铰合部92连接到外部88。
每个柔性构件84采用伸长的拱形构件的形式大致同内环形部86和外环形部88同心，且如图4所示优选地沿圆周排列。弹性支承件80的柔性构件84因而提供了弹性支承件80的整体片簧84，每个片簧84与位于邻近其内圆周表面的一个开槽82以及位于邻近其外圆周表面的另一开槽82相关联。
内部86具有轴向延伸的内圆柱表面94，该内圆柱表面94接合滚动轴承64的外圈74的外表面。如图3和图5所示，内部86还具有径向向内延伸的肩部96，该肩部96朝向弹性支承体的上端表面98(如图所示)以便接合滚动轴承64的外圈74的上表面从而轴向地支承轴承64。
盒体100用于相对壳体70保持弹性支承件80。盒体100具有轴向延伸壁102，该轴向延伸壁102具有接合弹性支承件80的外部88的轴向延伸外表面106的内表面104。盒体100还具有径向向内延伸壁108，该径向向内延伸壁108具有接合弹性支承件80的上端表面98的下壁(如图所示)，以便弹性支承件80在径向方向和轴向方向上通过壳体100支承。
轴承螺母110借助于相互接合的螺纹装接在盒体100的内表面104上，使得轴承螺母110的上端表面(如图所示)接合弹性支承件80的下端表面112以便将弹性支承件80保持在盒体100内，且优选地对弹性支承件80预载。如图5所示，轴承螺母110具有轴向延伸的内表面114，该内表面114通过轴向延伸的间隙116与轴承64的外圈74的外表面隔开，以便提供径向端阻挡表面从而限制转子52和轴承64的径向移动。轴承螺母108还具有径向向内的延伸部118，该延伸部118具有与轴承的外圈74的下端表面隔开的上表面120(如图所示)，以便提供轴向端阻挡表面从而限制转子52和轴承64的轴向移动。
回到图3，盒体100借助于螺栓122装接到壳体70上从而相对于壳体70紧固弹性支承件80。
弹性支承件80优选地由金属材料形成，例如铝或其合金、回火钢、铍铜、磷青铜、钛或其合金或者其它的金属合金。弹性支承件80的刚度由开槽82的几何结构以及由此的片簧84的几何结构所决定，且可通过有限元分析进行精确地估算。我们已发现弹性支承件80可容易地设计成具有处于50牛顿/毫米(N/mm)至500牛顿/毫米范围内的相对低的径向刚度，例如200牛顿/毫米左右，以便抑制振动从转子52至壳体70的传递。
本实施例中，泵50包括润滑剂供给系统，该润滑剂供给系统用于向滚动轴承64和弹性支承件80的开槽82供给润滑剂或其它流体，以便当使用泵50时在开槽82内形成用于缓冲转子52的振动的缓冲膜。润滑剂供给系统包括离心泵，该离心泵包括一个或多个吸液芯(wicks)124以便将润滑剂从泵50的润滑剂贮藏腔供给到位于转子52一端上的圆锥形螺母128的锥形表面126上。随着转子52的转动，润滑剂沿着锥形表面126行进，进入轴承64的下端(如图所示)，并且随后从轴承64的上端排出。环形凹槽132形成在盒体100的径向延伸壁108内使得自轴承64排出的润滑剂转向弹性支承件80，以便润滑剂在重力作用下流入弹性支承件80的开槽82内。如图5所示，环形凹槽134形成在弹性支承件80的上端表面98内，以便提供用于从盒体100内的凹槽132中接收润滑剂并使得润滑剂流入开槽82内的贮藏腔。润滑剂产生了邻近片簧84的内圆周表面和外圆周表面的承载缓冲膜。随着转子52的振动，压缩缓冲膜；产生了流体动压力。开槽内维持在压力下的润滑剂的存在，具有缓冲振动的效果，由此减缓了振动向真空泵壳体的传递。
通过缓冲膜获得的缓冲程度取决于，尤其是形成在弹性支承件80内的开槽82的几何结构。当开槽82的径向宽度相对大时，简化了在圆柱构件80内形成开槽82，但因其内的润滑剂而产生的振动缓冲相对地低。当开槽82相对地宽时，通过向位于外圈74的外表面和轴承螺母110的轴向延伸的内表面114之间的间隙116供给润滑剂，可提供另外的缓冲膜。如图5所示，这可通过在弹性支承件80的下端表面112内形成另一环形凹槽136以便接收从开槽82的下端排出的润滑剂并将润滑剂传送到间隙116而实现。流经间隙116的润滑剂形成另外的缓冲膜以便缓冲转子52的振动。从间隙116排出的润滑剂返回泵50的油贮藏腔以便随后返回轴承64。
由于润滑剂在重力作用下从盒体100的环形凹槽132流入开槽82，当泵50如图2所示布置成直立定位时，上文所述的润滑剂供给系统适于向弹性支承件80的开槽82供给润滑剂，也就是，泵50的气体入口138位于泵50的气体出口140上方，并且泵50具有大致垂直延伸的纵向轴线142。图6所示的第二实施例中，润滑剂向弹性支承件80的开槽82供给，该供给与至轴承供给隔开，且以该种方式使得泵50可以任何方位运转。在该实施例中，类似的润滑剂供给系统可被用来向轴承64供给润滑剂，且可提供防护元件144以便阻挡润滑剂从轴承64中渗出。防护件可以是通过弹簧夹或其它紧固件而保持在适当位置的单独部件，或者可以是外圈74的整体部分。备选地，轴承64可使用油脂(油和增稠剂的混合物)进行润滑。为了向弹性支承件80的开槽82供给润滑剂，形成在弹性支承件80端表面内的环形凹槽134、136被用来提供润滑剂贮藏腔，该环形凹槽134、136中的每一个至少部分地充填有润滑剂并通过粘附或其它方式安装到弹性支承件80端表面上各自的环形密封元件146、148而密封，以便将润滑剂保持在开槽和贮藏腔内。通过仅部分地充填贮藏腔中的一个，当在泵50的使用期间出现径向挤压润滑剂时，润滑剂可在弹性支承件80的开槽82之间流通。
图7所示的第三实施例中，没有为缓冲振动而向开槽82供给润滑剂。在该实施例中，第一弹性体缓冲环150和第二弹性体缓冲环152分别位于形成在弹性支承件80端表面内各自的环形凹槽134和环形凹槽136中。缓冲环150、152设计成在凹槽134、136内具有相对松的径向装配，而且第二缓冲环152通过轴承螺母110而轴向受压。转子52和轴承64在使用泵50时的相对大的径向位移，例如由于相对高的不平衡或在以临界速度或大约以临界速度运行时，导致了缓冲环150、152径向受压，结果形成振动的径向缓冲。当振动相对小时，缓冲环150、152产生很小的径向缓冲，并且因此存在给盒体100以及因而给壳体70的很少的振动传递。由于第二缓冲环152的压缩，第二缓冲环152缓冲了轴承64的轴向振动。无需依赖于润滑剂缓冲振动，泵50又可以任何方位运转。

Claims (24)

1.一种真空泵，其包括壳体和转子，所述转子由轴承布置支承以便相对所述壳体转动，所述轴承布置包括由弹性支承件以径向方向和轴向方向支承的轴承，所述弹性支承件包括由多个柔性构件连接的内环形部和外环形部，所述弹性支承件具有处于50牛顿/毫米至500牛顿/毫米范围内的径向刚度。
2.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，所述柔性构件中的每一个都是大致同所述内环形部和所述外环形部同心的伸长的拱形构件。
3.根据权利要求2所述的真空泵，其特征在于，所述柔性构件为沿圆周排列。
4.根据上述权利要求中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述柔性构件提供了所述弹性支承件的多个整体的片簧。
5.根据上述权利要求中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述柔性构件轴向地移动，以便轴向地预载所述轴承。
6.根据上述权利要求中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述弹性支承件由金属材料形成。
7.根据权利要求6所述的真空泵，其特征在于，所述金属材料包括回火钢、铝、钛、磷青铜、铍铜、铝合金以及钛合金中的一种。
8.根据上述权利要求中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述弹性支承件包括限定了所述柔性构件的多个开槽。
9.根据权利要求8所述的真空泵，其特征在于，所述真空泵包括用于向所述开槽供给流体以便提供承载缓冲膜的装置。
10.根据权利要求9所述的真空泵，其特征在于，所述流体供给装置包括位于所述弹性支承件上并与所述开槽流体连通的流体贮藏腔。
11.根据权利要求10所述的真空泵，其特征在于，所述贮藏腔包括形成在所述弹性支承件的端表面内的环形凹槽。
12.根据权利要求9至权利要求11中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述流体供给装置包括用于从流体源中供给流体的流体泵。
13.根据权利要求12所述的真空泵，其特征在于，所述流体泵构造成向所述轴承供给流体以便所述轴承的润滑。
14.根据权利要求13所述的真空泵，其特征在于，所述流体泵包括用于从流体源向所述转子供给流体的吸液芯，以及位于所述转子上以便随着所述转子的转动向所述轴承传送所述流体的圆锥形表面。
15.根据权利要求14所述的真空泵，其特征在于，所述轴承和所述弹性支承件位于装接到所述壳体上的盒体内，所述盒体至少部分地限定了环形凹腔以便接收从所述轴承排出的流体，而所述的排出流体从所述环形凹腔在重力作用下向所述弹性支承件的所述开槽供给。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的真空泵，其特征在于，所述圆锥形表面安装在所述转子上。
17.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述真空泵包括至少一个位于所述内环形部和所述外环形部之间的弹性体缓冲构件。
18.一种真空泵，其包括壳体、由轴承布置支承以便相对所述壳体转动的转子，所述轴承布置包括由弹性支承件以径向方向和轴向方向支承的轴承，所述弹性支承件包括由多个柔性构件连接的内环形部和外环形部，以及位于所述内环形部和所述外环形部之间的至少一个弹性体缓冲构件。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的真空泵，其特征在于，所述至少一个弹性体缓冲构件包括径向振动缓冲构件和轴向振动缓冲构件。
20.根据权利要求19所述的真空泵，其特征在于，每个弹性支承件都位于环形凹槽内，所述环形凹槽形成在所述弹性支承件各自的端表面内。
21.根据上述权利要求中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述真空泵包括用于在所述壳体内轴向定位所述轴承和所述弹性支承件的装置。
22.根据权利要求21所述的真空泵，其特征在于，所述轴承包括具有内圈和外圈的滚动轴承，且所述轴向定位装置包括径向阻挡表面以便限制所述轴承的所述外圈的径向移动。
23.根据权利要求20或当依赖于权利要求19时的权利要求21所述的真空泵，其特征在于，所述轴向振动缓冲构件通过所述轴向定位装置而受压。
24.根据任一项上述权利要求所述的真空泵，其特征在于，所述真空泵采用了涡轮分子真空泵的形式。
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