基于對國內(nèi)外公開文獻資料的學習和作者多年研究工作的總結(jié)，本文回顧了當前關于無油螺桿真空泵中螺桿轉(zhuǎn)子的設計思路與方法，從轉(zhuǎn)子設計的幾何學計算、常用轉(zhuǎn)子型線的構(gòu)成、等螺距與變螺距的螺旋展開方式、轉(zhuǎn)子動平衡設計方法等幾方面，進行了詳細的綜述；選擇介紹在國內(nèi)有產(chǎn)品銷售的六款采用特殊結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子的外國螺桿泵產(chǎn)品，對其轉(zhuǎn)子特點進行了分析。針對干式泵在應用領域所面臨的新挑戰(zhàn)，本文還提出了基于氣體熱力過程分析的螺桿泵專屬設計新理念和采用通用泵體和專屬轉(zhuǎn)子的螺桿泵生產(chǎn)新方法，并展望由此可能帶來的新變化。

　　國內(nèi)真空行業(yè)的專家學者很早就已經(jīng)認識到，無油螺桿真空泵是一種具有廣闊應用前景和巨大市場潛力的干式真空泵。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(tǒng)油封泵相比，螺桿泵具有無油污染、排除水蒸氣和固體粉塵顆粒能力強等特點；與水環(huán)泵等液封泵相比，螺桿泵具有真空度高、能耗低、抽除可溶性蒸汽時無廢液產(chǎn)生的特點；與爪式泵、多級羅茨泵、渦旋泵等其它干式真空泵相比，螺桿泵具有抽速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抽氣腔元件無摩擦、壽命長等特點。

　　目前，螺桿泵已被成功地應用于半導體、醫(yī)藥、食品、化工等眾多工業(yè)領域，所占真空泵市場份額逐年上升。然而，我國目前僅有十余家生產(chǎn)單位能夠提供國產(chǎn)螺桿真空泵定型產(chǎn)品，且主要面向低端市場，外國的螺桿泵產(chǎn)品依然占據(jù)著國內(nèi)市場的主導地位。這一格局與其它種類真空泵有很大不同，充分說明我國的螺桿真空泵生產(chǎn)能力和水平遠遠不能適應我國真空泵應用市場的需求。同時，這一現(xiàn)狀也備受國內(nèi)真空行業(yè)的關注，并極大地激發(fā)了國內(nèi)真空泵生產(chǎn)企業(yè)的開發(fā)熱情，目前國內(nèi)已有一些真空泵生產(chǎn)廠家開始致力于螺桿真空泵的開發(fā)研制與生產(chǎn)銷售，使螺桿泵的研發(fā)工作成為國內(nèi)真空泵行業(yè)的一個熱點。

　　螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿真空泵中最關鍵的抽氣部件，直接決定著泵的工作性能和使用壽命，其加工制造成本約占整個螺桿泵總成本近一半。螺桿轉(zhuǎn)子的設計與制造則是整個螺桿泵生產(chǎn)中的關鍵技術之一，也是國內(nèi)各企業(yè)開發(fā)、研制螺桿真空泵過程中所普遍面臨的技術難題。由于螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子的設計理論尚不夠成熟，且有技術保密因素，致使關于螺桿真空泵轉(zhuǎn)子設計的公開資料十分稀少。國內(nèi)不同單位中從事螺桿真空泵開發(fā)研制的研究學者和技術人員，大多是從最基礎原理出發(fā)，開展研究工作，發(fā)現(xiàn)和解決開發(fā)工作中所遇到的一個個技術難題，制約了國內(nèi)螺桿真空泵開發(fā)生產(chǎn)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內(nèi)外公開文獻資料和總結(jié)課題組多年研究成果經(jīng)驗的基礎上，嘗試回顧總結(jié)國內(nèi)外關于螺桿真空泵螺桿轉(zhuǎn)子的設計理念，介紹最基本的相關概念與設計方法，并對未來螺桿轉(zhuǎn)子的設計方法提出新的設想和展望，以期對國內(nèi)螺桿真空泵的開發(fā)和研究工作有所幫助。

1、轉(zhuǎn)子設計的幾何學計算

　　關于螺桿真空泵轉(zhuǎn)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

　　螺桿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(shù)。由于螺桿泵內(nèi)部沒有液體密封，泵內(nèi)的級間返流泄漏十分嚴重，所以與其它傳統(tǒng)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 為螺桿的轉(zhuǎn)速，單位取r/min。Vin 為單一螺桿轉(zhuǎn)子的齒間有效吸氣容積，單位取為m³，考慮螺桿真空泵大多是采用雙螺桿，所以式中乘以系數(shù)2。對于端面型線形狀尺寸沿軸向保持不變的螺桿轉(zhuǎn)子，Vin 可表示為

　　其中Ae 為單一螺桿轉(zhuǎn)子的有效抽氣面積，單位取為m²；Lin 是對應泵吸氣口結(jié)束點之后第一個螺旋導程的長度，單位取為m。

　　1.2、壓縮比計算

　　螺桿泵的吸排氣壓縮比κ 取決于螺桿轉(zhuǎn)子螺旋導程的變化，可表示為

　　其中Vout 為單一螺桿轉(zhuǎn)子的齒間排氣容積，單位取為m³；Lout 是轉(zhuǎn)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

　　目前國內(nèi)生產(chǎn)與應用的無油螺桿真空泵，大多數(shù)采用單頭螺桿轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子的共同特征是其端面型線的形心遠離其回轉(zhuǎn)軸線，轉(zhuǎn)動時必然會產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。因此，在轉(zhuǎn)子的設計階段，就必須對轉(zhuǎn)子進行專門的動平衡計算，以消除其不平衡量。剛性轉(zhuǎn)子的動力平衡的條件是要求回轉(zhuǎn)體的整體質(zhì)心處于回轉(zhuǎn)軸之上，以及要求回轉(zhuǎn)體對垂直于回轉(zhuǎn)軸的二坐標軸的慣性積為零，二者的數(shù)學表達形式分別為：

　　式中，ex 和ey 分別對應為轉(zhuǎn)子在x 軸和y 軸方向的質(zhì)心坐標；Iyz 和Izx 分別為轉(zhuǎn)子對y-z 軸和z-x 軸的慣性積；坐標系的z 軸沿轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)軸線，所有積分都是對轉(zhuǎn)子體的全部質(zhì)量m 進行。關于實現(xiàn)轉(zhuǎn)子動平衡的方法，后文還有論述。

2、螺桿轉(zhuǎn)子型線

　　毋庸置疑，螺桿轉(zhuǎn)子的型線設計與加工是無油螺桿真空泵的最關鍵技術訣竅之一，幾乎所有生產(chǎn)廠家都將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(fā)設計人員所面臨的首要設計難題。

　　螺桿真空泵的工作原理脫胎于在其出現(xiàn)前已經(jīng)技術成熟的螺桿氣體壓縮機和螺桿液體輸送泵。螺桿真空泵中螺桿轉(zhuǎn)子的工作原理與結(jié)構(gòu)設計理念也是由這兩種產(chǎn)品衍化而來。盡管螺桿真空泵輸送的介質(zhì)與螺桿氣體壓縮機相同，但其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式卻更接近于螺桿液體輸送泵中的螺桿轉(zhuǎn)子。至今為止，多數(shù)螺桿真空泵的定型產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子均采用單頭自嚙合型線結(jié)構(gòu)。所謂“自嚙合”屬性，就是主從螺桿轉(zhuǎn)子采用完全相同的端面型線，這一點與螺桿氣體壓縮機有很大不同而與螺桿液體輸送泵類似。

　　2.1、端面型線、軸面型線與法面型線

　　依據(jù)對螺桿轉(zhuǎn)子剖切面方位的不同，螺桿轉(zhuǎn)子型線的常用表述方式也有三種形式，分別為端面型線、軸面型線和法面型線。端面型線對于研究主、從螺桿轉(zhuǎn)子的共軛屬性、分析級間泄漏特性、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桿轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，但在等螺距螺桿轉(zhuǎn)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桿轉(zhuǎn)子，則必須依據(jù)法面型線來設計成型刀具。螺桿轉(zhuǎn)子端面型線、軸面型線和法面型線的各自表征方程，以及轉(zhuǎn)子齒面的螺旋曲面方程，均可以在轉(zhuǎn)子坐標系中相互轉(zhuǎn)換求得，因此只要確定了其中一種型線表征方式和螺旋展開方式，其余型線表征方式就已經(jīng)確定。各種型線表征方程的互求轉(zhuǎn)換方法，可以參照螺桿壓縮機、螺桿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桿轉(zhuǎn)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。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線、軸面型線和法面型線示意圖

3、結(jié)束語

　　正如本文引言中所述，無油螺桿真空泵的應用市場已經(jīng)成熟并正在迅速成長，而我國螺桿泵的設計、制造水平尚處于低水平的引進消化探索階段，還遠遠不能適應我國當前市場的實際需求。其中螺桿轉(zhuǎn)子的設計理論和制造技術的落后，正是制約螺桿泵技術與產(chǎn)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，所展出的國產(chǎn)螺桿泵大多數(shù)還是采用的等螺距螺桿轉(zhuǎn)子，因此排氣功耗大，轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速也多是直連電機的同步轉(zhuǎn)速。真空技術網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)對照近幾年外國公司的產(chǎn)品，大量出現(xiàn)排氣功耗小的變螺距轉(zhuǎn)子，且多采用增速機構(gòu)以提高轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速。

　　本文嘗試從幾何結(jié)構(gòu)計算、型線構(gòu)成、轉(zhuǎn)子動平衡方法、螺旋展開方式等幾方面，對現(xiàn)有的設計思想和國外產(chǎn)品進行粗淺的分析，總結(jié)并提出一些不成熟的設想，掛一漏萬，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，其本意在于拋磚引玉，激發(fā)國內(nèi)相關同行學者和工程技術人員的熱情，共同探討相關技術的突破點，從而盡快提升我國無油螺桿真空泵的設計、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(jīng)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(xiàn)場直接參與螺桿泵的開發(fā)研制和工程應用工作，所以缺乏實際經(jīng)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，但期望對國內(nèi)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。