ZJ-150型罗茨真空泵的毕业设计

目录
绪论 ............................................................................................. 错误！未定义书签。

第一章真空设备获得 . (3)
1.1需要不断扩大的真空领域 (3)
1.2真空技术在能源方面的应用 (5)
1.3真空泵市场各类泵设备发展现状 (7)
1.4真空泵技术进展趋势 (9)
1.5对真空技术未来发展的期望 (12)
第二章罗茨真空泵的介绍 (13)
2.1罗茨真空泵的术语和定义 (13)
2.2罗茨真空泵的型式和基本参数 (13)
2.3罗茨真空泵的技术要求 (15)
第三章ZJ-150型罗茨真空泵的总体设计 (17)
3.1ZJ-150型罗茨真空泵的总体构成 (18)
3.2电动机的选择 (20)
3.3总体传动结构设计 (21)
3.4斜齿圆柱齿轮传动设计计算 (22)
3.4.1 按齿面接触强度设计 (22)
3.4.2按齿根弯曲强度设计 (24)
3.4.3 齿轮几何尺寸计算 (25)
3.5转子体设计计算 (26)
3.6轴的结构设计计算 (30)
3.6.1 按扭转强度条件计算 (30)
3.6.2按刚度条件计算 (30)
3.6.3 精确校核轴的疲劳强度 (31)
3.7轴承选取设计计算 (34)
3.7.1 轴承的设计参数 (34)
3.7.2 轴承的当量动载荷计算 (34)
第四章国产ZJ型罗茨真空泵的检修与保养 (36)
4.1引言 (36)
4.2罗茨泵的拆卸 (37)
4.3罗茨泵的装配 (39)
4.4罗茨泵的保养 (40)
4.5罗茨泵防止过载的三种方法 (41)
4.6常见故障及消除方法 (42)
技术经济分析 (44)
结论 (45)
参考文献 (46)
谢辞 (46)
附录一
附录二
绪论
真空泵的分类：
真空泵利用机械、物理、化学、物理化学等方法对容器进行抽气，以获得和维持真空的装置。

真空泵和其他设备（如真空容器、真空阀、真空测量仪表、连接管路等）组成真空系统，广泛应用于电子、冶金、化工、食品、机械、医药、航天等部门。

按真空泵工作原理，基本上分为气体输送泵和气体捕集泵两种类型。

气体输送泵包括：1、液环真空泵2、往复真空泵3、旋片真空泵4、定片真空泵5、滑阀真空泵6、余摆线真空泵7、干式真空泵8、罗茨真空泵9、分子真空泵10、牵引真空泵11、复合式真空泵12、水喷射真空泵13、气体喷射泵14、蒸汽喷射泵15、扩散泵等气体捕集泵包括：吸附泵和低温泵等。

首先介绍几种常见泵及其特点：
2SK、2SK-P1系列双级水环式真空泵
主要用来抽除空气和其他有一定腐蚀性、不溶于水、允许含有少量固体颗粒的气体。

广泛用于食品、纺织、医药、化工的行业的真空蒸发、浓缩、浸渍、干燥的工艺过程中。

该泵具有真空度高、结构简单、使用方便、工作可靠、维护方便的特点。

2XZ型旋片式真空泵
具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、振动小等优点。

它适用于作扩散泵的前级泵，而且更适用于精密仪器配套和实验室使用。

例如:质谱仪器、冰箱流水线、真空冷冻干燥机等。

XD型旋片式真空泵
可以在任意入口压强下工作，已普遍应用于食品的真空包装，塑料工业的真空吸塑成形。

印刷行业的纸张输送、真空夹具、以及真空吸引等。

SZ、SK系列水环式真空泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。

它主要用来抽除空气和其他无无腐蚀、不溶于水、含有少量固体颗粒的气体，以便在密闭容器中形成真空。

所吸气体允许混有少量液体。

它广泛应用于机械、医药、=食品、石油化工
等行业中。

ZJ系列罗茨真空泵
是一种旋转式变容真空泵须有前级泵配合方可使用在较宽的压力范围内有较大的抽速对被抽除气体中含有灰尘和水蒸气不敏感广泛用于冶金、化工、食品、电子镀膜等行业。

本人本次毕业设计设计的就是ZJ系列的真空泵
本次设计的ZJ-150型罗茨真空泵是根据我国的实际生产情况以及现有的技术水平，综合国内外同类产品的优点，本着高效率，低成本的原则，自行设计的。

广泛应用与真空冶金、真空脱气、真空镀膜以及空间模拟、低密度风洞等装置中抽除非腐蚀性气体，还可用与医药、食品、电子、化工等工业的蒸馏、蒸发、干燥等生产过程。

该机器的主要机构为：主轴电动机带动主轴旋转，轴上有一对“8”字型转子在泵壳中作等速反向旋转而产生吸气和排气作用。

由于此次设计缺少大量资料给设计制造了巨大困难，对于这次设计的不足希望各位老师提出宝贵的意见。

在本次设计中得到了陈士忠讲师的悉心指导，对此表示衷心的感谢！同时也对在设计过程中给与我大力帮助和指导的各位老师一并表示感谢！
第一章真空设备获得
1.1 需要不断扩大的真空领域
在21世纪，真空的需求是增长还是减少?今后的发展趋势又将如何?这主要取决于真空应用的领域是否增加，需求是否增长。

在20～30年前，真空书籍中就指出：真空技术的应用，一是靠压力差，二是通过空间的电子或分子排除干扰，三是降低粒子撞击表面的次数。

用于各自的需求不同，所需的真空度当然也就不同了。

所谓排除空间障碍物，即粒子的平均自由程要比装置的特征尺寸长。

真空蒸发、电子管和加速器就是利用了真空的这一特点。

除大功率的电子管外，其他大部分做成固体元件，这样就不再需要真空了。

暖水瓶是真空技术在人们日常生活中的重要应用，如果以后能生产出优良的绝热材料，且很便宜，那么真空在暖水瓶的生产过程中将会失去作用。

从降低表面粒子入射频率的必要性看，超高真空技术定会得到发展，它可使表面长时间地维持其清洁。

目前，真空技术的应用的特点是：利用真空环境来研制一些新材料和新工艺。

使真空应用领域得到进一步扩大，例如超微粉和纳米颗粒的制作以及固体元件的工艺开发。

另一个应用领域是为了减少化学反应过程和核聚变反应中的不纯物，有时也要利用真空。

真空室的器壁本身与反应过程有着极其密切地关系。

人们对真空的需求将会扩大。

如日本三井物产公司把铅掺入铝中，然后用高温使铝蒸发，利用这种方法炼铝就会扩大对真空泵的需求。

因此，对于真空设备厂来说将会有一个很大的真空泵的销售市场。

过去炼铝采用电解法，现正在研究熔炉还原法。

在熔炉内还原时，由于耐火材料与铝的混合，使分离非常困难。

如果把熔炉中出现的含有铝的不纯物溶解于铅溶液中就可以对含铝的铅和不纯物进行分离。

利用真空可以分离由此形成的铝铅混合物。

由此可见，新工艺的出现，就会直接影响到真空行业，对真空的需求也会随之急剧增加。

前几年我国真空炼镁工艺的出现，曾一度使真空设备厂产的滑阀泵和罗茨泵供不应求。

造成畸形发展。

但这也说明一个问题，即新工艺、新材料等出现，势必要带动真空产业等发展。

在2l世纪，表面处理在内的表面技术成为相当大的一个真空应用领域。

因为人们对材料可靠性的要求，尤其对表面技术的应用定会有所增长。

现在人们都喜欢用防锈、防氧化的材料。

铝合金虽己生产出来了，但就原有工艺稍加改进，就会在性能上大有改观，如用氧化膜将材料与大气隔开，就能满足用户上述的要求。

这种情况，只要提示一下与真空厂家合作就能开拓一个相当可观的市场。

又如过去作超纯铝箔的方法很费事，又要把真空设备应用到这个项目的生产过程中去，就一定会产生更好地超纯铝箔来。

如果真空厂家能积极地参与到这一应用领域中去，人们对真空的需求自然会大大加强。

今后电子技术领域对真空的需求也会继续有所增长。

由于真空是个很纯净的空间，而电子元件的生产工艺也需要纯净，因此真空是制作电子元件的理想环境。

如分子束外延，半导体产品多是在真空状态中进行的。

搞分子束外延似乎都在以超大规模集成电路为目标。

要想达到这一目标就要求有非常微细的结构。

在这种情况下，最大的障碍就是灰尘。

如果一系列的操作都能在真空中进行，从底片进入真空室到最终处理完成也在真空中进行是最理想的。

如何去掉灰尘，首先是避免人与元件的直接接触。

但真空设备不一定都是干净的。

一般认为放气、排气或者切换开关时就会扬起灰尘，所以还是存在一定的问题。

有时也需要给装置搞一个清洁的表面，清洁的表面是极其容易受污染对，当必须使表面维持清洁状态的时候，有一个受到控制的气体环境往往比处于超高真空状态更为理想。

为了充入某种气体以保证清洁度，就要在充分处理本底之后，再充入干净的气体。

例如在溅射成膜时的真空度并不高。

然而充入气体之前的本底压力则对膜的质量有很大的影响，所以溅射装置必须给创造一个良好的本底真空度。

有时由于充入其它气体，而使得真空度略有下降，但就在这种真空度稍有改变的情况下，也可以进行同样的操作。

真空技术不仅仅建立狭义上的真空，而且制作高纯气体，再受控制的环境下维持所需表面，这也是真空技术的应用。

如果这样考虑，真空技术的应用也就更广泛了。

真空设备似乎可以作为工具使用。

人们随着对高级产品的需求，也迫切需要真空技术更加简便，并可应用于高新技术领域。

因此，在21世纪真空技术将会继续得到发展。

1.2 真空技术在能源方面的应用
最近，人们对能源危机的关注已逐渐淡薄，但如何根本问题并没有得到解决。

能源问题是一个长期地、不容乐观地重要问题。

从长远的观点看，要研究用新能源代替旧能源。

如太阳能利用技术，在不久的将来，有可能达到实用化。

日本曾提出到1990年，总能源的需要量的2％将由新能源代替。

将核聚变装置列为2l 世纪达到实用化的目标。

现在各国都在进行太阳热利用技术。

典型的太阳热利用技术即对太阳热发电系统的研究。

日本于1981年在香川县建成了第一座1MW的太阳热实验发电厂。

采用塔式聚光和曲面聚光两种方式。

这两种方式的额定输出均为1000kW。

在美国、法国、俄罗斯、德国、西班牙及意大利等国都将太阳热发电厂的研究开发列入了国家计划。

这些工厂的容量为500kW～10MW，并已建成应用。

太阳热发电系统是由聚热装置、热传输管、蓄热装置、发电机和计量控制装置所组成。

太阳热发电的聚热温度范围很宽，约为150～550℃。

要想获得150℃以上的热能，就必须有聚光装置。

聚光的方式有很多种，但多数都采用反射镜。

镜面材料多使用银和铝等。

表面镜由于膜面暴露在大气之中，受氧化和摩擦等因素的影响，会使反射率较低。

黑面镜的缺陷是在于基板和膜面的界面上，发生污染。

近来，由于高分子材料制作的软镜具有重复性好、透过率高、能大量生产、成本低等特点，而倍受重视。

选择吸收面对有效利用太阳能极为重要。

在选择吸收面的制作上，采用了真空技术。

高温聚热装置中采用了聚热管。

为防止由聚热管造成的对流损失，用透明玻璃管覆盖在聚热管外面，玻璃管内保持真空状态。

下面将按原理把选择吸收面的光吸收选择性，分类说明如下：
(1)利用半导体膜的谱带之间的迁移而产生基础吸收。

在红外线领域具有高反射率的金属表面上，涂上一层吸收波长为1～3μ的
半导体膜，就制成了选择吸收面。

用Si、Cu、PbS、Ge、CuO、Cr
2O
3
等材料作为
半导体膜。

这种结构的膜，它可吸收阳光转变为热能；对红外线则呈透明体。

由
于金属表面的作用使得辐射率变小，可以更有效地利用太阳能。

由于Si、Ge对太阳光的折射率高，涂上SiO
2
等材料的减反射膜，对太阳光的吸收率变好。

(2)利用薄模干涉形成减反射效应。

在基板上制成具有高反射率的金属膜，在膜上叠加干涉滤光镜。

干涉滤光镜由电介质膜+半透明金属膜+电介质膜所组成。

像这样结构的膜，可见光在电介质膜中被吸收，而红外线透过干涉滤光镜被金属膜面反射而使辐射率变小。

采用这种方式的选择吸收面的例子如：Al
2O
3
/MO／Al
2
O
3
／MO基板，及利用光
干涉效应的单层膜一耐温性极好的金属碳化物，金属氮化物，如ZrCx、HfCx等。

做成槽型抛物面镜收集器(带有ZrCx／Zr选择吸收面)。

(3)利用表面和膜结构形成的反射特性与波长的相互关系。

在加工成深沟和棱角的表面上，垂直入射的太阳光，在沟与棱角的间隙中，经多次反射而被吸收。

这种面会因高温加热而引起性能劣化，其原因可能由于蒸发、热分解、热膨胀造成的剥离和表面成份变化，紫外线照射引起的化学反应或机械损伤等因素造成的。

太阳光利用技术，也就是利用太阳光来发电，它是通过太阳电池吸收阳光，先变为直流电再转换为交流电加以利用的。

太阳电池就是将阳光直接转变为电能的元件。

这种太阳光利用技术，过去仅被用在宇宙卫星、台灯电源和边远地区的通讯电源。

现在的价格仍较高(日本资料报道于1984年时其价格为3000日元／瓦)，所以应用范围有限。

如能在太阳能电池的主体材料上加以研究和改进，降低太阳能电池的成本，改进制作太阳电池生产的工艺，这种技术是会得到进一步发展的。

如日本曾在对3Kw的个人住宅，20Kw集体住宅，200Kw学校用装置，lOOKw工厂用装置以及1000Kw集中的大容量装置等进行了研究。

这些装置的大部分电力，最终将联接到电力系统上去，同现有发电厂组合运行，向形成综合电力调配系统方向发展。

非晶硅太阳电池的制造，如辉光放电分解法，反应溅射法，真空蒸发法等，多采用真空技术。

辉光放电分解法：将被稀释的氢和氩等加入到硅烷等低压气体中引起辉光放
电，在等离子区分解硅烷，可使非晶硅堆积在低温基板上。

另一种是反应溅射法：把结晶硅作为阴极，在10-3～10-1托非活性气体中，加上高压使其放电。

因放电产生正离子轰击阴极，阴极材料就被溅射出来。

如果在阴极附近安置一块低温基板，基板上将堆积起非晶硅膜。

太阳电池不仅要求高效、廉价和大面积等特点，而且要求暴露在自然条件下具有良好的稳定性。

非晶硅的优点很多，能在玻璃、不锈钢、塑料等基板上作成大面积廉价的薄膜；比结晶硅光吸收系数大，能带宽度比结晶硅宽。

核聚变是人类未来的可靠能源，它的实现是全世界人们的愿望。

目前，世界上最先进的磁场封闭式托卡马克型核聚变装置，很多国家都在开发研制。

美国正在研制TFTR型，欧洲共同体制作JET型，俄罗斯研制T—15型，日本研制JT-60型的托卡马克型核聚变装置。

大型聚变装置的建造和运行，大大推动了高新技术的开发，特别是真空技术、低温技术、磁体技术、大功率脉冲电源技术和射频加热技术以及遥控处理技术等。

核聚变装置的真空室用来长时间包容高温等离子体。

例如欧洲联合环JET 真空室是一个全焊接的双层壁结构的环型容器。

总容积为200m3，焊缝总长达8000m。

这种真空室漏气率很低，在室温和500℃时要满足3000余年渗入真空室l升气体的极微小的漏率。

可控聚变装置用的高真空泵采用涡轮分子泵和低温泵，前者用于检漏，后者则用于抽排聚变反应废气的主泵。

工作于4.5K的具有活性炭吸附剂的低温泵，所吸留的废气中，除了氘氚核反应产物氦灰外，还有大量未能参与核反应的氘和氚。

把回收后的氘和氚再注入到大环真空室中，把除氚外的杂质气体按环保要求排放出去。

这种装置的研究，可通过国际合作攻关，人类有望在2l世纪中期建成氘一氚核聚变示范电站，最终目标是提供市场销售用电的核聚变发电站，为2l世纪的新能源和经济发展做出应有的贡献。

等离子体科学技术和真空科学技术将会得到协同发展，并将为探索宇宙结构和物质起源等重大基础科学研究中起着重要的作用。

1.3 真空泵市场各类泵设备发展现状
真空泵是一个量大面广的产品，产量很大，产值不高，但它确实是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。

真空泵的市场根据用户的需要而发生动态变化。

市场增长的主要驱动力来自于半导体工业的迅速发展以及干泵和分子泵应用领域的日益扩大。

目前，全球真空泵市场的年销售额约20亿美元，年增长率在7%左右。

我国生产真空泵的厂家很多，全部真空泵的年销售额大约在1.5亿元左右，仅相当于美国Kinney公司一家真空泵的年销售额。

通过对全球真空泵市场的分析我们可以看出，各类真空泵的市场及应用领域都在不断变化和发展。

我国真空泵制造业有着悠久的历史和雄厚的基础，国产真空泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，有些泵还出口国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间。

1.水环真空泵
虽然水环真空泵属于粗真空泵，但在我国的石油、化工、电力、轻纺、造纸、医药等领域仍然有着很大的市场。

在国外，水环泵的销售额占全部真空泵市场的14%，仅次于干泵，所以Nash、Seimems和Kinney等公司都在我国投资建厂或建立销售网络，不断扩大在我国的市场份额。

由于水环泵大部分是铸件，加工要求也不高，属劳动密集型产品，所以国产水环泵在价格上有竞争优势，关键是要改进设计，缩小体积，减轻重量，提高效率，降低能耗。

2.滑阀泵
滑阀泵是油封式真空泵的一种。

由于滑阀泵比较耐用、可靠，国内外各种真空炉、镀膜机以及干燥、浸渍等设备都是用滑阀泵作为前级泵，但是滑阀泵铸件重，加工工作量较大，所以国外各真空厂都在中国寻找合作伙伴。

为了使国产滑阀泵能够进入国际市场，必须进一步降低泵的振动噪声，杜绝喷油和漏油，提高滑阀泵长期运行的可靠性。

3.直联旋片泵
随着真空技术在各个应用领域的不断扩大，直联旋片泵的需求量越来越大。

由于这种泵数量很多，加工装配工作量很大，价格又很低，所以有的国外真空厂商在中国建立专业厂。

国产中小型直联旋片泵在技术上已经过关，价格又远比国
外的泵便宜，所以国产泵仍然有竞争优势，关键是要解决轴封漏油以及旋片材料和真空泵油的性能质量问题，确保直联泵在高速、高温下性能稳定和运行可靠，同时还要进一步提高国产直联旋片泵抽除水蒸气的能力。

4.分子泵
分子泵在国外半导体领域里的许多工艺场合是用来代替低温泵，尤其是溅射、刻蚀和LCVD等装置都采用复合分子泵和牵引泵作为主泵。

由于分子泵对水蒸气的抽速仅为同口径低温泵抽速的四分之一，所以分子泵的排气时间比低温泵长。

为了提高抽速，国外在分子泵的入口侧装一个-130℃～-150℃的低温冷板，称之为低温分子泵，水蒸气被低温板捕获，其他气体则由分子泵抽走。

这种低温分子泵在真空镀膜装置上应用，既提高了生产效率又改善了膜层质量。

随着我国半导体工业、薄膜产业和科学研究事业迅速发展，分子泵应该是我国真空泵制造业发展的重点。

首先，分子泵要从小到大建立完整系列，并研究开发各种复合分子泵、牵引泵和低温分子泵，以满足不同场合的需要。

5.干式机械真空泵
国外干式机械真空泵市场的不断增长，其主要驱动来自于半导体行业、化学工业、薄膜产业的迅速发展。

在日本，半导体行业已全部用干式真空泵代替油封式机械泵，欧美半导体行业45%以上用干式真空泵代替了油封式机械泵，大大提高了产品的性能和质量。

为了满足不同应用领域和不同工况的要求，国外有多级罗茨真空泵、多级爪式真空泵、螺杆式真空泵、涡旋式真空泵、往复式活塞真空泵以及涡轮式无油真空泵等。

极限压力从10Pa～10-2Pa，抽速从20m3/h～500m3/h。

据统计，目前国产干泵的应用还不足1%，国内半导体工业用的干泵全部从国外进口，其价格十分昂贵。

所以，我国应大力研究开发干泵，使干泵成为我国真空工业新的经济增长点。

1.4 真空泵技术进展趋势
技术发展的原动力在于市场的需求。

由于真空技术领域的扩展和迅速成长的高新技术，国内真空泵市场对真空泵的技术水平提出了更高的要求。

真空泵的生产企业必须通过技术创新和产品结构的调整两个途径来保住原有市场，进而继续扩大市场占有率。

提高真空泵的可靠性，降低振动、噪声，注重真空泵的综合水平。

过去的若干年，生产厂注重真空泵的主要性能指标，比如，极限压力、抽速等，而忽视真空泵的综合性能。

而现在，产品的可靠性、性能的稳定性以及对环境不造成污染逐渐成为用户购买产品时考虑的主要因素。

对于旋片泵、罗茨泵、滑阀泵等而言要将成熟的可靠性设计理念运用到真空泵的设计中，在可靠性设计、可靠性实验等方面下工夫，以大幅度提高真空泵的可靠性、稳定性和寿命，保证真空泵能够在各种工况下长期可靠的运行。

同时通过采用新技术、新材料、新工艺、新结构来降低振动、噪声，解决泵的喷油、漏油问题，还用户一个清洁环保的工作环境。

企业面对的永远是变化的市场，而我们的真空泵产品却千篇一律的雷同。

产品和市场的不衔接，使我们丢掉了许多机会。

真空泵的下一步发展应该面向个性化和多样化。

所谓个性化和多样化就是针对不同用户的不同需求，设计针对某一用户的特定场合的产品，使产品在这一场合应用，其特性的发挥恰倒好处。

尽快形成分子泵和干泵的规模生产。

根据预测，到2010年我国将成为世界上第二大半导体集成电路市场，总需求量约1000 亿块，达到1000亿美元以上的总金额，需要建30多条大生产线才能满足需求。

30条生产线所需干式真空泵大约15000台，是目前我国真空泵年产量的1／10左右。

国内目前真空获得设备仍然以传统的真空泵为主，主要为旋片真空泵、滑阀真空泵、罗茨真空泵、蒸汽流泵、水环真空泵等，且全部用于传统产业，我国生产的真空泵用于电子信息产业不足1％，与日本、欧美等国相比差距巨大。

我国干式真空泵的生产处于刚刚起步阶段，在全国200多家生产真空泵的企业中，能够生产干式真空泵的企业不足10家，年产量不足1000台。

没有形成批量生产。

目前国内生产的干泵绝大多数用于实验室及化学、医药等领域，用于半导体行业的很少。

国内飞速发展的电子信息产业没有有效的刺激国内干式真空泵发展，而却成为国际上真空工业发达国家的扩张之地。

目前国内建成的半导体集成电路生产线，几乎所有的干式真空泵(包括其它真空设备)均为进口，主要来自英国、日本、德国、美国等。

国内生产的干式真空泵进入该领域十分艰难，使得干式真空泵这个未来真空获得设备的主导产品在我国处于十分困难的境地。