Pam bilah putar mempunyai tiga kelegaan padanan, semuanya dipanggil “kelegaan”, tetapi fungsinya amat berbeza: kelegaan sisi antara bilah putar dan alur rotor menentukan sama ada bilah boleh memanjang dengan bebas dan sama ada ia tersekat dalam alur; kelegaan atas antara hujung bilah putar dan dinding rongga pam, serta kelegaan hujung antara muka hujung rotor dan penutup hujung, ialah laluan gas bocor balik dari rongga tekanan tinggi ke rongga tekanan rendah. Di lapangan, menganggap semua “kadar pengepaman menurun” sebagai disebabkan oleh kelegaan adalah tidak tepat—pada peringkat pengepaman kasar 500 mbar, satu kelegaan hujung 40 µm hanya mengambil lebih kurang satu peratus daripada kadar pengepaman; di bawah 1 mbar, kelegaan yang sama cukup untuk menaikkan tekanan had sebanyak satu urutan magnitud. Artikel ini memisahkan tiga kelegaan tersebut, menggunakan tiga contoh pengiraan untuk menerangkan pada julat tekanan mana setiap satu berkesan, dan mengapa masalah jangka hayat akhirnya muncul sebagai “kelegaan menjadi lebih besar”.
1. Tiga kelegaan: kedudukan, magnitud dan akibat
| Kelegaan | Kedudukan | Magnitud rujukan biasa (keadaan sejuk) | Akibat utama |
|---|---|---|---|
| Kelegaan sisi | Kedua-dua muka sisi bilah putar dan dinding alur rotor | 0.02–0.08 mm | Bilah putar senget, bunyi ketukan, kebocoran tekanan dasar alur; jika terlalu besar, bilah bergoyang dan hujung haus tidak sekata |
| Kelegaan atas | Kepala bilah putar dan dinding dalam rongga pam | Beberapa puluh mikrometer | Aliran balik melalui kelegaan atas, selepas haus terus ditunjukkan sebagai kenaikan tekanan had |
| Kelegaan hujung | Muka hujung rotor dan bilah putar hingga penutup hujung | 10–30 µm | Laluan utama aliran balik muka hujung; pam termeterai minyak menghalang di sini melalui filem minyak, pam tanpa minyak hanya bergantung pada ketepatan geometri |
Magnitud dalam jadual ialah julat rujukan bagi model biasa, bukan nilai lukisan bagi mana-mana pam tertentu. Nilai sebenar perlu diukur mengikut model, dan mesti diukur dalam keadaan panas—seksyen 4 akan menerangkan sebabnya.
2. Contoh pengiraan 1: isipadu sisa menentukan had 90–100 mbar bagi pam satu peringkat tanpa minyak
Vakum terkadar bagi pam bilah putar satu peringkat tanpa minyak kebanyakannya berada dalam 90–150 mbar, DPL-V15L dan DPL-V25L ialah 90 mbar, DPL-V8, DPL-V10, DPL-V16 ialah 100 mbar. Angka ini sering disalah anggap sebagai “kelegaan tidak dibuat dengan baik”; sebenarnya faktor utama ialah isipadu sisa: pada saat akhir ekzos, gas yang tertinggal dalam isipadu sisa terperangkap pada 1 atmosfera, apabila rotor terus berputar ia mengembang dahulu, dan hanya mula menyedut masuk selepas mengembang di bawah tekanan masukan.
Berdasarkan anggaran pengembangan isoterma, hubungan antara tekanan had dan nisbah isipadu sisa ialah:
p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)
p_exh diambil sebagai 1013 mbar, V_c ialah isipadu sisa, V_cyc ialah isipadu sedutan setiap pusingan. Pengiraan songsang nisbah isipadu sisa:
| Model | Vakum terkadar | Nisbah isipadu sisa songsang V_c / V_cyc |
|---|---|---|
| DPL-V8 / V10 / V16 | 100 mbar | 100 ÷ (1013 − 100) = 11.0% |
| DPL-V15L / V25L | 90 mbar | 90 ÷ (1013 − 90) = 9.8% |
| DPL-V25 / V40 | 150 mbar (850 mbar tekanan tolok) | 150 ÷ (1013 − 150) = 17.4% |
Tiga set nilai songsang berada dalam 10%–17%, selaras dengan ciri geometri pam bilah putar: port ekzos dan isipadu kecil berhampiran titik mati sudah mengambil magnitud ini. Ini juga menunjukkan bahawa untuk menurunkan lagi pam satu peringkat tanpa minyak, caranya bukan “mengisar kelegaan lebih kecil sebanyak 5 µm”, tetapi memampatkan isipadu sisa atau membuat dua peringkat.
Model yang sama digunakan pada pam satu peringkat termeterai minyak akan menghasilkan keputusan yang tidak masuk akal: vakum had V0040A hingga V0100 ialah 0.1 mbar (halaman produk V0025A–V0100), nisbah isipadu sisa songsang hanya 0.01%, yang tidak dapat dicapai oleh geometri sebenar. Sebabnya ialah dalam kelegaan pam termeterai minyak terdapat lapisan filem minyak, sebahagian gas termampat juga larut dalam minyak, dan isipadu mati plat injap ekzos boleh dibuat sangat kecil. Vakum had 0.1 mbar bagi pam termeterai minyak tidak diperoleh semata-mata melalui ketepatan geometri.
3. Contoh pengiraan 2: kelegaan yang sama, sumbangannya berbeza sama sekali pada peringkat pengepaman kasar dan peringkat had
Menganggap kelegaan hujung sebagai celah sempit, kekonduksian di bawah aliran likat dianggarkan menggunakan formula celah segi empat tepat:
C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁
b ialah lebar permukaan pengedap (diambil 45 mm), L ialah panjang pengedap mengikut arah putaran (diambil 45 mm), h ialah kelegaan hujung, η ialah kelikatan udara 20 ℃ 1.85×10⁻⁵ Pa·s, p₂ diambil sebagai 1013 mbar. Satu pam mempunyai dua bilah putar, setiap bilah mempunyai dua muka hujung, dikira sebagai 4 laluan selari.
Pertama lihat julat kerja 500 mbar (p₁ = 50 000 Pa): apabila h = 40 µm, aliran balik bagi satu laluan ditukar kembali pada masukan kira-kira 0.08 m³/h, jumlah 4 laluan kira-kira 0.32 m³/h, menyumbang 1.3% daripada kadar pengepaman 25 m³/h bagi V25L. Apabila h = 10 µm, nisbah ini ialah 0.02%, tidak dapat diukur.
Kemudian lihat julat had (p₁ menghampiri 0, p₂ masih 1 atmosfera), kadar aliran pV aliran balik hampir tidak berubah lagi dengan p₁; dibahagikan dengan kadar pengepaman pam, ia ialah had bawah tekanan had yang dibenarkan oleh kelegaan:
| Kelegaan hujung h | Aliran balik satu laluan Q | Bersamaan pam 25 m³/h (4 laluan) | Bersamaan pam 100 m³/h (4 laluan) |
|---|---|---|---|
| 10 µm | 0.023 Pa·m³/s | 0.13 mbar | 0.03 mbar |
| 20 µm | 0.19 Pa·m³/s | 1.1 mbar | 0.27 mbar |
| 40 µm | 1.5 Pa·m³/s | 8.5 mbar | 2.1 mbar |
| 60 µm | 5.0 Pa·m³/s | 29 mbar | 7.2 mbar |
Jadual ini menerangkan satu jenis kerosakan biasa: pam satu peringkat termeterai minyak yang spesifikasinya menyatakan 0.1 mbar, selepas beberapa tahun digunakan tekanan had berhenti pada 1–2 mbar dan tidak turun lagi, walaupun saluran paip sedutan dan minyak telah ditukar. Apabila kelegaan hujung haus hingga 40 µm, secara aritmetik hanya boleh mencapai magnitud ini. Perhatikan bahawa h mempunyai hubungan kuasa tiga: daripada 10 µm ke 20 µm, kekonduksian meningkat 8 kali; apabila berganda lagi ke 40 µm, meningkat lagi 8 kali.
Perlu juga dijelaskan had penggunaan: pada 500 mbar, laluan bebas purata gas ialah kira-kira 0.13 µm, berbanding kelegaan hujung 10 µm, nombor Knudsen kira-kira 0.013, menghampiri had bawah aliran likat, formula di atas boleh digunakan; apabila tekanan turun di bawah beberapa mbar, ia masuk ke aliran peralihan dan aliran molekul, kekonduksian tidak lagi berubah dengan tekanan, dan kadar aliran pV aliran balik cenderung kepada pemalar. Ini tepat menerangkan satu lagi fenomena—selepas kelegaan haus, tekanan had mula merosot, tetapi kadar pengepaman pada peringkat pengepaman kasar hampir tidak kelihatan berubah.
4. Contoh pengiraan 3: pengembangan haba akan mengagihkan semula kelegaan keadaan sejuk
Kelegaan pemasangan keadaan sejuk tidak sama dengan kelegaan semasa bekerja. Ambil contoh panjang rotor 100 mm (besi tuang, α = 11.5×10⁻⁶/K, kenaikan suhu 50 K), penutup hujung dan badan pam sama panjang (aloi aluminium tuang, α = 23.5×10⁻⁶/K, kenaikan suhu 35 K):
- Pemanjangan rotor: 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
- Pemanjangan badan pam: 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
- Perubahan kelegaan hujung: 82.3 − 57.5 = +24.8 µm
Komponen aluminium mengembang lebih banyak daripada komponen besi, kelegaan hujung keadaan panas kira-kira 25 µm lebih besar daripada keadaan sejuk; kebocoran mengikut h³, bermakna aliran balik keadaan panas ialah 3 kali keadaan sejuk. Arah kelegaan atas juga berubah: apabila diameter silinder 80 mm besi tuang dengan kenaikan suhu 40 K, diameter dalam bertambah 36.8 µm, manakala bilah putar grafit atau resin (α kira-kira 4×10⁻⁶/K) dengan kenaikan suhu 60 K hanya memanjang 19.2 µm, oleh itu kelegaan atas sebelah bertambah lagi 8.8 µm; kelegaan atas 20 µm keadaan sejuk menjadi 28.8 µm dalam keadaan panas.
Daripada ini diperoleh dua kesimpulan praktikal: kelegaan keadaan sejuk bukan semakin kecil semakin baik, terlalu kecil akan meningkatkan tork permulaan dan risiko geseran kering; untuk menentukan sama ada pam perlu dibaiki, gunakan kelegaan selepas berjalan 2 jam dalam keadaan panas dan tekanan had pada masa itu, bukan nilai keadaan sejuk pada helaian pemasangan. Tekanan had pam panas sedikit lebih buruk daripada mesin sejuk, sumbernya di sini.
5. Jangka hayat: bagaimana kelegaan yang membesar menjadi penurunan kadar pengepaman
Haus itu sendiri adalah beransur-ansur; apa yang boleh diukur di lapangan ialah tiga peringkat perubahan: peringkat pertama ialah kenaikan tekanan had (sumbangan aliran balik kelegaan atas dan kelegaan hujung menjadi lebih besar pada julat tekanan rendah), peringkat kedua ialah penurunan kadar pengepaman pada julat vakum sederhana, peringkat ketiga barulah bunyi dan getaran menjadi lebih teruk. Mengikut jadual dalam seksyen 3, kelegaan hujung bergerak daripada 10 µm ke 40 µm, tekanan had bergerak daripada magnitud 0.03 mbar ke magnitud 2.1 mbar; haus yang sama hanya menurunkan kadar pengepaman beberapa peratus pada julat vakum sederhana, jadi “kadar pengepaman masih boleh” tidak boleh dianggap sebagai “kelegaan tiada masalah”.
Untuk menilai sama ada bilah putar perlu diganti, lima isyarat yang boleh diukur (nisbah penurunan kadar pengepaman, tekanan had, tetingkap minyak, spektrum bunyi, lebar jalur haus muka hujung) telah ditulis dalam cara menilai haus bilah putar; urutan pemeriksaan untuk mengukur kadar pengepaman berkesan dahulu sebelum membuka pam boleh dilihat dalam urutan pemeriksaan penurunan kadar pengepaman. Di sini hanya tambah satu perkara: dalam keadaan berdebu, haus kelegaan atas akan menjadi lebih cepat; jika penapis masukan dipadankan dengan baik, perbezaan jangka hayat bilah putar lebih besar daripada perbezaan kitaran tukar minyak.
6. Berminyak dan tanpa minyak: berapa banyak kerja filem minyak menggantikan kelegaan
Pam termeterai minyak