ระยะห่างประกอบระหว่างโรเตอร์กับใบสไลด์: ความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่าง อัตราการสูบ และอายุการใช้งาน

ระยะห่างประกอบของปั๊มแบบใบสไลด์มีสามตำแหน่ง ซึ่งมีชื่อเรียกว่า “ระยะห่าง” เหมือนกัน แต่ทำหน้าที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน: ระยะห่างด้านข้างระหว่างใบสไลด์กับร่องโรเตอร์เป็นตัวกำหนดว่าใบสไลด์จะยื่นออกได้อย่างอิสระหรือจะติดอยู่ในร่องหรือไม่; ส่วนระยะห่างด้านบนระหว่างปลายใบสไลด์กับผนังโพรงปั๊ม และระยะห่างด้านปลายระหว่างหน้าปลายโรเตอร์กับฝาปิดปลาย ต่างหากคือช่องทางที่ก๊าซรั่วจากห้องแรงดันสูงกลับไปยังห้องแรงดันต่ำ การที่หน้างานเหมารวมว่า “อัตราการสูบตก” เกิดจากระยะห่างนั้นไม่ถูกต้อง ในขั้นสูบหยาบที่ 500 mbar ระยะห่างด้านปลาย 40 µm กินอัตราการสูบเพียงร้อยละหนึ่งกว่า ๆ; แต่เมื่อต่ำกว่า 1 mbar ระยะห่างเส้นเดียวกันนี้เพียงพอที่จะดันความดันจำกัดให้สูงขึ้นหนึ่งลำดับขนาด บทความนี้แยกระยะห่างสามตำแหน่งออกจากกัน และใช้ตัวอย่างการคำนวณสามตัวอย่างอธิบายว่าแต่ละตำแหน่งมีผลในช่วงความดันใด รวมถึงเหตุใดปัญหาอายุการใช้งานจึงแสดงออกเป็น “ระยะห่างใหญ่ขึ้น” ในที่สุด

1. ตำแหน่งระยะห่างสามจุด: ตำแหน่ง ขนาด และผลลัพธ์

ขนาดในตารางเป็นช่วงอ้างอิงของรุ่นทั่วไป ไม่ได้แทนค่าตามแบบของปั๊มเครื่องใดเครื่องหนึ่ง ค่าจริงต้องวัดตามรุ่น และต้องวัดขณะร้อน เหตุผลจะอธิบายในหัวข้อ 4

2. ตัวอย่างการคำนวณ 1: ปริมาตรช่องว่างคงเหลือกำหนดเพดาน 90–100 mbar ของปั๊มแบบไม่ใช้น้ำมันระดับเดียว

ระดับสุญญากาศพิกัดของปั๊มใบสไลด์แบบไม่ใช้น้ำมันระดับเดียวส่วนใหญ่อยู่ที่ 90–150 mbar โดย DPL-V15L และ DPL-V25L อยู่ที่ 90 mbar ส่วน DPL-V8, DPL-V10 และ DPL-V16 อยู่ที่ 100 mbar ตัวเลขนี้มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็น “ระยะห่างทำได้ไม่ดี” แต่จริง ๆ แล้วปัจจัยหลักคือปริมาตรช่องว่างคงเหลือ: ขณะสิ้นสุดการระบาย ก๊าซที่ตกค้างในช่องว่างคงเหลือถูกปิดกั้นที่ 1 บรรยากาศ เมื่อโรเตอร์หมุนต่อไป มันจะขยายตัวก่อน และจะเริ่มดูดก๊าซเมื่อขยายตัวต่ำกว่าความดันทางเข้า

เมื่อประมาณด้วยการขยายตัวแบบอุณหภูมิคงที่ ความสัมพันธ์ระหว่างความดันจำกัดกับอัตราส่วนช่องว่างคงเหลือคือ:

p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)

โดย p_exh ใช้ 1013 mbar, V_c คือปริมาตรช่องว่างคงเหลือ, V_cyc คือปริมาตรดูดก๊าซต่อรอบ เมื่อคำนวณย้อนกลับอัตราส่วนช่องว่างคงเหลือ:

ค่าที่คำนวณย้อนกลับสามกลุ่มอยู่ที่ 10%–17% ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางเรขาคณิตของปั๊มใบสไลด์: ปริมาตรส่วนเล็ก ๆ ใกล้ช่องระบายและจุดตายกินพื้นที่ในระดับนี้ สิ่งนี้ยังแสดงว่า หากต้องการลดระดับของปั๊มแบบไม่ใช้น้ำมันระดับเดียวลงอีก สิ่งที่ต้องพึ่งไม่ใช่ “ขัดระยะห่างให้เล็กลงอีก 5 µm” แต่เป็นการลดปริมาตรช่องว่างคงเหลือ หรือทำเป็นสองสเตจ

หากนำแบบจำลองเดียวกันไปใช้กับปั๊มแบบซีลน้ำมันระดับเดียวจะได้ผลที่ไม่สมเหตุสมผล: สุญญากาศจำกัดของ V0040A ถึง V0100 คือ 0.1 mbar (หน้าผลิตภัณฑ์ V0025A–V0100) เมื่อคำนวณย้อนกลับอัตราส่วนช่องว่างคงเหลือมีเพียง 0.01% ซึ่งเรขาคณิตจริงทำไม่ได้ สาเหตุคือในระยะห่างของปั๊มแบบซีลน้ำมันมีฟิล์มน้ำมันอยู่ ก๊าซอัดยังละลายเข้าไปในน้ำมันได้บางส่วน และปริมาตรตายของแผ่นวาล์วระบายก็ทำให้เล็กได้ สุญญากาศ 0.1 mbar ของปั๊มแบบซีลน้ำมันไม่ได้มาจากความแม่นยำทางเรขาคณิตเพียงอย่างเดียว

3. ตัวอย่างการคำนวณ 2: ระยะห่างเส้นเดียวกันมีน้ำหนัก完全不同ในช่วงสูบหยาบและช่วงจำกัด

เมื่อถือว่าระยะห่างด้านปลายเป็นช่องแคบหนึ่งช่อง ความนำการไหลภายใต้การไหลแบบหนืดประเมินตามสูตรช่องแคบสี่เหลี่ยม:

C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁

โดย b คือความกว้างหน้าผนึก (ใช้ 45 mm), L คือความยาวผนึกตามแนวการหมุน (ใช้ 45 mm), h คือระยะห่างด้านปลาย, η คือความหนืดอากาศที่ 20 ℃ เท่ากับ 1.85×10⁻⁵ Pa·s และ p₂ ใช้ 1013 mbar ปั๊มหนึ่งเครื่องมีใบสไลด์สองใบ แต่ละใบมีสองหน้าปลาย คิดเป็น 4 เส้นต่อขนาน

เริ่มจากช่วงทำงาน 500 mbar (p₁ = 50 000 Pa): เมื่อ h = 40 µm การไหลย้อนกลับของเส้นทางเดียว折算กลับเข้าทางเข้าประมาณ 0.08 m³/h รวม 4 เส้นประมาณ 0.32 m³/h คิดเป็น 1.3% ของอัตราการสูบ 25 m³/h ของ V25L เมื่อ h = 10 µm อัตราส่วนนี้คือ 0.02% ซึ่งวัดไม่ออก

จากนั้นดูช่วงจำกัด (p₁ เข้าใกล้ 0, p₂ ยังเป็น 1 บรรยากาศ) อัตราการไหล pV ของการไหลย้อนกลับแทบไม่เปลี่ยนตาม p₁ อีกต่อไป เมื่อหารด้วยอัตราการสูบของปั๊มจะได้ขีดจำกัดล่างของความดันจำกัดที่ระยะห่างยอมให้:

ตารางนี้อธิบายอาการเสียที่พบบ่อยประเภทหนึ่ง: ปั๊มแบบซีลน้ำมันระดับเดียวที่เอกสารข้อกำหนดเขียนว่า 0.1 mbar หลังใช้งานหลายปีมีความดันจำกัดหยุดอยู่ที่ 1–2 mbar ขึ้นไม่ได้ แม้จะเปลี่ยนท่อดูดก๊าซและน้ำมันแล้ว เมื่อระยะห่างด้านปลายสึกถึง 40 µm ตามการคำนวณก็ทำได้เพียงระดับนี้ สังเกตว่า h มีความสัมพันธ์กำลังสาม: จาก 10 µm ถึง 20 µm ความนำการไหลเพิ่มขึ้น 8 เท่า; เมื่อเพิ่มเป็น 40 µm ก็เพิ่มขึ้นอีก 8 เท่า

ยังต้องอธิบายขอบเขตการใช้งาน: ที่ 500 mbar เส้นทางอิสระเฉลี่ยของก๊าซประมาณ 0.13 µm เมื่อเทียบกับระยะห่างด้านปลาย 10 µm ค่า Knudsen ประมาณ 0.013 ซึ่งใกล้ขีดจำกัดล่างของการไหลแบบหนืด สูตรข้างต้นใช้ได้; เมื่อความดันลดลงต่ำกว่าสองสาม mbar จะเข้าสู่การไหลช่วงเปลี่ยนผ่านและการไหลแบบโมเลกุล ความนำการไหลไม่เปลี่ยนตามความดันอีกต่อไป อัตราการไหล pV ของการไหลย้อนกลับมีแนวโน้มเป็นค่าคงที่ สิ่งนี้อธิบายปรากฏการณ์อีกอย่างได้พอดี: หลังระยะห่างสึกหรอ ความดันจำกัดจะแย่ลงก่อน แต่ความเร็วในการสูบในช่วงสูบหยาบแทบมองไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง

4. ตัวอย่างการคำนวณ 3: การขยายตัวเนื่องจากความร้อนจะจัดสรรระยะห่างขณะเย็นใหม่

ระยะห่างประกอบขณะเย็นไม่เท่ากับระยะห่างขณะทำงาน ตัวอย่างเช่น โรเตอร์ยาว 100 mm (เหล็กหล่อ, α = 11.5×10⁻⁶/K, อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 50 K), ฝาปิดปลายมีความยาวเท่ากับตัวปั๊ม (อะลูมิเนียมหล่อ, α = 23.5×10⁻⁶/K, อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 35 K):

• โรเตอร์ยืดตัว: 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
• ตัวปั๊มยืดตัว: 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
• ระยะห่างด้านปลายเปลี่ยน: 82.3 − 57.5 = +24.8 µm

ชิ้นส่วนอะลูมิเนียมขยายตัวมากกว่าชิ้นส่วนเหล็ก ระยะห่างด้านปลายขณะร้อนจึงใหญ่กว่าขณะเย็นประมาณ 25 µm การรั่วไหลเป็นไปตาม h³ เท่ากับว่าการไหลย้อนกลับขณะร้อนเป็น 3 เท่าของขณะเย็น ทิศทางของระยะห่างด้านบนก็เปลี่ยนเช่นกัน: เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอก 80 mm เป็นเหล็กหล่อและอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 40 K เส้นผ่านศูนย์กลางในจะเพิ่มขึ้น 36.8 µm ส่วนใบสไลด์กราไฟต์หรือเรซิน (α ประมาณ 4×10⁻⁶/K) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 60 K จะยาวขึ้นเพียง 19.2 µm ระยะห่างด้านบนด้านเดียวจึงเพิ่มขึ้นอีก 8.8 µm ระยะห่างด้านบนขณะเย็น 20 µm จะกลายเป็น 28.8 µm ขณะร้อน

จากนี้ได้ข้อสรุปเชิงปฏิบัติ 2 ข้อ: ระยะห่างขณะเย็นไม่ใช่ยิ่งเล็กยิ่งดี หากเล็กเกินไปจะทำให้แรงบิดเริ่มต้นและความเสี่ยงแรงเสียดทานแห้งเพิ่มขึ้น; การตัดสินว่าปั๊มควรซ่อมหรือไม่ ต้องใช้ระยะห่างหลังเดินเครื่องขณะร้อน 2 ชั่วโมงและความดันจำกัดในขณะนั้น ไม่ใช่ค่าขณะเย็นบนใบประกอบ ความดันจำกัดของปั๊มขณะร้อนจะด้อยกว่าขณะเย็นเล็กน้อย แหล่งที่มาอยู่ตรงนี้

5. อายุการใช้งาน: ระยะห่างใหญ่ขึ้นกลายเป็นอัตราการสูบลดลงได้อย่างไร

การสึกหรอเองเป็นกระบวนการค่อยเป็นค่อยไป สิ่งที่หน้างานวัดได้คือการเปลี่ยนแปลงสามช่วง: ช่วงแรกคือความดันจำกัดเพิ่มขึ้น (การไหลย้อนกลับของระยะห่างด้านบนและด้านปลายมีสัดส่วนมากขึ้นในช่วงความดันต่ำ), ช่วงที่สองคืออัตราการสูบในช่วงสุญญากาศปานกลางลดลง, ช่วงที่สามจึงเป็นเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือนที่แย่ลง ตามตารางในหัวข้อ 3 เมื่อระยะห่างด้านปลายไปจาก 10 µm ถึง 40 µm ความดันจำกัดจะไปจากระดับ 0.03 mbar ถึงระดับ 2.1 mbar; การสึกหรอเดียวกันในช่วงสุญญากาศปานกลางทำให้อัตราการสูบลดลงเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ ดังนั้น “อัตราการสูบยังใช้ได้” จึงใช้แทน “ระยะห่างไม่มีปัญหา” ไม่ได้

การตัดสินว่าควรเปลี่ยนใบสไลด์หรือไม่ มีสัญญาณที่วัดได้ห้าอย่าง (สัดส่วนอัตราการสูบที่ลดลง, ความดันจำกัด, หน้าต่างดูน้ำมัน, สเปกตรัมเสียงรบกวน, ความกว้างแถบสึกหรอที่หน้าปลาย) ซึ่งเขียนไว้ในวิธีตัดสินการสึกหรอของใบสไลด์; ลำดับการตรวจสอบที่วัดอัตราการสูบที่มีประสิทธิภาพก่อนแล้วจึงถอดปั๊มดูได้ที่ลำดับการตรวจสอบอัตราการสูบลดลง ที่นี่เพิ่มเพียงข้อเดียว: ในสภาพฝุ่น การสึกหรอของระยะห่างด้านบนจะเร็วขึ้น หากการกรองอากาศเข้ากำหนดได้เหมาะสม ความแตกต่างของอายุใบสไลด์จะมากกว่าความแตกต่างของรอบเปลี่ยนน้ำมัน

6. แบบมีน้ำมันกับแบบไม่ใช้น้ำมัน: ฟิล์มน้ำมันชดเชยระยะห่างได้มากน้อยเพียงใด

ปั๊มแบบซีลน้ำมันมอบระยะห่างด้านปลายให้ฟิล์มน้ำมัน: ฟิล์มน้ำมันเติมช่องระดับไมโครเมตรและลดความนำการไหลแบบหนืดลงหลายลำดับขนาด ดังนั้นปั๊มแบบซีลน้ำมันระดับเดียวจึงทำได้ 0.1 mbar และแบบสองสเตจ DPL-2V18 ทำได้ถึง 1×10⁻³ mbar ปั๊มแบบไม่ใช้น้ำมันไม่มีฟิล์มน้ำมันชั้นนี้ ระยะห่างด้านปลายและด้านบนอาศัยเฉพาะความแม่นยำทางเรขาคณิตและความสามารถหล่อลื่นตัวเองของวัสดุใบสไลด์ค้ำไว้ ดังนั้นสุญญากาศจำกัดจึงหยุดอยู่ที่ระดับ 90–150 mbar และยังไวต่อฝุ่นและแรงเสียดทานแห้งมากกว่า ค่าคลาดเคลื่อนระยะห่างของปั๊มสองประเภทใช้แทนกันไม่ได้: หากนำระยะห่างด้านปลายที่ปั๊มแบบซีลน้ำมันยอมให้ไปใช้กับปั๊มแบบไม่ใช้น้ำมัน การไหลย้อนกลับจะกินช่วงจำกัดทั้งหมดไป; หากนำค่าคลาดเคลื่อนของปั๊มแบบไม่ใช้น้ำมันไปใช้กับปั๊มแบบซีลน้ำมันตามเดิม ฟิล์มน้ำมันจะรับภาระไม่พอและหน้าปลายเป็นรอยครูด

7. แนวปฏิบัติหน้างาน 3 ข้อ

1. หลังซ่อมใหญ่ ให้บันทึกค่าขณะเย็นของระยะห่างสามตำแหน่งก่อน เดินเครื่องให้ครบ 2 ชั่วโมงแล้ววัดค่าขณะร้อนซ้ำ และใช้ค่าขณะร้อนในการตัดสิน
2. อย่าใช้ปะเก็นที่หนาขึ้นเพื่อ “ชดเชย” การสึกหรอของระยะห่างด้านปลาย: ปะเก็นจะเปลี่ยนทั้งปริมาตรช่องว่างคงเหลือและระยะยื่นของใบสไลด์ อัตราการสูบและความดันจำกัดจะเปลี่ยนไปพร้อมกัน วิธีที่ถูกต้องคือปรับคู่และขัดหน้าปลายใหม่ตามปริมาณการขยายตัวเนื่องจากความร้อน
3. เมื่ออัตราการสูบลดลง ให้ตรวจสอบตามอัตราการสูบที่มีประสิทธิภาพก่อน แล้วจึงถอดปั๊ม; ก่อนถอดปั๊มให้แยกการกรองอากาศเข้าและความนำการไหลของท่อออกก่อน

การส่งออกไปยังพื้นที่ 60 Hz ต้องยืนยันแยกต่างหาก: เมื่อความเร็วรอบสูงขึ้น อุณหภูมิขณะร้อนจะสูงขึ้น ค่าขณะร้อนของระยะห่างด้านปลายและระยะห่างด้านบนจะต่างจาก 50 Hz และอุณหภูมิน้ำมันของปั๊มแบบซีลน้ำมันก็สูงขึ้นด้วย เอกสารข้อกำหนดระบุว่าบางรุ่นไม่เหมาะกับพื้นที่ 60 Hz ต้องยืนยันการกำหนดค่าที่ตรงกันกับโรงงานก่อนสั่งซื้อ

บทความที่เกี่ยวข้อง

• การกรองอากาศเข้าของปั๊มสุญญากาศ: เลือกใช้อย่างไรในสภาพฝุ่น
• รายการตรวจสอบการติดตั้งและการเดินเครื่องครั้งแรกของปั๊มสุญญากาศ
• เสียงรบกวนและการสั่นสะเทือนของปั๊มสุญญากาศ: ควบคุมตั้งแต่การติดตั้ง
• คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับปั๊มสุญญากาศ
• ชุดปั๊มสุญญากาศ (การกำหนดค่าแบบครบชุด)
• เครื่องคำนวณการเลือกขนาด (เวลาสูบอากาศและการแปลงหน่วย)