荏原AAS100WN真空泵自主維護

陳白冰，黃曉許，曹 珂，高曉生

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000)

真空泵是半導體生產線中最常見的基礎設備之一，為各個環節的生產工序提供真空工藝條件。PECVD工藝主泵常采用螺桿式真空泵。運行過程中殘余反應氣體會攜帶少量氮化硅顆粒進入真空泵內，即使具有氮氣稀釋功能，氮化硅顆粒仍會附著在泵殼與螺桿上，導致螺桿與泵殼之間間隙減小，造成主軸卡死。因此必須定期對泵組進行分解維護保養或維修恢復其性能。

1 自主維護流程

（1）閱讀設備說明書，學習真空泵的工作原理。

（2）對故障泵組進行拆解，了解零部件結構、安裝順序與相互關系，進行工作原理分析。

（3）將主要零件精確測繪，一般部位的測量精度達到0.02mm，對關鍵配合尺寸的測量精度要達到0.002mm。對關鍵旋轉零件做摸底測試，參考軸承手冊對所用軸承查明型號，分析應用特點，了解選型原理。對關鍵的軸承進行檢測，復核型號，了解受力情況和磨損情況。

（4）用繪圖軟件對各個零件進行精確三維立體建模，模擬仿真裝配，觀察各零件在裝配圖中的位置關系，確定零件間的配合性質，了解零件的功能用途。

（5）從設計者的角度，對照泵組應實現的功能，研究各個零件的作用，裝配要求。結合使用環境，歸納泵組的特點。對照設備所實現的工藝要求，參照真空設計手冊中該類型泵的類似產品得出結論。

（6）拆解多個真空泵，積累不同工況下平均無故障時間數據，分析故障產生原因，確定維修重點。根據維修難點，設計專用工具、工裝。

（7）編制維修記錄表，分為外觀檢查記錄表、真空泵分解記錄表、真空泵裝配記錄表、試車記錄表四部分，主要內容有：

a.外觀檢查：電器連接、冷卻水路、稀釋氮氣管路等；

b.潤滑油油量、品質；

c.轉子盤轉情況：轉子間、轉子與泵殼間多點間隙；

d.軸向位置精度：齒輪與軸承壓緊端蓋的距離、軸承壓緊端蓋安裝間隙、軸承法蘭座體安裝間隙、電機轉子波形墊片的壓縮厚度、主軸竄動、主軸跳動精度、兩轉子軸齒間間隙；

e.試車情況：潤滑油液位情況、氮氣冷卻水壓力情況、連續運行極限真空度、羅茨泵螺桿泵電流轉速情況等。

2 荏原AAS100WN真空泵組的組成與特點

荏原AAS100WN真空泵組工藝需求與技術指標見表1，主要由機械泵組、氮氣系統、冷卻水系統、電氣控制系統（含檢測保護）組成。目前在半導體、薄膜太陽能電池以及其他工藝條件苛刻的行業，均采用羅茨泵與干泵組成真空泵組，一方面可以減小螺桿泵尺寸，提高壓縮比，提高了中真空階段抽速，另一方面極限真空度也可以提高一個數量級[1]。

表1泵組工藝需求與技術指標

2.1 螺桿式真空泵

螺桿真空泵（MP）屬變容積式真空泵。其中由軸承支撐一對螺桿，螺桿經間隙調整使陰陽螺桿間、螺桿與殼體間有微小間隙。螺桿泵在工作時，陰陽螺桿同步高速反向旋轉，相互之間無摩擦，運轉平穩。工作腔內無潤滑油，因此螺桿泵多應用于無油真空系統中。與其他無油真空泵相比，螺桿真空泵具有抽速高，極限真空度好，適用于抽排含有大量水蒸汽及少量粉塵的氣體場合[2]。

該真空泵屬于變螺距螺桿真空泵，螺桿轉子導程243mm，進氣端螺距40mm，排氣端螺距16mm。轉子在相同導程下，變螺距螺桿真空泵與等螺距螺桿真空泵相比，具有以下特點[3]：

（1）運行時，變螺距轉子溫度均低于等螺距轉子，溫度下降幅度達到22%，有效降低了溫度上升對轉子帶來的影響；

（2）變螺距轉子總形變量、軸向形變量及徑向形變量均遠小于等螺距轉子。其中總變形量降低幅度達到52%，軸向變形量降低達49%，徑向變形量降低達41%。

（3）變螺距螺桿泵的極限真空度要優于等螺距螺桿真空泵。

2.2 羅茨真空泵

為了提高前級泵的抽速與極限真空度，將羅茨泵與螺桿泵串聯使用。羅茨真空泵（BP）的泵腔內，有2個“8”字形的轉子相互垂直地安裝在一對平行軸上，轉子間做反向同步旋轉運動。轉子間、轉子與殼體間保持有一定的間隙，可以實現高轉速運行。由于羅茨泵是一種無內壓縮的真空泵，壓縮比很低，故必須與前級泵配合才可以使用。

2.3 電氣控制

電氣控制系統分為控制系統與保護系統。控制系統主要負責真空泵組、氮氣系統、冷軟水系統的啟停，負責真空度、溫度、水流量的檢測與保護。該電氣系統具有相序保護、過流保護、過載保護、水流保護、氣壓保護、溫度檢測保護等措施，在工藝條件和工作異常時停機報警，保護真空泵組，防止真空泵受到二次破壞。

2.4 氮氣系統

氮氣系統主要功能有2點：（1）氮氣密封，保證腔內反應氣體與外界隔離；（2）殘余反應氣體稀釋、吹掃，裹帶出泵體內。氮氣管道見圖1。氮氣管道接在螺桿泵、羅茨泵的齒輪端與電機端軸封處，對氣環處供氣。氣環漲緊后，可以保證泵內氣體與齒輪端、電機端隔絕，起到密封作用，防止反應氣體泄漏。在螺桿泵齒輪端附近與排氣口處有兩處稀釋點，用于殘余反應氣體顆粒稀釋，防止反應氣體顆粒吸附在殼體與轉子軸上，延長真空泵維護周期。每個軸封處均有針閥進行調節，這樣既可以最大限度地對有毒有害氣體進行隔絕，又可以保證真空泵的真空度，減少高純氮氣的消耗。

圖1 氮氣管道圖

2.5 冷卻水系統

真空泵轉子在輸送和壓縮氣體時會產生大量熱量，這些熱量會使轉子軸向與徑向發生形變，這些形變會影響轉子間隙、軸承壽命。根據變螺距真空泵轉子溫度場和熱變形有限元分析可知，轉子軸的最高溫度位于排氣側，轉子軸進氣端總變形量最大，排氣端總變形量最小。該泵組冷卻水系統針對發熱量最大處如真空泵電機、轉子軸殼體、齒輪箱進行充分散熱，防止溫度過高，保證泵組正常運轉。

2.6 結構特點

（1）與國內大多數廠家生產的螺桿泵與羅茨泵不同，該型泵組的螺桿泵與羅茨泵采用在電機端（D端）安裝2個永磁同步電機同時驅動2個轉子軸，轉動力矩均勻，運轉平穩。齒輪端（C端）的一對同步齒輪均只做限位傳動，不傳遞大扭矩，保證運轉平穩，減少了齒輪的磨損；

（2）軸組設計[4]。螺桿泵軸承的固定方式為一端（電機端）固定、一端（齒輪端）游動支承方式。螺桿泵主軸結構圖如圖2所示。其中齒輪端軸承采用NTN公司的7306ADBC3角接觸軸承DB安裝，軸向安裝游隙在46～60μm，回轉重心處于較靠兩支撐點中心，預緊力介于中載荷和輕載荷之間，保證高溫高轉速工況下高精度使用。對該軸組主要承受較高的徑向載荷，同時該軸組具有軸向定位功能，軸向受力較小，選用軸承的壓力角為A型（30°），保證軸組可以在高轉速和高溫情況下長時間使用。當轉子軸受熱形變時，轉子在排氣側形變量極小，軸承軸向游隙略微增大，軸承不會卡死破壞，徑向游隙減小，振動減輕，提高運動精度。

因進氣側轉子軸向形變量最大，軸承外圈與軸承座內孔之間有一個較大的配合間隙，保證在高溫下軸承外套軸向游動可靠，伸縮自如且不與軸承孔殼內表面發生相對的轉動。電機端采用NTN公司6006NX5-C3防蠕動深溝球軸承。經測量，該軸承后綴油品為特殊定制，經過查詢資料，應為氟化油脂。

圖2 螺桿泵主軸結構圖

序號1 2 3 4 5 6 7名稱齒輪圓螺母止動墊圈軸承后座壓蓋7306A軸承軸承間隔外環軸承間隔內環數量1 1 1 1 1 1 1備注 序號8 9 1 0 11 12 13 14名稱7306A軸承軸承座定位環軸承座墊片6006軸承軸承外墊片數量1 1 1 1 1 1 1備注 序號15 16 17 18 19 20 21名稱止動墊圈圓螺母轉子定位環波形墊片轉子膨脹環組轉子外定位環數量1 1 1 1 1 1 1備注

羅茨泵齒輪端采用5206軸承，是一款角接觸球軸承。電機端采用6006NX5-C3軸承在型號、功能上與螺桿泵一致。羅茨泵主軸結構圖見圖3。

圖3 羅茨泵主軸結構圖

序號1 2 3 4 5 6 7 8名稱M6×20固定螺絲φ6彈簧墊圈轉子后端壓蓋轉子定位銷轉子波形墊圈a波形墊圈b轉自定位環數量1 1 1 2 1 1 1 1備注 序號9 10 11 12 13 14 15 16名稱M30×1.0圓螺母止動墊圈軸承墊圈（后）6006軸承軸承墊圈（前）軸承座定位環（短）定位環數量1 1 1 1 1 1 1 1備注 序號17 18 19 20 21 22名稱軸承座5206軸承止動墊圈M30×1.0圓螺母軸承后座壓蓋齒輪數量1 1 1 1 1 1備注

（3）齒輪箱采用全氟聚醚潤滑油（PEPF），化學性能穩定，與抽排氣體不發生反應。具有低揮發性、較寬的液體溫度范圍及優異的黏度安全可靠，適合半導體工況。

（4）整機密封性優良，內腔與外部全部采用全氟橡膠圈密封，轉子動密封處采用氮氣密封結構，雙層密封隔離可靠。稀釋氮氣分級調節，稀釋點安排科學，提高了安全系數，減少了腔內結構。

（5）加工、裝配工藝先進，裝配精度高。所有零件加工精度非常優良，重要零件的關鍵加工尺寸公差帶≤0.005mm，零件精度高。各個零件功能明確，結構設計精細：a、電機轉子采用脹套固定，結構尺寸小；b、電機轉子前端的波形墊片，方便拆卸，同時減少在旋轉時的振動；c、端蓋板采用前錐后柱定位銷，保證裝配精度，方便蓋體安裝；d、同步齒輪的軸向固定采用膨脹環組無鍵聯結，同軸度高，拆裝方便；e、頂卸螺釘處的底面均有沉頭凹坑，這樣在反復拆卸時就不用擔心底面頂出毛刺，無平面高點，影響密封；f、電機轉子與主軸間無鍵連接，同過定位銷定位，轉子與定位環中安裝彈簧墊圈，采用軸向震擊法拆卸。

泵的各處有許多測量工藝孔，每處泵腔空間都有密封堵頭，可以方便的測量真空度，檢測每一級的工作情況。

3 泵組的分解

首先對外圍氮氣管道、冷卻水管道、電氣接頭部分進行拆卸，對管路接口連接處進行標識。對復雜管路如氮氣管路畫詳細的管路圖，這樣有助于后期功能分析。冷卻水管道標識、電氣插頭標識見表 2、表 3。

將抱死的螺桿泵拆開可以發現陰陽螺桿齒面之間、螺桿與殼體之間已經被氮化硅粉塵顆粒填滿（見圖4），必須對螺桿與泵體進行清洗。清洗工藝如下：

表2 冷卻水管道標識

表3 電氣插頭標識

圖4 螺桿泵拆解圖

（1）用100目的金剛砂對螺桿轉子吹掃，清除表面沉積的氮化硅；

（2）用1%的氫氟酸對需要清洗部位腐蝕60s，用清水進行沖洗；

（3）對腐蝕過的螺桿轉子噴涂聚四氟乙烯涂料做防腐處理。

聚四氟乙烯涂料對螺桿轉子噴涂厚度一般為70～90μm。聚四氟乙烯的肖式硬度為60度，具有附著力強、耐酸性與耐磨性優良特點，可以進行重復噴涂。

4 安裝中難點與解決方法

4.1 動平衡調整

螺桿真空泵在工作過程中，螺桿壓縮空氣發熱導致變形，因此螺桿在安裝過程中要預留適當的間隙。間隙太小，變形易導致轉子卡住；間隙過大，螺桿真空泵無法獲得較高的真空度。因此螺桿式真空泵裝配的關鍵在于主軸間隙調整，經過多臺測試，裝配間隙數據如下：

螺桿齒頂圓與齒底圓間間隙0.16mm

螺桿齒與電機側端面間隙0.15mm

螺桿與齒輪箱側端面間隙0.1mm

由于兩螺桿安裝后，齒間軸向間隙很小，兩螺桿同步轉動時，安裝不到位易出現兩螺桿齒間摩擦導致螺桿報廢。在調整好螺桿間隙后，陰陽螺桿的軸向間隙一定要對稱。設計專用工裝固定其中一個螺桿，手動轉動另一個螺桿，由于軸向間隙窄，只能轉動一個極其微小的角度，這個角度無法測量，因此無法根據這個角度進行準確調整。制作一個專用工裝，可以精確檢測角度變化量，使兩軸相對角度可以精確調整，保證齒面前后間隙一致。若測量后發現兩螺桿轉子齒面前后間隙過大，說明齒面磨損較為嚴重，真空泵就無法獲得較高的真空度。用聚四氟乙烯涂料對螺桿進行反復噴涂，齒面前后間隙有所減少后，重新進行調整。

主軸裝配完成后必須對齒輪端面跳動進行檢測，齒輪端面跳動必須保證在0.1mm以內，否則將造成齒輪磨損。

4.2 氮氣系統流量調整

氮氣系統各點流量大小直接影響設備的整體性能。流量太小，氣環處會泄漏氣體及有害氣體；氮氣稀釋處反應氣殘余氣體顆粒會大量沉積，直接影響真空泵組的使用壽命。流量過大，將會影響泵組的真空度。因此確定氮氣系統各個部位的流量十分重要。

（1）設計加工串入質量流量計的管路，保證管路的氣密性，管路盡量短，將該管路串入每個耗氣點，設計操作順序，記錄泵組顯示的總流量數據；

（2）當輸入氣壓值為0.1MPa時，確定每個耗氣點在泵組靜態與動態的流量最大值。注意開關球閥與角閥時對各個耗氣點流量的影響變化，并記錄泵組顯示的總流量數據。對照實際的流量值，特別注意漲緊環處的不同時間段（靜態、動態、1h、2h后）的流量；

（2）最后整理分析每個耗氣點的正常流量，確定標準流量。

4.3 確定泵組各段的真空數值

摸清泵組各段真空數值，可以幫助維修人員盡快摸清泵組運行狀態，準備維修方案。

（1）確定數據采集的位置，主要有羅茨泵、螺桿泵之間法蘭處，電機定子腔，齒輪箱內腔，螺桿泵中段部位）；

（2）準備測量儀表一套，設計加工電阻計和泵體連接的管路，保證接頭的氣密性，同時增加一個真空閥門，保證在測量時不污染電阻計，設計操作順序，準備記錄表，并記錄入口處的真空度作對比數據；

（3）最后整理分析每個采集位置的真空度，確定標準。

5 結 論

真空泵是真空設備的核心部件之一，隨著真空泵使用年限的增加，故障現象與種類也會越來越多。作為維修人員，只要我們了解真空泵的工作原理與機械結構有助于故障快速定位與設備功能的恢復。