荏原AAS100WN真空泵自主维护

陈白冰，黄晓许，曹 珂，高晓生

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000)

真空泵是半导体生产线中最常见的基础设备之一，为各个环节的生产工序提供真空工艺条件。PECVD工艺主泵常采用螺杆式真空泵。运行过程中残余反应气体会携带少量氮化硅颗粒进入真空泵内，即使具有氮气稀释功能，氮化硅颗粒仍会附着在泵壳与螺杆上，导致螺杆与泵壳之间间隙减小，造成主轴卡死。因此必须定期对泵组进行分解维护保养或维修恢复其性能。

1 自主维护流程

（1）阅读设备说明书，学习真空泵的工作原理。

（2）对故障泵组进行拆解，了解零部件结构、安装顺序与相互关系，进行工作原理分析。

（3）将主要零件精确测绘，一般部位的测量精度达到0.02mm，对关键配合尺寸的测量精度要达到0.002mm。对关键旋转零件做摸底测试，参考轴承手册对所用轴承查明型号，分析应用特点，了解选型原理。对关键的轴承进行检测，复核型号，了解受力情况和磨损情况。

（4）用绘图软件对各个零件进行精确三维立体建模，模拟仿真装配，观察各零件在装配图中的位置关系，确定零件间的配合性质，了解零件的功能用途。

（5）从设计者的角度，对照泵组应实现的功能，研究各个零件的作用，装配要求。结合使用环境，归纳泵组的特点。对照设备所实现的工艺要求，参照真空设计手册中该类型泵的类似产品得出结论。

（6）拆解多个真空泵，积累不同工况下平均无故障时间数据，分析故障产生原因，确定维修重点。根据维修难点，设计专用工具、工装。

（7）编制维修记录表，分为外观检查记录表、真空泵分解记录表、真空泵装配记录表、试车记录表四部分，主要内容有：

a.外观检查：电器连接、冷却水路、稀释氮气管路等；

b.润滑油油量、品质；

c.转子盘转情况：转子间、转子与泵壳间多点间隙；

d.轴向位置精度：齿轮与轴承压紧端盖的距离、轴承压紧端盖安装间隙、轴承法兰座体安装间隙、电机转子波形垫片的压缩厚度、主轴窜动、主轴跳动精度、两转子轴齿间间隙；

e.试车情况：润滑油液位情况、氮气冷却水压力情况、连续运行极限真空度、罗茨泵螺杆泵电流转速情况等。

2 荏原AAS100WN真空泵组的组成与特点

荏原AAS100WN真空泵组工艺需求与技术指标见表1，主要由机械泵组、氮气系统、冷却水系统、电气控制系统（含检测保护）组成。目前在半导体、薄膜太阳能电池以及其他工艺条件苛刻的行业，均采用罗茨泵与干泵组成真空泵组，一方面可以减小螺杆泵尺寸，提高压缩比，提高了中真空阶段抽速，另一方面极限真空度也可以提高一个数量级[1]。

表1泵组工艺需求与技术指标

2.1 螺杆式真空泵

螺杆真空泵（MP）属变容积式真空泵。其中由轴承支撑一对螺杆，螺杆经间隙调整使阴阳螺杆间、螺杆与壳体间有微小间隙。螺杆泵在工作时，阴阳螺杆同步高速反向旋转，相互之间无摩擦，运转平稳。工作腔内无润滑油，因此螺杆泵多应用于无油真空系统中。与其他无油真空泵相比，螺杆真空泵具有抽速高，极限真空度好，适用于抽排含有大量水蒸汽及少量粉尘的气体场合[2]。

该真空泵属于变螺距螺杆真空泵，螺杆转子导程243mm，进气端螺距40mm，排气端螺距16mm。转子在相同导程下，变螺距螺杆真空泵与等螺距螺杆真空泵相比，具有以下特点[3]：

（1）运行时，变螺距转子温度均低于等螺距转子，温度下降幅度达到22%，有效降低了温度上升对转子带来的影响；

（2）变螺距转子总形变量、轴向形变量及径向形变量均远小于等螺距转子。其中总变形量降低幅度达到52%，轴向变形量降低达49%，径向变形量降低达41%。

（3）变螺距螺杆泵的极限真空度要优于等螺距螺杆真空泵。

2.2 罗茨真空泵

为了提高前级泵的抽速与极限真空度，将罗茨泵与螺杆泵串联使用。罗茨真空泵（BP）的泵腔内，有2个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，转子间做反向同步旋转运动。转子间、转子与壳体间保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，压缩比很低，故必须与前级泵配合才可以使用。

2.3 电气控制

电气控制系统分为控制系统与保护系统。控制系统主要负责真空泵组、氮气系统、冷软水系统的启停，负责真空度、温度、水流量的检测与保护。该电气系统具有相序保护、过流保护、过载保护、水流保护、气压保护、温度检测保护等措施，在工艺条件和工作异常时停机报警，保护真空泵组，防止真空泵受到二次破坏。

2.4 氮气系统

氮气系统主要功能有2点：（1）氮气密封，保证腔内反应气体与外界隔离；（2）残余反应气体稀释、吹扫，裹带出泵体内。氮气管道见图1。氮气管道接在螺杆泵、罗茨泵的齿轮端与电机端轴封处，对气环处供气。气环涨紧后，可以保证泵内气体与齿轮端、电机端隔绝，起到密封作用，防止反应气体泄漏。在螺杆泵齿轮端附近与排气口处有两处稀释点，用于残余反应气体颗粒稀释，防止反应气体颗粒吸附在壳体与转子轴上，延长真空泵维护周期。每个轴封处均有针阀进行调节，这样既可以最大限度地对有毒有害气体进行隔绝，又可以保证真空泵的真空度，减少高纯氮气的消耗。

图1 氮气管道图

2.5 冷却水系统

真空泵转子在输送和压缩气体时会产生大量热量，这些热量会使转子轴向与径向发生形变，这些形变会影响转子间隙、轴承寿命。根据变螺距真空泵转子温度场和热变形有限元分析可知，转子轴的最高温度位于排气侧，转子轴进气端总变形量最大，排气端总变形量最小。该泵组冷却水系统针对发热量最大处如真空泵电机、转子轴壳体、齿轮箱进行充分散热，防止温度过高，保证泵组正常运转。

2.6 结构特点

（1）与国内大多数厂家生产的螺杆泵与罗茨泵不同，该型泵组的螺杆泵与罗茨泵采用在电机端（D端）安装2个永磁同步电机同时驱动2个转子轴，转动力矩均匀，运转平稳。齿轮端（C端）的一对同步齿轮均只做限位传动，不传递大扭矩，保证运转平稳，减少了齿轮的磨损；

（2）轴组设计[4]。螺杆泵轴承的固定方式为一端（电机端）固定、一端（齿轮端）游动支承方式。螺杆泵主轴结构图如图2所示。其中齿轮端轴承采用NTN公司的7306ADBC3角接触轴承DB安装，轴向安装游隙在46～60μm，回转重心处于较靠两支撑点中心，预紧力介于中载荷和轻载荷之间，保证高温高转速工况下高精度使用。对该轴组主要承受较高的径向载荷，同时该轴组具有轴向定位功能，轴向受力较小，选用轴承的压力角为A型（30°），保证轴组可以在高转速和高温情况下长时间使用。当转子轴受热形变时，转子在排气侧形变量极小，轴承轴向游隙略微增大，轴承不会卡死破坏，径向游隙减小，振动减轻，提高运动精度。

因进气侧转子轴向形变量最大，轴承外圈与轴承座内孔之间有一个较大的配合间隙，保证在高温下轴承外套轴向游动可靠，伸缩自如且不与轴承孔壳内表面发生相对的转动。电机端采用NTN公司6006NX5-C3防蠕动深沟球轴承。经测量，该轴承后缀油品为特殊定制，经过查询资料，应为氟化油脂。

图2 螺杆泵主轴结构图

序号1 2 3 4 5 6 7名称齿轮圆螺母止动垫圈轴承后座压盖7306A轴承轴承间隔外环轴承间隔内环数量1 1 1 1 1 1 1备注 序号8 9 1 0 11 12 13 14名称7306A轴承轴承座定位环轴承座垫片6006轴承轴承外垫片数量1 1 1 1 1 1 1备注 序号15 16 17 18 19 20 21名称止动垫圈圆螺母转子定位环波形垫片转子膨胀环组转子外定位环数量1 1 1 1 1 1 1备注

罗茨泵齿轮端采用5206轴承，是一款角接触球轴承。电机端采用6006NX5-C3轴承在型号、功能上与螺杆泵一致。罗茨泵主轴结构图见图3。

图3 罗茨泵主轴结构图

序号1 2 3 4 5 6 7 8名称M6×20固定螺丝φ6弹簧垫圈转子后端压盖转子定位销转子波形垫圈a波形垫圈b转自定位环数量1 1 1 2 1 1 1 1备注 序号9 10 11 12 13 14 15 16名称M30×1.0圆螺母止动垫圈轴承垫圈（后）6006轴承轴承垫圈（前）轴承座定位环（短）定位环数量1 1 1 1 1 1 1 1备注 序号17 18 19 20 21 22名称轴承座5206轴承止动垫圈M30×1.0圆螺母轴承后座压盖齿轮数量1 1 1 1 1 1备注

（3）齿轮箱采用全氟聚醚润滑油（PEPF），化学性能稳定，与抽排气体不发生反应。具有低挥发性、较宽的液体温度范围及优异的黏度安全可靠，适合半导体工况。

（4）整机密封性优良，内腔与外部全部采用全氟橡胶圈密封，转子动密封处采用氮气密封结构，双层密封隔离可靠。稀释氮气分级调节，稀释点安排科学，提高了安全系数，减少了腔内结构。

（5）加工、装配工艺先进，装配精度高。所有零件加工精度非常优良，重要零件的关键加工尺寸公差带≤0.005mm，零件精度高。各个零件功能明确，结构设计精细：a、电机转子采用胀套固定，结构尺寸小；b、电机转子前端的波形垫片，方便拆卸，同时减少在旋转时的振动；c、端盖板采用前锥后柱定位销，保证装配精度，方便盖体安装；d、同步齿轮的轴向固定采用膨胀环组无键联结，同轴度高，拆装方便；e、顶卸螺钉处的底面均有沉头凹坑，这样在反复拆卸时就不用担心底面顶出毛刺，无平面高点，影响密封；f、电机转子与主轴间无键连接，同过定位销定位，转子与定位环中安装弹簧垫圈，采用轴向震击法拆卸。

泵的各处有许多测量工艺孔，每处泵腔空间都有密封堵头，可以方便的测量真空度，检测每一级的工作情况。

3 泵组的分解

首先对外围氮气管道、冷却水管道、电气接头部分进行拆卸，对管路接口连接处进行标识。对复杂管路如氮气管路画详细的管路图，这样有助于后期功能分析。冷却水管道标识、电气插头标识见表 2、表 3。

将抱死的螺杆泵拆开可以发现阴阳螺杆齿面之间、螺杆与壳体之间已经被氮化硅粉尘颗粒填满（见图4），必须对螺杆与泵体进行清洗。清洗工艺如下：

表2 冷却水管道标识

表3 电气插头标识

图4 螺杆泵拆解图

（1）用100目的金刚砂对螺杆转子吹扫，清除表面沉积的氮化硅；

（2）用1%的氢氟酸对需要清洗部位腐蚀60s，用清水进行冲洗；

（3）对腐蚀过的螺杆转子喷涂聚四氟乙烯涂料做防腐处理。

聚四氟乙烯涂料对螺杆转子喷涂厚度一般为70～90μm。聚四氟乙烯的肖式硬度为60度，具有附着力强、耐酸性与耐磨性优良特点，可以进行重复喷涂。

4 安装中难点与解决方法

4.1 动平衡调整

螺杆真空泵在工作过程中，螺杆压缩空气发热导致变形，因此螺杆在安装过程中要预留适当的间隙。间隙太小，变形易导致转子卡住；间隙过大，螺杆真空泵无法获得较高的真空度。因此螺杆式真空泵装配的关键在于主轴间隙调整，经过多台测试，装配间隙数据如下：

螺杆齿顶圆与齿底圆间间隙0.16mm

螺杆齿与电机侧端面间隙0.15mm

螺杆与齿轮箱侧端面间隙0.1mm

由于两螺杆安装后，齿间轴向间隙很小，两螺杆同步转动时，安装不到位易出现两螺杆齿间摩擦导致螺杆报废。在调整好螺杆间隙后，阴阳螺杆的轴向间隙一定要对称。设计专用工装固定其中一个螺杆，手动转动另一个螺杆，由于轴向间隙窄，只能转动一个极其微小的角度，这个角度无法测量，因此无法根据这个角度进行准确调整。制作一个专用工装，可以精确检测角度变化量，使两轴相对角度可以精确调整，保证齿面前后间隙一致。若测量后发现两螺杆转子齿面前后间隙过大，说明齿面磨损较为严重，真空泵就无法获得较高的真空度。用聚四氟乙烯涂料对螺杆进行反复喷涂，齿面前后间隙有所减少后，重新进行调整。

主轴装配完成后必须对齿轮端面跳动进行检测，齿轮端面跳动必须保证在0.1mm以内，否则将造成齿轮磨损。

4.2 氮气系统流量调整

氮气系统各点流量大小直接影响设备的整体性能。流量太小，气环处会泄漏气体及有害气体；氮气稀释处反应气残余气体颗粒会大量沉积，直接影响真空泵组的使用寿命。流量过大，将会影响泵组的真空度。因此确定氮气系统各个部位的流量十分重要。

（1）设计加工串入质量流量计的管路，保证管路的气密性，管路尽量短，将该管路串入每个耗气点，设计操作顺序，记录泵组显示的总流量数据；

（2）当输入气压值为0.1MPa时，确定每个耗气点在泵组静态与动态的流量最大值。注意开关球阀与角阀时对各个耗气点流量的影响变化，并记录泵组显示的总流量数据。对照实际的流量值，特别注意涨紧环处的不同时间段（静态、动态、1h、2h后）的流量；

（2）最后整理分析每个耗气点的正常流量，确定标准流量。

4.3 确定泵组各段的真空数值

摸清泵组各段真空数值，可以帮助维修人员尽快摸清泵组运行状态，准备维修方案。

（1）确定数据采集的位置，主要有罗茨泵、螺杆泵之间法兰处，电机定子腔，齿轮箱内腔，螺杆泵中段部位）；

（2）准备测量仪表一套，设计加工电阻计和泵体连接的管路，保证接头的气密性，同时增加一个真空阀门，保证在测量时不污染电阻计，设计操作顺序，准备记录表，并记录入口处的真空度作对比数据；

（3）最后整理分析每个采集位置的真空度，确定标准。

5 结 论

真空泵是真空设备的核心部件之一，随着真空泵使用年限的增加，故障现象与种类也会越来越多。作为维修人员，只要我们了解真空泵的工作原理与机械结构有助于故障快速定位与设备功能的恢复。