無泄漏的磁力傳動真空動密封
真空設(shè)備上的真空動密封應(yīng)用廣泛，密封、泄漏、檢漏是真空技術(shù)工作者必須面對的問題。本文簡單介紹了真空動密封的幾大分類，并較詳細的討論了無泄漏磁力傳動真空動密封的原理、結(jié)構(gòu)、特點和應(yīng)用等。這種結(jié)構(gòu)減少了真空技術(shù)工作者的許多麻煩。
所有的真空設(shè)備都離不開真空密封，所有的真空密封都怕泄漏。而所有真空設(shè)備，檢漏都是最麻煩的事情。實現(xiàn)真空靜密封比較容易，實現(xiàn)真空動密封比較困難，保證真空動密封不泄漏更難。如果采用無泄漏的磁力傳動真空動密封就能解決許多泄漏和檢漏的麻煩。
1、真空動密封的分類
在真空設(shè)備中，把運動傳遞到真空容器中所需要的密封連接稱為真空動密封連接。各種真空設(shè)備中的動密封連接實例很多，如各種容積式真空泵旋轉(zhuǎn)軸的動力輸入;真空閥門的開啟和關(guān)閉;真空熔煉爐、真空熱處理爐的送料、拉錠、澆鑄等機構(gòu)的傳動;真空鍍膜設(shè)備工件架的轉(zhuǎn)動等。
真空動密封連接結(jié)構(gòu)與工作在常壓下的密封結(jié)構(gòu)有所不同。這種密封除了要求其結(jié)構(gòu)本身有足夠的強度、壽命和合理的外形尺寸外，針對真空的特點，它還必須保證密封的可靠性，即動密封連接在長期工作中必須保證外界環(huán)境不向真空容器內(nèi)漏氣或使漏氣維持在設(shè)計要求的范圍之內(nèi)。
圖1 真空動密封的分類
就真空容器所要求的傳動性質(zhì)來看，動密封所傳遞的運動主要有往復(fù)直線運動、旋轉(zhuǎn)運動、擺動運動和包括這三種運動形式的復(fù)合運動等四種情況。為了實現(xiàn)這些運動，并且根據(jù)真空的特點，動密封連接在很大程度上決定于密封部分所采用的方法。其分類如圖1 所示。
2、接觸式真空動密封
在接觸式真空動密封中，根據(jù)采用的密封物質(zhì)可分為固體密封和液體密封兩種形式。
2.1、固體接觸式真空動密封的結(jié)構(gòu)及特點
(1)J 形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)
J 形橡膠圈的工作原理是利用安裝后中央凸起，并緊箍在旋轉(zhuǎn)軸上呈錐形的橡膠墊圈，當(dāng)內(nèi)部達到真空時，外部大氣壓力把橡膠圈緊緊地壓在轉(zhuǎn)軸上而達到真空密封的目的。多適用于線速度小于2 m/s、轉(zhuǎn)速小于300 rpm 的真空轉(zhuǎn)軸密封中。
(2)JO 形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)
JO 形橡膠圈的密封結(jié)構(gòu)是帶鎖緊彈簧的結(jié)構(gòu)，它是在J 形橡膠密封圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進而成的。它的效果更好，使用的轉(zhuǎn)速小于2000 rpm。油封式機械真空泵的軸封裝置常采用這種密封結(jié)構(gòu)。其軸徑范圍為φ6 mm~φ200 mm。
(3)O 形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)
O 形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)又稱為橡膠填料盒密封，這種密封能傳遞圓周速度不大于2 m/s 的旋轉(zhuǎn)運動而且還能傳遞真空度不高于1.3×10-4 Pa，速度小于0.2 m/s 的直線運動， 其軸徑范圍為φ3 mm~φ200 mm。
在上述幾種動密封裝置中都需要采用真空潤滑油潤滑。為了實現(xiàn)密封裝置本身能自給潤滑，可借助氟塑料進行真空動密封。這是一種利用能自給潤滑的氟塑料材料制成的動密封裝置，如圖2 所示。由于氟塑料本身彈性較差，易產(chǎn)生較大的殘余變形，因此在結(jié)構(gòu)上采用了附加橡墊圈，把橡膠墊圈裝在密封件外面，再用螺母壓緊，就可以保證氟塑料密封圈能與軸均勻而密實的壓緊。這種結(jié)構(gòu)對軸的表面粗糙度要求相當(dāng)嚴(yán)格。旋轉(zhuǎn)運動自潤滑動密封裝置還有另一種結(jié)構(gòu)。法蘭內(nèi)裝聚四氟乙烯軸套，它既是軸的軸承，又是輔助的密封件。動密封結(jié)構(gòu)的基體內(nèi)裝有支承環(huán)、中間環(huán)、聚四氟乙烯墊圈等，動密封結(jié)構(gòu)的基體通過橡膠圈進行密封，外橡膠墊圈的作用在于補助氟塑料墊圈的彈性，以保證它對軸表面彈性壓縮和對基體的內(nèi)表面與中間環(huán)接合處的氣密性。
1.密封座; 2.氟塑料; 3.橡膠圈; 4.壓墊; 5.壓緊螺母; 6.轉(zhuǎn)軸
圖2 利用氟塑料襯套的動密封結(jié)構(gòu)
固體接觸式真空動密封雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、傳遞轉(zhuǎn)矩大、易于發(fā)現(xiàn)故障等一系列優(yōu)點，但是為了防止軸在高速旋轉(zhuǎn)下氣體的泄漏，只能通過增加密封接觸界面上的壓緊力來保證。由此而產(chǎn)生的摩擦發(fā)熱，不但功耗損失大，使用壽命短，橡膠密封圈需要經(jīng)常更換，而且產(chǎn)生氣體泄漏的問題更難以解決。因此在要求真空容器內(nèi)漏率極小的設(shè)備上，這種密封裝置的采用就受到了限制。
3、軟件變形式真空動密封
3.1、非金屬軟件變形真空動密封連接
非金屬軟件變形真空動密封連接的主要密封物質(zhì)是真空橡膠管。由于橡膠管放氣和不能承受高溫，因此，對要求達到1.3×10-4 Pa 以下的壓強，或應(yīng)進行高溫烘烤的真空設(shè)備，限制使用這種連接。當(dāng)然，如果采用耐熱硅膠，其使用溫度范圍也可以達到150℃。真空橡膠管所傳遞的運動形式主要有兩種，即直線運動和旋轉(zhuǎn)運動。在應(yīng)用非金屬柔性元件的動連接密封中，也可以采用橡膠薄板為密封物質(zhì)。橡膠薄板的外邊緣固定在真空容器的外壁上。內(nèi)邊緣則固定在軸的突肩上。圓筒形橡膠薄板可以折疊180°，因此在利用圓筒形橡膠板時，連桿工作行程不超過隔板自由狀態(tài)部分外徑的10%。這種結(jié)構(gòu)常常用在氣動真空閥，以及低真空和中真空的閥門中。這種密封裝置雖然結(jié)構(gòu)比較簡單、成本低廉，但是由于非金屬軟件的材料為真空橡膠制品，它不但不能承受轉(zhuǎn)矩，也會因放氣而影響真空室內(nèi)真空度的提高，更不能承受高溫的烘烤。因此不宜在超高真空動密封中使用。
3.2、金屬軟件變形真空動密封連接
在金屬軟件變形的真空動密封連接中采用金屬波紋管實現(xiàn)向真空中傳遞直線運動、擺動和旋轉(zhuǎn)運動是比較方便的。其特點是在真空中的從動環(huán)節(jié)的位移量大、運動速度高、傳遞的負荷范圍也較寬。
利用全金屬波紋管制成的動密封裝置，不但結(jié)構(gòu)較簡單而且在結(jié)構(gòu)中易實現(xiàn)兩種或多種形式的傳動。此外，由于波紋管是薄壁制成的金屬管，并且富有彈性、容易彎曲、伸張和壓縮，又能經(jīng)受高溫烘烤，因此，近年來在一些真空設(shè)備上得到了一定的應(yīng)用。
金屬波紋管的主要缺點是制造比較復(fù)雜，裝配不夠方便，而且不宜用于傳遞高速度的運動，波紋管在使用時也應(yīng)注意，首先壓縮要均勻，否則會在管子的圓周上產(chǎn)生局部應(yīng)力而造成破裂。波紋管只能承受拉、壓而不能承受扭轉(zhuǎn)。這就使它的應(yīng)用范圍受到了限制。
1. 被傳動軸; 2. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子; 3. 隔離密封套; 4. 外磁轉(zhuǎn)子; 5. 主動軸; 6.旋轉(zhuǎn)電磁線圈; 7.轉(zhuǎn)子
圖5 磁力傳動裝置真空動密封原理
磁力傳動用于真空動密封的特點如下：
�、俅帕鲃诱婵談用芊鈱φ婵杖萜鲀�(nèi)的真空幾乎沒有影響，可達到零泄漏;
�、趧恿魉洼S與真空容器壁不相接觸，變轉(zhuǎn)矩傳遞的動密封為靜密封、密封性能可靠，在傳送運動過程中除密封隔離套受壓差的影響外，不承受其他載荷;
�、勖芊饧g無運動摩擦，不但消除了對真空容器內(nèi)的污染，而且也消除了摩擦功耗。對于這種密封裝置，除了應(yīng)注意磁場的存在對周圍環(huán)境的干擾外，應(yīng)注意的主要問題是隔離密封套材料的選擇。若采用金屬材料，由于隔離套處于正弦交變磁場中產(chǎn)生渦流電流，由此而引起的渦流效應(yīng)所產(chǎn)生隔離套溫度的升高不但會影響永磁體的退磁而且也易于引起真空泵中油的溫升，因此在使用中應(yīng)注意選擇導(dǎo)磁性小的高性能金屬材料，或選用非金屬材料并配合適當(dāng)水冷或風(fēng)冷等冷卻方法來解決這一問題。
5.3、在真空應(yīng)用設(shè)備上的應(yīng)用實例
① 在各種真空鍍膜設(shè)備上用來傳遞鍍膜工件及保證膜厚均勻，而要求旋轉(zhuǎn)的工件架、軸的動力輸入等許多方面都采用磁力傳動密封裝置，不但消除了O 形密封圈易泄漏、磨損和污染真空等弊病，而且也提高了鍍膜層的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
�、� 我國的重離子加速器上采用了磁力傳動裝置，在真空室中傳送試驗靶，安全可靠，保證了試驗效果，提高了試驗質(zhì)量和效率。
�、� 在一些高真空及超高真空的設(shè)備上廣泛采用了磁力傳動技術(shù)。比如航天技術(shù)地面模擬試驗的各種真空容器與裝置上所采用的磁力傳動裝置，操作簡單可靠，而且也保證了高真空或超高真空狀態(tài)下的各種環(huán)境試驗。
�、� 在一些真空工藝設(shè)備上采用了磁力傳動裝置。作為機械手在真空室中傳遞工件、旋轉(zhuǎn)工件等。如真空熔煉爐中用磁力驅(qū)動裝置取代了送料機構(gòu)的取料機構(gòu);真空熱處理爐中用磁力傳動裝置取代了送樣機構(gòu)和取樣機構(gòu);真空焊接爐中用磁力傳動裝置準(zhǔn)確地傳送構(gòu)件和取送焊接件等。
�、� 一些專用的真空試驗設(shè)備中也均采用了磁力傳動技術(shù)。比如航空、航天技術(shù)設(shè)備中用精密軸承、微型軸承在高真空狀態(tài)下的壽命試驗;一些重要儀器、儀表在高真空狀態(tài)下的測試實驗等。這類專用真空設(shè)備要求連續(xù)運動的時間長，保證高真空狀態(tài)下工作。因此傳送機構(gòu)及機械手均采用了磁力傳動裝置，運動安全可靠，滿足了技術(shù)要求。
�、� 磁力傳動裝置在一些特殊真空設(shè)備上的應(yīng)用。我國第一臺分子束外延設(shè)備上采用了旋轉(zhuǎn)與直線運動的復(fù)合運動式磁力傳動裝置。作為機械手在真空室中傳送樣品，操作簡便、結(jié)構(gòu)合理、緊湊、運動安全可靠。設(shè)備采用真空無油機組，極限真空度達到6×10-7 Pa 工作真空度達到5×10-6 Pa 樣品可進行150℃烘烤。我國生產(chǎn)的獨立束源，快速換片型分子束外延設(shè)備上采用了旋轉(zhuǎn)與直線運動的復(fù)合運動磁力驅(qū)動裝置。磁力傳動裝置與全金屬直通閥，組成一套超高真空室，同樣從高真空室中取出樣品或工件，并且在運作的過程中完成裝卡工件的動作。整個過程中運行安全可靠，提高工作效率近10 倍。工作室的真空度為10-6 Pa~10-7 Pa。真空室內(nèi)樣品的烘烤溫度為150℃。
這里僅舉幾個應(yīng)用實例，實際上無泄漏磁力傳動真空動密封的應(yīng)用前景還會更加廣闊。
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