無(wú)泄漏的磁力傳動(dòng)真空動(dòng)密封
真空設(shè)備上的真空動(dòng)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(duì)的問(wèn)題。本文簡(jiǎn)單介紹了真空動(dòng)密封的幾大分類(lèi)，并較詳細(xì)的討論了無(wú)泄漏磁力傳動(dòng)真空動(dòng)密封的原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)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(kāi)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(shí)現(xiàn)真空靜密封比較容易，實(shí)現(xiàn)真空動(dòng)密封比較困難，保證真空動(dòng)密封不泄漏更難。如果采用無(wú)泄漏的磁力傳動(dòng)真空動(dòng)密封就能解決許多泄漏和檢漏的麻煩。
1、真空動(dòng)密封的分類(lèi)
在真空設(shè)備中，把運(yùn)動(dòng)傳遞到真空容器中所需要的密封連接稱(chēng)為真空動(dòng)密封連接。各種真空設(shè)備中的動(dòng)密封連接實(shí)例很多，如各種容積式真空泵旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力輸入;真空閥門(mén)的開(kāi)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(jī)構(gòu)的傳動(dòng);真空鍍膜設(shè)備工件架的轉(zhuǎn)動(dòng)等。
真空動(dòng)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(qiáng)度、壽命和合理的外形尺寸外，針對(duì)真空的特點(diǎn)，它還必須保證密封的可靠性，即動(dòng)密封連接在長(zhǎng)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(jì)要求的范圍之內(nèi)。
圖1 真空動(dòng)密封的分類(lèi)
就真空容器所要求的傳動(dòng)性質(zhì)來(lái)看，動(dòng)密封所傳遞的運(yùn)動(dòng)主要有往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和包括這三種運(yùn)動(dòng)形式的復(fù)合運(yùn)動(dòng)等四種情況。為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)，并且根據(jù)真空的特點(diǎn)，動(dòng)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(lèi)如圖1 所示。
2、接觸式真空動(dòng)密封
在接觸式真空動(dòng)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(dòng)密封的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
(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(dá)到真空時(shí)，外部大氣壓力把橡膠圈緊緊地壓在轉(zhuǎn)軸上而達(dá)到真空密封的目的。多適用于線(xiàn)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(jìn)而成的。它的效果更好，使用的轉(zhuǎn)速小于2000 rpm。油封式機(jī)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(chēng)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(yùn)動(dòng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)， 其軸徑范圍為φ3 mm~φ200 mm。
在上述幾種動(dòng)密封裝置中都需要采用真空潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。為了實(shí)現(xiàn)密封裝置本身能自給潤(rùn)滑，可借助氟塑料進(jìn)行真空動(dòng)密封。這是一種利用能自給潤(rùn)滑的氟塑料材料制成的動(dòng)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(shí)的壓緊。這種結(jié)構(gòu)對(duì)軸的表面粗糙度要求相當(dāng)嚴(yán)格。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自潤(rùn)滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)密封結(jié)構(gòu)的基體通過(guò)橡膠圈進(jìn)行密封，外橡膠墊圈的作用在于補(bǔ)助氟塑料墊圈的彈性，以保證它對(duì)軸表面彈性壓縮和對(duì)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(dòng)密封結(jié)構(gòu)
固體接觸式真空動(dòng)密封雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，但是為了防止軸在高速旋轉(zhuǎn)下氣體的泄漏，只能通過(guò)增加密封接觸界面上的壓緊力來(lái)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(wèn)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(dòng)密封
3.1、非金屬軟件變形真空動(dòng)密封連接
非金屬軟件變形真空動(dòng)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(duì)要求達(dá)到1.3×10-4 Pa 以下的壓強(qiáng)，或應(yīng)進(jìn)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(dá)到150℃。真空橡膠管所傳遞的運(yùn)動(dòng)形式主要有兩種，即直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用非金屬柔性元件的動(dòng)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(shí)，連桿工作行程不超過(guò)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(dòng)真空閥，以及低真空和中真空的閥門(mén)中。這種密封裝置雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(huì)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(dòng)密封中使用。
3.2、金屬軟件變形真空動(dòng)密封連接
在金屬軟件變形的真空動(dòng)密封連接中采用金屬波紋管實(shí)現(xiàn)向真空中傳遞直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是比較方便的。其特點(diǎn)是在真空中的從動(dòng)環(huán)節(jié)的位移量大、運(yùn)動(dòng)速度高、傳遞的負(fù)荷范圍也較寬。
利用全金屬波紋管制成的動(dòng)密封裝置，不但結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單而且在結(jié)構(gòu)中易實(shí)現(xiàn)兩種或多種形式的傳動(dòng)。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(lái)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)，波紋管在使用時(shí)也應(yīng)注意，首先壓縮要均勻，否則會(huì)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(dòng)軸; 2. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子; 3. 隔離密封套; 4. 外磁轉(zhuǎn)子; 5. 主動(dòng)軸; 6.旋轉(zhuǎn)電磁線(xiàn)圈; 7.轉(zhuǎn)子
圖5 磁力傳動(dòng)裝置真空動(dòng)密封原理
磁力傳動(dòng)用于真空動(dòng)密封的特點(diǎn)如下：
�、俅帕鲃�(dòng)真空動(dòng)密封對(duì)真空容器內(nèi)的真空幾乎沒(méi)有影響，可達(dá)到零泄漏;
�、趧�(dòng)力傳送軸與真空容器壁不相接觸，變轉(zhuǎn)矩傳遞的動(dòng)密封為靜密封、密封性能可靠，在傳送運(yùn)動(dòng)過(guò)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(wú)運(yùn)動(dòng)摩擦，不但消除了對(duì)真空容器內(nèi)的污染，而且也消除了摩擦功耗。對(duì)于這種密封裝置，除了應(yīng)注意磁場(chǎng)的存在對(duì)周?chē)h(huán)境的干擾外，應(yīng)注意的主要問(wèn)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(chǎng)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(huì)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(lái)解決這一問(wèn)題。
5.3、在真空應(yīng)用設(shè)備上的應(yīng)用實(shí)例
�、� 在各種真空鍍膜設(shè)備上用來(lái)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(dòng)力輸入等許多方面都采用磁力傳動(dòng)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(guó)的重離子加速器上采用了磁力傳動(dòng)裝置，在真空室中傳送試驗(yàn)靶，安全可靠，保證了試驗(yàn)效果，提高了試驗(yàn)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(dòng)技術(shù)。比如航天技術(shù)地面模擬試驗(yàn)的各種真空容器與裝置上所采用的磁力傳動(dòng)裝置，操作簡(jiǎn)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(yàn)。
�、� 在一些真空工藝設(shè)備上采用了磁力傳動(dòng)裝置。作為機(jī)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(dòng)裝置取代了送料機(jī)構(gòu)的取料機(jī)構(gòu);真空熱處理爐中用磁力傳動(dòng)裝置取代了送樣機(jī)構(gòu)和取樣機(jī)構(gòu);真空焊接爐中用磁力傳動(dòng)裝置準(zhǔn)確地傳送構(gòu)件和取送焊接件等。
�、� 一些專(zhuān)用的真空試驗(yàn)設(shè)備中也均采用了磁力傳動(dòng)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(yàn);一些重要儀器、儀表在高真空狀態(tài)下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)等。這類(lèi)專(zhuān)用真空設(shè)備要求連續(xù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)，保證高真空狀態(tài)下工作。因此傳送機(jī)構(gòu)及機(jī)械手均采用了磁力傳動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)安全可靠，滿(mǎn)足了技術(shù)要求。
�、� 磁力傳動(dòng)裝置在一些特殊真空設(shè)備上的應(yīng)用。我國(guó)第一臺(tái)分子束外延設(shè)備上采用了旋轉(zhuǎn)與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)式磁力傳動(dòng)裝置。作為機(jī)械手在真空室中傳送樣品，操作簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)合理、緊湊、運(yùn)動(dòng)安全可靠。設(shè)備采用真空無(wú)油機(jī)組，極限真空度達(dá)到6×10-7 Pa 工作真空度達(dá)到5×10-6 Pa 樣品可進(jìn)行150℃烘烤。我國(guó)生產(chǎn)的獨(dú)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)裝置。磁力傳動(dòng)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(yùn)作的過(guò)程中完成裝卡工件的動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程中運(yùn)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(gè)應(yīng)用實(shí)例，實(shí)際上無(wú)泄漏磁力傳動(dòng)真空動(dòng)密封的應(yīng)用前景還會(huì)更加廣闊。
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