真空系统设计（真空动密封连接）

　　真空系统是指由真空泵、真空计及各种零件通过管道以适当的方式联接，组合成能达到一定真空度要求的装置。真空系统的基本要求是都有哪些？
　　3.5.2.4   磁流体动密封连接
　　A磁流体动密封的原理与特点
　　磁流体是直径小于10nm的铁磁材料微粒通过分散剂的作用均匀分布，既显示磁性又呈现流动状态的一种胶状态液体。由于这种液体在外场作用下呈现磁性，具有定的耐压能力， 因此在真空设备中作为种液态密封物质， 应用在真空动密封连接 上。磁流体的组分材料概况如表3-38所示。
　　磁流体具有在通常离心力和磁场作用下即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性，可以被磁铁吸引的特性。磁性流体密封就是利用磁流体在外加磁场作用下具有承受压力差的能力而实现的。其原理如图3-130 (a)所示。圆环形永久磁铁1、极靴2、旋转轴3构成磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下， 将放置在轴与极靴顶端缝腺间的磁流体4集中，使其形成一个0形环，将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用在转轴是磁性体，如图3-130 (b) 所示和非磁性体，如图3-130 (c)所示的两种场合，前者磁束集中在间隙处并通过转轴而构成磁路，后者磁束不通过转轴，只是通过密封间隙中的磁流体，或通过套在轴上的导磁套而构成磁路。如果按极齿齿型的位置又分为图3-131所示的两种情况，图3-131 (a)的齿型加工在孔形极靴的内孔上，而图3-131(b)的极齿齿型加工在轴或轴的导磁套上。
　　表3-38 磁流体的结构模型及 组分材料概况
　　磁流体动密封技术的特点:
　　(1)磁流体密封的真空转轴可消除密封件间接触所产生的摩擦损失，大大提高轴的转数( 可达120000r/min)，降低了气体的泄漏。如果采用低蒸气压的磁流体，可将真空室内的真空度维持在1.3 x10-7Pa以上，而且与固体密封相比，可大大地减少功耗。
　　(2) 磁流体的密封结构简单，维护方便，轴与极靴间的间隙较大，因此可不必要求过高的制造精度。
　　图3-130磁性 流体的密封原理及密封方式
　　1-永久磁铁; 2- -极靴; 3- 旋转轴; 4- -磁流体
　　图3-131极齿齿型在密封组件中的位置
　　(3)磁流体在密封空中是由磁铁所产生的磁场所固定，因此轴的启动和停止较方便。
　　(4)磁流体在高温或低温下不稳定，因此磁流体密封结构适合于常温下工作，工作温度-般在- 30 120C之间。轴在过高或过低温度下工作时须采用冷却或升温措施，从而使密封结构复杂化，而且适用介质的种类也比较窄。
　　B磁流体动密封组件的结构形式
　　磁流体真空动密封的总体结构形式较多，例如有不同的转轴及密封组件的支撑方式;密封组件与真空容器之间的不同密封方式;密封组件是否要求水冷结构;是否采用磁流体补充装置等。
　　a 磁流体真空动密封组件的基本结构形式
　　图3- 132所示是两种常用磁流体密封组件的结构简图。图3-132(a)所示是磁流体位于两个支撑轴承-侧 且具有轴承润滑的结构。这种结构因转轴径向跳动较大，故密封间不能做得太小。图3-132 (b) 所示的密封组件振动较小，而且轴向尺寸短，易于保证同心，但存在真空侧轴承污染真空室的问题，多用于转速不高，真空度要求较低的场合。
　　图3- 132真空转轴密封装置的常用形式
　　(a): 1-转轴; 2- 轴承; 3- 箱体; 4-密封圈;5-挡盖; 6-极靴; 7-磁性流体; 8-水磁体
　　(b): 1-转轴; 2, 6- -密封圈; 3-箱体; 4- 轴承;5-极靴; 7- -水久磁体; 8-环形空隙; 9-磁流体
　　b 带有冷却系统的磁流体密封组件的结构形式
　　当轴的转速较高轴承发热量大时，或工作环境温度高于80C时，需对磁流体及永久磁铁加设冷却系统。一般地讲，单纯在密封组件外壳外面加水冷却套效果并不理想。为此，首先是在导磁极靴上部开设水冷槽，直接冷却磁极，这时应注意水冷槽不能太深，否则会影响导磁效果;二是将极齿开设在转轴上，而极靴加工成平端，这样磁流体距极靴内的水冷槽更近，冷却效果更好;三是将两片只设有两个极齿的薄片极靴与一个薄片永久磁铁用树脂黏合成一个整体单元，再将多个单元串联起来，并在单元之间隔以导热性好但不导磁的铜垫片，如图3-133 所示，这样即可靠铜垫片将磁流体的热量及时传给外壳中的水冷套将热量带走，又可彻底避免冷却水向真空侧渗漏。
　　图3-133带有不导磁铜片的密封组件
　　1-轴承; 2-冷却铜垫片;3-薄片极靴; 4一水久磁铁
　　c 带有磁流体补充装置的密封组件结构形式
　　对于工作环境恶劣，磁流体易于损失或设备要求连续运行，密封组件寿命必须很长的场合，应加设磁流体补充装置以确保其密封安全可靠。最简单的方法是将单磁密封结构两套串联，在中间开设磁流体补充孔，如图3-134所示，这会使总耐压能力增大- -倍，而且磁流体存储量较多。其缺点是密封结构的轴向尺寸也加大一倍。另外，还可在靠外侧的导磁极靴上开设磁流体注人孔，及时地补充磁流体并同时将注人孔封住。
　　图3-134带有 磁流体补充装置的密封组件
　　1-极靴; 2- 永久磁铁;3-磁流体补充孔
　　C 磁流体密封的耐压能力
　　磁流体密封结构设计的关键问题是保证密封组件具有足够的耐压能力。磁流体密封破坏机理的研究表明，因磁流体材料蒸发、沉淀而造成密封失效的情况较少，最主要的破坏机理是由于被密封气体的内外压差过高，密封件本身不能提供足够的总耐压能力，从而使被密封气体冲破各流体密封环，形成磁流体喷射状泄漏，同时携带走大量磁流体，使之无法自动恢复耐压能力，造成磁流体密封的彻底失效。因此，精确计算磁流体密封结构的实际耐压能力，是保证密封件可靠工作的最基本条件。
　　磁流体密封结构的实际许用耐压能力Ap (Pa)可由下式给出:
　　式中，M为磁流体平均磁化强度，A/m; Bmax 为最大工作磁感应强度，
　　T: △入 为最大相对磁导率差; β为偏心影响系数: N为密封级数; n为安全系数。
　　该式从量值上全面地计算了耐压值，可以作为密封结构设计的最基本公式。公式右侧的六个因子分别反映了影响实际许用耐压能力的一项因素，可以各自独立地进行研究，从而将耐压计算与结构设计直接联系起来。影响磁流体耐压能力的有关因素如下:
　　(1)磁流体饱和磁化强度对耐压能力的影响。如图3- 135所示，磁流体的饱和磁化强度越高，其耐压能力越大。但是由于磁流体饱和磁化强度与磁性微粒的浓度有关，磁化强度愈高也就是体积中磁性微粒越多，即微粒浓度越大，而粒子浓度又与黏度有关，浓度越高，黏度越高，过高的黏度会增加磁流体的内摩擦，使轴转动时扭矩增加。
　　所以从减小转动扭矩，即减小功耗的角度分析，磁化强度的取值不宜过大。其浓度取值以0.3 -0.35g/mL为宜，这时所对应的磁化强度约为0.035 ~0. 04T。
　　(2)密封间隐对耐压能力的影响。如图3- 136所示，当密封间隙增大时，磁流体的耐压能力显著降低。因为间隙越大，间隙中的漏磁越多，从而使间隙中的有效磁场减小，导致密封耐压能力降低。实验表明，密封间隙的取值范围在0.05 ~ 0.30mm之间较好。在轴径较小时，取值为0.1mm时密封效果最佳。
　　图3-135耐压能力 与磁化强度的关系 图3- 136耐压能力 与间隙的关系
　　(3)转数对磁流体耐压能力的影响。如图3-137 所示，当密封轴转数增高时(此时磁流体与转轴接触表面间的相对速度增大)会导致摩擦功耗增加，内摩擦增大，从而使磁流体的温度升高。磁流体温度的升高会引起磁性流体载液的蒸发和表面活化剂的脱离，致使磁流体耐压能力下降，从而造成密封失效。低转速时由于黏性摩擦力产生的热量可通过磁极和转轴带走，因此耐压力的降低并不明显。为了减小转速对密封能力的影响，在设计高速旋转密封件时可增设冷却装置或把轴表面的线速度控制在20m/s以下。
　　(4)温度对磁流体耐压能力的影响。图3- 138所示为磁流体密封耐压能力与温度的关系曲线。图中曲线表明，当温度升高时，磁性流体的耐压能力降低，这是因为随着温度的升高，分子热运动加剧，使永久磁铁和磁流体中磁畴的有序排列被局部破坏而引起磁铁矫顽力下降和磁流体饱和磁化强度降低，从而导致了耐压能力的下降。因此当组件处于温度较高的工况时，可采用水冷装置把温度限制在80C以下。考虑温度的影响，设计时应将转轴表面的线速度控制在20 m/s以下，或者对磁流体采取冷却措施，把温度控制在定的范围之 内。
　　图3-137耐压能力与转速的关系 图3-138 耐压能力 与温度的关系
　　(5)磁流体注人量对耐压能力的影响。由于磁流体两侧所承受的压力差与磁流体两侧面的磁场强度有关，从而与磁流体在轴向的厚度有关，而轴向厚度取决于磁流体注入量。磁流体注入量与耐压之间的实验曲线如图3- 139所示。图中注人量是把极靴与转轴之间的空隙体积作为单位注人量。可以看出，开始时增大磁流体的注人量，耐压总体上呈线性增大，但注人量达到一定值后，耐压不再增大，而是稳定在一个恒定状态。
　　图3-139耐压能 力与磁流体注入量的关系
　　D极齿齿型的形状、尺寸及级数的确定
　　a极齿齿型几何形状的选择及尺寸的确定
　　极齿齿型常用的几何形状如图3- 140所示。试验表明，齿型结构参数是B/Lg, B/Lt，Lt/Lg及a。图3-140 (a)、 (b)所示的单级形式的齿型经多次试验与计算表明，在x=45°、B/Lg =30的条件下，两种结构的磁导率是不同的，其值如表3-39所示。由于磁导率大会增加耐压，所以选择和设计磁导率大的齿型结构时，找出齿型的最佳参数是必要的。
　　试验表明，图3-140 (a)所示的极齿齿型结构的最佳参数是x=45°~60°;B/Lg。=30~40;B/Lt=20~10;Lt/Lg=1.5~4.0。对a=45°，L g=0.5mm的图3-140 (a) 所示齿型的磁流体密封结构进行了试验，当Lt在1 ~6mm内变化、Lt/Lg =2时具有较高的耐压能力。图3-140 (c) 所示为多级结构形式的齿型。这种齿型各齿之间不能过于接近，否则磁场会产生相互干涉而减小单级耐压能力。
　　图3- 140极靴顶端齿型常用的几种结构
　　表3-39图3- 140(a)、(b) 齿型结构的磁导率
　　b密封级 数的确定
　　如果把单级磁流体密封耐压的最大值Apmax的磁场强度H1与H2分别定为700oe和0oe (1oe 相当于79.58N/m)时，计算表明，单级衔封只能达到0.02MPa的压力值，所以达不到真空装置所要求的能够承受0.1MPa的压力。因此真空磁流体密封必须采用多级结构才能达到所要求的耐压能力。对矩形齿型组成的多级密封结构，当密封组件的旋转磁场强度定时， 如果级数较小则耐压能力将随级数增加而增加。在7- 14级之间耐压能力最佳。
　　E密封组件用磁流体及磁体的选择
　　在真空设备中，通常要求的真空度范围较宽，因此，可选用稳定性能好，即不易沉淀也不易产生磁性微粒间相互聚集，具有较低饱和蒸气压力的脂基磁流体。为了减小波环在转轴转动时的摩擦功耗，磁流体的黏度在满足密封要求的饱和磁化强度后不应过高。
　　密封组件中磁源的选择有两种:永久磁铁和电磁铁。前者由于使用方便，结构单-一，实际应用中多选用此种。后者多用于磁流体及其应用的实验中。选用的永久磁铁主要有钕铁硼、锶铁氧体、钐钴、铝镍钴等。由于钕铁硼磁体磁能积大，成本低，易于制作，多选用此种。应当注意的是此种磁铁的使用温度不应超过80C，否则易于退磁，使密封组件的耐压能力降低。
　　F磁流体密封组件的安装与使用
　　磁流体密封组件安装与使用时应注意如下问题:
　　(1)注意所安装的密封组件与轴的同轴度要求，以保证密封间陈具有较小的偏心量。
　　(2)磁流体的注人量应适当，在保证各级密封间院中具有足够量的前提下，不可过多地注人磁流体，以防抽空时多余的磁流体进入真空系统内污染真空室。
　　(3)安装前应对密封组件进行必要的清洗处理，应注意防止丙酮、乙醇等清洗剂滴人磁沉体密封组件内，以免引起密封组件的失效。
　　(4)如发现密封组件泄漏时应从如下几点查找原因: 1)磁流体是否失效: 2)连接法兰与组件内静密封圈是否受到损坏; 3)极齿齿型是否与转轴接触产生干摩擦; 4)转轴与密封组件是否连接不当|产生同轴度移位; 5)永久磁铁是否退磁等。