无泄漏的磁力传动真空动密封

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳工业大学化工装备学院 作者:王德喜

  真空设备上的真空动密封应用广泛,密封、泄漏、检漏是真空技术工作者必须面对的问题。本文简单介绍了真空动密封的几大分类,并较详细的讨论了无泄漏磁力传动真空动密封的原理、结构、特点和应用等。这种结构减少了真空技术工作者的许多麻烦。

  所有的真空设备都离不开真空密封,所有的真空密封都怕泄漏。而所有真空设备,检漏都是最麻烦的事情。实现真空静密封比较容易,实现真空动密封比较困难,保证真空动密封不泄漏更难。如果采用无泄漏的磁力传动真空动密封就能解决许多泄漏和检漏的麻烦。

1、真空动密封的分类

  在真空设备中,把运动传递到真空容器中所需要的密封连接称为真空动密封连接。各种真空设备中的动密封连接实例很多,如各种容积式真空泵旋转轴的动力输入;真空阀门的开启和关闭;真空熔炼炉、真空热处理炉的送料、拉锭、浇铸等机构的传动;真空镀膜设备工件架的转动等。

  真空动密封连接结构与工作在常压下的密封结构有所不同。这种密封除了要求其结构本身有足够的强度、寿命和合理的外形尺寸外,针对真空的特点,它还必须保证密封的可靠性,即动密封连接在长期工作中必须保证外界环境不向真空容器内漏气或使漏气维持在设计要求的范围之内。

真空动密封的分类

图1 真空动密封的分类

  就真空容器所要求的传动性质来看,动密封所传递的运动主要有往复直线运动、旋转运动、摆动运动和包括这三种运动形式的复合运动等四种情况。为了实现这些运动,并且根据真空的特点,动密封连接在很大程度上决定于密封部分所采用的方法。其分类如图1 所示。

2、接触式真空动密封

  在接触式真空动密封中,根据采用的密封物质可分为固体密封和液体密封两种形式。

  2.1、固体接触式真空动密封的结构及特点

  (1)J 形橡胶圈密封结构

  J 形橡胶圈的工作原理是利用安装后中央凸起,并紧箍在旋转轴上呈锥形的橡胶垫圈,当内部达到真空时,外部大气压力把橡胶圈紧紧地压在转轴上而达到真空密封的目的。多适用于线速度小于2 m/s、转速小于300 rpm 的真空转轴密封中。

  (2)JO 形橡胶圈密封结构

  JO 形橡胶圈的密封结构是带锁紧弹簧的结构,它是在J 形橡胶密封圈结构的基础上改进而成的。它的效果更好,使用的转速小于2000 rpm。油封式机械真空泵的轴封装置常采用这种密封结构。其轴径范围为φ6 mm~φ200 mm。

  (3)O 形橡胶圈密封结构

  O 形橡胶圈密封结构又称为橡胶填料盒密封,这种密封能传递圆周速度不大于2 m/s 的旋转运动而且还能传递真空度不高于1.3×10-4 Pa,速度小于0.2 m/s 的直线运动, 其轴径范围为φ3 mm~φ200 mm。

  在上述几种动密封装置中都需要采用真空润滑油润滑。为了实现密封装置本身能自给润滑,可借助氟塑料进行真空动密封。这是一种利用能自给润滑的氟塑料材料制成的动密封装置,如图2 所示。由于氟塑料本身弹性较差,易产生较大的残余变形,因此在结构上采用了附加橡垫圈,把橡胶垫圈装在密封件外面,再用螺母压紧,就可以保证氟塑料密封圈能与轴均匀而密实的压紧。这种结构对轴的表面粗糙度要求相当严格。旋转运动自润滑动密封装置还有另一种结构。法兰内装聚四氟乙烯轴套,它既是轴的轴承,又是辅助的密封件。动密封结构的基体内装有支承环、中间环、聚四氟乙烯垫圈等,动密封结构的基体通过橡胶圈进行密封,外橡胶垫圈的作用在于补助氟塑料垫圈的弹性,以保证它对轴表面弹性压缩和对基体的内表面与中间环接合处的气密性。

利用氟塑料衬套的动密封结构

1.密封座; 2.氟塑料; 3.橡胶圈; 4.压垫; 5.压紧螺母; 6.转轴

图2 利用氟塑料衬套的动密封结构

  固体接触式真空动密封虽然具有结构简单、成本低廉、传递转矩大、易于发现故障等一系列优点,但是为了防止轴在高速旋转下气体的泄漏,只能通过增加密封接触界面上的压紧力来保证。由此而产生的摩擦发热,不但功耗损失大,使用寿命短,橡胶密封圈需要经常更换,而且产生气体泄漏的问题更难以解决。因此在要求真空容器内漏率极小的设备上,这种密封装置的采用就受到了限制。

3、软件变形式真空动密封

  3.1、非金属软件变形真空动密封连接

  非金属软件变形真空动密封连接的主要密封物质是真空橡胶管。由于橡胶管放气和不能承受高温,因此,对要求达到1.3×10-4 Pa 以下的压强,或应进行高温烘烤的真空设备,限制使用这种连接。当然,如果采用耐热硅胶,其使用温度范围也可以达到150℃。真空橡胶管所传递的运动形式主要有两种,即直线运动和旋转运动。在应用非金属柔性元件的动连接密封中,也可以采用橡胶薄板为密封物质。橡胶薄板的外边缘固定在真空容器的外壁上。内边缘则固定在轴的突肩上。圆筒形橡胶薄板可以折叠180°,因此在利用圆筒形橡胶板时,连杆工作行程不超过隔板自由状态部分外径的10%。这种结构常常用在气动真空阀,以及低真空和中真空的阀门中。这种密封装置虽然结构比较简单、成本低廉,但是由于非金属软件的材料为真空橡胶制品,它不但不能承受转矩,也会因放气而影响真空室内真空度的提高,更不能承受高温的烘烤。因此不宜在超高真空动密封中使用。

  3.2、金属软件变形真空动密封连接

  在金属软件变形的真空动密封连接中采用金属波纹管实现向真空中传递直线运动、摆动和旋转运动是比较方便的。其特点是在真空中的从动环节的位移量大、运动速度高、传递的负荷范围也较宽。

  利用全金属波纹管制成的动密封装置,不但结构较简单而且在结构中易实现两种或多种形式的传动。此外,由于波纹管是薄壁制成的金属管,并且富有弹性、容易弯曲、伸张和压缩,又能经受高温烘烤,因此,近年来在一些真空设备上得到了一定的应用。

  金属波纹管的主要缺点是制造比较复杂,装配不够方便,而且不宜用于传递高速度的运动,波纹管在使用时也应注意,首先压缩要均匀,否则会在管子的圆周上产生局部应力而造成破裂。波纹管只能承受拉、压而不能承受扭转。这就使它的应用范围受到了限制。

磁力传动装置真空动密封原理

1. 被传动轴; 2. 内磁转子; 3. 隔离密封套; 4. 外磁转子; 5. 主动轴; 6.旋转电磁线圈; 7.转子

图5 磁力传动装置真空动密封原理

  磁力传动用于真空动密封的特点如下:

  ①磁力传动真空动密封对真空容器内的真空几乎没有影响,可达到零泄漏;

  ②动力传送轴与真空容器壁不相接触,变转矩传递的动密封为静密封、密封性能可靠,在传送运动过程中除密封隔离套受压差的影响外,不承受其他载荷;

  ③密封件之间无运动摩擦,不但消除了对真空容器内的污染,而且也消除了摩擦功耗。对于这种密封装置,除了应注意磁场的存在对周围环境的干扰外,应注意的主要问题是隔离密封套材料的选择。若采用金属材料,由于隔离套处于正弦交变磁场中产生涡流电流,由此而引起的涡流效应所产生隔离套温度的升高不但会影响永磁体的退磁而且也易于引起真空泵中油的温升,因此在使用中应注意选择导磁性小的高性能金属材料,或选用非金属材料并配合适当水冷或风冷等冷却方法来解决这一问题。

  5.3、在真空应用设备上的应用实例

  ① 在各种真空镀膜设备上用来传递镀膜工件及保证膜厚均匀,而要求旋转的工件架、轴的动力输入等许多方面都采用磁力传动密封装置,不但消除了O 形密封圈易泄漏、磨损和污染真空等弊病,而且也提高了镀膜层的质量和生产效率。

  ② 我国的重离子加速器上采用了磁力传动装置,在真空室中传送试验靶,安全可靠,保证了试验效果,提高了试验质量和效率。

  ③ 在一些高真空及超高真空的设备上广泛采用了磁力传动技术。比如航天技术地面模拟试验的各种真空容器与装置上所采用的磁力传动装置,操作简单可靠,而且也保证了高真空或超高真空状态下的各种环境试验。

  ④ 在一些真空工艺设备上采用了磁力传动装置。作为机械手在真空室中传递工件、旋转工件等。如真空熔炼炉中用磁力驱动装置取代了送料机构的取料机构;真空热处理炉中用磁力传动装置取代了送样机构和取样机构;真空焊接炉中用磁力传动装置准确地传送构件和取送焊接件等。

  ⑤ 一些专用的真空试验设备中也均采用了磁力传动技术。比如航空、航天技术设备中用精密轴承、微型轴承在高真空状态下的寿命试验;一些重要仪器、仪表在高真空状态下的测试实验等。这类专用真空设备要求连续运动的时间长,保证高真空状态下工作。因此传送机构及机械手均采用了磁力传动装置,运动安全可靠,满足了技术要求。

  ⑥ 磁力传动装置在一些特殊真空设备上的应用。我国第一台分子束外延设备上采用了旋转与直线运动的复合运动式磁力传动装置。作为机械手在真空室中传送样品,操作简便、结构合理、紧凑、运动安全可靠。设备采用真空无油机组,极限真空度达到6×10-7 Pa 工作真空度达到5×10-6 Pa 样品可进行150℃烘烤。我国生产的独立束源,快速换片型分子束外延设备上采用了旋转与直线运动的复合运动磁力驱动装置。磁力传动装置与全金属直通阀,组成一套超高真空室,同样从高真空室中取出样品或工件,并且在运作的过程中完成装卡工件的动作。整个过程中运行安全可靠,提高工作效率近10 倍。工作室的真空度为10-6 Pa~10-7 Pa。真空室内样品的烘烤温度为150℃。

  这里仅举几个应用实例,实际上无泄漏磁力传动真空动密封的应用前景还会更加广阔。

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