真空系統設計(真空動密封連接)

真空系統是指由真空泵、真空計及各種零件通過管道以適當的方式聯接，組合成能達到一定真空度要求的裝置。真空系統的基本要求是都有哪些？

A磁流體動密封的原理與特點

       磁流體是直徑小於10nm的鐵磁材料微粒通過分散劑的作用均勻分布，既顯示磁性又呈現流動狀態的一種膠狀態液體。由於這種液體在外場作用下呈現磁性，具有定的耐壓能力， 因此在真空設備中作為種液態密封物質， 應用在真空動密封連接 上。磁流體的組分材料概況如表3-38所示。

       磁流體具有在通常離心力和磁場作用下即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性，可以被磁鐵吸引的特性。磁性流體密封就是利用磁流體在外加磁場作用下具有承受壓力差的能力而實現的。其原理如圖3-130 (a)所示。圓環形永久磁鐵1、極靴2、旋轉軸3構成磁性迴路，在磁鐵產生的磁場作用下， 將放置在軸與極靴頂端縫腺間的磁流體4集中，使其形成一個0形環，將縫隙通道堵死而達到密封的目的。這種密封方式可用在轉軸是磁性體，如圖3-130 (b) 所示和非磁性體，如圖3-130 (c)所示的兩種場合，前者磁束集中在間隙處並通過轉軸而構成磁路，後者磁束不通過轉軸，只是通過密封間隙中的磁流體，或通過套在軸上的導磁套而構成磁路。如果按極齒齒型的位置又分為圖3-131所示的兩種情況，圖3-131 (a)的齒型加工在孔形極靴的內孔上，而圖3-131(b)的極齒齒型加工在軸或軸的導磁套上。

表3-38 磁流體的結構模型及 組分材料概況

磁流體動密封技術的特點: 

       (1)磁流體密封的真空轉軸可消除密封件間接觸所產生的摩擦損失，大大提高軸的轉數( 可達120000r/min)，降低了氣體的洩漏。如果採用低蒸氣壓的磁流體，可將真空室內的真空度維持在1.3 x10-7Pa以上，而且與固體密封相比，可大大地減少功耗。

       (2) 磁流體的密封結構簡單，維護方便，軸與極靴間的間隙較大，因此可不必要求過高的製造精度。

圖3-130磁性 流體的密封原理及密封方式

1-永久磁鐵; 2- -極靴; 3- 旋轉軸; 4- -磁流體

圖3-131極齒齒型在密封組件中的位置

       (3)磁流體在密封空中是由磁鐵所產生的磁場所固定，因此軸的啟動和停止較方便。

       (4)磁流體在高溫或低溫下不穩定，因此磁流體密封結構適合於常溫下工作，工作溫度-般在- 30 120C之間。軸在過高或過低溫度下工作時須採用冷卻或升溫措施，從而使密封結構複雜化，而且適用介質的種類也比較窄。

B磁流體動密封組件的結構形式

       磁流體真空動密封的總體結構形式較多，例如有不同的轉軸及密封組件的支撐方式;密封組件與真空容器之間的不同密封方式;密封組件是否要求水冷結構;是否採用磁流體補充裝置等。

a 磁流體真空動密封組件的基本結構形式

       圖3- 132所示是兩種常用磁流體密封組件的結構簡圖。圖3-132(a)所示是磁流體位於兩個支撐軸承-側 且具有軸承潤滑的結構。這種結構因轉軸徑向跳動較大，故密封間不能做得太小。圖3-132 (b) 所示的密封組件振動較小，而且軸向尺寸短，易於保證同心，但存在真空側軸承汙染真空室的問題，多用於轉速不高，真空度要求較低的場合。

圖3- 132真空轉軸密封裝置的常用形式

(a): 1-轉軸; 2- 軸承; 3- 箱體; 4-密封圈;5-擋蓋; 6-極靴; 7-磁性流體; 8-水磁體

(b): 1-轉軸; 2, 6- -密封圈; 3-箱體; 4- 軸承;5-極靴; 7- -水久磁體; 8-環形空隙; 9-磁流體

b 帶有冷卻系統的磁流體密封組件的結構形式

       當軸的轉速較高軸承發熱量大時，或工作環境溫度高於80C時，需對磁流體及永久磁鐵加設冷卻系統。一般地講，單純在密封組件外殼外面加水冷卻套效果並不理想。為此，首先是在導磁極靴上部開設水冷槽，直接冷卻磁極，這時應注意水冷槽不能太深，否則會影響導磁效果;二是將極齒開設在轉軸上，而極靴加工成平端，這樣磁流體距極靴內的水冷槽更近，冷卻效果更好;三是將兩片只設有兩個極齒的薄片極靴與一個薄片永久磁鐵用樹脂黏合成一個整體單元，再將多個單元串聯起來，並在單元之間隔以導熱性好但不導磁的銅墊片，如圖3-133 所示，這樣即可靠銅墊片將磁流體的熱量及時傳給外殼中的水冷套將熱量帶走，又可徹底避免冷卻水向真空側滲漏。

圖3-133帶有不導磁銅片的密封組件

1-軸承; 2-冷卻銅墊片;3-薄片極靴; 4一水久磁鐵

c 帶有磁流體補充裝置的密封組件結構形式

       對於工作環境惡劣，磁流體易於損失或設備要求連續運行，密封組件壽命必須很長的場合，應加設磁流體補充裝置以確保其密封安全可靠。最簡單的方法是將單磁密封結構兩套串聯，在中間開設磁流體補充孔，如圖3-134所示，這會使總耐壓能力增大- -倍，而且磁流體存儲量較多。其缺點是密封結構的軸向尺寸也加大一倍。另外，還可在靠外側的導磁極靴上開設磁流體注人孔，及時地補充磁流體並同時將注人孔封住。

圖3-134帶有 磁流體補充裝置的密封組件

1-極靴; 2- 永久磁鐵;3-磁流體補充孔

C 磁流體密封的耐壓能力

       磁流體密封結構設計的關鍵問題是保證密封組件具有足夠的耐壓能力。磁流體密封破壞機理的研究表明，因磁流體材料蒸發、沉澱而造成密封失效的情況較少，最主要的破壞機理是由於被密封氣體的內外壓差過高，密封件本身不能提供足夠的總耐壓能力，從而使被密封氣體衝破各流體密封環，形成磁流體噴射狀洩漏，同時攜帶走大量磁流體，使之無法自動恢復耐壓能力，造成磁流體密封的徹底失效。因此，精確計算磁流體密封結構的實際耐壓能力，是保證密封件可靠工作的最基本條件。

磁流體密封結構的實際許用耐壓能力Ap (Pa)可由下式給出:

式中，M為磁流體平均磁化強度，A/m; Bmax 為最大工作磁感應強度，

T: △入  為最大相對磁導率差; β為偏心影響係數: N為密封級數; n為安全係數。

       該式從量值上全面地計算了耐壓值，可以作為密封結構設計的最基本公式。公式右側的六個因子分別反映了影響實際許用耐壓能力的一項因素，可以各自獨立地進行研究，從而將耐壓計算與結構設計直接聯繫起來。影響磁流體耐壓能力的有關因素如下:

       (1)磁流體飽和磁化強度對耐壓能力的影響。如圖3- 135所示，磁流體的飽和磁化強度越高，其耐壓能力越大。但是由於磁流體飽和磁化強度與磁性微粒的濃度有關，磁化強度愈高也就是體積中磁性微粒越多，即微粒濃度越大，而粒子濃度又與黏度有關，濃度越高，黏度越高，過高的黏度會增加磁流體的內摩擦，使軸轉動時扭矩增加。

       所以從減小轉動扭矩，即減小功耗的角度分析，磁化強度的取值不宜過大。其濃度取值以0.3 -0.35g/mL為宜，這時所對應的磁化強度約為0.035 ~0. 04T。

       (2)密封間隱對耐壓能力的影響。如圖3- 136所示，當密封間隙增大時，磁流體的耐壓能力顯著降低。因為間隙越大，間隙中的漏磁越多，從而使間隙中的有效磁場減小，導緻密封耐壓能力降低。實驗表明，密封間隙的取值範圍在0.05 ~ 0.30mm之間較好。在軸徑較小時，取值為0.1mm時密封效果最佳。

圖3-135耐壓能力 與磁化強度的關係     圖3- 136耐壓能力 與間隙的關係

       (3)轉數對磁流體耐壓能力的影響。如圖3-137 所示，當密封軸轉數增高時(此時磁流體與轉軸接觸表面間的相對速度增大)會導致摩擦功耗增加，內摩擦增大，從而使磁流體的溫度升高。磁流體溫度的升高會引起磁性流體載液的蒸發和表面活化劑的脫離，致使磁流體耐壓能力下降，從而造成密封失效。低轉速時由於黏性摩擦力產生的熱量可通過磁極和轉軸帶走，因此耐壓力的降低並不明顯。為了減小轉速對密封能力的影響，在設計高速旋轉密封件時可增設冷卻裝置或把軸表面的線速度控制在20m/s以下。

       (4)溫度對磁流體耐壓能力的影響。圖3- 138所示為磁流體密封耐壓能力與溫度的關係曲線。圖中曲線表明，當溫度升高時，磁性流體的耐壓能力降低，這是因為隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，使永久磁鐵和磁流體中磁疇的有序排列被局部破壞而引起磁鐵矯頑力下降和磁流體飽和磁化強度降低，從而導致了耐壓能力的下降。因此當組件處於溫度較高的工況時，可採用水冷裝置把溫度限制在80C以下。考慮溫度的影響，設計時應將轉軸表面的線速度控制在20 m/s以下，或者對磁流體採取冷卻措施，把溫度控制在定的範圍之 內。

圖3-137耐壓能力與轉速的關係       圖3-138 耐壓能力 與溫度的關係

    

       (5)磁流體注人量對耐壓能力的影響。由於磁流體兩側所承受的壓力差與磁流體兩側面的磁場強度有關，從而與磁流體在軸向的厚度有關，而軸向厚度取決於磁流體注入量。磁流體注入量與耐壓之間的實驗曲線如圖3- 139所示。圖中注人量是把極靴與轉軸之間的空隙體積作為單位注人量。可以看出，開始時增大磁流體的注人量，耐壓總體上呈線性增大，但注人量達到一定值後，耐壓不再增大，而是穩定在一個恆定狀態。

圖3-139耐壓能 力與磁流體注入量的關係

D極齒齒型的形狀、尺寸及級數的確定

a極齒齒型幾何形狀的選擇及尺寸的確定

       極齒齒型常用的幾何形狀如圖3- 140所示。試驗表明，齒型結構參數是B/Lg, B/Lt，Lt/Lg及a。圖3-140 (a)、 (b)所示的單級形式的齒型經多次試驗與計算表明，在x=45°、B/Lg =30的條件下，兩種結構的磁導率是不同的，其值如表3-39所示。由於磁導率大會增加耐壓，所以選擇和設計磁導率大的齒型結構時，找出齒型的最佳參數是必要的。

       試驗表明，圖3-140 (a)所示的極齒齒型結構的最佳參數是x=45°~60°;B/Lg。=30~40;B/Lt=20~10;Lt/Lg=1.5~4.0。對a=45°，L g=0.5mm的圖3-140 (a) 所示齒型的磁流體密封結構進行了試驗，當Lt在1 ~6mm內變化、Lt/Lg =2時具有較高的耐壓能力。圖3-140 (c) 所示為多級結構形式的齒型。這種齒型各齒之間不能過於接近，否則磁場會產生相互幹涉而減小單級耐壓能力。

圖3- 140極靴頂端齒型常用的幾種結構

表3-39圖3- 140(a)、(b) 齒型結構的磁導率

b密封級 數的確定

       如果把單級磁流體密封耐壓的最大值Apmax的磁場強度H1與H2分別定為700oe和0oe (1oe 相當於79.58N/m)時，計算表明，單級銜封只能達到0.02MPa的壓力值，所以達不到真空裝置所要求的能夠承受0.1MPa的壓力。因此真空磁流體密封必須採用多級結構才能達到所要求的耐壓能力。對矩形齒型組成的多級密封結構，當密封組件的旋轉磁場強度定時， 如果級數較小則耐壓能力將隨級數增加而增加。在7- 14級之間耐壓能力最佳。

E密封組件用磁流體及磁體的選擇

       在真空設備中，通常要求的真空度範圍較寬，因此，可選用穩定性能好，即不易沉澱也不易產生磁性微粒間相互聚集，具有較低飽和蒸氣壓力的脂基磁流體。為了減小波環在轉軸轉動時的摩擦功耗，磁流體的黏度在滿足密封要求的飽和磁化強度後不應過高。

       密封組件中磁源的選擇有兩種:永久磁鐵和電磁鐵。前者由於使用方便，結構單-一，實際應用中多選用此種。後者多用於磁流體及其應用的實驗中。選用的永久磁鐵主要有釹鐵硼、鍶鐵氧體、釤鈷、鋁鎳鈷等。由於釹鐵硼磁體磁能積大，成本低，易於製作，多選用此種。應當注意的是此種磁鐵的使用溫度不應超過80C，否則易於退磁，使密封組件的耐壓能力降低。

F磁流體密封組件的安裝與使用

磁流體密封組件安裝與使用時應注意如下問題:

       (1)注意所安裝的密封組件與軸的同軸度要求，以保證密封間陳具有較小的偏心量。

       (2)磁流體的注人量應適當，在保證各級密封間院中具有足夠量的前提下，不可過多地注人磁流體，以防抽空時多餘的磁流體進入真空系統內汙染真空室。

       (3)安裝前應對密封組件進行必要的清洗處理，應注意防止丙酮、乙醇等清洗劑滴人磁沉體密封組件內，以免引起密封組件的失效。

       (4)如發現密封組件洩漏時應從如下幾點查找原因: 1)磁流體是否失效: 2)連接法蘭與組件內靜密封圈是否受到損壞; 3)極齒齒型是否與轉軸接觸產生幹摩擦; 4)轉軸與密封組件是否連接不當|產生同軸度移位; 5)永久磁鐵是否退磁等。

好凱德一直都在！

眾志成城，共抗疫情|好凱德為中國加「油」！

共克時艱|疫情防控不鬆懈，好凱德服務不間斷好凱德中國在行動|積極應對新型冠狀病毒

   綠色通道聯繫方式如下  

工作時間：周一至周五 8:30-18:00

如遇電話繁忙，請您稍作等待，或採取以下方式解決。

好凱德---用戶天地---在線諮詢

139 2680 0820（何經理）   188 2061 1190（郭經理）

139 2684 4166（何經理）   188 1975 1212（蘇經理）

聯繫我們 微信號：HOKAIDO_

德國地址：德國法蘭克福克虜伯大街112號

聯繫電話：[phone]

聯繫電話：[phone]

傳真號碼：[phone]

香港地址：香港灣仔駱克道321號駱基中心23樓C室
聯繫電話：[phone]
郵箱地址：[e-mail]

華南地址：東莞市南城水濂彭洞工業區D區
聯繫電話：[phone]
傳真號碼：[phone]

華東地址：上海市閔行區滬光東路118號D幢2樓229室

聯繫電話：[phone]
傳真號碼：[phone]

華北地址：山東省諸城市希努爾國際商貿城C009
聯繫電話：[phone]
傳真號碼：[phone]