磁流体密封在真空设备中的使用进展
真空的获得是与密封分不开的, 特别是旋转轴动密封技术, 是制约真空设备性能的重要技术环节之一。过去由于无可靠的转轴动密封技术, 至今采用橡胶密封圈者有之; 采用端面静密封加电机密封罩者有之; 或者做成内藏式结构, 将驱动电机与被驱动装置(如风扇、风机) 全部置于密封工作胶体内者亦有之。实际上后两者本质是一样的: 驱动电机与真空腔相通。其致命弱点是通电导体在一定真空度条件下易产生真空放电, 损坏设备, 而且电机系统在真空条件下释放出来的物质容易污染真空环境, 影响设备性能。至于橡胶密封的缺点更是显而易见, 因接触磨损使用寿命极短, 可靠性差, 易产生磨损粉尘、污染环境、更换维修工作量大等, 都是真空设备致命的缺点。转轴磁流体密封技术, 由于无接触磨损、且磁液挥发量在10-5g/cm2h以下, 因而其使用寿命长、可靠性高、转轴摩擦转矩小、功耗小、无磨损粉尘、环境清洁、维修工作量极小是真空设备转轴实现零泄漏最佳的密封技术。
磁流体密封的技术核心包括两个方面: 一是适合密封使用条件的磁流体的制备; 二是密封装置的结构与磁场的设计与制造。磁流体一般包含三个组分:
① 铁磁性纳米级颗粒;
② 包裹颗粒的稳定剂;
③ 一种适宜的液体作液态载体。
密封件的结构与磁场设计要考虑磁液特性、轴的大小与转速、温度环境、工作介质特性、密封件与主机的连接方式等诸多因素。下面从设备类型、运行工况和与之配套的磁流体密封件特点作简单介绍。
1、单晶炉传动轴密封
单晶炉传动轴包括坩埚转轴、晶转轴、晶升轴。其特点是转速一般都不高, 最高不超过50r/min。工作温度不超过120℃。真空度要求一般也不是很高,有的3Pa 已满足要求。泄漏率要求较高, 美国KAYEX公司规定为1×10-9std. cc/sec He。我们从事单晶炉传动轴磁流体密封件生产已经近三年。配套主机包括T62、T70、T80型单晶炉、860D型单晶炉, CG23000型单晶炉、6000 型单晶炉,又从事进口单晶炉的改造。轴的类型包括实心轴和空心轴。根据轴的材质不同, 密封件有带导磁套者, 也有不带导磁套者。连接方式则有法兰式和螺纹式之分。当工作温度超过80℃,密封件本身就必须带水冷式结构。密封件所用磁液则需选择恰当的磁化强度、粘度等性能指标。实际使用效果表明, 我们所配单晶炉传动轴磁流体密封件完全能够满足主机对密封性能的要求, 且达到了三年免维修、仍继续正常运行的良好状态。
2、镀膜机挡板轴、工作转动轴和电极转动轴密封
镀膜机的类型、规格较多, 工作条件与技术要求各异, 但都存在电极与轴类动密封问题。其主要特点是: 真空度普遍要求较高, 达到10-4Pa,轴的转速也较单晶炉高, 且在某些情况下有轴向往复运动的要求, 这是磁流体密封的难度所在。此外, 一些直径超小的轴类, 其密封件的结构设计也不能采用常规办法。我们在为成都南光实业有限公司配套镀膜机磁流体密封件过程中已克服了上述障碍, 取得了良好效果。轴向3mm 往复运动的磁流体密封经过实践检验, 证明是可行的。Á 6超小直径轴类磁流体密封件结构也经受实践考验, 并且从理论上说更小一点的轴径也应该可行。
3、真空加热炉(包括真空扩散炉、真空钎焊炉、真空热处理炉等) 传动轴密封
此类设备对真空度的要求也较高, 如钎焊炉要求10-4～10-5 Pa,且轴径较大,电机转速很高, 大多采用二级马达, 转速高达2940r/min, 工作温度亦较高。因此, 在设计这些轴类磁流体密封件时, 必须采取如下措施: 首先, 磁流体密封件本身必须带冷却水结构。这是因为磁流体工作温度一般不应超过80℃, 即使工作环境温度不高, 但是轴径较大, 转速又很高, 在运转过程中磁流体本身也会发热, 密封件本身需要水冷。有资料介绍, 当轴的线速度达20m/s以上时需水冷, 20m/s以下时不需水冷, 而我们的试验证明, 当轴的线速度达到12m/s 以上时, 磁流体发热现象就已比较明显, 就应该采取水冷措施。
其次, 对于高速旋转的轴来说, 离心力对磁流体的影响不可忽略, 在密封组件的结构设计上应采取相应措施。
第三, 则是轴与极靴同心度问题。由于这类轴较大, 且转速很高, 如何保证轴与极靴间的间隙既能满足密封要求, 又不至于因太小甚至没有间隙而互相蹭磨, 是为结构设计必须十分注意的问题。我们为二汽东风公司刃具厂工具研究所改造从美国进口的扩散炉, 用我们的磁流体密封件代替美国进口件取得了良好的效果。为兰州真空设备厂配的钎焊炉密封件既有立式轴与有卧式轴, 都获得了成功。当然也有教训, 出现过因为轴与极靴的同心度没有得到充保证而导致失败。咎其原因, 主要是因为我们没有充分注意到原设备的同心度要求不高, 又不想对其做太大的改变。这个问题我们在兰州真空设备厂和首都机械厂都遇到过。一旦注意了这个问题, 并采取相应的设计措施, 问题都不难解决。
真空加热炉的另一个特点是, 有些真空炉, 如真空淬火炉, 除了加热过程要求真空条件以外, 在淬火阶段又有充0. 6M Pa 甚至更高压力的N 2 气的工艺要求。对于这种情况, 磁流体密封件也是可行的。实际上1M Pa 以下的压力对于磁流体密封件来说, 结构上差别不大。因此, 磁流体密封技术是真空热处理炉实现高压淬火最有力的帮手。
真空设备还很多, 如真空泵等, 都有轴类动密封问题。我们成熟的磁流体真空密封和气体压力密封技术一定能助一臂之力, 使我国的真空设备更加完美, 品质更加优良。
