所有的真空設(shè)備都離不開真空密封，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

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；真空閥門的開啟和關(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之外，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

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。多適用于線速度小于2m/s、轉(zhuǎn)速小于300rpm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2000rpm。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φ6mm~φ200mm。

（3）O形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)

O形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)又稱為橡膠填料盒密封，這種密封能傳遞圓周速度不大于2m/s的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而且還能傳遞真空度不高于1.3×10-4Pa，速度小于0.2m/s的直線運(yùn)動(dòng)，其軸徑范圍為φ3mm~φ200mm。

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)上采用了附加橡膠墊圈，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)地壓緊。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。

2.2液體式真空動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

目前，液體式真空動(dòng)密封有兩種形式。

（1）液態(tài)金屬真空動(dòng)密封

液體用于真空動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3采用液體密封物質(zhì)的真空動(dòng)密封結(jié)構(gòu)原理

圖3（a）采用液體薄膜密封，它是利用小間隙中液體薄膜的表面張力和壓差的平衡狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在轉(zhuǎn)軸處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其可靠的密封條件是：

δ＜2γ/p1

式中γ——流體的表面張力，其值見表1；

p1—密封外側(cè)的壓力。

圖3（b）是液體壓差密封的裝置，其中

（p1-p2）應(yīng)該等于液柱高ΔX的壓強(qiáng)，為了減小所需的液柱高度，一般把密封器設(shè)置在真空室與單獨(dú)抽真空的中間室之間。這種裝置的缺點(diǎn)是它只能用于軸處在垂直的位置，而且需要設(shè)置中間抽氣室。一旦中間室的壓力增大，就會(huì)產(chǎn)生向真空室噴出密封流體的危險(xiǎn)。

表1 幾種液體的表面張力

注：1Torr=133.322Pa，下文同。

液體密封在高溫下工作時(shí)，流體的蒸汽有污染真空室的可能性。幾種易熔金屬的蒸汽壓力值見表2。由表2可見，這些金屬作為液態(tài)密封物質(zhì)是可以的。

表2 易熔金屬的蒸汽壓力

（2）磁流體真空動(dòng)密封

磁流體就是由磁性納米顆粒，經(jīng)過特殊處理將其均勻地分散到具有很低飽和蒸氣壓的液體（載液）中，通過分散劑與液體混合后既不沉淀，又不凝固的一種固液相結(jié)合的膠狀液體。它既有液體的流動(dòng)性又具有磁性。磁流體真空動(dòng)密封就是基于這種特性而實(shí)現(xiàn)的，其原理如圖4所示。

圓環(huán)形永久磁鐵1、極靴2和放置軸3所構(gòu)成的磁性回路，在磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，把放置在軸與極靴頂端縫隙間的磁流體4加以集中，使其形成一個(gè)所謂的“O”形環(huán)，將縫隙通道堵死而達(dá)到密封的目的。

這種密封方式可用于轉(zhuǎn)軸是磁性體［圖4（a）］和非磁性體［圖4（b）］兩種場(chǎng)合，前者磁束集中于間隙處并貫穿轉(zhuǎn)軸而構(gòu)成磁路，而后者磁束不通過轉(zhuǎn)軸，只是通過密封間隙中的磁性流體而構(gòu)成磁路。

1.永久磁鐵；2.極靴；3.放置軸；4.磁流體

圖4 磁流體的真空動(dòng)密封原理及其密封方式

這種密封技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

①磁性流體密封真空轉(zhuǎn)軸可消除密封件與軸間接觸所產(chǎn)生的摩擦損失，提高軸的轉(zhuǎn)速（可達(dá)120000rpm），極大地減少泄漏。如果采用低蒸汽壓的磁性流體，可將真空室內(nèi)的真空度維持在1.3×10-7Pa以上。而且與固體密封相比較可以極大地減少功耗。

②磁性流體的密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、軸與極靴間的間隙較大，因此可不必要求過高的制造精度。

③磁性流體在密封空隙中是由磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)所固定，因此轉(zhuǎn)軸的啟動(dòng)和停止較方便。這種密封裝置的缺點(diǎn)是磁性流體在高溫下難以穩(wěn)定，工作溫度一般在-30℃~120℃之間，軸在過高或過低溫度下工作時(shí)須采用冷卻或升溫措施，從而使密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，適用介質(zhì)的種類范圍窄，耐高壓能力差。

本文首發(fā)于《真空》雜志2014年第1期

原文標(biāo)題：無(wú)泄漏的磁力傳動(dòng)真空動(dòng)密封

文章作者》王德喜１，謝元華2，趙克中3，徐成海2

作者單位：1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院；3.甘肅省科學(xué)院磁性器件研究所