為了解決真空鍍膜機(jī)雙軸密封問題, 對真空鍍膜機(jī)雙軸采用磁性液體密封, 設(shè)計了磁性液體密封整體結(jié)構(gòu)、密封極齒和永久磁鐵。分析了雙軸磁性液體密封的設(shè)計。還使用Ansys 軟件計算了雙軸磁性液體密封的磁場分布。在實驗上對所設(shè)計加工的雙軸磁性液體密封進(jìn)行了實驗研究, 得出了磁性液體密封耐壓能力與加注磁性液體量的關(guān)系。

　　真空鍍膜機(jī)采用的密封措施有許多種, 一般有機(jī)械密封、石棉盤根密封、皮碗密封和反螺旋密封[1] , 且絕大多數(shù)為單軸的, 密封部位常產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦、磨損, 致使密封部位的溫度常超過80度 , 最終導(dǎo)致密封壽命縮短, 真空度下降, 功率損失加大。作者對某型號雙軸鍍膜機(jī)采用了雙軸磁性液體動密封, 雙軸磁性液體動密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示。磁性液體密封是一種新型的密封方式, 它具有嚴(yán)密的密封性, 不可測量的泄漏率, 使用壽命長, 可靠性高, 完全無污染, 能承受高轉(zhuǎn)速, 最佳的扭矩傳遞, 低的粘性摩擦等優(yōu)點。正因如此, 人們對磁性液體密封進(jìn)行了大量研究。在這些研究中, 代表性的有: 轉(zhuǎn)軸直徑為14 mm, 間隙在0.1~ 0.5 mm 之間的磁性液體密封的耐壓能力[2] ; 密封間隙最大為0.3 mm, 密封直徑為750 mm 的大直徑法蘭靜密封[3]; 密封間隙為0.3 mm 的單級磁性液體動密封[4] ; 軸徑為50 mm,密封級數(shù)為4, 6, 8, 密封間隙為0.1, 0.3mm 時, 磁性液體旋轉(zhuǎn)密封的密封耐壓能力[5] ; 密封級數(shù)為12級, 密封間隙為0.35 mm, 軸徑為32 mm 的旋轉(zhuǎn)密封耐壓[6] ; 間隙小于0.3 mm, 軸徑小于30 mm 條件下,化工用磁性液體密封的裝配特性, 采礦用磁性液體密封軸的轉(zhuǎn)速對磁性液體耐壓能力的影響[7- 9]; 此外, Fertman V E 指出只有當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度超過20 m/ s時, 離心力對磁性液體耐壓能力的影響才能顯示出來, 在一般旋轉(zhuǎn)速度下, 磁性液體的動耐壓能力近似等于靜止密封的耐壓能力[10] 。而以上這些研究, 磁性液體密封軸都是單軸的。本文中, 作者設(shè)計了真空鍍膜機(jī)用雙軸磁性液體密封, 并對其性能進(jìn)行了實驗研究。

圖1 真空鍍膜機(jī)密封部位結(jié)構(gòu)圖

2、實驗結(jié)果和分析

　　實驗表明: 磁性液體注入量至關(guān)重要, 為此作者進(jìn)行了雙軸磁性液體密封磁性液體加入量與耐壓能力的實驗, 得出了磁性液體加入量與磁性液體最大靜止耐壓能力的關(guān)系。由式(5)知, 磁性液體密封耐壓取決于磁性液體界面的磁場強(qiáng)度差, 隨著磁性液體注入量的增加, 界面磁場強(qiáng)度差增大, 因此耐壓能力提高, 當(dāng)磁場強(qiáng)度差逐漸一定時, 耐壓不再發(fā)生變化。

　　實驗得出了磁性液體密封注入磁性液體體積為6 ml時, 真空度與軸表面線速度之間的關(guān)系實驗曲線如圖9 所示。因為密封1的軸表面線速度高于密封2 的軸表面線速度, 故只做了密封1 的。

　　從圖9 可以看出, 在上述軸的線速度范圍內(nèi), 速度對密封真空度幾乎沒有影響。當(dāng)密封軸的旋轉(zhuǎn)速度很大時, 密封間隙下的磁性液體在離心力的作用下發(fā)生變形, 使得界面磁場強(qiáng)度差發(fā)生變化, 從而影響耐壓能力。一般情況下, 旋轉(zhuǎn)速度不會使得密封間隙下的磁性液體形狀發(fā)生變化, 因而對耐壓能力的影響很小[13-14] 。

　　此外, 在雙軸磁性液體真空密封的設(shè)計中雙用套結(jié)構(gòu)的設(shè)計與加工至關(guān)重要, 在圖4中, 雙用套分A, B兩部分。A, B兩部分由不同材料組成。在設(shè)計初, 將A, B 兩部分做成一個整體, 由1Cr13加工而成, 結(jié)果在實驗臺上實驗時, 整個密封件發(fā)生泄漏,經(jīng)過仔細(xì)分析后得知: A 部分要求不導(dǎo)磁, 否則磁力線的分散, 使得磁性液體密封組件2 的極齒下磁感應(yīng)強(qiáng)度下降, 使得耐壓能力降低, 最終選用304材料。B部分要求導(dǎo)磁, 只有B部分導(dǎo)磁, 才能使得磁性液體密封組件1形成完整的磁路, 從而磁性液體密封組件1 起到密封作用, 最終B 部分材料選用1Cr13。A, B兩部分的連接很重要, 在實驗初, 作者只是在A, B兩部分聯(lián)接處進(jìn)行焊接, 實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在焊縫處有泄漏, 這表現(xiàn)在在實驗臺上進(jìn)行實驗時, 當(dāng)真空度達(dá)到10^{- 3} Pa 時, 還沒有發(fā)現(xiàn)泄漏, 但當(dāng)真空度達(dá)到10^-5 Pa后, 發(fā)現(xiàn)密封件發(fā)生泄漏, 后來經(jīng)過仔細(xì)分析, 確定泄漏發(fā)生在A, B的焊縫處。后來將A, B 的配合面C 處用密封膠進(jìn)行粘接, 再在A, B連接面D處焊接, 實驗表明A, B聯(lián)接處再沒有發(fā)生泄漏。

　　在實驗臺上使真空鍍膜機(jī)連續(xù)運轉(zhuǎn)15天, 真空度保持很好, 密封功能的溫度降到環(huán)境溫度, 摩擦功率至少降低5倍。使用該磁性液體密封的真空鍍膜機(jī)至今連續(xù)運轉(zhuǎn)近2 年, 密封效果一直很好。

圖9 磁性液體密封件1 的軸表面線速度與真空耐壓能力的關(guān)系

3、結(jié)論

　　經(jīng)過理論和實驗驗證得出, 在真空鍍膜機(jī)上采用雙軸磁性液體密封是可行的。

　　在雙軸磁性液體密封件中雙用套的設(shè)計和加工至關(guān)重要, 它對整個磁性液體密封結(jié)構(gòu)的性能很重要。

　　在磁性液體密封中, 磁性液體的注入量很重要。注入的磁性液體量少, 則其密封能力不能得到有效的利用, 磁性液體注入量多時, 多余的磁性液體會引起真空室的污染。

　　實驗和實際應(yīng)用表明作者所研制的雙軸磁性液體密封性能良好。