第十讲：真空密封.doc

简介: 真空系统是由真空泵、阀门、扑集器、导管等各种元件通过不同的连接形式组成的，就是真空室也是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定范围内，所以真空密封是真空系统设计、装配过程中的重要问题。1 概述真空系统是由真空泵、阀门、扑集器、导管等各种元件通过不同的连接形式组成的，就是真空室也是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定范围内，所以真空密封是真空系统设计、装配过程中的重要问题。有些真空密封除了要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输、运动的传输、材料的递送或者让辐射传输。为了适应各种不同要求，采用了很多种不同结构形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。根据连接件的相互关系，密封方法、用途和材料的不同，可以对真空技术中所使用的密封方法进行分类。总起来说，根据被连接件的相互关系，可以将真空密封分为两大类：静密封连接和动密封连接。它们的细分如图l所示。这些密封连接方法分别适用于不同的工作条件。2 永久密封连接永久密封连接用于不需经常拆卸的密封连接处，用这种方法可以保证最好的密封和机械强度。2.1 玻璃与玻璃的封接玻璃与玻璃之间的封接通常是在煤气或天燃气和氧气的混合火焰中进行烧结熔化而进行的。为了保证封接可靠，必须使封接玻璃之间的热膨胀系数极为相近，否则会因封接时产生的内应力引起玻璃的破裂。经验证明：如果线膨胀系数之差不大于710-7，则熔接处所产生的内应力不致引起炸裂。如果膨胀系数太大，则应采取膨胀系数介于二者之间的中间玻璃进行过渡封接。经过封接的地方最好采用退火工艺来消除内应力，否则封接处也易引起破裂。玻璃热稳定性差，在封接时应注意火焰作用在玻璃上的温度，因为温度急剧变化也会引起玻璃的炸裂。2.2 玻璃与金属封接最常见到的玻璃与金属的封接是电极引线，以及管道状的玻璃与金属的封接。这种封接分为匹配封接和非匹配封接。匹配封接指的是膨胀系数相近的玻璃和金属之间的封接，封接处内应力小；非匹配封接指的是膨胀系数相差较大的玻璃和金属之间的封接，封接处内应力大，为了消除玻璃与金属膨胀系数相差较大而产生的内应力，一般多采用延展性好的薄壁金属管与玻璃封接，靠金属的塑性变形来消除内应力。图2是金属管与玻璃管的一种非匹配封接形式。 金属管管壁在封接处逐渐变薄，以利于变形，变薄的区域约等于封接区长度的一倍。这种封接一般分为外封接(玻璃仅熔接在金属管壁外侧)，内封接(玻璃仅熔接在金属管壁内侧)和双边封接(玻璃从内、外二侧包住金属管壁)三种。双边封接时内侧的玻璃封接长度最好是外侧的二倍。这类封接不大经受得住温度的反复升降，例如铜与玻璃封接时，如果温度的摆幅是室温到400，则仅能使用几百次。23 金属与金属的焊接231焊接方法金属之间的焊接方法较多，用于真空密封中的一些焊接方法如图3所示。无压熔焊是不使用压力将被焊件相互接触，使接触部位局部加热，由于金属表面或边缘的局部熔比而形成混合金属液。这种金属混合液(焊料合金也如在其中)把被连接件的接触缝隙填满。当焊接热源去掉后，金属液凝固而把零件“熔焊”在一起。无压熔焊的热源是：火焰(气焊)、电弧或电子束。 加压焊接则是对加热或不加热金属元件用压力连接在一起。其中电阻焊需要加热、冷焊则不需要加热。气焊是用可燃性气体混合氧气的焊枪对被焊件进行加热焊接的。由于这种焊接需要采用放气率较大的焊剂，因此，它在真空密封连接中只是用在焊接笨重的铜或铁容器上。电弧焊是以工件与电极间或两个电极间的电弧所获得的热量为基础的一种焊接技术。其中原子氢(原子弧)焊、碳弧焊、合金焊条取代钨电极的氩弧焊等方法多用于真空密封技术中。在原子弧焊工艺中，热量是从氢气围绕的两个钨电极之间的交流电弧(60l00V；2060A)中获得。通过电极夹供给的分子氢在电弧中离解成原子氢，而在与较冷的金属接触时重新化合产生高达4000的高温。焊缝即均匀又干净，适用于铁、软钢，铝和铬的焊接。但不适用于镍和铜合金。这是因为氢在镍液(不锈钢)中是可溶的，而当金属液凝固时又会逸出从而会造成裂缝和产生小的孔洞。铜和铜合金会因氢而变脆。碳弧焊是在碳电极和工件之间或两个碳电极之间使用直流直接引弧(110A；100V)。这种焊接可用来焊铁、镍、铝或铜。合金焊条取代钨电极的氩弧焊则是利用直流电、自耗电极和氢或氩的保护性气体进行焊接。这种工艺多用在铝和不锈钢的焊接上。在惰性的氩弧或氦弧焊中，工件和钨电极间使用直流或交流，电弧在氩或氦的气氛中工作。交流(250300A；100V)通常用于焊铝和铝合金，直流(4575V；15200A)多用于焊钢、不锈钢、铜、银和钛等金属。惰性气弧焊则是用于高真空和超高真空的真空密封焊件上。由于电子束焊接是在1.310-3Pa真空条件下用电子束轰击焊件产生的热量而进行的，因此可获得高质量的焊缝。多用于不锈钢，铝合金、钨、钼及钽的焊接上。加压焊接中的电阻焊是对金属焊接件在相互压紧的情况下通过高强度的电流所产生的电阻热而把被焊件焊接起来的一种焊接工艺。冷焊是通过对焊件施加足够的压力在冷态下将某些金属焊接在一起的。冷焊所需压力因材料不同而异，铝为170250Nmm2，铜为500750Nmm2，不锈钢为2000Nmm2。冷焊的焊面必须无氧化物和脱脂良好。这种工艺多用于抽成真空的金属管子的封口。232真空技术对焊缝的要求真空技术对焊缝有如下几点要求，在设计和焊接时应予以注意。设计焊缝结构时，接头必须焊透，应避免产生聚集污物的有害空间。真空技术中常见的焊接结构如图4所示。从图中可以看出，正确的焊接总是将焊缝放在真空一侧并且进行深度熔焊。错误的焊接多数都会形成死空间(气囊)，即两焊缝之间堵住一些空间，里面储有气体。焊缝应一次焊好，以避免两次焊接时造成有害空间而无法检漏。焊缝因强度需进行两面焊接时，内部焊缝应不漏气，为检漏起见，在进行外焊时应设置钻孔和塞孔。如容器内需要进行结构焊接时，内部焊缝不应连续，以便让来自任何沟槽的气体容易放出，而且结构焊缝不应与密封焊缝相交叉。焊接的组件应设计得使最大数量的焊缝能在制造阶段分别测试，并且能在进行最终装配以前矫正。焊接密封的允许最大漏率(对于空气)，在焊缝长度上约为10-7Pam3sm。如果漏率较高，应当将焊缝磨掉，直到露出母材，然后重新焊接。切不要在原来产生漏气的地方进行二次焊接，因为补焊不但不易堵住漏孔，反而容易产生应力使焊缝产生新的裂缝。2.4 金属钎焊钎焊是利用第三种熔点较低的金属连接两个金属零件的方法，是一种低温焊接。该方法是把被焊金属和低熔点焊料放在一起加热，使焊料熔液通过毛细管吸引作用进入两个被焊零件的很贴近的表面间的间隙中，钎焊焊接的特点是不损伤被焊的金属件，因而多用于尺寸较小的钢、铜、黄铜等零件和管道的连接。钎焊所需的温度多在500以上，应比被钎焊零件的熔点低50200。真空工艺中的钎焊材料必须纯净，具有低的蒸气压、能在钎焊温度下浸润和流动，并能同焊接金属形成合金，其熔点必须低于被焊接的金属。表l是适于真空钎焊的一些被焊材料及其焊接的温度和所使用的焊料。在有些物理不相容性的情况中，某些钎焊合金不可与某些特别的金属一起使用。例如，可伐(铁镍钴合金)不能用银进行钎焊，因为银渗透可伐会产生片裂。金属钎焊的方式有火焰焊、炉焊和感应焊接。火焰钎焊采用氧乙炔焰、氢氧焰、氧丁烷焰等除钎焊铜使用氧化焰以避免脆变外，一般均使用州性焰或还原焰。火焰钎焊需要使用焊剂，焊后必须将焊剂从接头上仔细地清除干净，因为残留在密封的真空一侧的焊剂具有高的出气率。炉钎焊就是在具有保护气氛(真空、中性气体)的炉中加热要钎焊的金属组件。感应钎焊利用高频电流(4002000kHz)来加热。要钎焊的零件安置在专门装配的感应线圈中。由于真空钎焊的材料蒸气压较低，又是在真空条件下焊接的，因此它不但可以保证更高的焊接质量，而且也扩大了钎焊的使用范围。可以对焊接时氧化性很强的活性金属(如钛、锆)、轻金属(如铝)以及难熔金属(如钨、钼、钽)等进行焊接。因为这些金属在真空条件下完全可以避免在焊接时与氧、水蒸气和氮等产生剧烈反应，从而保证了焊缝的高质量。 要满足真空密封的要求，得到不漏的钎焊焊缝，应遵循下列各点。应使用尽可能少量的钎焊合金。这样焊缝小，表面清洁，比用大量钎焊合金时得到的焊缝要好。焊件间的间隙不能宽或不规则。焊件间互相搭接部分的最小值必须是3mm以上，以便让毛细力吃进钎焊合金。如果要钎焊热膨胀系数不同的金属，必须使组件在冷却过程中压缩钎焊合金。焊缝的结构能控制钎焊合金的流动。在角上的间隙决定钎焊合金将如何流经这些角。从图5可见，方角(图中a)会使钎焊合金顺利流过所有焊缝(图中b)，形成坚固而不漏的焊缝。圆角阻断钎焊合金的流动。假定加钎焊合金这端的第一个角是圆角(图中c)，钎焊合金就通不过这个角(图中d)。只有当第二个角是圆角时(图中e)，焊缝才会比较坚固而不漏(图中f)。压住圆角的方边同样会阻止钎焊合金的流动(图中h)。如果要避免钎焊合金在表面上流动，必须在面上涂碳或铬。在用于真空密封的钎焊中，最好选择搭接和梯接，如图6所示。3 可拆密封连接在真空系统需要经常拆卸的地方，应用可拆密封连接，这种连接在密封性能和机械强度上虽然不如永久连接，但是真空系统某些地方是需要经常惊醒拆卸的，因此这种连接用得较多。其结构有如下几种。3.1 挠性连接挠性连接件主要有三种，即真空橡胶管、塑料管和波纹管。真空橡胶管是用橡胶制成的一种厚壁管，多用于口径小于50mm的机械真空泵入口处，也可以连接玻璃管、金属管及其零件。真空橡胶管连接的接头种类很多，最简单的方法是把插入橡胶管端部的接头做成图7所示的台阶形。3.2 用于静连接的弹性体密封垫圈由于弹性体具有弹性好、受压时体积不变，可堵塞漏气路径等一系列特点，因此把氯丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氯乙烯等弹性体制成圆形截面或矩形截面的环，然后将其夹在两个连接件之间并压缩，如图8所示，即可实现真空静连接密封的目的。这种弹性体垫圈的密封性能主要取决于弹性体和被连接件之间接触面的粗糙度及弹性体本身的透气性、放气率和蒸气压等因素。为了消除这些因素对密封性能的影响，接触部位金属表面的粗糙度至少要求加工到3.2/，而且应尽量设计得使弹性体暴露在真空侧的表面最少。图9给出了垫圈密封的各种形式。其中圆弧形槽和梯形槽加工较为困难。最后一种由于完全没有凸缘和凹槽，两个连接件都是平面，弹性体被定位垫圈所定位，故加工容易，装配迅速，互换性也好。根据这种结构制成的快速拆卸真空密封法兰，已制定了国际标准，其通径有10mm、16mm、25mm、40mm等四种规格。其结构如图10所示。图中a为夹具夹紧式，b为袋状螺母拧紧式，前者是把两个密封法兰作成平面而取代了密封槽从而简化了密封满的加工。在紧固时为防止O型环串动可采用O形环座。快速拆卸法兰的特点是拆卸容易，迅速可靠。3.3 用于静连接的金属密封垫圈为了适应超高真空系统进行高温烘烤的需要，在超高真空管道连接处应采用金属密封垫圈，其材料大都是具有延展性好、蒸气压低的一些金属及合金（如铟、铝、铜、银、金、蒙耐尔合金等）。金属密封垫圈与弹性体垫圈相比较虽然具有放气量小、渗透率低、能耐高温烘烤等优点，但是密封时需要有较大的压紧力和较严格的调整技术，而且重复使用次数也较少。与弹性体O形圈相类似的金属密封垫圈是丝形圈。如图11所示，把丝形圈夹压在两个法兰之间即可达到密封的目的。图中（a）适用于铟丝，因为它在小的压力下就可变形，但铟的熔点较低，不能烘烤到高温。铝丝可烘烤到400oC，但需要较大夹紧压力。图中（b）适用于可重复烘烤到450oC温度也不漏气的金丝密封垫圈。金丝在作为垫圈使用前必须退火以增大延展性。铜丝垫圈较少使用，因为它与不锈钢法兰的膨胀系数差别太大，在热循环中会漏气。金属密封垫圈密封的最经常采用的形式是剪切一个矩形截面的铜环。图12就是利用这种原理的四种密封形式。图中a为交错阶形密封；b为重叠阶形密封。这类密封垫圈一般只用一次。图中c是矩形截面金属垫圈密封的另一种形式。密封作用形成在刀缘两边，调整压力可改变卡入深度。用钝的刀口是为了保证法兰与垫圈的接触良好。图中d是锥形刀缘密封。c、d两种密封形式均可重复使用几次。3.4 用于静连接的双重密封垫圈3.4.1 双重密封圈的密封效果真空橡胶圈在密封时，通过它所渗漏的气体量与许多因素有关。例如橡胶的种类、硬度、蒸气压、压缩量，密封面的表面粗糙度、温度等等。但最重要的影响因素是密封圈内外两侧的压力差。实验证明：密封圈两侧压差的减小，可极大地提高其密封性能。图13是双重密封圈的原理图。图中a是单垫圈的结构，这时设大气压为Pd，真空泵对被抽容器的有效抽气速率为Se，由Se而获得的被抽容器内的压强为P，经过密封垫圈漏隙由大气Pd漏入到真空容器中的气体量为Q，根据气流连续性方程，则Q=SeP=C（Pd-P） （1）式中C是密封圈与法兰间漏隙的流导。显然P=C/（Se+C）Pd （2）如果使用双重垫圈密封，并在双重垫圈之间用抽速为S1的真空泵抽空，在双重垫圈之间建立起P1压强值。设此时真空室内的压强值为P，如图13（b）所示。则P=C/(Se+C)P1 (3)两种情况相比较，显然P=（P1/Pd）P （4）双重垫圈之间若用油封式机械泵抽空，建立P1=101Pa的压强是很容易做到的，而大气压Pd=105Pa，所以P=10-4P。可见使用双重垫圈密封，并在双重垫圈之间抽空，可以极大地提高所获得的真空度。3.4.2 双重密封法兰结构图14是采用两个O型橡胶圈，在内外O形圈之间设有排气空腔，用真空泵抽气的密封法兰结构。图15是橡胶O形圈1与金属O形圈1与金属O形圈2相结合的用于超高真空设备中的密封法兰结构。因为在真空度高于1.310-3Pa的真空设备中所采用的橡胶O形圈对真空度的影响主要有两个因素，一是材料本身的透气性；二是材料本身的蒸发或升华。前者在真空度1.310-31.310-4Pa时影响最显著，后者在真空度为1.310-51.310-7Pa时影响最显著。因此这种结构在设计上把超高真空侧的密封圈选用金属材料是较为合适的。如内侧真空容器温度较高时，外环应采用水冷，以防止橡胶过热老化。此外，在金属O形圈的外表面上还可以涂上聚四氟乙烯，这样会使O形圈与相应密封接触面间的凸凹完全填满、紧密贴合，从而可进一步提高其密封性能。这种密封装置只要把空腔用真空泵抽空到1.310-3Pa，则获得1.310-9Pa的超高真空是完全可能的。3.5 真空规管的密封连接真空规管密封连接的形式如图16所示。靠拧紧螺母或压帽压缩胶圈来实现密封。3.6 电输入密封连接3.6.1 电输入密封的设计要求 将电输入到真空容器中去进行供电，在各种真空设备上是经常遇到的，对于金属真空设备来说，这种引电装置最好采用可拆卸的连接密封，这样便于维修。从输入的电流、电压、频率和输电线的温度等因素考虑，对输电线本身及真空密封材料的设计要求是引线装置的真空密封多采用橡胶做密封圈，因此对大电流、高温处应采用水冷，以防止温度过高时破坏真空橡胶圈和影响真空室的真空度。真空密封应可靠，对导电紫铜棒应当要求有较高的精度和较好的表面粗糙度，并且在装配时应涂以真空油脂。输电线的直径应大小适当，不应使电流密度过大，以防输电线过热。由于输电线上有一定的电压，因此必须使它与连接密封处绝缘，特别是高压输电线，更不能忽视。绝缘才力哦啊的选用，应根据电压大小，温度的影响等因素，去考虑材料的电阻率，表面电阻率，击穿电压等问题。常用的绝缘材料的电阻率，表面电阻率，击穿电压等问题。常用的绝缘材料有真空橡胶，玻璃，陶瓷、玻璃布板、玻璃布棒、黄蜡布，聚四氟乙烯等。应考虑频率的影响。在低频下频率对密封的影响并不大，但是在高频下，输电线同绝缘材料应按特殊要求确定。例如，当频率达到108Hz以上时，用作输电线的某些材料的电阻率可能超过允许值，如可伐合金用作高频时，由于高频损耗，绝缘体的密封就会被加热到不允许的程度。因此必须降低输电线的电阻率或采用其他材料。应考虑温度的影响。对于需要烘烤的输电线，应能承受500oC高温。必须区别引线在烘烤时，无电流时所承受的烘烤温度及工作时发热的两种情况。如果输电线被加热，在结构中应避免用任何不能承受温度的材料。3.6.2 电输入密封的结构 常用的电输入密封结构有如下几种。接线柱式密封如图17所示。这种结构是一般真空设备上最常采用的把电引入到真空室中去的一种结构。例如在真空镀膜设备上即常常用这种结构对镀膜室内的照明装置供电。图18是一种外套水冷式电极密封结构。固定式导电杆密封固定式导电杆密封的结构如图19。当导电杆直径d20mm时采用（a）型，d20mm时用（b）型。4动密封连接把运动传递到真空容器中所需要的密封连接称为动密封连接。各种真空设备中的的动密封连接实例很多，如各种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、浇注等机构的传动；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等外，针对真空特点，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。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32所示。4.1 动连接接触密封 动连接接触密封，根据采用的密封物质分为固体密封物质密封和液体密封物质密封两种。现分述如下。4.1.1 采用固体密封物质的接触密封4.1.1.1 液体润滑的真空动密封固体密封件中润滑的作用及润滑材料的选择采用固体密封物质进行真空动密封，在摩擦区需要进行液体润滑或用真空中耐磨性能良好的润滑材料进行自润滑。固体密封件中采用润滑的作用一方面是减少运动轴表面与不运动的密封件间的摩擦，另一方面是利用润滑物质来充填接触区内微观的凸凹不平的沟槽，以防止大气通过这些沟槽渗漏到真空容器中去。图32 真空动密封连接的分类密封所用的润滑物质,多数采用室温下饱和蒸气压低的真空油脂,必须指出,真空油是一种具有多种馏分的混合物.由于摩擦区温度升高和馏分的蒸发,使油馏分发生变化,因而会引起润滑油特性的变化.此外,真空油还能溶解各种气体,被溶解的气体也会渗漏到真空容器中去。使用石蜡较稠的润滑剂时应注意，在较高温度下石蜡会强烈蒸发，（如在60oC时，石蜡平均蒸发速率可达1.310-6g/cm2.min）。为了保证用液体润滑的真空动密封具有长期的工作能力，保证润滑剂蒸汽及溶解于润滑剂内的气体向真空容器内渗漏最小，必须保证密封区的摩擦条件（如接触压力，滑动速度、轴表面状况和几何形状，润滑剂和密封材料的性能等。）而且润滑剂温度也不应超过4050oC。对于液体润滑的固体密封、可选用耐油真空橡胶作为密封件的材料。接触式真空动密封的结构接触式真空动密封结构，最常采用的有如下几种类型。（a）O形橡胶圈密封又称橡胶填盒密封，其典型结构如图33所示。这种密封结构常用于真空度不高于10-4Pa的真空设备中，可以用来传递旋转运动，也可用于传递直线往复运动。其传递旋转运动的转速小于1000r/min，传递往复直线运动的速度小于0.2m/s。当传递直线往复运动的距离较长时，通常在孔壁上开密封槽。（b）J型橡胶圈密封J型橡胶圈密封即所谓威尔逊密封，是真空度不高于10-4Pa的真空设备中应用最广泛的一种密封。在这种密封结构中，真空橡胶垫片的边缘部分被金属衬垫紧紧固定、垫片的中心孔孔径比轴径小20%35%，安装好后弹性体在密封中呈截锥形（如图34所示），在大气压作用下获得良好密封。使用时必须注意此截锥的大底应位于真空一侧，大气压力才有压紧作用；如密封垫装反了，将不能起真空密封作用。这种密封结构适用于线速度小于2m/s，转速不高于2000r/min的真空转轴密封。（c）JO型橡胶圈密封JO型橡胶圈密封的结构如图35所示。这种带锁紧弹簧的结构是在J型橡胶密封圈结构的基础上加以改进而成的，适用于线速度小于2m/s，转速不高于2000r/min的真空转轴密封。4.1.1.2 自给润滑的真空动密封在上述几种动密封装置中都需要采用真空润滑油润滑，为了实现密封本身自给润滑，可借助于氟塑料进行真空动密封。图36是这种密封的一例。图中封件2是利用能自给润滑的氟塑料材料制成的。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胶垫圈3，把3装在密封件2的外面，再用螺母5压紧，就可以保证氟塑料密封圈能与轴均匀而密实的压紧。这种结构的缺点是要求轴的表面粗糙度要小，一般不应低于0.8/。图37是旋转运动自润滑动密封装置的另一种结构。图中法兰1内装一个聚四氟乙烯轴套2，它即是轴套2，它即是轴的轴承，又是辅助的密封件。动密封结构的基体3内装有支撑环5，外橡胶密封垫圈6，中间环7,内聚四氟乙烯垫圈8,衬套9和压紧螺母10。动密封结构的作用在于补助氟塑料垫圈8的弹性。保证它对轴表面的弹性压缩并对基体3的内表面和中间环7的接合处保持气密性。图38是自给润滑真空动密封的又一种结构，密封件为氟塑料圈，密封部件中间进行抽空。在密封部件壳件1内，中间抽气口5两侧分别装有支撑用的金属垫圈2、橡胶垫圈3、氟塑料密封环4、套筒6和压紧螺母7。橡胶圈在压缩状态下，能保证氟塑料密封环与轴表面为恒弹性接触。在这种结构中，对密封环的线性磨损还可作机械补偿。4.1.2 采用液体密封物质的接触密封4.1.2.1 液态金属密封液体用于真空动密封的结构原理如图39所示。图中a是采用液体薄膜密封，它是利用小间隙中液体薄膜的表面张力和压差的平衡状态来实现的。在轴1处于静止状态时，其可靠的密封条件是2/P1(15)式中 液体的表面张力，其值示于表2中P1密封高压侧压力图中b是具有液体静密封的装置，其中P1-P2应等于液柱高度，一般把密封容器2设置在真空室与单独抽真空的中间室中间。这种装置的缺点是它只能用于轴处于垂直的位置，而且需要设置中间抽气室。一旦中间室的压力增大，则会产生向真空室喷出密封液体的危险。液体密封在高温下工作时，液体的蒸汽有污染真空室的可能性。表3给出了几种易熔金属的蒸气压力值。可见，这些金属做为液态密封物质是可以的。 表2 几种液体的表面张力液体密封物质温度（oC）表面张力（N/m）.103对于不同压差的最大间隙（m）1.0105（Pa）1.3104（Pa）镓4073514.7112锡30052010.478汞154879.572铅3504208.464铋3003707.456有机液体2025300.50.63.84.5表易熔金属的蒸气压力金属熔化温度（oC）温度（oC）和蒸气压力(Pa)tptptptp汞-38.9-51.310-6401.310-41261333003.27104201.7310-1100402002.261033601.07105镓29.850010-107111.310-78591.310-69651.310-5铟15650010-106001.310-86671.310-77461.310-6锡23250010-108231.310-7-铋27130010-104741.310-75361.310-66091.310-54.1.2.2 磁性流体密封磁流体真空动密封原理磁流体也称为铁磁流体或磁液。它是将掺入到载液中的铁磁性微粒（10nm）用分散剂均匀地分散，使成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体。组分材料概况如表4所示。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性可以被磁铁所吸引的特性。磁性流体密封就是利用磁流体在外加磁场作用下具有承受压力差的能力而实现的。其原理如图40所示。圆环形永久磁铁1，极靴2和转轴3构成磁性回路；在磁铁产生的磁场作用下，把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁性流体4加以集中，使其形成一个所谓的“O”形环，将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体（图40b）和非磁性体（图40c）两种场合，前者磁束集中于间隙处并通过转轴而构成磁路，而后者磁束并不通过转轴，只是通过密封间隙中的磁性流体而构成磁路。 在真空转轴动密封技术中，磁性流体转轴动密封技术具有零泄漏、无固体摩擦、能耗小、无机械磨损、寿命长、适于传递高转速（最高可达120000r/min）等优良性质。如果采用低蒸气压的磁性流体，可用于10-7Pa以上真空度的真空设备。但应指出的是，由于磁性流体在高温下性能不稳定，所以磁性流体密封装置的通常工作范围为-30120oC，转轴在过高或过低温度下工作时必须采用冷却或升温措施，从而导致密封装置结构复杂化。 磁流体轴密封的结构 真空磁流体轴密封的整体结构如图41所示。磁性流体位于两个支撑轴承的一侧，轴承可以采取润滑措施。磁流体转轴密封部位通常采用的几种结构形式如图42所示。由于图40所示的磁流体单极靴密封结构耐压能力小，不能承受一个大气压的压差，所以用于真空转轴密封必须采用多级极靴结构。图 42（a）所示的磁流体密封采用多个磁铁，每个磁铁与其对应的一对极靴构成各自独立的磁回路，各回路间采用不导磁的隔垫隔开。 图42（b）则没有使用不导磁的隔垫。图42（c）只使用一个磁铁，是一种单磁路多级磁流体密封结构。这种结构性能完善，结构简单，适用广泛，是实践中大量采用的结构形式。这里以此种形式作为基本结构，对其设计计算方法给予介绍。磁流体密封耐压计算及其影响因素分析 磁流体两侧面的磁场强度有关，从而与磁性流体在轴向的厚度有关，而轴向厚度取决于磁流体注入量。磁流体注入量与耐压之间的实验曲线如图43所示。图中的注入量是把极靴与转轴之间的空隙体积作为单位注入量。可以看出，开始时增大磁流体注入量，耐压大体上线性增大，但注入量达到一定值后，耐压不再增大，而是稳定在一个恒定状态。密封轴转数增大（磁流体与转轴接触表面间的相对速度增大）会导致摩擦功耗增加而使磁性流体的温度升高，磁性流体液温的升高，磁性流体液温的升高会引起磁性流体载液的蒸发和表面火化剂的脱离，从而导致密封性能恶化，耐压能力下降。图44给出了磁流体密封耐压与温度的关系曲线，图中曲线表明：当温度升高时，磁性流体的耐压能力有所降低。考虑温度的影响，设计时应将转轴表面的线速度控制在20m/s以下，或者对磁性流体采取冷却措施，把温度控制在一定的范围之内。磁流体密封结构设计的关键问题是保证密封件具有足够的耐压能力。磁流体密封破坏机理的研究表明，因磁流体材料蒸发，沉淀而造成密封失败的情况较少，最主要的破坏机理是由于被密封环，形成磁流体的喷射状泄漏，同时携带走大量磁流体，使之无法自动恢复耐压能力，造成磁流体密封的彻底失败。因此，精确计算磁流体密封结构的实际耐压能力，是保证密封件可靠工作的最基本条件。 磁流体密封结构的实际许用耐压能力P可由下式给出。 式中 磁流体平均磁化强度，A/mB0最大工作磁感应强度，T最大相对导磁率差偏心影响系数N密封级数n安全系数 该式的特点在于：不仅从量值上正确全面地计算了耐压值，可以作为密封结构设计的最基本公式；而且公式右侧的六个因子，都分别地反映了影响实际许用耐压能力的一项因素，可以各自独立地进行研究，从而将耐压计算与结构设计直接联系起来。下面将分别讨论各个因子的意义以及对结构设计的指导作用。 （a）磁流体平均磁化强度 这一因子反映的是作为密封工作介质的磁流体材料的磁化性质对实际耐压的影响。 磁流体平均磁化强度可定义为式中Hmax密封间隙中的最大工作磁场强度 Hmin密封间隙中的最小工作磁场强度 M(H)磁流体的磁化曲线 由（16）式可知，磁流体的值越大，越有利于密封耐压的提高。因此，在选取磁流体材料时应予以考虑。 合理选用磁流体材料，还应全面考虑密封工作条件。一般要求被密封物质与磁流体载液不具有相亲性，不与磁流体发生破坏性化学作用；真空密封应选择饱和蒸汽压低的磁流体；工作环境温度偏高或偏低时应选择能够用于该温度范围的磁流体。 （b）偏心影响系数这一系数定量反映了转轴线相对于极靴轴线出现偏心振动等情况是对密封耐压的降低作用。偏心影响系数定义为转轴相对于极靴存在偏心时的密封耐压值与转轴轴线的偏心量与密封间隙之比。如果将转轴轴线的偏心量e与密封间隙Lg之比定义为密封结构的间隙变化率r=e/Lg，则与r的关系为式r取值范围为（0，1），的对应取值为（1，0），结构设计中合理选取r和的值，决定着重要的结构设计基本参数齿型间隙Lg的设计原则。单从磁路设计角度出发，密封间隙Lg越小越好，但从r定义式及（18）式中可以看出：如果转轴可能产生的偏心量较大，而将Lg设计较小，则间隙变化率取值偏大而偏心影响系数取值很小，这样由（16）式计算出的实际耐压反而很小。实际结构设计中，应首先选取合适的值，（一般取在 0.8 以上），再推算出对应的r值，然后；根据实际实际结构精度所能限制的转轴最大偏心量，计算出密封间隙Lg的取值。（c）最大工作磁感应强度B0 B0是密封齿型间隙中工作磁感应强度的最大值，它的取值体现了磁回路结构材料的性质对结构设计的限制。由耐压公式（ 16 ）分析，希望气隙中B0取值尽可能大，而根据磁极靴极齿的最大磁感应强度值，这就要求B0不能超过极靴材料的饱和磁感应强度值。否则，极靴材料的磁导率变得很小，极齿齿型区出现局部磁扼流现象，使导齿回路的磁阻大增，磁路损耗严重；齿型区的磁场分布发生畸变，工作磁场强度差值反而减小，使实际耐压下降。实际设计中，应按所用软磁材料的磁导率与磁感应强度关系曲线，选取适中的B0值，保证极靴工作在磁导率最大的状态下，如工业中常用的退火碳钢，一般取B0=1.01.6T，最大不超过2T 。 此外，对转轴偏心影响的研究结果表明，适当提高转轴和导磁极靴的磁饱和程度，可以降低密封耐压偏心因素的敏感性，增强抗振性能，对于图42（a）,(b) 所示的结构，尤其如此。而如果所用磁流体材料稳定性差，B0值过高会加速流体在强磁场区发生疑聚淀积，导致密封失效。 （d）密封级数N与安全系数n 密封级数N实际就是整个密封结构的总极齿数目。在保证每个极齿下的磁场分布不变的前提下，总密封耐压值正比于N。但从磁路设计角度看，每一片极靴上所设置的极齿数不宜过多，否则各极齿间磁场分布不均现象严重。在一般低压密封中（耐压 12 个大气压），可以采用一组如42（c）所示的单磁路级密封结构，按实际耐压要求，计算出所需要的总级数N和每片极靴上的极齿数N/2。如果外界压差过高，则应采用多组串联的结构形式。 安全系数n的取值范围是n1。它所考虑的因素是理论模型与实际情况的差别和应用场合对密封可靠性所要求的保险程度。 （e）最大相对导磁率差齿型结构的最大相对导磁率差定义为极齿间隙中磁场强度最大、最小值之差与最大值之比，即=（Hmax-Hmin）/Hmax。根据磁场分析，当极靴未达到磁饱和时，只与齿型结构参数有关，而不受磁场大小的影响，能直观地反映出极齿形状对耐压能力的影响。极齿结构设计要点之一就是使值尽可能大。为全面反映齿型结构的特点，根据磁路计算的要求，定义齿型的几何磁导G0为该齿型区中所通过的磁通量与最大工作磁感应强度之比。齿型结构的越小，需要永久磁铁提供的磁通量就越少，永久磁铁的体积就越小，该齿型结构也就越好。至此，可以看出，磁流体真空转轴密封的设计计算主要包括两个内容。一是极靴齿型结构的设计计算，即设计出大G0小的最佳极齿结构和合适的极齿数目，以保证密封结构具有足够的耐压能力，并算出和G0的值；二是整个磁路的设计与校核计算，目标是保证密封间隙中的实际最大工作磁感应强度接近选定的B0值，整个磁路内部工作参数合适，外部结构合理。下面将分别讨论这两项内容的设计计算方法。最佳极齿结构的设计与计算极齿形状对于整个密封件工作性能的影响作用早已为人们所熟知，许多学者都曾从不同角度致力于极靴齿型最佳结构参数的研究。理论与实验的研究表明：对于单磁路多级磁流体密封结构，矩形极齿（如图45(a)）和梯形极齿（如图45(b)）是较为理想的两种常用齿型。前者耐压能力大、两方向耐压相同，便于加工、性能容易保证；后者磁场梯度大、磁流体界面稳定性好，耐压能力也较大。因此，这里主要介绍这两种齿型的结构参数设计要点。(a)两个判据和Go的计算如前所述，齿型结构的最大相对导磁率差和几何磁导Go是评价齿型优劣的关键指标，也是磁路计算和耐压计算所必需的参数。根据工程设计的需要，对于一个给定的齿型结构（各齿型结构参数如图45标注），可按如下简化方法得到和Go的值。矩形极齿，由于加工工艺所限，常取Lt/Lg3。在此条件下，可根据Lh/Ls和Ls/Lg的值，直接从图46中查取该齿型的值和系数G2,代入下式即可计算出该齿型的几何磁导 Go=RLg6.287(Lt/Lg4)G2(19)式中转轴半径R、齿型间隙Lg可以是任意的长度单位，Go的单位为对应的长度平方。梯形齿，可根据比值t/b和b/，由图47及表5中查取齿型的最大相对导磁率和平均相对导磁率cp,进而算得齿型的几何磁导 Go=2Rbcp(20)(b)最佳齿型结构参数的取值根据磁场几何相似性原理分析，极齿形状对手齿型区内磁场分布的影响作用，只与极齿各结构参数间的比例关系有关，而不受各参数独立取值的影响。通过理论及实践的研究，矩形极齿最佳结构参数比值的取值范围是：第一特征比Lt/Lg=35；第二特征比Ls/Lg=2030。梯形极齿最佳结构参数比值的取值范围是：b/=3040；t/=1.54；倾角=4060o。按此最佳取值选定各比值，代入前面已设计出的密封间隙值Lg（或），即可算出齿型的各结构参数值。磁路的设计与校核计算由图42可知，整个密封件是一个小型闭合磁路系统。在磁流体密封结构设计中，该系统的设计计算占有举足轻重的地位，直接关系着能否保证工作耐压，达到密封要求以及整个结构设计的优劣。在完成前面的齿型结构设计之后，接下来进行的磁路设计工作就是要设计出合适材料和形状的永久磁铁，或根据永久磁铁修正齿型结构，最后按确定的整个磁路结构，验算磁路的实际工作参数，确保密封件具有足够的耐压能力。(a)永久磁铁设计计算选择何种永磁材料，需要全面综合考虑各种影响因素。由于磁铁一般都是先开路充磁而后组装磁流体密封磁路，磁铁几何形状的退磁因子又较大，所以磁铁常常存在有严重的自退磁效应使工作点发生变化，为避免永磁体工作点过低，应选择矫顽力大的永磁材料。从结构体积考虑，使用高磁能积材料可使永久磁铁体积减小；高矫顽力材料可使永磁体轴向尺寸减小或允许密封间隙较大；高剩磁材料可使结构径向尺寸减小。实际环境的工作温度变化、冲击振动、接触腐蚀性物质及射线辐射等因素，也都限制着永磁材料的选择。永久磁铁几何尺寸的设计计算，主要是保证间隙中的最大工作磁感应强度Bo。利用磁路工作气隙的参数，即前面计算出的极靴齿型区的密封间隙Lg和几何磁导Go，根据磁路磁压定律和磁通量连续原理，可得到如下永久磁铁几何尺寸设计公式 轴向长度Lm=2f1HoLg/Hm(21)横截面积Sm=0.5f2BoNGo/Bm(22)式中的f1为磁路的磁压损失系数,等于永久磁铁产生的磁压与作用在工作间隙上的有用磁压之比。它包含了导磁极靴和转轴上的磁压损失，磁铁与极靴接触面处的气隙磁压损失，磁力线在工作间隙中曲线疚的磁压损失等因素。f2为磁路的磁流损失系数，等于永久磁铁产生的总磁通量与通过极齿的有用磁通量之比。它考虑的因素有极靴、转轴侧面的漏磁通，永久磁铁侧面的漏磁通，极齿边缘效应的漏磁通等。f1、f2不仅与磁路的结构形状有关，而且和磁路的材料、周围环境的材料以及加工工艺等因素有关，永久磁铁的自退磁效应也应通过这两个系数考虑，因此其取值范围很宽，一般为1.22或更大。Ho、Bo为齿型间隙中的最大工作磁场、磁感应强度，二者关系为Bo=oHo；Hm、Bm为组成磁路后永久磁铁内部的实际工作磁场、磁感应强度。为充分利用永磁材料内部的磁能，降低永久磁铁的用料，磁路设计时一般都希望将永磁体内部实际工作点选在永磁材料最大磁能积点H*、B*，即取Hm=H*，Bm=B*。如果已知所用永磁材料的退磁曲线，则可以从曲线上直接查出最大磁能积点处所对应的H*、B*；如果只有永磁材料的矫顽力Hc、剩磁Br和最大磁能积(HB)max三项指标值，则可视(23)、(24)式近似算出H*和B*由式(21)、(22)设计计算出永久磁铁的几何结构参数后，一般是参考计算值来选取标准系列的永久磁铁。如果标准系列产品的尺寸与计算值相差不大，则可直接确定结构，进行校核计算；如果相差较大，则需按照实际磁铁尺寸，修正极靴齿型结构，使磁路内部的磁场工作参数取值合适。修正极齿结构的步骤是：利用式(21)、(22)反算出齿型间隙Lg和几何磁导Go，再以此为根据，重新设计齿型结构。实际进行磁流体密封结构设计时，往往是极齿结构设计和磁路设计互为依据地多次反复，才能最后确定全部密封结构，进行校核计算。(b)磁路及结构设计的校核计算在整个磁流体密封结构设计过程中，由于结构尚未完全确定，所以有些设计参数和影响系数只能估算或粗选；按照理论公式计算出的结构参数，还要根据工艺性、标准化和实际工况进行圆整；由此产生的累积误差，可能会使最后设计结果与最初理论值相差很大。为确保设计结果的可靠性和合理性，在结构设计完成之后，应根据设计结构参数及实际工作情况，准确地计算或较精确地选取各设计参数和影响系数，进而对磁路工作参数及结构耐压能力进行较为精确的校核计算。磁路校核计算的主要内容，就是验算永久磁铁的实际工作点和密封间隙中的工作磁感应强度，若已知永磁材料的退磁曲线，则可直接查取数据Hm、Bm，代入式(21)、(22)进行试算，直至数据吻合为止。如果无退磁曲线，也可用下式来近似代替退磁曲线方程，计算Hm和Bm Bm=Br(Hc-Hm)/(Hc-Hm)(25)式中=2(BrHc)/(HB)max3/2将式(21)、(22)、(25)和Bo=oHo联立，按设计结构和实际工况决定各个数的取值，则可求得磁路实际内部各工作参数的取值。例如密封间隙中最大工作磁感应强度为通过校核验算，如果齿型间隙中Bo及永磁铁工作点合理，磁路的磁压、磁流损失较小，说明磁路设计合理，便可进行整个密封结构的耐压能力验算，将各影响因子的精确值代入式(16)中，则得到结构的实际许用耐压值，如果该值大于工作中的最大可能压差，则设计工作结束；否则需要重新修改设计。4.2动连接非接触密封动连接非接触密封与接触密封的主要区别是向真空容器内传递运动和力的杆件和密封器壁间没有机械摩擦，因而从密封