王志海,呂國振,郝 偉
(三一海洋重工有限公司,廣東 珠海 519000)
磁流體密封傳動(dòng)裝置同時(shí)具有密封和傳遞動(dòng)力的功能,廣泛應(yīng)用于真空設(shè)備。通過安裝于真空腔室外部的多個(gè)磁流體密封傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)真空腔室內(nèi)部多個(gè)傳動(dòng)輥是常見的傳動(dòng)形式,具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有綜合密封可靠性低的缺點(diǎn)。針對上述問題,本文提出了一種多個(gè)磁流體密封裝置安裝結(jié)構(gòu)新形式,可以大大提高綜合密封可靠性。
磁流體密封是利用磁流體在磁場作用下填充在密封間隙內(nèi),形成液體“O”型密封圈,如圖1所示,磁極與軸的間隙內(nèi)充入磁流體,磁流體被磁場力吸附在間隙內(nèi)具有密封作用。
圖1 磁流體密封原理
磁流體密封主要應(yīng)用于真空設(shè)備密封,例如航空航天設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、真空鍍膜設(shè)備等[1-2]。
在真空設(shè)備領(lǐng)域,箱式真空腔體具有制作容易、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn),通常采用多個(gè)箱式真空腔體連接組成真空設(shè)備,如圖2所示,一臺中型真空鍍膜設(shè)備由15個(gè)箱式真空腔體串聯(lián)組成,每個(gè)真空腔體的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。磁流體密封傳動(dòng)裝置(下文簡稱磁流體)的主體安裝在真空腔室外部,其大氣側(cè)傳動(dòng)軸安裝同步輪傳動(dòng)裝置,其真空側(cè)傳動(dòng)軸通過聯(lián)軸器連接傳動(dòng)輥;減速電機(jī)安裝在真空腔室外部,其驅(qū)動(dòng)軸安裝同步輪,通過同步帶傳遞驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)磁流體傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)傳動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝等優(yōu)點(diǎn),同時(shí),具有主要缺點(diǎn):多個(gè)磁流體中的任何一個(gè)出現(xiàn)泄漏,會(huì)導(dǎo)致真空設(shè)備泄漏。
圖2 15個(gè)箱式真空腔體組成的真空鍍膜設(shè)備
圖3 傳統(tǒng)的多磁流體密封傳動(dòng)裝置安裝結(jié)構(gòu)示意圖
如圖2所示的真空鍍膜設(shè)備,除了入口、出口的兩個(gè)過渡真空腔室處于大氣、真空狀態(tài)交替,其余13個(gè)真空腔室要求保持穩(wěn)定的真空度,即安裝在13個(gè)真空腔體上的132個(gè)磁流體必須全部可靠密封,任何一個(gè)出現(xiàn)泄漏都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備泄漏。根據(jù)設(shè)備維護(hù)班組記錄,該臺真空鍍膜設(shè)備使用某國產(chǎn)品牌磁流體,第一次出現(xiàn)泄漏故障時(shí)累積工作2 535 h,更換新磁流體后繼續(xù)工作1 980 h,第二次出現(xiàn)泄漏故障。
針對上述真空鍍膜設(shè)備的磁流體出現(xiàn)泄漏故障進(jìn)行分析,主要原因如下:(1)磁流體傳動(dòng)軸承受兩根同步帶不平衡的拉力,該拉力對傳動(dòng)軸施加變幅交變彎矩,這里不加證明地引用參考文獻(xiàn)[3]的結(jié)論:“在旋轉(zhuǎn)軸和磁性流體密封安裝就位后,旋轉(zhuǎn)軸工作時(shí)的跳動(dòng)量控制在0.02 mm以內(nèi)最佳,最多不宜超過0.05 mm”,當(dāng)變幅交變彎矩使傳動(dòng)軸的跳動(dòng)量超過一定幅值時(shí),造成磁流體密封處泄漏;(2)該臺真空鍍膜設(shè)備安裝上百個(gè)磁流體,其中任意一個(gè)出現(xiàn)泄漏都會(huì)導(dǎo)致整臺設(shè)備泄漏,根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論,多個(gè)磁流體綜合密封可靠性大大降低。
針對以上分析,提出相應(yīng)的應(yīng)對策略:(1)選用質(zhì)量可靠的磁流體,優(yōu)先選用國際知名品牌產(chǎn)品;(2)改進(jìn)磁流體安裝結(jié)構(gòu),提高綜合密封可靠性。根據(jù)市場調(diào)查,相近型號的磁流體,國際知名品牌比國內(nèi)品牌單價(jià)高五千,全部更換需要約66萬,成本較高。根據(jù)應(yīng)對策略(2),本文提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的多磁流體安裝結(jié)構(gòu),見圖4所示,增加第二真空腔室,底部加工安裝孔分別連接抽真空裝置和充氣裝置,使第一真空腔室和第二真空腔室的真空狀態(tài)互相獨(dú)立,將多個(gè)磁流體、同步輪傳動(dòng)裝置安裝在第二真空腔室內(nèi)。第二真空腔室頂部和側(cè)面開口方便加工和維護(hù),通過頂部蓋板和側(cè)面蓋板配合密封圈對開口進(jìn)行真空密封,減速電機(jī)通過安裝在第二真空腔室外側(cè)面蓋板上的磁流體將驅(qū)動(dòng)力傳遞給位于第二真空腔室內(nèi)的其中一個(gè)磁流體,第二真空腔室內(nèi)的多個(gè)磁流體通過同步輪、同步帶同步轉(zhuǎn)動(dòng),多個(gè)磁流體對應(yīng)地連接并驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)輥。該優(yōu)化方案的優(yōu)點(diǎn)是將傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)中處于大氣狀態(tài)下的多個(gè)磁流體安裝于第二真空腔室內(nèi),只要第二真空腔室外部連接減速電機(jī)的磁流體不泄漏,第二真空腔室內(nèi)的多個(gè)磁流體泄漏不會(huì)導(dǎo)致第一真空腔室泄漏,大大提高了多磁流體綜合密封可靠性。下面就圖2所示真空鍍膜設(shè)備,通過計(jì)算對比傳統(tǒng)的和優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu)的綜合密封可靠性,為了簡化計(jì)算,兩側(cè)的2個(gè)小真空腔體(安裝6個(gè)磁流體)按1個(gè)大真空腔體(安裝12個(gè)磁流體)計(jì)算,折算為11個(gè)大真空腔體。
圖4 優(yōu)化后的多磁流體密封傳動(dòng)裝置安裝結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)記錄數(shù)據(jù),真空鍍膜設(shè)備累積運(yùn)行4 515 h,132個(gè)磁流體中泄漏2個(gè),當(dāng)前壽命下,設(shè)每個(gè)磁流體的密封可靠性Px=130/132=0.984 8,每個(gè)磁流體不泄漏才能保證整臺設(shè)備不泄漏,即綜合密封可靠性:
優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu),每個(gè)磁流體的密封可靠性Px不變,則其失效概率為,每個(gè)真空腔體磁流體可靠密封分兩種情況:(1)外部連接驅(qū)動(dòng)裝置的磁流體不泄漏,其概率為Px=0.984 8;(2)外部連接減速電機(jī)的磁流體泄漏,且第二真空腔室內(nèi)的12個(gè)磁流體不泄漏,其概率為則單個(gè)真空腔體的磁流體綜合密封可靠性為Py=0.984 8+0.012 6=0.997 4,整臺設(shè)備的綜合密封可靠性:
可見,相比于傳統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu),優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu),磁流體綜合密封可靠性大大提高。
針對于應(yīng)對策略(1),全部磁流體換為國際知名品牌產(chǎn)品,假設(shè)單個(gè)磁流體的密封可靠性為Pgx=0.999,采用傳統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu),則整臺設(shè)備的磁流體綜合密封可靠性為:
Pg<P',即全部磁流體更換為國際知名品牌產(chǎn)品,其綜合密封可靠性低于優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu)。
采用優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu),只更換外部的磁流體,單個(gè)真空腔體的磁流體綜合密封可靠性為:
整臺設(shè)備的磁流體綜合密封可靠性為:
可見,相比于傳統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu),在優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu)中,每個(gè)腔體只更換一個(gè)國際知名品牌的磁流體,其綜合密封可靠性大大提高。
本文介紹了應(yīng)用于箱式真空腔體的多磁流體傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu),并分析了磁流體泄漏的原因和應(yīng)對策略,結(jié)合某公司一臺真空鍍膜設(shè)備,通過計(jì)算對比,相比于傳統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu),優(yōu)化的安裝結(jié)構(gòu),無論采用國產(chǎn)品牌還是采用國際知名品牌產(chǎn)品,其綜合密封可靠性大大提高。