應用于箱式真空腔體的多磁流體密封傳動裝置安裝結構的優化設計

王志海，呂國振，郝 偉

（三一海洋重工有限公司，廣東 珠海 519000）

磁流體密封傳動裝置同時具有密封和傳遞動力的功能，廣泛應用于真空設備。通過安裝于真空腔室外部的多個磁流體密封傳動裝置驅動真空腔室內部多個傳動輥是常見的傳動形式，具有結構簡單、維護方便等優點，同時具有綜合密封可靠性低的缺點。針對上述問題，本文提出了一種多個磁流體密封裝置安裝結構新形式，可以大大提高綜合密封可靠性。

1 磁流體密封的應用原理和應用領域

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，形成液體“O”型密封圈，如圖1所示，磁極與軸的間隙內充入磁流體，磁流體被磁場力吸附在間隙內具有密封作用。

圖1 磁流體密封原理

磁流體密封主要應用于真空設備密封，例如航空航天設備、半導體設備、真空鍍膜設備等[1-2]。

2 應用于箱式真空腔體的多磁流體密封傳動裝置的傳統安裝結構介紹

在真空設備領域，箱式真空腔體具有制作容易、性價比高的優點，通常采用多個箱式真空腔體連接組成真空設備，如圖2所示，一臺中型真空鍍膜設備由15個箱式真空腔體串聯組成，每個真空腔體的傳動結構如圖3所示。磁流體密封傳動裝置（下文簡稱磁流體）的主體安裝在真空腔室外部，其大氣側傳動軸安裝同步輪傳動裝置，其真空側傳動軸通過聯軸器連接傳動輥；減速電機安裝在真空腔室外部，其驅動軸安裝同步輪，通過同步帶傳遞驅動力驅動磁流體傳動軸轉動，帶動傳動輥轉動。這種傳統安裝結構具有結構簡單、方便安裝等優點，同時，具有主要缺點：多個磁流體中的任何一個出現泄漏，會導致真空設備泄漏。

圖2 15個箱式真空腔體組成的真空鍍膜設備

圖3 傳統的多磁流體密封傳動裝置安裝結構示意圖

如圖2所示的真空鍍膜設備，除了入口、出口的兩個過渡真空腔室處于大氣、真空狀態交替，其余13個真空腔室要求保持穩定的真空度，即安裝在13個真空腔體上的132個磁流體必須全部可靠密封，任何一個出現泄漏都會導致設備泄漏。根據設備維護班組記錄，該臺真空鍍膜設備使用某國產品牌磁流體，第一次出現泄漏故障時累積工作2 535 h，更換新磁流體后繼續工作1 980 h，第二次出現泄漏故障。

3 簡要分析磁流體泄漏原因及應對策略

針對上述真空鍍膜設備的磁流體出現泄漏故障進行分析，主要原因如下：（1）磁流體傳動軸承受兩根同步帶不平衡的拉力，該拉力對傳動軸施加變幅交變彎矩，這里不加證明地引用參考文獻[3]的結論：“在旋轉軸和磁性流體密封安裝就位后，旋轉軸工作時的跳動量控制在0.02 mm以內最佳，最多不宜超過0.05 mm”，當變幅交變彎矩使傳動軸的跳動量超過一定幅值時，造成磁流體密封處泄漏；（2）該臺真空鍍膜設備安裝上百個磁流體，其中任意一個出現泄漏都會導致整臺設備泄漏，根據統計學理論，多個磁流體綜合密封可靠性大大降低。

針對以上分析，提出相應的應對策略：（1）選用質量可靠的磁流體，優先選用國際知名品牌產品；（2）改進磁流體安裝結構，提高綜合密封可靠性。根據市場調查，相近型號的磁流體，國際知名品牌比國內品牌單價高五千，全部更換需要約66萬，成本較高。根據應對策略（2），本文提出優化設計的多磁流體安裝結構，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互相獨立，將多個磁流體、同步輪傳動裝置安裝在第二真空腔室內。第二真空腔室頂部和側面開口方便加工和維護，通過頂部蓋板和側面蓋板配合密封圈對開口進行真空密封，減速電機通過安裝在第二真空腔室外側面蓋板上的磁流體將驅動力傳遞給位于第二真空腔室內的其中一個磁流體，第二真空腔室內的多個磁流體通過同步輪、同步帶同步轉動，多個磁流體對應地連接并驅動傳動輥。該優化方案的優點是將傳統安裝結構中處于大氣狀態下的多個磁流體安裝于第二真空腔室內，只要第二真空腔室外部連接減速電機的磁流體不泄漏，第二真空腔室內的多個磁流體泄漏不會導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所示真空鍍膜設備，通過計算對比傳統的和優化的安裝結構的綜合密封可靠性，為了簡化計算，兩側的2個小真空腔體（安裝6個磁流體）按1個大真空腔體（安裝12個磁流體）計算，折算為11個大真空腔體。

圖4 優化后的多磁流體密封傳動裝置安裝結構示意圖

根據記錄數據，真空鍍膜設備累積運行4 515 h，132個磁流體中泄漏2個，當前壽命下，設每個磁流體的密封可靠性Px=130/132=0.984 8，每個磁流體不泄漏才能保證整臺設備不泄漏，即綜合密封可靠性：

優化的安裝結構，每個磁流體的密封可靠性Px不變，則其失效概率為，每個真空腔體磁流體可靠密封分兩種情況：（1）外部連接驅動裝置的磁流體不泄漏，其概率為Px=0.984 8；（2）外部連接減速電機的磁流體泄漏，且第二真空腔室內的12個磁流體不泄漏，其概率為則單個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，整臺設備的綜合密封可靠性：

可見，相比于傳統的安裝結構，優化的安裝結構，磁流體綜合密封可靠性大大提高。

針對于應對策略（1），全部磁流體換為國際知名品牌產品，假設單個磁流體的密封可靠性為Pgx=0.999，采用傳統的安裝結構，則整臺設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品，其綜合密封可靠性低于優化的安裝結構。

采用優化的安裝結構，只更換外部的磁流體，單個真空腔體的磁流體綜合密封可靠性為：

整臺設備的磁流體綜合密封可靠性為：

可見，相比于傳統的安裝結構，在優化的安裝結構中，每個腔體只更換一個國際知名品牌的磁流體，其綜合密封可靠性大大提高。

4 結語

本文介紹了應用于箱式真空腔體的多磁流體傳統安裝結構，并分析了磁流體泄漏的原因和應對策略，結合某公司一臺真空鍍膜設備，通過計算對比，相比于傳統的安裝結構，優化的安裝結構，無論采用國產品牌還是采用國際知名品牌產品，其綜合密封可靠性大大提高。