应用于箱式真空腔体的多磁流体密封传动装置安装结构的优化设计

王志海，吕国振，郝 伟

（三一海洋重工有限公司，广东 珠海 519000）

磁流体密封传动装置同时具有密封和传递动力的功能，广泛应用于真空设备。通过安装于真空腔室外部的多个磁流体密封传动装置驱动真空腔室内部多个传动辊是常见的传动形式，具有结构简单、维护方便等优点，同时具有综合密封可靠性低的缺点。针对上述问题，本文提出了一种多个磁流体密封装置安装结构新形式，可以大大提高综合密封可靠性。

1 磁流体密封的应用原理和应用领域

磁流体密封是利用磁流体在磁场作用下填充在密封间隙内，形成液体“O”型密封圈，如图1所示，磁极与轴的间隙内充入磁流体，磁流体被磁场力吸附在间隙内具有密封作用。

图1 磁流体密封原理

磁流体密封主要应用于真空设备密封，例如航空航天设备、半导体设备、真空镀膜设备等[1-2]。

2 应用于箱式真空腔体的多磁流体密封传动装置的传统安装结构介绍

在真空设备领域，箱式真空腔体具有制作容易、性价比高的优点，通常采用多个箱式真空腔体连接组成真空设备，如图2所示，一台中型真空镀膜设备由15个箱式真空腔体串联组成，每个真空腔体的传动结构如图3所示。磁流体密封传动装置（下文简称磁流体）的主体安装在真空腔室外部，其大气侧传动轴安装同步轮传动装置，其真空侧传动轴通过联轴器连接传动辊；减速电机安装在真空腔室外部，其驱动轴安装同步轮，通过同步带传递驱动力驱动磁流体传动轴转动，带动传动辊转动。这种传统安装结构具有结构简单、方便安装等优点，同时，具有主要缺点：多个磁流体中的任何一个出现泄漏，会导致真空设备泄漏。

图2 15个箱式真空腔体组成的真空镀膜设备

图3 传统的多磁流体密封传动装置安装结构示意图

如图2所示的真空镀膜设备，除了入口、出口的两个过渡真空腔室处于大气、真空状态交替，其余13个真空腔室要求保持稳定的真空度，即安装在13个真空腔体上的132个磁流体必须全部可靠密封，任何一个出现泄漏都会导致设备泄漏。根据设备维护班组记录，该台真空镀膜设备使用某国产品牌磁流体，第一次出现泄漏故障时累积工作2 535 h，更换新磁流体后继续工作1 980 h，第二次出现泄漏故障。

3 简要分析磁流体泄漏原因及应对策略

针对上述真空镀膜设备的磁流体出现泄漏故障进行分析，主要原因如下：（1）磁流体传动轴承受两根同步带不平衡的拉力，该拉力对传动轴施加变幅交变弯矩，这里不加证明地引用参考文献[3]的结论：“在旋转轴和磁性流体密封安装就位后，旋转轴工作时的跳动量控制在0.02 mm以内最佳，最多不宜超过0.05 mm”，当变幅交变弯矩使传动轴的跳动量超过一定幅值时，造成磁流体密封处泄漏；（2）该台真空镀膜设备安装上百个磁流体，其中任意一个出现泄漏都会导致整台设备泄漏，根据统计学理论，多个磁流体综合密封可靠性大大降低。

针对以上分析，提出相应的应对策略：（1）选用质量可靠的磁流体，优先选用国际知名品牌产品；（2）改进磁流体安装结构，提高综合密封可靠性。根据市场调查，相近型号的磁流体，国际知名品牌比国内品牌单价高五千，全部更换需要约66万，成本较高。根据应对策略（2），本文提出优化设计的多磁流体安装结构，见图4所示，增加第二真空腔室，底部加工安装孔分别连接抽真空装置和充气装置，使第一真空腔室和第二真空腔室的真空状态互相独立，将多个磁流体、同步轮传动装置安装在第二真空腔室内。第二真空腔室顶部和侧面开口方便加工和维护，通过顶部盖板和侧面盖板配合密封圈对开口进行真空密封，减速电机通过安装在第二真空腔室外侧面盖板上的磁流体将驱动力传递给位于第二真空腔室内的其中一个磁流体，第二真空腔室内的多个磁流体通过同步轮、同步带同步转动，多个磁流体对应地连接并驱动传动辊。该优化方案的优点是将传统安装结构中处于大气状态下的多个磁流体安装于第二真空腔室内，只要第二真空腔室外部连接减速电机的磁流体不泄漏，第二真空腔室内的多个磁流体泄漏不会导致第一真空腔室泄漏，大大提高了多磁流体综合密封可靠性。下面就图2所示真空镀膜设备，通过计算对比传统的和优化的安装结构的综合密封可靠性，为了简化计算，两侧的2个小真空腔体（安装6个磁流体）按1个大真空腔体（安装12个磁流体）计算，折算为11个大真空腔体。

图4 优化后的多磁流体密封传动装置安装结构示意图

根据记录数据，真空镀膜设备累积运行4 515 h，132个磁流体中泄漏2个，当前寿命下，设每个磁流体的密封可靠性Px=130/132=0.984 8，每个磁流体不泄漏才能保证整台设备不泄漏，即综合密封可靠性：

优化的安装结构，每个磁流体的密封可靠性Px不变，则其失效概率为，每个真空腔体磁流体可靠密封分两种情况：（1）外部连接驱动装置的磁流体不泄漏，其概率为Px=0.984 8；（2）外部连接减速电机的磁流体泄漏，且第二真空腔室内的12个磁流体不泄漏，其概率为则单个真空腔体的磁流体综合密封可靠性为Py=0.984 8+0.012 6=0.997 4，整台设备的综合密封可靠性：

可见，相比于传统的安装结构，优化的安装结构，磁流体综合密封可靠性大大提高。

针对于应对策略（1），全部磁流体换为国际知名品牌产品，假设单个磁流体的密封可靠性为Pgx=0.999，采用传统的安装结构，则整台设备的磁流体综合密封可靠性为：

Pg＜P'，即全部磁流体更换为国际知名品牌产品，其综合密封可靠性低于优化的安装结构。

采用优化的安装结构，只更换外部的磁流体，单个真空腔体的磁流体综合密封可靠性为：

整台设备的磁流体综合密封可靠性为：

可见，相比于传统的安装结构，在优化的安装结构中，每个腔体只更换一个国际知名品牌的磁流体，其综合密封可靠性大大提高。

4 结语

本文介绍了应用于箱式真空腔体的多磁流体传统安装结构，并分析了磁流体泄漏的原因和应对策略，结合某公司一台真空镀膜设备，通过计算对比，相比于传统的安装结构，优化的安装结构，无论采用国产品牌还是采用国际知名品牌产品，其综合密封可靠性大大提高。