一種小型線圈抽氣系統(tǒng)管道的真空性能研究

邢銀龍 許良元

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036）

0 引言

隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，特種線圈越來越多樣化，根據(jù)工作環(huán)境的不同，線圈的VPI注膠固化工藝也越來越復(fù)雜，抽氣系統(tǒng)由此應(yīng)運而生。抽氣系統(tǒng)的用途是滿足VPI工藝所需要的真空度要求，其中抽氣管道是為了配合線圈模具而專門設(shè)計的，管道的真空度以及真空漏率滿足工作需要，可以提高生產(chǎn)效率。

因此，本文針對抽氣系統(tǒng)的抽氣管道，就其工作原理、結(jié)構(gòu)特征、真空性能進行研究，有助于線圈后續(xù)的研發(fā)設(shè)計。

1 抽氣系統(tǒng)的工作原理

線圈抽氣系統(tǒng)的動力裝置為真空泵，工作時氣體從連接管道經(jīng)過冷凝過濾器和冷阱二級過濾。首先經(jīng)過冷凝過濾器，過濾顆粒較大的微粒，然后經(jīng)過冷阱時，油膠分子將會被捕獲。冷凝過濾器及冷阱材質(zhì)均為不銹鋼。真空泵入氣口的前端安有蝶閥，可以實時關(guān)閉抽氣系統(tǒng)。蝶閥后端安有一個波紋管，不僅起到連接、補償位移差的作用，而且可以減小真空機組傳到抽氣管路的振動。排氣筒裝有吸附劑，可吸收對人體有害的氣體及水蒸氣（防止冷凝水回流）。真空泵組在使用過程中，先用MS-301機械泵抽至低于1 000 Pa，再啟動羅茨泵進行抽真空，達到系統(tǒng)需要的真空度（≤1.5 Pa）。

線圈抽氣系統(tǒng)的管道采用不銹鋼材料，一方面不銹鋼材料的耐腐蝕性能好，使用壽命長；另一方面在真空狀態(tài)能夠滿足工作負荷要求，在真空條件下材料的放氣率小，有利于更好地抽真空。抽氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為機械泵、羅茨泵、排氣口、冷阱、推車、冷凝過濾器、風(fēng)冷機、真空管道、支撐、轉(zhuǎn)接角閥等[1]。

2 抽氣管道真空性能的檢測

抽氣系統(tǒng)的真空管道部分由兩個真空管道連接而成，要求采用法蘭連接，用氟橡膠進行密封，管道尾端用盲法蘭進行焊接密封，以達到系統(tǒng)要求的真空度（≤1.5 Pa），要求系統(tǒng)的各管道漏率Qa≤1.0×10-10Pa·m3/s[1]。

2.1 工藝流程

工作準備→檢漏儀器校準→安裝系統(tǒng)→被檢件檢漏→記錄數(shù)據(jù)及分析→檢漏完成。

2.2 操作步驟

2.2.1 工作準備

操作人員按要求穿工作服、佩戴手套，準備相關(guān)材料、設(shè)備，記錄室內(nèi)溫度、濕度等。零件進行超聲清洗并檢查是否損壞，如果損壞及時修補；如未損壞使用無水乙醇清洗，進行下一步。

2.2.2 檢漏儀校準[2-3]

選定標稱值為Q0的滲氦型標準漏孔（Type：LK-9；氦漏率：7.7×10-9Pa·m3/s），連接在檢漏儀入口，連接電源線，并開啟檢漏儀。當檢漏儀輸出值穩(wěn)定后，讀出儀器輸出指示值即本底I0。信號值在2 min內(nèi)的最大變化值為ΔIi，共測10次ΔIi，取其平均值即本底噪聲值。當檢漏儀輸出值曲線穩(wěn)定后，記錄數(shù)值I，計算檢漏儀的最小可檢漏率Qmin，其計算公式為：

2.2.3 安裝系統(tǒng)

由于真空管道的兩個部分基本相同，現(xiàn)只分析其中一段真空管道。首先將真空管道的KF40接口用快接盲法蘭進行密封，真空管道一端用盲法蘭密封，另外一端與檢漏機組連接，一般采用快卸法蘭進行密封固定[1]。

2.2.4 真空管道檢漏采用氦質(zhì)譜噴吹法步驟[2，4]

（1）檢漏儀校準后，連接系統(tǒng)，先啟動檢漏儀，再啟動輔助泵。先打開輔助閥，預(yù)抽一段時間，再開啟與檢漏儀相連接的閥門，觀看檢漏儀示數(shù)；

（2）觀測檢漏儀示數(shù)變化，待示數(shù)穩(wěn)定且達到管道要求的≤10-10Pa·m3/s時，用噴槍對被檢件部位噴氦氣，記錄各個部位噴氦時檢漏儀的示數(shù)變化Qb。

2.2.5 數(shù)據(jù)記錄及分析

（1）最小可檢漏率數(shù)據(jù)記錄如下：In=0.1×10-13Pa·m3/s I=7.6×10-9Pa·m3/s I0=2.0×10-13Pa·m3/s Q0=7.7×10-9Pa·m3/s

（2）真空管道檢漏的部位共計5處，其數(shù)據(jù)如下：

Qb1=6.3×10-11Pa·m3/s

Qb2=6.0×10-11Pa·m3/s

Qb3=5.5×10-11Pa·m3/s

Qb4=4.8×10-11Pa·m3/s

Qb5=3.2×10-11Pa·m3/s（3）數(shù)據(jù)分析及結(jié)果判定如下：

1）真空管道允許漏率Qa：

2）最小可檢漏率Qmin：

計算所得結(jié)果Qmin＜Qa/10，則可以進行檢漏。

3）真空管道漏率Qb的5個數(shù)值如上所述。通過氦質(zhì)譜噴吹法進行檢漏，各處漏率Qb均小于允許漏率Qa，則判定該真空管道符合技術(shù)要求。

對另外一根真空管道按上述步驟依次進行檢測，記錄分析真空漏率。

2.2.6 檢漏完成

關(guān)閉閥門，關(guān)閉檢漏儀，關(guān)閉輔助泵機組。對真空管道表面進行處理，一般使用無水乙醇擦洗零件。拆卸工裝，清理現(xiàn)場。

3 真空管道的有限元分析[4]

真空管道在抽氣時，內(nèi)部屬于真空狀態(tài)，真空度小于0.1 Pa，則管道承受壓力約為一個標準大氣壓。管道內(nèi)部通過的熱膠氣體溫度約為110℃，外部溫度為室溫，約為20℃。由于兩個真空管道的工作狀態(tài)一致，所以本文只對其中一個管道進行有限元分析。為了簡化模型，現(xiàn)將管道支撐用一個V型塊代替。

（1）對真空管道的溫度變化進行分析：外部施加溫度20℃，內(nèi)部管道施加溫度110℃。真空管道采用的材料為不銹鋼，則通過ANSYS的熱學(xué)模塊進行設(shè)定，使管道外表面處于環(huán)境溫度20℃，內(nèi)壁處于110℃，時間設(shè)置為1 s。我們可以發(fā)現(xiàn)真空管道溫度變化最大為63.962℃，最小為57.949℃。熱通量最大為0.002 062 9 W/mm2，最小為6.665 4×10-9W/mm2。

（2）真空管道在工作狀態(tài)下熱應(yīng)力的有限元分析：真空管道的熱應(yīng)力分析是在溫度、壓強和自身重力的耦合場進行的，真空管道的材料是不銹鋼，本文不考慮焊接的形變進行分析計算。觀察真空管道工作狀態(tài)的熱應(yīng)力應(yīng)變云圖可知，真空管道最大形變量為1.762 9 mm，最大變形產(chǎn)生在真空管道兩端，能滿足剛度要求。真空管道最大主應(yīng)力為1 196.1 Pa，最大切應(yīng)力為1 280.2 Pa，最大等效應(yīng)力為1 629.8 Pa，皆小于材料的抗拉極限250 MPa，滿足材料的使用要求。真空管道的材料雖滿足使用要求，但本文只對小型線圈抽氣管道提供參考，對于大型線圈抽氣管道的設(shè)計沒有實際參考意義。

4 結(jié)語

本文對小型線圈抽氣管道真空性能的檢測進行了分析，詳細敘述了通過氦質(zhì)譜檢漏儀對真空管道進行檢測的具體操作步驟及注意事項，對真空管道實際工作狀態(tài)進行了ANSYS的熱學(xué)分析和熱應(yīng)力分析，對后期其他小型線圈抽氣系統(tǒng)的研制有一定的指導(dǎo)意義，有利于促進特種線圈的研發(fā)與制造。

[1]達道安.真空設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[2]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].2版.北京：高等教育出版社，2005.

[3]何己有.氦質(zhì)譜檢漏儀檢測原理及應(yīng)用[J].聚酯工業(yè)，2011，24（2）：54-57.

[4]張河，楊亞平，戎占偉.氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)在壓力容器密封性試驗中的應(yīng)用分析[J].焊接技術(shù)，2010，39（4）：61-64.