一种小型线圈抽气系统管道的真空性能研究

2018-03-05邢银龙许良元

机电信息 2018年6期

邢银龙许良元

（安徽农业大学工学院，安徽合肥230036）

0 引言

随着工业化不断发展，特种线圈越来越多样化，根据工作环境的不同，线圈的VPI注胶固化工艺也越来越复杂，抽气系统由此应运而生。抽气系统的用途是满足VPI工艺所需要的真空度要求，其中抽气管道是为了配合线圈模具而专门设计的，管道的真空度以及真空漏率满足工作需要，可以提高生产效率。

因此，本文针对抽气系统的抽气管道，就其工作原理、结构特征、真空性能进行研究，有助于线圈后续的研发设计。

1 抽气系统的工作原理

线圈抽气系统的动力装置为真空泵，工作时气体从连接管道经过冷凝过滤器和冷阱二级过滤。首先经过冷凝过滤器，过滤颗粒较大的微粒，然后经过冷阱时，油胶分子将会被捕获。冷凝过滤器及冷阱材质均为不锈钢。真空泵入气口的前端安有蝶阀，可以实时关闭抽气系统。蝶阀后端安有一个波纹管，不仅起到连接、补偿位移差的作用，而且可以减小真空机组传到抽气管路的振动。排气筒装有吸附剂，可吸收对人体有害的气体及水蒸气（防止冷凝水回流）。真空泵组在使用过程中，先用MS-301机械泵抽至低于1 000 Pa，再启动罗茨泵进行抽真空，达到系统需要的真空度（≤1.5 Pa）。

线圈抽气系统的管道采用不锈钢材料，一方面不锈钢材料的耐腐蚀性能好，使用寿命长；另一方面在真空状态能够满足工作负荷要求，在真空条件下材料的放气率小，有利于更好地抽真空。抽气系统的结构为机械泵、罗茨泵、排气口、冷阱、推车、冷凝过滤器、风冷机、真空管道、支撑、转接角阀等[1]。

2 抽气管道真空性能的检测

抽气系统的真空管道部分由两个真空管道连接而成，要求采用法兰连接，用氟橡胶进行密封，管道尾端用盲法兰进行焊接密封，以达到系统要求的真空度（≤1.5 Pa），要求系统的各管道漏率Qa≤1.0×10-10Pa·m3/s[1]。

2.1 工艺流程

工作准备→检漏仪器校准→安装系统→被检件检漏→记录数据及分析→检漏完成。

2.2 操作步骤

2.2.1 工作准备

操作人员按要求穿工作服、佩戴手套，准备相关材料、设备，记录室内温度、湿度等。零件进行超声清洗并检查是否损坏，如果损坏及时修补；如未损坏使用无水乙醇清洗，进行下一步。

2.2.2 检漏仪校准[2-3]

选定标称值为Q0的渗氦型标准漏孔（Type：LK-9；氦漏率：7.7×10-9Pa·m3/s），连接在检漏仪入口，连接电源线，并开启检漏仪。当检漏仪输出值稳定后，读出仪器输出指示值即本底I0。信号值在2 min内的最大变化值为ΔIi，共测10次ΔIi，取其平均值即本底噪声值。当检漏仪输出值曲线稳定后，记录数值I，计算检漏仪的最小可检漏率Qmin，其计算公式为：

2.2.3 安装系统

由于真空管道的两个部分基本相同，现只分析其中一段真空管道。首先将真空管道的KF40接口用快接盲法兰进行密封，真空管道一端用盲法兰密封，另外一端与检漏机组连接，一般采用快卸法兰进行密封固定[1]。

2.2.4 真空管道检漏采用氦质谱喷吹法步骤[2，4]

（1）检漏仪校准后，连接系统，先启动检漏仪，再启动辅助泵。先打开辅助阀，预抽一段时间，再开启与检漏仪相连接的阀门，观看检漏仪示数；

（2）观测检漏仪示数变化，待示数稳定且达到管道要求的≤10-10Pa·m3/s时，用喷枪对被检件部位喷氦气，记录各个部位喷氦时检漏仪的示数变化Qb。

2.2.5 数据记录及分析

（1）最小可检漏率数据记录如下：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）真空管道检漏的部位共计5处，其数据如下：

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）数据分析及结果判定如下：

1）真空管道允许漏率Qa：

2）最小可检漏率Qmin：

计算所得结果Qmin＜Qa/10，则可以进行检漏。

3）真空管道漏率Qb的5个数值如上所述。通过氦质谱喷吹法进行检漏，各处漏率Qb均小于允许漏率Qa，则判定该真空管道符合技术要求。

对另外一根真空管道按上述步骤依次进行检测，记录分析真空漏率。

2.2.6 检漏完成

关闭阀门，关闭检漏仪，关闭辅助泵机组。对真空管道表面进行处理，一般使用无水乙醇擦洗零件。拆卸工装，清理现场。

3 真空管道的有限元分析[4]

真空管道在抽气时，内部属于真空状态，真空度小于0.1 Pa，则管道承受压力约为一个标准大气压。管道内部通过的热胶气体温度约为110℃，外部温度为室温，约为20℃。由于两个真空管道的工作状态一致，所以本文只对其中一个管道进行有限元分析。为了简化模型，现将管道支撑用一个V型块代替。

（1）对真空管道的温度变化进行分析：外部施加温度20℃，内部管道施加温度110℃。真空管道采用的材料为不锈钢，则通过ANSYS的热学模块进行设定，使管道外表面处于环境温度20℃，内壁处于110℃，时间设置为1 s。我们可以发现真空管道温度变化最大为63.962℃，最小为57.949℃。热通量最大为0.002 062 9 W/mm2，最小为6.665 4×10-9W/mm2。

（2）真空管道在工作状态下热应力的有限元分析：真空管道的热应力分析是在温度、压强和自身重力的耦合场进行的，真空管道的材料是不锈钢，本文不考虑焊接的形变进行分析计算。观察真空管道工作状态的热应力应变云图可知，真空管道最大形变量为1.762 9 mm，最大变形产生在真空管道两端，能满足刚度要求。真空管道最大主应力为1 196.1 Pa，最大切应力为1 280.2 Pa，最大等效应力为1 629.8 Pa，皆小于材料的抗拉极限250 MPa，满足材料的使用要求。真空管道的材料虽满足使用要求，但本文只对小型线圈抽气管道提供参考，对于大型线圈抽气管道的设计没有实际参考意义。