一种小型线圈抽气系统管道的真空性能研究

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。

4 结语

本文对小型线圈抽气管道真空性能的检测进行了分析，详细叙述了通过氦质谱检漏仪对真空管道进行检测的具体操作步骤及注意事项，对真空管道实际工作状态进行了ANSYS的热学分析和热应力分析，对后期其他小型线圈抽气系统的研制有一定的指导意义，有利于促进特种线圈的研发与制造。

[1]达道安.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].2版.北京：高等教育出版社，2005.

[3]何己有.氦质谱检漏仪检测原理及应用[J].聚酯工业，2011，24（2）：54-57.

[4]张河，杨亚平，戎占伟.氦质谱检漏技术在压力容器密封性试验中的应用分析[J].焊接技术，2010，39（4）：61-64.