一種小型線圈抽氣系統管道的真空性能研究

邢銀龍 許良元

（安徽農業大學工學院，安徽合肥230036）

0 引言

隨著工業化不斷發展，特種線圈越來越多樣化，根據工作環境的不同，線圈的VPI注膠固化工藝也越來越復雜，抽氣系統由此應運而生。抽氣系統的用途是滿足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，可以提高生產效率。

因此，本文針對抽氣系統的抽氣管道，就其工作原理、結構特征、真空性能進行研究，有助于線圈后續的研發設計。

1 抽氣系統的工作原理

線圈抽氣系統的動力裝置為真空泵，工作時氣體從連接管道經過冷凝過濾器和冷阱二級過濾。首先經過冷凝過濾器，過濾顆粒較大的微粒，然后經過冷阱時，油膠分子將會被捕獲。冷凝過濾器及冷阱材質均為不銹鋼。真空泵入氣口的前端安有蝶閥，可以實時關閉抽氣系統。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，達到系統需要的真空度（≤1.5 Pa）。

線圈抽氣系統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。抽氣系統的結構為機械泵、羅茨泵、排氣口、冷阱、推車、冷凝過濾器、風冷機、真空管道、支撐、轉接角閥等[1]。

2 抽氣管道真空性能的檢測

抽氣系統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，以達到系統要求的真空度（≤1.5 Pa），要求系統的各管道漏率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→被檢件檢漏→記錄數據及分析→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，準備相關材料、設備，記錄室內溫度、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。當檢漏儀輸出值穩定后，讀出儀器輸出指示值即本底I0。信號值在2 min內的最大變化值為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定后，記錄數值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

由于真空管道的兩個部分基本相同，現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譜噴吹法步驟[2，4]

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

（2）觀測檢漏儀示數變化，待示數穩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變化Qb。

2.2.5 數據記錄及分析

（1）最小可檢漏率數據記錄如下：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，其數據如下：

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）數據分析及結果判定如下：

1）真空管道允許漏率Qa：

2）最小可檢漏率Qmin：

計算所得結果Qmin＜Qa/10，則可以進行檢漏。

3）真空管道漏率Qb的5個數值如上所述。通過氦質譜噴吹法進行檢漏，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

關閉閥門，關閉檢漏儀，關閉輔助泵機組。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，清理現場。

3 真空管道的有限元分析[4]

真空管道在抽氣時，內部屬于真空狀態，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的熱學模塊進行設定，使管道外表面處于環境溫度20℃，內壁處于110℃，時間設置為1 s。我們可以發現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下熱應力的有限元分析：真空管道的熱應力分析是在溫度、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的熱應力應變云圖可知，真空管道最大形變量為1.762 9 mm，最大變形產生在真空管道兩端，能滿足剛度要求。真空管道最大主應力為1 196.1 Pa，最大切應力為1 280.2 Pa，最大等效應力為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計沒有實際參考意義。

4 結語

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進行了ANSYS的熱學分析和熱應力分析，對后期其他小型線圈抽氣系統的研制有一定的指導意義，有利于促進特種線圈的研發與制造。

[1]達道安.真空設計手冊[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]余孟嘗.數字電子技術基礎簡明教程[M].2版.北京：高等教育出版社，2005.

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

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