高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)引線密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳雪凱 王 波

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

專用設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)薄壁圓筒在套筒內(nèi)的高真空環(huán)境下做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。位于薄壁圓筒內(nèi)的薄壁異型管與圓筒同軸，并通過圓筒上端的出口穿出，最后穿過套筒上法蘭與外部管道系統(tǒng)連接，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常功能。高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)部的關(guān)鍵參數(shù)對流體較為敏感，因此是影響專用設(shè)備整機(jī)性能的關(guān)鍵因素。隨著研制需求的不斷增加，對專用設(shè)備的設(shè)計(jì)水平和技術(shù)成熟度的要求也越來越高。增加對圓筒內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)實(shí)際狀態(tài)的準(zhǔn)確認(rèn)識有助于改進(jìn)理論模型并指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而提升專用設(shè)備研制的技術(shù)水平。專用設(shè)備圓筒內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)的測控，包括傳感器檢測信號傳出和驅(qū)動(dòng)命令輸入，對于提升專用設(shè)備研制的理論和試驗(yàn)水平均具有重要意義。要實(shí)現(xiàn)對專用設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)測控的目標(biāo)，必須將測控器件的導(dǎo)線引入到設(shè)備內(nèi)部。由于專用設(shè)備圓筒處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，用于測控圓筒內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)的導(dǎo)線只能通過位于圓筒中心的薄壁異型管引出。專用設(shè)備的套筒內(nèi)需要保持較高的真空度，一旦發(fā)生漏氣，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常功能，還可能導(dǎo)圓筒失效而發(fā)生損機(jī)。所以通過薄壁異形管的引線結(jié)構(gòu)不僅要滿足正常測控功能還需滿足真空密封性要求，而可用空間小、引線多、密封性高，難度較大。因此高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)引線密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)一直是限制專用設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)測控技術(shù)水平提升的瓶頸。

本文基于專用設(shè)備薄壁異型管的結(jié)構(gòu)特征，從結(jié)構(gòu)分析、薄壁異型管設(shè)計(jì)和探漏工裝具設(shè)計(jì)等方面開展高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮引線結(jié)構(gòu)的加工工藝性和密封可靠性，并通過試驗(yàn)對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)分析

專用設(shè)備為高速旋轉(zhuǎn)的真空專用設(shè)備，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 專用設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

以往對于薄壁圓筒內(nèi)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件參數(shù)的檢測主要有轉(zhuǎn)筒內(nèi)關(guān)鍵部件溫度的測量，功能較單一，引線數(shù)量較少，主要通過薄壁異型管中心縫隙引出，但加工難度較大，真空密封問題嚴(yán)重，且由于缺乏較為成熟的探漏技術(shù)，應(yīng)用難度較大，實(shí)際開展試驗(yàn)的數(shù)量較少。因此專用設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)引線結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中還存在一定不足，相關(guān)引線技術(shù)還有待突破。

要實(shí)現(xiàn)專用設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)的測控功能，需將更多的導(dǎo)線從薄壁圓筒內(nèi)引出，因此只能通過薄壁異型管將導(dǎo)線引至設(shè)備外的測控系統(tǒng)。專用設(shè)備的薄壁異型管為多層嵌套的薄壁管組件，如圖2 所示。

圖2 料管結(jié)構(gòu)組成示意圖

如果通過薄壁異型管內(nèi)部間隙（最小值僅為1.5 mm）將測控導(dǎo)線引出，當(dāng)引線數(shù)量較多時(shí)，則必然占用物料輸送通道，并影響設(shè)備的正常功能，因此圓筒內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)測控用引線密封結(jié)構(gòu)只能通過薄壁異型管的側(cè)壁引出，且需充分利用薄壁異型管側(cè)壁的厚度（最小值僅為4 mm）進(jìn)行引線密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，帶密封引線的薄壁異型管還需經(jīng)過引線、加膠、固化以及再加工等多道工序處理，且最后帶加膠固化后的薄壁異形管料管也必須經(jīng)過探漏試驗(yàn)檢驗(yàn)。

根據(jù)專用設(shè)備的密封性要求，測控導(dǎo)線經(jīng)薄壁異型管側(cè)壁引至專用設(shè)備外部的測控系統(tǒng)時(shí)，引線結(jié)構(gòu)必須滿足1.33×10Pa·m/s 的漏率要求，因此引線口和薄壁異形管表面均須滿足密封性要求，即使經(jīng)過熱處理，也必須保證密封性，難度較大。

由于薄壁異型管的側(cè)壁厚度僅為4 mm，只能采取引線密封結(jié)構(gòu)只能在貧料管側(cè)壁開槽或在貧料管側(cè)壁鉆孔至指定深度兩種方案，如圖3 所示。

圖3 引線密封結(jié)構(gòu)

其中，深孔方案未對密封面造成破壞，漏點(diǎn)主要集中在細(xì)孔內(nèi)，且可通過補(bǔ)膠消除漏點(diǎn)，因此易于操作，并能保證較高的合格率，但深孔的加工難度較大。而開槽方案則必須保證同時(shí)密封面位置和密封膠與開槽側(cè)壁間同時(shí)滿足密封性要求，且成型后因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而漏點(diǎn)定位困難，因此合格率較差。

2 薄壁異型管設(shè)計(jì)

從加工工藝性和密封可靠性考慮，開槽方案的引線槽和填充條均結(jié)構(gòu)較小，加工和裝配時(shí)的精度較難保證，裝配完成后槽底和兩個(gè)側(cè)面容易發(fā)生漏氣，且難以修復(fù)。而深孔方案可采用專用設(shè)備完成深孔的加工，不破壞密封面的同時(shí)，漏點(diǎn)的位置也較為固定，一旦出現(xiàn)漏氣問題易于修復(fù)且能保證合格率。因此最后確定選用深孔方案作為引線密封的設(shè)計(jì)方案。

帶深孔薄壁異型管上的引線特征主要包括：出線口、灌膠口和深孔。出線口設(shè)在專用設(shè)備套筒上法蘭以外的非密封區(qū)域，易于連接外部的測控系統(tǒng)。灌膠口位于圓筒內(nèi)部的非密封區(qū)域，作為密封膠入口，方便灌膠工序的操作。深孔為直徑2 mm 的細(xì)長孔，利用專業(yè)設(shè)備直接加工形成，為引線密封的關(guān)鍵通道。

基于以上考慮，最終完成的帶引線密封結(jié)構(gòu)的薄壁異型管試驗(yàn)件設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 帶深孔管1 結(jié)構(gòu)示意圖

帶引線密封結(jié)構(gòu)的薄壁異型管試驗(yàn)件經(jīng)過試制，加工工藝性較好。由于專用設(shè)備在加工過程中存在高溫固化工序，可能導(dǎo)致引線位置的再次泄漏，問題一旦出現(xiàn)將造成整個(gè)設(shè)備無法正常開展試驗(yàn)。而帶引線密封結(jié)構(gòu)的薄壁異型管可在出線口漏點(diǎn)的位置進(jìn)行補(bǔ)膠補(bǔ)漏，因此可以保證更高合格率。

3 探漏工裝具設(shè)計(jì)

帶引線密封結(jié)構(gòu)的薄壁異型管成型完成后還需專用探漏工裝具對引線密封結(jié)構(gòu)的漏率進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保整個(gè)設(shè)備成型后的合格率。探漏工裝具主要包括：真空轉(zhuǎn)接組件、密封法蘭和密封套。真空轉(zhuǎn)接組件通過轉(zhuǎn)接接頭與真空系統(tǒng)連接，密封法蘭和密封套利用薄壁異型管上的密封面通過密封墊實(shí)現(xiàn)密封，如圖5 所示。

圖5 帶引線貧料管的探漏結(jié)構(gòu)示意圖

因探漏工裝具引線和引線口均有外露的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過真空轉(zhuǎn)接組件直接連接真空設(shè)備，直接對易于出現(xiàn)密封問題的引線口進(jìn)行探漏。這種方法能夠快速鎖定漏點(diǎn)位置，便于探漏和補(bǔ)漏操作，為帶多條引線的薄壁異型管提供保障。這種采用專用探漏工裝具解決薄壁異形管密封問題的方法已多次用于清華可調(diào)支臂和專用設(shè)備異形彎臂中心距可調(diào)試驗(yàn)裝置的帶引線薄壁異形管的探漏，實(shí)現(xiàn)了用4 個(gè)深孔共計(jì)20 根導(dǎo)線的引線密封，應(yīng)用效果良好。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

帶引線結(jié)構(gòu)的薄壁異型管和專用探漏工裝具已經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)探漏，帶引線的薄壁異形管在引線口的漏率可達(dá)10Pa·m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。且在專用設(shè)備在生產(chǎn)過程中也曾在薄壁異形管引線口位置出現(xiàn)嚴(yán)重的密封問題，采用探漏工裝具對漏點(diǎn)進(jìn)行定位，成功解決了密封問題，保證了試驗(yàn)的正常開展。

5 結(jié)語

本文針對高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)傳感器檢測信號傳出和驅(qū)動(dòng)命令輸入中存在的真空密封問題，基于專用設(shè)備薄壁異型管的結(jié)構(gòu)特征，從結(jié)構(gòu)分析、薄壁異型管設(shè)計(jì)和工裝具設(shè)計(jì)等方面開展高速旋轉(zhuǎn)薄壁圓筒內(nèi)引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮引線結(jié)構(gòu)的加工工藝性和密封可靠性，并提出了一種能夠快速鎖定漏點(diǎn)位置的專用探漏方法。最后通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證表明，引線密封結(jié)構(gòu)能夠滿足專用設(shè)備真空度要求，且探漏方法操作簡單、效果明顯，已用于多種專用設(shè)備機(jī)型的研制和優(yōu)化。