新型磁流體密封圈的特性分析

　　磁流體密封技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù). 利用磁流體作為密封介質(zhì)設(shè)計(jì)了新型徑向磁極磁流體密封圈,介紹了該密封圈的結(jié)構(gòu)及工作原理;給出了耐壓能力的數(shù)學(xué)模型,并通過密封間隙中磁場(chǎng)的有限元分析及磁流體流場(chǎng)的分析,對(duì)該密封圈進(jìn)行了特性分析;給出了密封壓力與密封圈磁極長(zhǎng)度、磁極寬度和密封間隙三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的變化關(guān)系,并給出了新型徑向磁極密封圈和軸向磁極密封圈的設(shè)計(jì)比較.分析結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)徑向磁極磁流體密封圈的耐壓能力隨磁極長(zhǎng)度增加先增大后減小,隨磁極寬度增大而增大,隨密封間隙增大而減小,除具有目前普遍采用的軸向磁極磁流體密封圈的優(yōu)點(diǎn)外,還具有比軸向磁極密封圈尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn).

　　磁流體是一種在母液中添加了鐵磁性物質(zhì)和添加劑的懸濁液. 可在外加磁場(chǎng)的作用下,由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏�固體狀態(tài);磁場(chǎng)消失后,又恢復(fù)為原流動(dòng)狀態(tài). 在外加磁場(chǎng)下,磁流體能夠產(chǎn)生一定的屈服應(yīng)力,該屈服應(yīng)力的大小與所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān). 因而,利用磁流體在外加磁場(chǎng)下具有加大的屈服應(yīng)力這一特點(diǎn),可將磁流體添加入由磁極構(gòu)成的密封間隙中,形成密封帶,起到密封的作用.

　　與傳統(tǒng)的密封圈相比,磁流體密封具有如下特點(diǎn): (1) 密封性能好,可以達(dá)到無泄漏; (2) 無固體摩擦,因而摩擦力小; (3) 結(jié)構(gòu)緊湊; (4) 對(duì)被密封件加工精度要求低; (5) 使用過程中無磨損,因而使用壽命長(zhǎng).

　　早在20 世紀(jì)60 年代,磁流體便被用于密封裝置的設(shè)計(jì);目前已產(chǎn)品化、市場(chǎng)化. 磁流體密封主要應(yīng)用在油霧密封、放射性氣體密封、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)密封、發(fā)酵槽的密封、半導(dǎo)體制造工藝、真空密封等場(chǎng)合.

　　本文利用徑向充磁的方法,采用徑向磁極設(shè)計(jì)了一種用于氣動(dòng)系統(tǒng)的新型磁流體密封圈;該密封圈可同時(shí)用于靜密封和旋轉(zhuǎn)密封. 由于采用徑向磁極,該密封圈密封特性好,且尺寸小. 本文介紹了該密封圈的結(jié)構(gòu)及密封原理,給出了磁流體密封圈耐壓能力的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)該磁流體密封圈的耐壓能力進(jìn)行了分析.

1、兩種密封結(jié)構(gòu)及密封原理比較

　　目前普遍使用的磁流體密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示;磁流體密封由永久磁鐵和兩端的導(dǎo)磁材料構(gòu)成磁極,磁極與被密封件之間的間隙充滿磁流體.由于永久磁鐵為軸向充磁,為形成閉合回路,永磁兩端必須采用導(dǎo)磁材料,而被密封件也最好為導(dǎo)磁材料. 同時(shí)為使漏磁盡量少,永磁與被密封軸之間的間隙要盡量大,應(yīng)使密封尺寸增大.

圖1 　軸向磁極磁流體密封圈密封原理

　　所設(shè)計(jì)新型磁流體密封圈的結(jié)構(gòu)如圖2 所示,密封圈由外套、磁極、側(cè)板及磁流體組成. 兩塊側(cè)板、磁極及被密封件之間的環(huán)形空間充滿磁流體,磁極為釹鐵硼材料制作的永久磁鐵. 充磁方向?yàn)閺较?即內(nèi)圓為N 極,外圓為S 極. 因而環(huán)形間隙中的磁流體在徑向磁極的作用下,形成徑向磁鏈,具有一定的屈服應(yīng)力,能夠承受一定的軸向剪切壓力,使被密封件被緊密的密封. 套筒和側(cè)板均采用不導(dǎo)磁材料;其作用除構(gòu)成一個(gè)密封腔,固定磁極和磁流體外,還起到隔磁的作用,可減小漏磁,增大密封間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度.

1. 套筒; 2. 磁極; 3. 被密封軸件; 4. 磁流體; 5. 側(cè)板

 圖2 　新型磁流體密封圈結(jié)構(gòu)圖

　　上述兩種磁流體密封圈結(jié)構(gòu)圖表明,軸向磁極為減小漏磁,則要增大結(jié)構(gòu)尺寸,而徑向磁極為減小漏磁,則磁極和被密封件之間的間隙應(yīng)越小越好,因而尺寸小. 但軸向磁極較易于充磁,而徑向磁極不易于充磁,且徑向磁極與軸向磁極相比由于不能形成閉合回路,而漏磁較大.

2、數(shù)學(xué)模型

　　對(duì)于所設(shè)計(jì)磁流體密封圈的計(jì)算中,由于磁流體的屈服應(yīng)力是由磁場(chǎng)強(qiáng)度決定的,因而密封圈的耐壓能力與磁路的設(shè)計(jì)和計(jì)算是密切相關(guān)的.

2.1、磁鋼工作點(diǎn)的計(jì)算

　　密封圈中永久磁鐵工作點(diǎn)的計(jì)算是比較困難的,近似計(jì)算的方法計(jì)算結(jié)果非常不準(zhǔn)確,因而可采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算,或通過實(shí)驗(yàn)方法,先測(cè)量出永磁產(chǎn)生的作用力,再根據(jù)永磁作用力計(jì)算出永磁工作點(diǎn);本文采用有限元法進(jìn)行計(jì)算.經(jīng)有限元計(jì)算得徑向磁極磁流體密封圈磁場(chǎng)分布圖如圖3 所示. 由于磁流體密封圈的結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布都是軸對(duì)稱的,圖3 只給出了軸切面的上半部分的磁場(chǎng)分布. 對(duì)于采用有限元方法分析的磁場(chǎng),其磁力線分布圖因網(wǎng)格劃分的不同而不同,因而網(wǎng)格劃分的合理性也是有限元分析的關(guān)鍵.

圖3 　徑向磁極磁流體密封圈磁場(chǎng)分布圖

2.2、磁流體的磁化強(qiáng)度

　　磁流體在徑向外加磁場(chǎng)的作用下,徑向成鏈,產(chǎn)生一定的磁化強(qiáng)度,可抵抗作用在磁流體上的剪切力,使磁流體在被密封件之間形成了密封帶.磁流體的磁化強(qiáng)度也是破壞磁流體成鏈狀態(tài)所需要施加的力,所采用的磁流體的磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間關(guān)系曲線如圖4 所示. 圖4 表明,磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí),磁流體的磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和.

圖4 　磁流體磁化強(qiáng)度曲線