磁性流體密封能力的數(shù)值計算分析

　　磁場和磁性流體的飽和磁化強度對磁性流體的密封有著直接的影響。磁性流體密封間隙的變化、轉軸偏心、磁性流體的量、轉軸直徑、離心力等對磁性流體密封間隙處的磁場產(chǎn)生影響，同時也對磁性流體的密封壓差也產(chǎn)生影響。本文定量的分析了密封間隙、轉軸偏心、轉軸直徑、離心力對磁性流體密封能力的影響。

　　影響磁性流體旋轉軸密封能力的因素很多，其中磁性流體的材料特性，磁場的強度對軸密封有著直接的影響，對于材料相同和結構相似的密封裝置而言，轉軸的偏心、密封間隙的變化以及在轉軸的直徑、離心力的作用都會對密封能力產(chǎn)生影響。分析這些因素的影響對磁性流體密封的設計和使用是十分重要的。本文采用數(shù)值計算方法分析了設計與制造因素對密封能力的影響。

1、密封的理論基礎

　　一般而言，外加磁場較強，磁性流體處于飽和狀態(tài)，其磁化強度近似等于其飽和磁化強度M_s，不考慮旋轉時離心力的作用，磁性流體單級密封內(nèi)任一點處的壓強為:

　　式中h ——沿重力方向自參考點至磁性流體微團的距離，C ——積分常數(shù)，由邊界條件確定。

　　當磁性流體較多時，可以認為在極限狀態(tài)下，此時流體低壓側的磁感應強度為0，忽略重力作用，單級軸密封的極限密封壓強差近似為：

　　當轉軸以角速度w₀旋轉時，此時磁性流體還會受到離心力的作用。假設轉軸半徑為R₁，磁極內(nèi)徑為R₂，則旋轉密封磁性流體內(nèi)的壓強為：

　　式中：

2、外加磁場強度及磁性流體磁化強度對密封壓差的影響

　　從式（2）可以看出，磁性流體的密封壓差與外加磁場強度成正比，與磁性流體的飽和磁化強度成正比。因此，為提高磁性流體的密封能力，應提高磁場強度，采用磁性強的磁性流體。

3、密封間隙對密封壓差的影響

　　密封壓差取決于磁場的強弱。當密封間隙發(fā)生變化時，由于永磁體的體積不變，磁勢不變，隨著密封間隙的增大，密封間隙處的磁感應強度會變小。圖1所示為密封間隙內(nèi)磁感應強度沿軸向的分布。隨著密封間隙的不斷增加，密封間隙內(nèi)的磁感應強度最大值逐步減小。

　　在磁性流體量不變的前提下，因為密封壓差正比于磁感應強度，所以隨著密封間隙的增加，密封壓差減小。圖2所示為磁性流體密封壓強差與密封間隙的關系。在加工精度允許的前提下，密封間隙應取得小些。

　　除設計與制造因素決定密封間隙外，轉軸偏心的影響也與間隙的影響相似。當轉軸產(chǎn)生偏心作用時，密封間隙沿圓周方向分布不均勻。在磁性流體量不變的情況下，對于整個密封裝置而言，氣隙大的位置對應的壓強差就是整個裝置的壓強差。偏心距越大，密封壓強差越小。圖3所示為磁性流體密封壓差與轉軸偏心的關系。其中，轉軸直徑為10mm，密封間隙為0.5mm。