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2014 年 10 月JOURNAL OF MECHANICAL ENG

作者:admin  来源:本网 日期:2017-10-30 9:20:25

  0前言对于密封间隙小于0.3mm时磁性液体密封而言,由于它具有零泄漏、寿命长、无污染等优点,因此已广泛应用于机械、化工、石油、环境、仪器和仪表等领域中。然而,对于军工领域中船舶等主轴直径大于500mm的情况下,低速转轴的径向跳动会导致转轴与极靴之间的磨损从而使磁性液体密封失效,所以要求密封间隙高度一般不小于0.4mm.李德才等研究发现大间隙条件下磁性液体密封的耐压能力随着密封间隙高度的增大而显著减小。因此提高大间隙条件下磁性液体密封的耐压能力具有重要的意义。

  为了提高大间隙条件下磁性液体密封的耐压能力,本文在多级磁源磁性液体密封的基础上提出了一种新型的磁性液体与迷宫交替式组合密封,并试验研究了不同间隙高度下磁性液体与迷宫交替式组合密封和普通的磁性液体密封的耐压能力,数值计算了该交替式组合密封中磁性液体密封的理论耐压能力,并将交替式组合密封的试验结果与计算得到的交替式组合密封中磁性液体密封的理论耐压值进行了分析和讨论。结果表明与多级磁源磁性液体密封相比,大间隙磁性液体与迷宫交替式组合密封具有良好的密封性能。

  1磁性液体与迷宫交替式组合密封结构及磁性液体密封理论1.1磁性液体与迷宫交替式组合密封结构为具有二级磁源的磁性液体与迷宫交替式组合密封结构。交替式组合密封与多级磁源磁性液体密封的区别在于将轴设计为阶梯轴,极靴与轴之间的间隙保持不变,同时将相邻两个极靴,转轴及永磁体围成的空间设计为迷宫密封腔,因此当气体泄漏时通过多级磁源磁性液体密封与阶梯迷宫密封交替工作从而实现磁性液体与迷宫交替式组合密封的功能。该交替式组合密封结构不仅能实现阶梯迷宫密封无法实现的零泄漏功能,同时还具有结构简单、易于安装等优点。

  磁性液体与迷宫交替式组合密封的示意。极靴2.永久磁铁3.磁性液体4.轴1.2磁性液体密封理论一般情况下磁性液体静密封的耐压公式为Hmin―第i齿下最大的磁场强度;Bmin―第i齿下最小磁通量密度;Bmax―第i齿下最大的磁通量密度;M―真空磁导率;M―磁性液体密封极齿下磁性液体的磁化强度;Ms―磁性液体密封极齿下磁性液体的饱和磁化强度;N――极齿的数量。

  从式(1)可以看出,计算出每个极齿下最大磁场强度和最小磁场强度即可计算出磁性液体密封耐压能力。

  2磁场有限元分析与试验2.1数值分析设计如所示的双磁源供磁的磁性液体与迷宫交替式组合密封结构。在ANSYS有限元分析软件的前处理器中创建磁性液体密封的物理环境。根据磁性液体密封结构的对称性,可以将磁性液体密封的三维轴对称问题简化为二维平面问题。由于每一极靴下密封间隙内的永磁体产生的磁场强度远大于磁性液体饱和磁化强度,被饱和磁化后的磁性液体的磁导率与空气的磁导率相差不大,因此可以将磁性液体当作空气来处理。

  对于该交替式组合密封而言,它的左侧第一极靴的内径、外径和轴向长度分别为33.2mm、62.0mm、6.0mm.中间极靴的内径、外径和轴向长度分别为36.2mm、62.0mm、10.0mm.它的右侧第一极靴的内径、外径和轴向长度分别为39.2mm,62.0mm、6.0mm.与第一极靴对应的阶梯的外径为29.6mm,与第二极靴对应的阶梯的外径为32.6mm,与第三极靴对应的阶梯的外径为38.6mm.两块永磁体的内径、外径和轴向长度分别为48mm、的左侧第一极靴和右侧第一极靴上有五个极齿和四个槽,中间极靴上均有8个极齿7个槽,所有极齿的宽度均为0.2mm,所有槽的宽度均为0.8mm,所有极齿的径向高度均为0.7mm.轴的材料为2Cr13,永磁体的材料为铷铁硼,极靴的材料为1Cr13,选用的磁性液体分别为机油基,煤油基和酯基磁性液体,其饱和磁化强度分别为30.2kA/m、31.5kA/m和41.6kAm.根据以上的结构参数以及材料特性,建立该交替式组合密封结构的二维模型并将永磁材料的矫顽力Mx、Mq77、Mqzz分别设为0;0,-1.356x106A/m,0,给各零部件赋予相应的材料属性,选择智能网格划分,网格的精度为4级,函函2铒藤咏1.谢雄泄W2.谢雄商磁通量密度/T函斜繁雏搭邙讳繁。

  翁茚斗路黹帑离有IT渎珊淖抖路咏埤雒菡谢黹m0flss龈哝±。儋簦埋泽l¥Ih贫龈琳icuM泽迓saifw.贫磁通量密度/丁->失有涪截,ma室3:钭巽粗->失有涪截酿磁通量密度/T由7所示的磁场分布以及磁性液体密封耐压公式(1)即可计算出磁性液体与迷宫交替式组合密封中磁性液体密封的理论耐压值。10分别为0.30.7mm间隙下具有机油基磁性液体、煤油基磁性液体和酯基磁性液体的组合密封的试验值及其磁性液体密封部分的理论耐压值。组合密封的试验值与其磁性液体密封部分的理论耐压值的差值近似为迷宫密封的耐压值。

  不同间隙下具有机油基磁性液体的交替式组合密封的试验值与其磁性液体密封的理论值不同间隙下具有煤油基磁性液体的交替式组合密封的试验值与其磁性液体密封的理论值0不同间隙下具有酯基磁性液体的交替式组合密封的试验值与其磁性液体密封的理论值从10中不难发现,对于磁性液体与迷宫交替式组合密封中的磁性液体密封部分而言,随着间隙的增大,磁性液体密封的耐压能力逐渐下降,其随间隙的变化规律与磁场随间隙变化规律一致。

  从具有三种磁性液体的组合密封的试验结果可以发现,当间隙从0.3mm增加到0.4mm时,具有机油基、煤油基和酯基磁性液体的组合密封耐压值分别增加了30%、33%和11%,磁性液体与迷宫交替式组合密封的耐压能力不但没有减少反而增加,这是因为当间隙为0.3mm时,磁性液体受到的磁场力较大,尤其是中间极靴下的磁性液体受到的磁场力最大,因此当组合密封中迷宫密封的泄漏通道打开时,受到较强磁场力作用的部分磁性液体会大量滞留在密封间隙内,而具有大量磁性液体的较小密封间隙不利于阶梯迷宫密封发挥作用;当间隙为0.4mm时,磁性液体受到的磁场力开始减小,因此当泄漏通道打开时,一方面滞留在密封间隙内的磁性液体量也开始减少,其对被密封介质的阻碍作用开始减少,另一方面减少的磁性液体使得密封间隙通道更加畅通,有利于迷宫密封发挥作用,因此当间隙从0.3mm增加到0.4mm时,组合密封的耐压能力不降反升。

  煤油基和酯基三种磁性液体的组合密封耐压能力分别下降了54%、56%和55%.这是因为当间隙大于0.4mm时,密封间隙内的磁性液体受到的磁场力越来越弱,因此当泄漏通道打开时密封间隙内的磁性液体量也越来越少,密封通道畅通,此时组合密封中的磁性液体密封和阶梯迷宫密封的作用均随密封间隙的增加而减小,因此这两种密封的耐压能力之和即磁性液体与迷宫交替式组合密封的耐压能力随着密封间隙的增大而减小。

  从10中不难发现,当密封间隙分别为0.3mm和0.7mm时,具有机油基与煤油基磁性液体的磁性液体与迷宫交替式组合密封耐压能力试验值略大于该组合密封中的磁性液体密封耐压能力理论值,而对于具有酯基磁性液体的交替式组合密封而言,其组合密封的试验值比该组合密封中磁性液体密封的理论值大0.1个大气压,这表明当间隙过小或过大时,具有低饱和磁化强度磁性液体组合密封的作用低于高饱和磁化强度磁性液体组合密封的作用。这是因为当密封间隙过小时,具有较高饱和磁化强度的磁性液体受到的磁场力作用更大,而受到较强磁场力的磁性液体对被密封介质的阻碍作用更强;而当密封间隙较大时,具有高饱和磁化强度的磁性液体在磁场力作用下滞留在密封间隙内的量比低饱和磁化强度的磁性液体量较多,因此当密封间隙分别为0.3mm和0.7mm时,具有较高饱和磁化强度酯基磁性液体的组合密封作用更强。

  磁性液体的磁性液体与迷宫交替式组合密封耐压能力的试验值显著大于该交替式组合密封中磁性液体密封耐压能力的理论值,这表明0.4mm到0.6mm范围内的密封间隙,有利于组合密封中的迷宫密封发挥作用,也表明与多级磁源磁性液体密封相比,磁性液体与迷宫交替式组合密封显示了良好的密封性能,这是因为当密封间隙在0.4mm到0.6mm范围内变化时,磁性液体与迷宫交替式组合密封中密封间隙内的磁性液体量以及含有磁性液体量的泄漏通道有利于迷宫密封发挥作用。

  从10中还不难发现,当密封间隙为0.4mm时,具有机油基、煤油基和酯基磁性液体的组合密封耐压能力试验值比该交替式组合密封中的磁性液体密封的理论值分别高0.05MPa、0.057MPa和0.09MPa,即三种磁性液体的迷宫密封耐压值分别为0.05MPa、0.057MPa和0.09MPa,此时组合密封中阶梯迷宫密封作用最强,这是由密封间隙为0.4mm时密封间隙内滞留有磁性液体的泄漏通道最有利于迷宫密封发挥作用造成的。

  4结论与多级磁源磁性液体密封相比,磁性液体与迷宫交替式组合密封显示了良好的密封性能。

  该交替式组合密封结构不仅能实现阶梯迷宫密封无法实现的零泄漏功能,也提高了磁性液体密封的耐压能力。

  当间隙大于0.4mm时磁性液体与迷宫交替式组合密封的耐压能力随着密封间隙的增加而减小。

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