磁性液體密封裝置極齒位置對其耐壓性能的影響*

劉 勇,楊建偉,李德才,張艷娟

(1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院,北京 100044;2.清華大學 摩擦學國家重點實驗室,北京 100084)

0 引 言

磁性液體是一種既具有流動性又具有磁性的高穩定性膠體溶液[1,2]。作為一種多功能材料,磁性液體具有廣泛的應用前景。目前,磁性液體已廣泛應用于醫學、軍工、機械等領域[3,4]。與其他傳統的密封形式相比,磁性液體密封具有零泄漏、長壽命、高可靠性等優點[5]。

2005年,李保峰等人[6]采用實驗測量的方式,研究了齒槽寬、齒寬、轉速對耐壓能力的影響。2010年,李德才等人[7]基于大直徑、大間隙磁性液體密封結構,研究了密封間隙、溫度、磁性液體的注入量和飽和磁化強度對其靜密封耐壓能力的影響。2013年,楊小龍等人[8]采用實驗測量的方式,研究了200 r/min轉速下多級磁源大間隙磁性液體密封結構的耐壓值和自愈合能力,研究結果顯示,采用多級磁源能夠提高其耐壓能力,且有著良好的自愈合能力。2016年,為解決高轉速工況下離心力太大,使磁性液體位置變動而導致其密封性能下降的問題,吳旭東等人[9]在原有密封結構的基礎上增加了非導磁套筒,并改變了其磁極的位置;研究結果表明,該結構能有效降低離心力的影響,增加其在高速工況下的密封性能。2017年,FA N C等人[10]使用有限元方法,計算了部分關鍵參數(密封間隙、永磁體的長高比、齒槽寬、極靴高度與軸直徑之比)對雙磁源大間隙密封結構耐壓性能的影響。2019年,張艷娟等人[11]基于數值仿真的方法,研究了密封間隙和磁源數目對其靜密封耐壓能力的影響。2019年,PARMAR S等人[12]設計了單磁源楔形極靴密封結構,研究了其飽和磁化強度、轉速、轉軸轉動時間和密封間隙對其耐壓值、耐壓持續時間和溫度的影響,研究發現,密封間隙變化可能會導致邊緣效應現象的產生;但其并未對邊緣效應產生的原因進行深入探討。2019年,邢斐斐等人[13]采用磁性液體和磁性潤滑脂組合的方式,解決了腐蝕性環境下,大功率電機或高振動設備的大間隙密封問題。2021年,趙少迪等人[14]將磁性液體密封結構應用在礦用帶式輸送機的承載托輥上,提高了輸送機托輥密封的可靠性和潤滑性能。

在以上文獻中,學者們的研究主要集中在極齒位于極靴上這一密封結構的耐壓性能和影響因素,以及磁性液體密封的實際應用;尚未涉及極齒位置對密封性能影響的研究。

對于小直徑磁性液體密封結構在極靴上難以加工極齒等的情況,有時要將極齒加工在轉軸上,因此有必要探討極齒位置對密封性能的影響。

本文使用MAXWELL仿真軟件分析極齒位于轉軸上、極靴上和對齒型3種密封結構密封間隙中的磁場分布,探討3種密封結構的耐壓能力和密封失效時密封間隙中首先發生泄漏的位置;探討邊緣效應發生的位置和原因,以及該效應對密封可靠性的影響,為磁性液體密封結構設計極齒位置的選擇提供參考經驗。

1 磁性液體密封的原理

磁性液體密封的原理如圖1所示。

圖1 磁性液體密封原理1—螺紋端蓋;2—軸承;3—隔磁環;4—極靴;5—永磁體;6—“O”型密封圈;7—密封腔;8—轉軸

圖1中,磁力線由永磁體發出,經極靴、極靴與轉軸之間的密封間隙、轉軸,形成閉合的磁回路;磁性液體在磁場的作用下被吸附至密封間隙中極齒的下方,形成數個“O”型密封圈;當密封結構的兩側存在壓力差時,磁性液體會在軸向壓力的作用下從高壓側向低壓側移動;在移動過程中,磁性液體受到的磁場力逐漸增加,直至兩個力達到平衡,從而實現密封功能。

2 磁性液體密封耐壓理論

由于密封間隙中的磁性液體受到磁場、重力和液體運動的影響,會在磁性液體內部產生壓力,該壓力值可以由擴展伯努利方程確定[15-17],即:

(1)

式中:P—磁性液體內部某點的壓強;ρf—磁性液體的密度;V—磁性液體內部某點的速度;h—磁性液體與參考點之間的距離;g—重力加速度;μ0—真空磁導率;H—磁場強度;M—磁性液體的磁化強度。

密封間隙中的磁性液體大多處于磁飽和狀態。根據磁性液體所遵從的擴展伯努利方程,假設忽略重力場和表面張力的影響,則單級磁性液體密封的靜耐壓大小為:

(2)

式中:Hmax，Hmin—密封間隙中,磁性液體內最大、最小磁場強度;Ms—磁性液體的飽和磁化強度;Bmax，Bmin—密封間隙中,磁性液體內最大、最小磁感應強度。

根據式(2),多級密封的靜耐壓公式可簡化為:

(3)

從式(2,3)可以看出:(1)選擇飽和磁化強度較大的磁性液體,優化其密封結構,可以增加密封間隙內的磁場梯度;(2)選擇合適的密封級數,可以增加密封的耐壓能力。

此外,在實際的運用中,該密封結構的密封性能還受到密封件的加工精度、實驗臺的振動、回轉軸轉速、外界環境的溫度、磁性液體的注入體積等諸多因素的影響。

3 磁性液體密封結構

某磁性液體的密封結構如圖2所示。

圖2 磁性液體密封結構圖1—外殼;2—極靴;3—永磁體;4—“O”型密封圈;5—隔磁環;6—滾動軸承;7—螺紋端蓋;8—轉軸

極齒位于轉軸上的密封結構如圖3所示。

仍以上述密封結構尺寸為基礎,在不改變密封間隙位置的前提下,通過改變極齒的位置,可以得到極齒位于極靴上的密封結構,如圖4所示。

圖4 齒在極靴上

此處,筆者提出一種新型磁性液體密封結構—對齒型結構,其結構如圖5所示。

圖5 對齒結構

圖(3,5)所示的兩種結構位于轉軸上的極齒個數相同,為29個;兩種結構在永磁體下方都有7個極齒,這7個極齒因不能吸附足量的磁性液體形成“O”型密封圈,故不能起到密封作用。因此,該種結構共形成22級有效密封。

圖4中,極齒在極靴上這一結構有22個極齒,共形成22級密封。

3種密封結構的基本尺寸相同:齒高Lh=0.7 mm,密封間隙Lg=0.1 mm,齒槽寬Ls=0.8 mm,齒寬Lt=0.2 mm,軸徑Ra=4 mm,極靴外徑Rb=11 mm,永磁體環的厚度L=3.5 mm。

3種密封結構的基本尺寸如圖6所示。

圖6 3種結構的基本尺寸

4 有限元分析

探索極齒位置對密封性能的影響,必須考慮密封間隙內的磁場分布。由于材料的非線性和復雜邊界等特點,解析法難以精確求解磁場分布。同時,由于密封間隙的尺寸小于磁強計探頭尺寸,實驗法難以測量間隙內磁場分布。

由于數值方法能夠有效解決非線性和復雜邊界問題,筆者使用數值方法來求解密封間隙內的磁場分布。

4.1 計算模型

筆者采用電磁仿真軟件MAXWELL求解密封間隙中的磁場分布;同時,考慮到密封結構的對稱性,將三維結構簡化為二維平面結構進行求解。

3種結構的計算模型如圖7所示。

圖7 計算模型

環形永磁體材料選擇釹鐵硼,其矯頑力Hc=890 000 A/m,剩磁Br=1.23 T,相對磁導率μr=1.09;轉軸和極靴選擇導磁性能良好的材料2Cr13,磁性材料的導磁性能可用BH曲線表征。

2Cr13的BH曲線[18]如圖8所示。

圖8 2Cr13 BH曲線

由于磁性液體的飽和磁化強度遠小于密封間隙的磁場強度,可以認為處于密封間隙的磁性液體為飽和磁化狀態。飽和磁化的磁性液體磁導率與真空磁導率近似相等,因此,可以將磁性液體視作真空來處理。筆者選擇酯基型磁性液體,其飽和磁化強度Ms=22.71 kA/m;分別賦予各個零部件結構相應的材料屬性,劃分網格;模型邊界選擇磁力線平行邊界條件,使用求解器進行數值求解。

極齒在軸上的密封結構網格劃分情況,如圖9所示。

圖9 網格劃分示意圖

模型中的極靴、永磁體和轉軸的最大網格尺寸限制為0.3 mm,空氣域的最大網格尺寸限制為0.8 mm,極齒和密封間隙內部的最大網格尺寸限制為0.015 mm。另外兩種結構的網格劃分情況與圖9類似。

4.2 網格無關性驗證分析

為了探討極齒的位置對耐壓能力的影響,并找出以上3種密封結構發生泄漏的位置,此處還需要考慮密封間隙的磁場分布。

以極齒在軸上這一結構為例,筆者在其密封間隙內定義3條軸向軌線分別為近軸側軌線1、中間軌線2和近極靴側軌線3,如圖10所示(其余兩種結構也作同樣處理)。

圖10 密封間隙中軌線定義圖

筆者以極齒在軸上的密封結構為例,繪制出軌線3在上述網格劃分情況下的磁感應強度分布;將極齒和密封間隙內部的最大網格尺寸限制由0.015 mm加密至0.01 mm(相較于原網格加密程度增大了33.3%);加密網格后,再次繪制出該軌線上的磁感應強度分布圖。

加密網格前后,軌線3的磁感應強度分布的對比情況,如圖11所示。

圖11 加密網格前后軌線3磁感應強度分布情況

利用式(3)計算該軌線的耐壓值:加密網格前,耐壓值為0.145 446 MPa;加密網格后,耐壓值為0.145 453 MPa。由此可見,加密網格前后仿真結果的誤差可以忽略不計。

4.3 計算結果分析及討論

筆者采用原網格劃分方式,并使用求解器對磁場分布進行求解后,分別繪制出3種密封結構各個軌線上的磁感應強度分布圖,如圖12所示。

圖12中,在0～11.5 mm階段,軌線位于極靴的下方;在11.5 mm～15 mm階段,軌線位于永磁體位下方。

計算模型一和三因永磁體下方存在極齒,導致部分磁力線從這些極齒中通過。所以,在圖12(a,c)中的11.5 mm～15 mm階段,軌線對應的磁感應強度值出現波動。

對齒型結構的磁力線分布圖如圖13所示(另外兩種結構的磁力線分布與此類似)。

圖13 對齒型結構磁力線分布圖

在利用式(3)求出以上3種結構任一軌線上的耐壓值時,由于計算模型關于X軸對稱,所以所求的軌線耐壓值實際為上述耐壓值的2倍。

各密封結構軌線上的耐壓值與密封結構的最終耐壓值,如表1所示。

表1 密封結構耐壓能力

在以上3種結構各自所包含的3條軌線中,耐壓值最小的軌線所在位置為相應密封結構密封失效時首先發生泄漏的位置。因此,該軌線的耐壓值就是相應密封結構的最終耐壓值。

由表1可以看出:(1)齒在軸上這一密封結構中,軌線3的耐壓能力最低,即在密封失效時,靠近極靴側為首先發生泄漏的位置;(2)密封失效時,齒在極靴上這種密封結構在靠近轉軸側為首先發生泄漏的位置;(3)密封失效時,對齒型密封結構密封間隙的中線處為首先發生泄漏的位置。

由表1可以看出:3種密封結構的耐壓能力:對齒型結構>齒在極靴上>齒在軸上;與齒在軸上這種密封結構相比,齒在極靴上與對齒型結構的耐壓能力分別增加了16.5%和56.0%;可見對齒型結構有更好的聚磁能力,所以具有更好的密封性能。

齒在軸上這種密封結構的磁感應強度分布,如圖14所示。

圖14 齒在軸上結構的磁感應強度分布

除了以上結果,筆者還發現:在圖12中,所有靠近極齒的軌線—圖12(a)軌線1、圖12(b)軌線3、圖12(c)軌線1和軌線3的波峰位置,均出現了邊緣效應。

從圖14中也可以看出邊緣效應,即極齒邊緣的磁感應強度值大于極齒中部的磁感應強度值。

圖13中,因極齒上存在尖角,導致磁力線主要從極齒的邊緣穿入或者穿出,這是產生邊緣效應的主要原因。

筆者以極齒中心至永磁體的軸向距離為橫坐標X(圖6),以單個極齒的邊緣效應平均值為縱坐標Y,繪制出散點圖,并用曲線進行擬合,得到邊緣效應程度與極齒至永磁體之間距離的關系曲線,如圖15所示。

圖15 邊緣效應程度與極齒至永磁體之間距離的關系曲線

由圖15可以看出:隨著極齒至永磁體距離的增加,極齒邊緣效應下降;對齒型結構軌線1和軌線3的邊緣程度相近,這種現象可以由圖13解釋:由永磁體發出的磁力線主要進入了極靴中,并且從位于極靴上的極齒中穿出,這些磁力線主要進入了位于轉軸上的極齒中,因此兩軌線的邊緣程度相近。

磁性液體密封環示意圖如圖16所示。

圖16 磁性液體密封環示意圖

圖16中,在單級極齒密封失效的過程中,極齒下方的磁性液體體積會逐漸減小,因邊緣效應,少量的磁性液體會分裂成兩個磁性液體密封環,加快密封失效的進程。所以,邊緣效應越大,密封的可靠性越低。根據圖15對比3種結構的密封可靠性:對齒型結構>齒在軸上>齒在極靴上。

加密極齒和極齒與轉軸間空氣域的網格密度,將最大網格尺寸限制由0.015 mm加密至0.01 mm,相較于原網格加密程度增大了33.3%。加密網格后再次重復上述仿真過程,得到相同的仿真數據和結論。

5 結束語

本文提出了一種對齒型密封結構,采用MAXWELL對齒在軸上、齒在極靴上和對齒型3種密封結構進行了電磁場分析,對比分析了3種結構的耐壓能力和密封可靠性。

主要結論如下:

(1)對比3種密封結構的耐壓能力可知:齒在軸上的密封結構耐壓能力最小,齒在極靴上與對齒型這兩種密封結構的耐壓能力比齒在軸上的高16.5%和56.0%;

(2)探索了3種密封結構密封失效時首先發生泄漏的位置:齒在軸上這種密封結構在靠近極靴側先發生泄漏,齒在極靴上這種密封結構在靠近轉軸側先發生泄漏,對齒型結構在密封間隙的中線上先發生泄漏;

(3)在靠近極齒的位置會發生邊緣效應;對齒型結構的耐壓能力和密封可靠性更高。

筆者的研究可為磁性液體密封結構設計,以及極齒位置的選擇提供參考,即極齒位于極靴上比位于轉軸上有更好的耐壓性能;若密封結構尺寸受到限制且要求有較高的耐壓能力和可靠性,可以選擇對齒型密封結構。

在后續的研究工作中,筆者將按照上述3種密封結構分別加工出實際的密封件,并使用實驗手段,來具體研究在轉軸轉動時3種結構的密封性能。