礦山裝備關鍵旋轉件軸-徑組合式磁性液體密封結構設計及性能*

劉 程 鮑久圣 陰 妍 趙少迪 曹靖雨

(中國礦業大學機電工程學院 江蘇徐州 221116)

目前，礦山裝備正呈現出大型化、高速化和智能化的發展趨勢。例如，礦用帶式輸送機的單機長度最大可達100 km、運量最高超過8 000 t/h，礦井提升機的提升載荷最大已達60 t、提升速度最快超過20 m/s[1]。為適應礦山裝備的最新發展要求，其關鍵旋轉部件(如：帶式輸送機滾筒、托輥，礦井提升機卷筒、天輪等)正朝著高可靠、長壽命、低能耗的方向發展。對于高速重載的旋轉部件而言，高效潤滑和可靠密封是保障其正常工作的重要保證。礦山裝備通常工作在惡劣環境下，一旦水汽、粉塵等污染物突破密封侵入旋轉部件內部，就會使得軸承潤滑失效，導致旋轉阻力增大直至轉動失效。據統計，帶式輸送機每年僅因托輥失效而造成的維修費用就占據礦山損耗成本的20%以上[2]。因此，針對礦山裝備工況條件和環境特點，開展其關鍵旋轉部件的高可靠密封方式研究，具有重大技術需求和重要現實意義。

長期以來，旋轉部件的密封方式主要有接觸式的唇形密封和非接觸式的迷宮密封2種，其各有優缺點。唇形密封效果好，但旋轉阻力大，使用壽命短；迷宮密封旋轉阻力小，但在低速和靜止工況下密封不可靠。為了突破傳統密封方式的局限性，眾多學者開展了通過改變密封結構來提高密封性能的研究。例如，郭覃等人[3]設計了一種“V”形密封結構，在一定程度上提高了密封結構的密封性能；王偉平[4]提出了一種安裝自補償的彈簧壓環的唇形密封，在一定程度上延長了托輥的使用壽命。但是，傳統機械密封技術仍然難以解決運行阻力大或密封壽命短等現實問題。

磁性液體密封是通過聚磁結構將磁性液體約束在密封間隙中從而實現密封目的的一種非接觸式密封方式[5]，相較于傳統的機械密封其具有密封可靠、零泄漏、壽命長、磨損小，旋轉阻力小、能承受高的轉速、運行平穩等優點[6-7]，具有很高的實際應用價值。例如，李德才[8]較為系統地闡述了磁性液體密封技術的原理及應用；鮑久圣等[9]設計了一種磁性液體密封的托輥，增強了密封可靠性與使用壽命；趙少迪等[10]研究了礦用托輥磁性液體密封結構的潤滑與密封性能，發現磁性液體密封與傳統的密封結構相比旋轉阻力最大可降低45%，且密封的可靠性更高。但是，現有的磁性液體密封幾乎都是采用單一的軸向密封結構,當旋轉軸高速運行時就會發生較大的徑向振動，再加上離心作用力的影響很容易導致磁性液體脫離密封間隙中磁場的束縛出現偏移，降低密封結構的密封性能。因此，單一軸向的磁性液體密封結構難以滿足高速轉軸的密封性能要求[11]。另外，傳統軸向式磁性液體密封結構對于密封間隙的要求較高，通常不超過0.2 mm。但是，對于重型礦山裝備而言，一方面由于工作載荷大容易出現較大的變形量，另一方面其加工精度通常不高，這就導致傳統的軸向式磁性液體密封結構難以適應重載礦山裝備旋轉部件的結構和工況要求。因此，設計一種能夠同時滿足礦山裝備高速或重載工況要求的新型磁性液體密封結構，對于解決傳統機械密封不可靠難題和軸向式磁性液體密封適用性差問題具有重要實際意義。本文作者以礦山裝備中較為常見的帶式輸送機托輥為例，對其磁性液體密封結構進行創新設計和性能研究。

1 磁性液體密封原理

目前，磁性液體密封以軸向式密封結構為主，如圖1所示。永磁體產生的磁場在極靴、磁性液體和導磁軸之間形成閉合回路，密封間隙中的磁性液體被極齒處高度集中的磁場所束縛，形成一個“O”形密封環將間隙封鎖實現密封[12]。

圖1 磁性液體密封原理

當旋轉軸高速旋轉時，旋轉軸會發生一定的徑向振動，磁性液體中磁性顆粒的趨向會被振動擾亂，降低磁性液體內部的穩定性[13]。如圖2所示，在離心力的影響下磁性液體會發生遷移，導致密封間隙中形成密封環的磁性液體減少，降低密封結構的密封性能和耐壓能力。

圖2 高轉速時磁性液體的遷移狀態

2 軸-徑組合式磁性液體密封結構設計

2.1 結構設計及密封原理

針對軸徑較小的旋轉部件，普通單一軸向磁性液體密封結構的密封間隙通常不超過0.2 mm[14]。文中所設計的密封結構是基于軸徑為25 mm，轉速為0～2 100 r/min的托輥。考慮到礦山裝備的加工精度以及劇烈振動的惡劣工況，將密封間隙增大為0.4 mm。該軸-徑組合式磁性液體密封結構主要由左右徑向極靴、左右軸向極靴、導磁環、永磁體、隔磁環以及隔磁軸套等部分組成。密封結構中的各個部件都是通過相互配合進行機械定位的。如圖3所示[15-16]。其密封原理為：當轉軸轉速較低時，離心力對磁性液體的影響作用很小，磁性液體會被牢牢地束縛在密封間隙中從而實現密封；當轉軸轉速很高，磁性液體因為離心力脫離磁場的束縛而發生遷移時，磁性液體會向軸向密封處遷移，最終會在導磁環處聚集形成離心密封。

圖3 軸-徑組合式磁性液體密封結構原理[15-16]

如圖4所示，通過Solidworks軟件對密封結構的各個部件進行三維建模，并通過爆炸視圖模擬該密封結構裝配的合理性。安裝時，先將軸承、徑向左極靴依次裝入軸承座內，且軸承還起到了內側的定位作用；再將永磁體、隔磁環、軸向左極靴、軸向右極靴以及隔磁軸套配合在一起后安裝到軸上；然后再將徑向右極靴、導磁環和外隔磁環配合在一起安裝到軸承座中，最后通過外側擋環將整個密封結構固定在軸承座內，完成密封結構的裝配。

圖4 軸-徑組合式磁性液體密封結構裝配圖

2.2 關鍵密封件及其參數設計

2.2.1 永磁體

永磁體是整個密封結構的磁場源頭，永磁體自身性能的好壞決定了密封結構的安全性和可靠性，所以永磁體的選擇是至關重要的。不同永磁材料的性能也都有所差異，常用的永磁材料主要分為三大類：鋁鎳鈷(Al-Ni-Co)永磁材料、永磁鐵氧體以及稀土永磁材料。從綜合性能考慮，釹鐵硼永磁材料的性能相對較好[8]，因此文中選擇N38牌號的釹鐵硼材料來制作永磁體。

2.2.2 極靴及其參數設計

(1)極靴的材料及形狀

在磁性液體密封結構中，極靴是其核心部件，極靴材料的選擇與結構的設計對磁性液體密封結構的可靠性以及使用壽命有著很大的影響。文中選擇導磁性能好且易加工的電工純鐵作為極靴材料。

極靴的結構設計主要為極齒的齒形、齒寬、齒高以及齒間距等參數的設計。通過研究發現不同形狀的極齒對磁性液體密封結構的密封能力有很大的影響[17]，極齒的形狀主要有三角形、矩形和梯形3種類型，如圖5所示。

圖5 極齒結構

三角形極齒用于密封的有效寬度很小，密封能力比較低。矩形極齒的齒厚較大，密封能力及密封效果較好。梯形極齒有良好的磁場梯度，有良好的界面穩定性。但是梯形極齒的加工精度要求高、加工難度大，三角形與矩形極齒對精度的要求不高,加工工藝簡單，成本較低。綜合考慮文中選擇矩形極齒。

(2)極齒參數的設計

文中通過控制變量對極齒的尺寸參數進行設計，分別研究極齒寬度、極齒高度、極齒間距以及極齒數量的影響。

在密封結構的密封間隙、極齒高度、極齒間距不變的前提下，研究極齒寬度對密封間隙中磁感應強度的影響，結果如圖6所示。可以看出當極齒寬度從0.5 mm增加到1.0 mm時，密封間隙中的磁感應強度以及最大和最小磁感應強度差值都隨之增加；當極齒的寬度超過1.0 mm后，密封間隙中磁感應強度以及最大和最小磁感應強度差值都隨著極齒寬度的增加反而降低。因此徑向極靴極齒寬度的最佳取值為1.0 mm。

圖6 磁感應強度與極齒齒寬關系

在密封間隙、極齒寬度、極齒間距不變的前提下，研究極齒高度變化對密封間隙中磁感應強度的影響，結果如圖7所示。可知，極齒的高度對密封間隙內的磁感應強度的影響不是很大。但在當極齒的高度為2.0 mm時密封間隙內最大和最小磁感應強度差值較大，因此中間值即極齒的高度為2.0 mm時為宜。

圖7 磁感應強度與極齒高度關系

在密封間隙、極齒寬度、極齒高度不變的前提下，研究極齒的間距參數變化對密封間隙中磁感應強度的影響，結果如圖8所示。考慮到加工工藝的復雜性，選擇極齒之間的最小間隙為0.5 mm。由圖8可知，當極齒之間間距增加時密封間隙中磁感應強度有所降低，但密封間隙中最大和最小磁感應強度差值隨著極齒間距的增加而增加。磁感應強度的差值越大密封裝置的密封性能就會越好，但考慮到密封空間的限制，極齒的間距最大取值1.5 mm為宜。

圖8 磁感應強度與極齒間距關系

密封間隙中的磁感應強度不僅受到極齒形狀與尺寸參數的影響，極齒的數量也會影響密封間隙中的磁感應強度。極齒的數量越多極齒所對應的磁感應強度就越小，因為永磁體所提供的磁感應強度是一定的，當極齒數量增加時，磁感應強度就會被分給多個極齒以致每個極齒上的磁感應強度相比于極齒數量少時較弱。又因為密封結構的密封能力與密封級數成正比，所以即使磁場分流導致單個極齒所對應的磁感應強度有所下降，但是密封結構整體的密封性能也會有所提升。

因為密封空間的限制，文中密封結構中徑向極齒的數量最多可布置5個，又因為設計過少的極齒是不合理的，因此對含有3～5個徑向極齒的密封結構進行分析。在其他參數不變的前提下，研究極齒數量對密封間隙中磁感應強度的影響，結果如圖9所示。可知，仿真結果與磁場分布特性符合，當極齒數量增加時極齒所對應的磁感應強度以及密封件間隙內的最大和最小磁感應強度差值都會下降，由于密封空間的限制當極齒的數量為5時，僅有少量的磁感線經過第5個極齒，其所對應的磁感應強度與最大和最小磁感應強度差值都很小，因此通過整體考慮，結合加工工藝以及制作成本，文中選擇在徑向極靴上加工4個極齒。

圖9 磁感應強度與極齒數量關系

綜上所述，文中設計的徑向極靴上的極齒形狀為矩形，極齒的數量為4個，極齒的高度、寬度以及極齒之間的間隙的取值分別為2.0、1.0、1.5 mm。

軸向極靴尺寸參數的設計與徑向極靴的設計方法相同，即通過控制變量進行比較。分析得到的極齒的數量為2個，極齒的高度、寬度以及極齒之間的間隙的取值分別為0.3、0.4、0.2 mm。

3 密封性能的驗證與對比分析

為了驗證密封結構的合理性和可行性，在控制密封空間、密封間隙、永磁體以及極靴材料等參數不變的前提下，將文中所設計的軸-徑組合式密封結構與單一軸向密封結構[18]進行比較，利用ANSYS有限元仿真軟件對密封結構的磁力線和磁感應強度的分布規律進行仿真分析，進而分析密封結構的密封性能。

3.1 磁力線分布對比

圖10示出了軸-徑組合式和單一軸向密封結構的磁力線分布。

圖10 不同密封結構磁力線分布

由圖10可知，在2種密封結構中永磁體產生的磁力線幾乎都經過密封部件形成一個完整的磁回路，但在軸-徑組合式密封結構中漏磁現象明顯低于單一軸向密封結構；并且磁力線在軸-徑組合式密封結構的極齒上分布比較密集，齒槽處幾乎沒有磁力線的分布，而在單一軸向密封結構中磁力線雖然也都能集中于密封間隙中，但是其在極齒與齒槽內的分布密度沒有明顯的差異。因此單一軸向密封結構形成磁感應強度梯度小于軸-徑組合式密封結構。又因為極齒和齒槽之間磁感應強度梯度越大就越有利于形成較大的磁力壓差，以致磁性液體更易聚集在極齒和導磁軸之間的間隙內，從而提高密封結構的耐壓能力。因此磁力線在軸-徑組合式密封結構中的分布更為合理。

3.2 磁感應強度及耐壓能力對比

圖11示出了軸-徑組合式和單一軸向密封結構的磁感應強度分布云圖。

圖11 不同密封結構磁感應強度分布云圖

由圖11可知，密封結構中極齒所對應的磁感應強度明顯大于其他區域，說明密封結構是合理的。雖然軸-徑組合式密封結構中極齒所對應的磁感應強度比單一軸向密封結構中極齒所對應的磁感應強度小，但是軸-徑組合式密封結構中的極齒數量比單一軸向密封結構中的多。因為磁感應強度和密封級數都對磁性液體密封結構的密封性能有影響，所以無法直接對2種密封結構的密封性能進行比較。因此，通過計算密封結構的耐壓能力對2種密封結構的密封性能作進一步的比較。

在圖11(a)中L1、L2、L33條紅色軌線(位于密封間隙中間)分別對應著徑向左極靴極齒、軸向極靴極齒、徑向右極靴極齒在密封間隙中的磁感應強度。以L1中最下面的極齒為起點按照順時針的方向將3根線對應的所有的極齒分別定義為1～12，在L1、L2、L33條線上每間隔0.1 mm取一個磁感應強度值，得出每個極齒對應的磁感應強度大小，如表1所示。在圖11(b)中的極齒從左到右依次定義為1～10，并在L4紅色軌線(位于密封間隙中間)上也每間隔0.1 mm取一個磁感應強度值，得到每個極齒對應的磁感應強度，如表2所示。

表1 軸-徑組合式密封結構極齒的磁感應強度

表2 單一軸向密封結構極齒的磁感應強度

磁性液體密封耐壓能力計算公式為

Δp=MsΔB

(1)

式中:Δp為壓力；Ms為磁性液體飽和磁化強度；ΔB為全部極齒的磁感應強度梯度和。

(2)

根據表1和表2的數據可得，ΔB1和ΔB2的大小分別為4.35和2.85 T，代入磁性液體密封耐壓能力計算公式(1)得到軸-徑組合式密封結構的耐壓能力為0.139 MPa，而單一軸向密封結構的耐壓能力為0.091 MPa。通過計算結果可知，軸-徑組合式密封結構的耐壓能力比單一軸向密封結構高52.7%。

綜上所述，在同樣的密封條件下，軸-徑組合式密封結構比單一軸向密封結構具有更少的漏磁和更高磁感應強度梯度。雖然單一軸向密封結構中的單個極齒對應的磁感應強度較大，但是其整體密封耐壓值小于軸-徑組合式密封結構，說明了軸-徑組合式密封結構更能充分地利用空間，提高了密封結構的耐壓能力，保障了密封結構的密封可靠性。

4 結論

(1)基于磁性液體密封的優點設計了一種軸向與徑向組合式密封結構，在旋轉軸轉速不高時，磁性液體被磁場束縛在密封間隙中實現密封；當旋轉軸高速運轉導致磁性液體脫離磁場的束縛發生遷移時，磁性液體會聚集到軸向密封處在軸向上形成離心密封，仍能實現良好的密封，保證了密封結構的可靠性，有效地解決了單一軸向磁性液體密封結構對于高速旋轉軸的密封問題。

(2)對密封部件的尺寸參數進行設計并優化，得到了軸-徑組合式密封結構中徑向極齒的高度、寬度、間距的最優值分別為2.0、1.0、1.5 mm，數量為4個；軸向極齒的高度、寬度、間距的最優值分別為0.3、0.4、0.2 mm，數量為2個。

(3)利用ANSYS有限元仿真軟件對軸-徑組合式和單一軸向磁性密封結構進行仿真對比分析，得到在軸-徑組合式密封結構中有更少漏磁現象和更高的磁場梯度，且通過磁性液體的耐壓公式計算得到軸-徑組合式密封結構的耐壓能力比單一軸向密封結構高了52.7%，說明了軸-徑組合式密封結構的可靠性。