臥式柱塞泵曲軸的磁性液體密封設計*

王 軍 王樂宏 何 帥 王建梅

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心 山西太原 030024)

臥式柱塞泵是煤礦綜采裝備液壓系統的核心動力元件，良好的曲軸密封性能是臥式柱塞泵可靠運行的重要基礎[1]。目前，曲軸密封采用骨架油封結構，油封唇口與轉軸之間的摩擦磨損制約了柱塞泵的高速化與智能化發展。磁性液體密封具有零泄漏、長壽命、可調控和自修復等優點，是煤礦臥式柱塞泵實現液壓系統智能化的重要途徑，成為國內外研究的熱點[2-5]。

趙少迪等[6]研究了礦用帶式輸送機托輥磁性液體靜密封性能，結果表明與傳統密封結構相比，磁性液體密封托輥旋轉力矩明顯降低。苗玉賓、何新智等[7-8]研究了磁性液體密封水的關鍵問題，發現增加前置擋水板和背葉輪可有效提高磁性液體與水的界面穩定性。TOMIOKA和MIYANAGA[9]研究了血泵轉軸磁性液體靜密封性能，發現磁性液體耐壓能力隨偏心率的增大逐漸減小，隨磁性液體飽和磁化強度的升高而增強。WANG等[10]利用氣體把磁性液體與被密封液體隔開，有效地提高了密封液體的密封性能。為解決密封液體時磁性液體減少、密封能力減弱問題，VAN DER WAL等[11]引入了磁性液體補給系統，極大地提升了磁性液體密封液體的耐壓能力與使用壽命。

然而，針對礦用臥式柱塞泵曲軸的磁性液體密封研究鮮有報道，尤其是臥式柱塞泵曲軸在連桿重載作用下軸向和徑向產生較大跳動，以及高轉速產生的摩擦熱對傳統骨架油封高可靠性與長使用壽命提出巨大挑戰。本文作者基于磁性液體潤滑理論，利用磁性液體自適應和低摩擦等特性，設計了一種梯度齒寬單磁源磁性液體旋轉密封結構，建立了密封結構磁場有限元模型，研究了不同密封間隙和轉速對密封耐壓性能的影響規律，為礦山井下臥式柱塞泵曲軸密封方法與結構設計提供參考。

1 曲軸磁性液體密封方案

臥式柱塞泵電機通過一級減速與曲軸連接傳遞動力，曲軸通常采用骨架油封結構，如圖1所示。在彈簧作用下密封唇與轉軸接觸起到密封作用，同時密封唇與轉軸的摩擦磨損增加了密封泄漏風險，進一步導致軸承潤滑失效。

圖1 臥式柱塞泵局部視圖與曲軸密封結構

在骨架油封位置安裝磁性液體密封結構，主要包括永磁體、極靴、轉軸、擋液板和軸承等，如圖2所示。永磁體兩邊安裝極靴，極靴加工五級矩形極齒，形成磁場回路，磁性液體非均勻磁場作用下吸附到極齒附近形成液體“O”形圈，實現密封作用。不同于傳統多極齒密封結構中極齒齒寬相等，文中設計出一種極齒齒寬從靠近永磁體方向到遠離永磁體方向逐漸增大的梯度齒寬密封結構，其中極齒齒寬c1到c5依次增大，如圖3所示。

圖2 磁性液體密封結構

圖3 極齒結構

2 密封磁場有限元仿真

密封間隙磁場分布是影響磁性液體靜密封性能的重要因素。采用有限元軟件ANSYS中的Magnetic-Nodal模塊對曲軸磁性液體靜密封磁場進行數值仿真。有限元模型由永磁體、極靴、轉軸和空氣4部分組成。其中，極靴和轉軸采用導磁性良好的2Cr13，轉軸直徑150 mm，永磁體采用Nd-Fe-B材料，相對磁導率1.05，矯頑力8.9×105A/m[7]。假設磁性液體相對磁導率和空氣近似相等均為1。鑒于該密封幾何結構具有軸對稱特性，建立二維軸對稱密封磁場有限元模型，選用8節點PLANE233高階單元提高計算精度，施加磁力線平行邊界條件。采用Quad/Free自動網格劃分，鑒于密封間隙與極靴處磁通密度變化劇烈，為提高密封間隙收斂性與計算精度，對密封間隙與極靴部位做局部網格加密處理，如圖4所示。

圖4 磁性液體密封磁場有限元模型

有限元模型單元網格數量直接影響數值仿真精度，需對網格收斂性進行驗證。對密封結構網格劃分后提取永磁體一側密封間隙磁通密度，如圖5所示。可知，有限元模型單元個數從19 797增加到42 532時，磁通密度在極齒附近變化較小，但在永磁體附近發生很大變化。當單元個數從42 532增加到149 958時，磁通密度基本重合，磁通密度最大相對誤差為0.8%。因此，文中后續有限元模型均采用該網格密度。

圖5 不同網格尺寸密封間隙磁通密度

3 仿真結果與分析

3.1 密封結構磁場特征

磁性液體在磁場力下起到密封作用，密封耐壓能力與密封結構磁場分布密切相關。圖6、圖7所示分別為密封間隙等于0.4 mm時，梯度齒寬密封結構磁力線分布與磁通密度云圖。從圖6可看到，磁力線從永磁體出發穿過極靴在極齒處匯聚，少數磁力線通過極靴外側形成回路產生少量漏磁。由圖7可知，磁通密度在極齒處最大，極齒末端附近變化劇烈，形成較大的磁場梯度，該密封方案合理可行。

圖6 密封結構磁力線分布

圖7 密封結構磁通密度云圖

圖8給出了均勻齒寬和梯度齒寬2種密封結構在不同間隙時，密封間隙中心沿軸向的磁通密度分布曲線。由圖8(a)可看到，梯度齒寬密封結構的磁通密度在極齒附近最大，相鄰2個極齒間存在極小值。隨著極齒與永磁體距離的減小，各極齒磁通密度最大值逐漸減小，最小值逐漸增大，使得極齒下方磁通密度差值逐漸減小。由此可見，隨著極齒與永磁體距離的增大，各極齒密封耐壓能力逐漸增強。此外，隨著密封間隙的增加，各個極齒磁通密度差值均減小，密封耐壓力顯著減小。由圖8(b)可知，與梯度齒寬密封結構相同，均勻極齒密封結構的磁通密度在極齒附近最大，相鄰2個極齒間存在極小值。然而，隨著極齒與永磁體距離的增大，各極齒磁通密度最大值逐漸減小，導致沿遠離永磁體方向，各極齒密封耐壓力逐漸減小。

圖8 不同密封間隙下密封間隙中心沿軸向磁通密度

3.2 密封耐壓性能

轉軸旋轉過程中磁性液體受到的離心作用削弱了磁性液體密封能力，基于試驗的半經驗公式，密封耐壓能力關于磁場和轉速的關系[7,12-13]近似為

(1)

式中:N為極齒個數;Ms為磁性液體飽和磁化強度[14];Bimax是第i個極齒下的最大磁通密度;ρ是磁性液體密度;ω為密封軸轉速;Ri和hi為第i個極齒處密封軸半徑與密封間隙。

由式(1)可得，當轉速ω=0時，密封耐壓力與磁性液體靜密封耐壓公式相同。當Δp=0，即密封失效時，曲軸最大轉速與密封間隙存在以下關系：

(2)

圖9給出了均勻齒寬和梯度齒寬2種不同密封結構的靜密封耐壓力隨密封間隙的變化規律。可知，隨著密封間隙的增大，密封耐壓力迅速減小。相同密封間隙時，梯度齒寬密封結構比均勻齒寬密封結構密封能力明顯增強，理論耐壓能力提高約11%。因此，通過改變磁性液體靜密封結構和提高磁性液體飽和磁化強度，是提高磁性液體靜密封耐壓力的重要途徑。

圖9 2種密封結構耐壓力隨密封間隙的變化

圖10給出了梯度齒寬密封結構在3種不同密封間隙下密封壓力隨轉速的變化規律。可知，在較小轉速范圍內，磁性液體密封耐壓力隨轉速增大緩慢減小，隨著轉速的繼續增大，密封耐壓力迅速減小直至失去密封能力。同時，轉軸轉速相同時，旋轉密封耐壓力隨密封間隙的增大迅速減小，這與磁性液體靜密封耐壓能力隨密封間隙的變化規律一致。

圖10 梯度齒寬密封結構耐壓力隨轉速的變化

圖11示出了均勻齒寬和梯度齒寬2種密封結構在離心力作用下失效時的最大轉速隨密封間隙的變化規律。可知，隨密封間隙的增大，曲軸允許最大轉速迅速減小;相同密封間隙下，梯度齒寬密封結構比經典均勻齒寬密封結構可承受更高的失效轉速。

圖11 2種密封結構不同密封間隙下的最大轉速

4 結論

針對礦用臥式柱塞泵曲軸密封，設計一種梯度齒寬單磁源五極齒密封結構，采用數值模擬的方法分析了密封結構的磁場分布特征，研究了不同密封間隙與轉速對密封性能的影響規律。主要得到以下結論：

(1)相比于經典均勻齒寬磁性液體密封結構，梯度齒寬密封結構具有更好的密封性能，理論耐壓力平均提高11%。

(2)梯度極齒寬度密封結構，遠離永磁體方向，各極齒耐壓能力逐漸增強。均勻極齒寬度密封結構，遠離永磁體方向，各極齒耐壓能力逐漸減小。

(3)隨著密封間隙的增加，由于離心作用導致密封失效對應的最大轉速逐漸減小。

(4)磁性液體密封耐壓力隨密封間隙的增大均迅速減小。小轉速范圍內，轉速對密封耐壓性能影響較小，隨著轉速的繼續增大，密封耐壓力迅速減小。