夾芯磁路下大軸徑磁性液體密封性能研究*

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)

磁性液體用于密封是其最早和最成功的技術領域之一。磁性液體密封具有零泄漏、長壽命、無污染等優點，成為最具發展潛力和應用價值的非接觸式新型流體密封技術之一[1-2]。在航天、核電和國防軍事等大型裝備領域，大直徑軸系徑向跳動產生的大間隙降低了磁性液體密封的耐壓能力和使用壽命，嚴重制約了磁性液體密封在重型高端領域的應用與發展。因此，如何提高大軸徑磁性液體密封性能，成為國內外學者與工程技術人員研究的熱點[3-5]。

大直徑轉軸徑向跳動使得轉軸與極靴產生摩擦磨損引起磁性液體密封失效，增大密封間隙減輕徑向跳動對密封的影響是提高大軸徑磁性液體密封性能的重要途徑。大間隙條件下，磁性液體的密封能力顯著降低，需要改變密封結構、制備具有高飽和磁化強度的磁性液體等方法來提高密封能力[6]。李德才等[7-8]采用實驗方法研究了直徑大于300 mm軸徑在密封間隙大于1 mm時的磁性液體密封耐壓性能，結果表明：密封耐壓能力隨著密封間隙的增大迅速減小，隨磁性液體飽和磁化強度的增大而增大。為提高大軸徑大間隙密封性能，研究者們對磁性液體靜密封結構進行了改進，如多級磁源密封結構[9]、磁性液體密封與迷宮密封組合密封[10]以及聚合型階梯式磁性液體靜密封結構[11]等。此外，TOMIOKA和MIYANAGA[12]研究了4種不同飽和磁化強度的磁性液體密封的影響，得到隨著飽和磁化強度的增大，磁性液體靜密封耐壓能力逐漸增強。

為進一步提高大軸徑大間隙磁性液體密封耐壓能力，本文作者在經典磁性液體密封結構基礎上提出了一種具有夾芯磁路的新型磁性液體密封結構，研究了密封結構磁場分布特征，采用磁性液體密封耐壓理論對大間隙作用下磁性液體密封夾芯磁路結構與經典密封結構的耐壓能力進行了比較和分析。

1 大間隙磁性液體密封結構

夾芯磁路密封結構是在經典磁性液體密封結構的基礎上提出的，主要包括永磁鐵、極靴、轉軸、端蓋、套筒、彈性擋圈、調心滾子軸承等，如圖1(a)所示。夾芯磁路密封結構與經典磁性液體密封結構相比，在極齒下方增加了一個環形磁鐵，該環形磁鐵被安裝到套筒里面，與套筒一起隨軸轉動，極靴采用“L”形狀，方便極靴、套筒的安裝、拆卸和對套筒、新增永磁鐵的固定。該結構通過在軸上嵌套安裝環形磁鐵，改變了密封間隙中的磁場分布規律，進而影響到密封間隙中的磁通密度梯度，實現了磁性液體密封耐壓性能的改善，如圖1(b)所示。

圖1 大間隙磁性液體密封結構(a)和磁路示意(b)

2 磁場有限元模型

采用有限元軟件ANSYS APDL對夾芯磁路密封結構的密封性能進行數值模擬。夾芯磁路密封結構由內外2個同心永磁體環、極靴、轉軸等部分組成，為加工方便，極靴極齒采用矩形形狀，轉軸直徑為150 mm，二維幾何模型及主要尺寸如圖2所示。

圖2 夾芯磁路密封結構幾何模型(mm)

該磁性液體密封結構具有軸對稱特性，采用Magnetic-Nodal模塊，全部選用高階8節點PLANE233單元與Axisymmetric軸對稱選項，采用Quad/Free自動網格劃分，為提高密封間隙收斂性與計算精度，對密封間隙部位做局部網格加密處理，施加Flux Par’l磁力線平行邊界條件，建立軸對稱有限元模型如圖3(a)所示。該磁性液體密封結構中永磁鐵選用最常用的釹鐵硼，極靴和轉軸的材料均選用導磁性好的2Cr13。為盡可能減小密封結構的漏磁，殼體選用導磁能力差的304不銹鋼，假設磁性液體磁導率和空氣近似相等，永磁體磁導率為1.05，矯頑力為8.910 5 A/m[13-14]。

圖3 夾芯磁路密封結構的有限元模型(a)及 不同網格精度下密封間隙磁通密度(b)

有限元模型網格大小與數值模型精確度直接相關，提取不同網格尺寸下密封間隙磁通密度曲線對有限元模型進行網格無關性分析，如圖3(b)所示。可知，單元個數從14 324增加到205 622時，磁通密度發生很大變化。然而，當單元個數繼續增加到351 368時，磁通密度與205 622單元個數時幾乎重合。因此，文中后續有限元模型均采用205 622單元尺寸網格密度。

3 結果與討論

3.1 密封結構磁場分布

磁性液體密封性能除磁性液體飽和磁化強度、磁-黏特性等自身物化特性外，密封結構磁場分布特征是影響其密封耐壓能力的關鍵因素。密封結構磁力線分布、磁通密度云圖、磁通密度矢量圖是評估磁性液體密封磁場分布特征的主要方式[4，15-16]。

圖4示出了密封間隙為0.4 mm時磁性液體密封經典結構與夾芯磁路密封結構的磁力線分布。

圖4 經典結構(a)、夾芯結構(b)磁力線分布

由圖4可知，2種密封結構所有磁力線形成了完整的閉合回路，其中空氣中的磁力線分布的密度遠小于極靴和軸上的磁力線分布的密度。同時，在密封結構的外空氣側，空氣中的磁力線越靠近極靴與永磁鐵分布越密集，即在密封結構的最外側，極靴、永磁體與空氣接觸處漏磁嚴重。通過極靴的大部分磁力線聚集到極齒上，這導致通過極齒的磁力線十分密集，極齒處的磁力線密度明顯大于密封間隙的其他地方的磁力線密度，在極齒處的密封間隙內形成較大的磁通密度梯度，能夠更好地把磁性液體聚集到極齒下抵抗密封腔內外的壓力差，起到密封作用。與經典磁性液體密封結構相比，夾芯密封結構的內永磁體使得通過軸的近表面磁力線數量更多。通過對比觀察2種不同密封結構的磁力線分布圖，可判斷出所設計的夾芯磁路磁性液體密封結構合理可行。

為進一步研究密封結構磁場分布情況，圖5給出了磁性液體密封經典結構與夾芯磁路密封結構的磁通密度云圖。可知，2種密封結構的磁通密度大小關于磁鐵徑向對稱分布，在密封間隙處磁通密度最大，這與密封結構磁力線分布圖中表現的一致。此外，空氣中的磁通密度要小于極靴和轉軸上磁通密度。同時，在極齒下方的密封間隙處夾芯結構磁通密度梯度明顯高于經典結構磁通密度梯度，提高了磁性液體密封性能。

圖5 經典結構(a)、夾芯結構(b)磁通密度云圖

圖6給出了夾芯磁路密封結構的磁通密度矢量分布情況，其中箭頭的方向代表磁場的方向，顏色代表磁通密度的大小。可知，極靴位置處磁通密度最大，極齒上的磁場方向幾乎全部垂直于轉軸，2個極靴極齒處的磁場方向表現出反對稱分布形式，密封結構具有良好的磁路特征。

圖6 磁通密度矢量圖

3.2 密封結構耐壓性能分析

磁性液體在非均勻磁場作用下形成磁性液體“O”形圈，磁性液體存在壓差作用時，非均勻磁場使得磁性液體受到抵抗壓差的磁場力起到密封作用，單級磁性液體密封的一般耐壓公式[10]：

Δp=Ms(Bmax-Bmin)

(1)

式中：Ms是磁性液體飽和磁化強度[10]；Bmax和Bmin分別是極齒下的最大和最小磁通密度。

圖7所示為密封間隙在0.4 mm時，磁性液體密封經典結構和改進結構的密封間隙內磁通密度分布曲線。可知，磁通密度曲線關于磁鐵呈對稱分布，在極齒處表現出顯著的磁通密度差值。對比2種不同磁性液體密封結構密封間隙中的磁通密度分布，得出2種密封結構的極齒處最大磁通密度相差較小，但改進的夾芯密封結構在極齒處的最小磁通密度明顯小于經典結構在極齒處的最小磁通密度，導致改進的夾芯密封結構比經典的密封結構具有更大的磁通密度差值，使得改進后的夾芯磁路磁性液體密封結構具有更強的聚磁能力。根據式(1)可知，密封耐壓能力與磁通密度差值和磁性液體的飽和磁化強度有關。因此，在相同磁性液體條件下，具有夾芯磁路的密封結構比經典磁性液體密封結構具有更強的密封耐壓能力。

圖7 0.4 mm密封間隙內磁通密度分布

為進一步研究大間隙對密封耐壓能力的影響規律，圖8給出了相同磁性液體條件下2種磁性液體密封結構在密封間隙從0.2 mm增加到1 mm的抗壓性能。可以得到，隨著密封間隙的增大，2種結構的耐壓力均隨著密封間隙的增大而減弱，這一磁性液體密封的規律與李德才教授在大直徑大間隙磁性液體靜密封的實驗研究中得到的密封間隙與耐壓能力關系的規律一致[7]。同時，大間隙條件下具有夾芯磁路的密封結構在抗壓能力比經典磁性液體靜密封結構顯增強，平均耐壓能力提高了約20%。隨著密封間隙從0.2 mm增大到1 mm，磁性液體密封改進結構相比于經典結構，其理論耐壓能力提高百分比逐漸增大，從0.2 mm間隙時的11.7%增加到1 mm間隙時的29.7%，具有夾芯磁路密封結構在大間隙下對密封耐壓能力的提升效果尤為顯著。

圖8 2種密封結構耐壓能力的比較

4 結論

設計一種適用于大軸徑的大間隙具有夾芯磁路的磁性液體密封結構，采用數值模擬研究了夾芯磁路密封結構的磁場分布和耐壓性能。主要得到以下結論：

(1)相比于經典磁性液體密封結構，夾芯密封結構的內永磁體使得通過軸的近表面磁力線數量更多；同時，夾芯密封結構具有更大的磁通密度差值，導致其具有更強的聚磁能力。因此，具有夾芯磁路的密封結構表現出更好的密封性能，理論耐壓能力平均提高約20%。

(2)磁性液體密封夾芯磁路結構相比于經典結構，隨著密封間隙的增大，密封耐壓能力提高效果越加顯著，從0.2 mm間隙時的11.7%增加到1 mm間隙時的29.7%。

(3)在磁性液體相同時，密封間隙在0.2 mm到1 mm范圍內，隨著密封間隙的增大，夾芯磁路密封結構耐壓能力逐漸減小。