王凌燕， 于旭光， 楊九霄 ， 王俊帥

(1.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108)

燒結(jié)機(jī)磁力密封中的磁場(chǎng)與臺(tái)車(chē)移動(dòng)速度的耦合研究

王凌燕1， 于旭光1， 楊九霄2， 王俊帥1

(1.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108)

為了解決燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)與風(fēng)箱之間的漏風(fēng)問(wèn)題，研究了燒結(jié)機(jī)磁力密封中的磁場(chǎng)與臺(tái)車(chē)移動(dòng)速度的耦合規(guī)律。在模擬裝置上，設(shè)置了移動(dòng)副和含磁場(chǎng)源的固定副，在可變的二者間隙中分別放入3種磁介質(zhì)并觀察其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。結(jié)果表明：移動(dòng)副以0.79～2.12 m/min的線速度移動(dòng)時(shí)，磁介質(zhì)分為移動(dòng)層和固定層兩層；分層面與間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、移動(dòng)副移動(dòng)速度、間隙大小以及磁介質(zhì)的特性等因素有關(guān)。揭示了以“移動(dòng)層厚度”為標(biāo)志，與以上四因素具有函數(shù)關(guān)系的磁介質(zhì)中“磁”與“速度”的耦合規(guī)律。

燒結(jié)機(jī)；磁力密封；磁場(chǎng)；速度；耦合

0 引言

漏風(fēng)率是燒結(jié)機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，漏風(fēng)率越高，總排氣量越高，風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)和能耗也隨之增加。為了降低漏風(fēng)率，人們做了大量的工作[1-8]，曾做了磁場(chǎng)密封模擬研究[5]，相比以往研究及生產(chǎn)中實(shí)用的絕大多數(shù)密封結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)密封是一種軟密封，可實(shí)現(xiàn)“0”泄露。

為了進(jìn)一步弄清磁場(chǎng)密封機(jī)理，現(xiàn)利用燒結(jié)機(jī)縫隙磁場(chǎng)密封模擬裝置[5]，對(duì)處于磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)所受到的磁場(chǎng)作用和移動(dòng)副移動(dòng)的影響，進(jìn)行了“磁場(chǎng)”與“速度”的耦合研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用了以磁鐵礦粉為主的3種磁介質(zhì)。介質(zhì)1為石墨粉與82.5%的磁鐵礦粉(Fe3O4)進(jìn)行混合并含有雜質(zhì)的干粉，粒度在75～180 μm之間的占60%以上。介質(zhì)2為經(jīng)過(guò)提純處理的磁鐵礦粉(Fe3O4和γ-Fe2O3)，粒度在0～75 μm之間的占60%以上。介質(zhì)3為硅油與介質(zhì)2按照1∶6的比例進(jìn)行均勻攪拌的“濕”粉。

燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)是直線勻速前進(jìn)。本研究用模擬裝置[5]移動(dòng)副的線速度來(lái)模擬。通過(guò)電磁調(diào)速電機(jī)控制其線速度在0.79～2.12 m/min范圍內(nèi)變化，此速度與燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)移動(dòng)速度一致。用TA-102F型高斯計(jì)測(cè)量磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

通過(guò)增減墊片來(lái)調(diào)整移動(dòng)副與固定副之間的間隙高度。

把磁介質(zhì)放入移動(dòng)副與固定副的間隙之間，在移動(dòng)副不同的移動(dòng)速度及其與固定副之間不同間隙的條件下，分別觀察3種磁介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 間隙中的磁介質(zhì)分為移動(dòng)層和固定層，在磁場(chǎng)強(qiáng)度最低處產(chǎn)生分界面

3種磁介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均如圖1所示(H1為密封磁場(chǎng)方向，H2為移動(dòng)副移動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，H為耦合磁場(chǎng)方向)，分為上下2層。上層是隨移動(dòng)副移動(dòng)的移動(dòng)層，下層是與作為磁場(chǎng)源的固定副之間保持不動(dòng)的固定層。

圖1 磁介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)照

該模擬裝置的特點(diǎn)是：底部為同極性永磁體構(gòu)成(固定副)，其與磁介質(zhì)、移動(dòng)副共同構(gòu)成一個(gè)磁回路。移動(dòng)副為磁阻很小的導(dǎo)磁材料Q235鋼制成，就磁介質(zhì)而言可視為另一個(gè)磁極。實(shí)測(cè)結(jié)果也證實(shí)這種假設(shè)是正確的。圖2是處于移動(dòng)副和固定副間隙中的磁介質(zhì)不同位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值。其中，高度為“0”處為移動(dòng)副表面，高度為“14”處是固定副表面。移動(dòng)副與固定副之間的間隙為密封間隙，在同等條件下，該間隙越大，表明密封效果越好。

可見(jiàn)，移動(dòng)副和固定副表面磁場(chǎng)強(qiáng)度高，二者之間有一個(gè)最低點(diǎn)。磁介質(zhì)受磁場(chǎng)的作用而被約束，磁場(chǎng)越強(qiáng)約束力越大，反之亦然。因此，磁介質(zhì)就在移動(dòng)副和固定副之間磁場(chǎng)強(qiáng)度最低處產(chǎn)生分界面。

2.2 磁介質(zhì)中的另類(lèi)物質(zhì)影響其磁場(chǎng)強(qiáng)度

由圖2可見(jiàn)，與介質(zhì)2的純磁鐵礦粉相比，介質(zhì)中摻加不導(dǎo)磁的另類(lèi)物質(zhì)時(shí)，影響了移動(dòng)副和固定副之間間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。表現(xiàn)為摻加不導(dǎo)磁的粉狀石墨時(shí)，間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度高；摻加不導(dǎo)磁的液態(tài)硅油時(shí)，間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度低。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，介質(zhì)2是純磁鐵礦粉，主要成分為Fe3O4，其磁性來(lái)源于被氧離子所分隔的磁性鐵離子間的超交換相互作用，它使處于不同晶格位置上的鐵離子磁矩反向排列，但相反排列的磁矩不相等，對(duì)外顯示有靜磁矩，即亞鐵磁性。每一個(gè)磁鐵礦粉粉粒，相當(dāng)于一個(gè)磁偶極子，在磁場(chǎng)作用下，磁偶極子之間呈鏈狀排列[9]，形成低磁阻通道，從而使磁阻較大的空間散磁場(chǎng)減弱；當(dāng)不導(dǎo)磁的粉狀石墨摻入后(介質(zhì)1)，使磁鐵礦粉粉粒之間的距離加大，“低磁阻通道”現(xiàn)象減弱，而使空間散磁場(chǎng)增大，表現(xiàn)為“摻加石墨粉后磁場(chǎng)強(qiáng)度增大”；摻入硅油后(介質(zhì)3)，由于硅油的界面張力作用，使磁鐵礦粉粉粒之間的距離進(jìn)一步縮小，使“低磁阻通道”現(xiàn)象進(jìn)一步加強(qiáng)，相應(yīng)空間散磁場(chǎng)進(jìn)一步減弱，表現(xiàn)為“摻加硅油后磁場(chǎng)強(qiáng)度降低”。

圖2 磁介質(zhì)在不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度

如圖2所示，與介質(zhì)內(nèi)部一樣，摻加石墨粉和硅油后，磁極(移動(dòng)副和固定副)表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度也相應(yīng)“增強(qiáng)”、“減弱”。這是因?yàn)?，在有高磁?dǎo)率磁性細(xì)粉存在時(shí)，磁極表面不可能處于裸露狀態(tài)，總有一層磁介質(zhì)吸附于其表面，測(cè)得的“磁極表面磁場(chǎng)強(qiáng)度”，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該是磁極表面附近介質(zhì)中的散磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此，與前者一樣，也受這兩種另類(lèi)物質(zhì)的影響。

2.3 移動(dòng)層的厚度隨線速度的增加而增大

圖3是實(shí)測(cè)的移動(dòng)副線速度與移動(dòng)層厚度的關(guān)系圖。其中，縱坐標(biāo)為移動(dòng)層厚度所占間隙總高度的百分比?？梢?jiàn)，3種介質(zhì)在移動(dòng)副不同的線速度下，磁介質(zhì)移動(dòng)層的厚度變化基本呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)-移動(dòng)層的厚度隨線速度的增加而增大。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一，中心軸吊掛式的移動(dòng)副，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程有軸線傾角，致使移動(dòng)副與固定副間隙發(fā)生周期性變化。間隙變小時(shí)分界面下移，當(dāng)移動(dòng)速度提高時(shí)，下移的分界面以上的移動(dòng)層推動(dòng)其前方的磁介質(zhì)一起移動(dòng)，而顯示“移動(dòng)層厚度提高”；而移動(dòng)速度較低時(shí)這種“推動(dòng)”效應(yīng)減弱，而顯示為“移動(dòng)層厚度降低”。由此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)移動(dòng)副表面的凸起物，當(dāng)移動(dòng)副移動(dòng)速度高時(shí)將增加移動(dòng)層厚度。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之二，是與電磁感應(yīng)現(xiàn)象有關(guān)。如圖1右側(cè)所示，H1表示原有磁場(chǎng)，即密封磁場(chǎng)。由于移動(dòng)副是電的良導(dǎo)體，當(dāng)其在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，必然在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，由此又產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)H2，其方向如圖1，與H1垂直與移動(dòng)副的移動(dòng)方向平行。H2與H1耦合的合磁場(chǎng)H作用于磁介質(zhì)上。顯然，H大于H1，且移動(dòng)副的移動(dòng)速度越大，H也越大。而表現(xiàn)為“移動(dòng)層的厚度隨線速度的增加而增大”。

2.4 間隙大小對(duì)移動(dòng)層的影響

圖4是對(duì)1號(hào)、2號(hào)兩種介質(zhì)，分別在2種間隙下測(cè)定的移動(dòng)副移動(dòng)速度與移動(dòng)層厚度的關(guān)系。

圖3 移動(dòng)副線速度對(duì)移動(dòng)層厚度的影響 圖4 間隙對(duì)移動(dòng)層厚度的影響

可見(jiàn)，間隙對(duì)介質(zhì)1移動(dòng)層厚度的影響不明顯；對(duì)介質(zhì)2的影響呈“平行四邊形”狀——小間隙時(shí)，移動(dòng)副中高速運(yùn)行時(shí)移動(dòng)層厚度比較穩(wěn)定；大間隙時(shí)，移動(dòng)副中低速運(yùn)行時(shí)移動(dòng)層厚度比較穩(wěn)定。說(shuō)明介質(zhì)2對(duì)間隙的影響敏感，介質(zhì)1不敏感。原因也是由于介質(zhì)1中不導(dǎo)磁的石墨粉粒的存在，使介質(zhì)總磁阻增大，而使間隙對(duì)其的影響減弱；介質(zhì)2高磁導(dǎo)率的純磁鐵礦粉，磁阻小，所以間隙變化時(shí)就較敏感。由此，選用高磁導(dǎo)率磁介質(zhì)時(shí)，間隙變化時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)移動(dòng)層厚度的影響。

3 結(jié)論

有移動(dòng)副移動(dòng)的磁場(chǎng)間隙中的磁介質(zhì)分為移動(dòng)層和固定層兩層；分層面與間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、移動(dòng)副移動(dòng)速度、間隙大小以及磁介質(zhì)的特性等因素有關(guān)。其中：

(1)間隙中的磁場(chǎng)，在移動(dòng)副和固定副表面強(qiáng)度高，在二者之間有一最低點(diǎn)，由此產(chǎn)生分層面。

(2)移動(dòng)層的厚度隨移動(dòng)副線速度的增加而增大，移動(dòng)副表面凸起和電磁感應(yīng)現(xiàn)象是其增大的原因。

(3)不導(dǎo)磁的另類(lèi)物質(zhì)，通過(guò)影響介質(zhì)的密度，來(lái)影響介質(zhì)的磁導(dǎo)率，最終影響移動(dòng)層厚度。石墨降低了介質(zhì)的密度，增大了散磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低了介質(zhì)的磁導(dǎo)率，增大了移動(dòng)層厚度；硅油提高了介質(zhì)的密度，降低了散磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高了介質(zhì)的磁導(dǎo)率，減小了移動(dòng)層厚度。

(4)間隙大小對(duì)移動(dòng)層厚度的影響因磁介質(zhì)而異，對(duì)高磁導(dǎo)率磁介質(zhì)較敏感。

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[9]孫光飛，強(qiáng)文江．磁功能材料[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007:403.

(責(zé)任編輯 車(chē)軒玉)

Research on Coupling of Magnetic Field ofMagnetic Sealand Walking Speed of Trolley in Sintering Machine

Wang Lingyan1, Yu Xuguang1, Yang Jiuxiao2, Wang Junshuai1

(1.School of Material Science and Engineering ,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2.School of Material Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

To solve the problem of air leakage between the sintering machine trolley and the air box, the coupling law of magnetic field of magnetic seal on sintering machine and trolley’s speed is studied. A set of simulated device is applied, which includes moving part, fixed part, and a variable gap between them. The magnetic field source is set in the fixed part. Three kinds of magnetic media are put in the gap and their motion states are observed. The results show that when the moving part moves with a linear velocity of 0.79～2.12 meter per second, the magnetic media is divided into two layers, which are the moving layer and the fixed layer. The layered interface are associated with many factors such as the strength of the magnetic field in the gap, the moving speed of the moving part, the size of the gap and the characteristics of the magnetic medium. It reveals the coupling law of the magnetic medium’s magnetic properties and speed which is marked by the “thickness of moving layer ” in the magnetic medium having function relationship with the above four factors .

sintering machine;magnetic seal；magnetic field；speed；coupling

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.08

2013-06-28

王凌燕 女 1989年出生 碩士研究生

河北省自然科學(xué)基金(E2012210009)

TB33

A

2095-0373(2014)03-0039-04