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(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116；2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇徐州 221008)

托輥?zhàn)鳛閹捷斔蜋C(jī)的核心部件，主要作用是支撐傳送帶、減小運(yùn)行阻力，其性能和壽命直接影響著輸送效率和輸送成本[1]。托輥的常用密封方式有非接觸式迷宮密封和接觸式唇形密封[2]。迷宮密封的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力小，但不能保證低速和靜止工況下的密封效果；唇形密封依靠密封圈與托輥軸的過盈配合工作，密封效果好，但運(yùn)轉(zhuǎn)阻力相對(duì)較大，壽命較短[3]。針對(duì)這2種密封方式各自的局限性，很多學(xué)者對(duì)新型密封方式開展了大量研究。鮑久圣等[4]設(shè)計(jì)了一種磁性液體密封的托輥，利用運(yùn)行時(shí)形成的液體端面密封和離心式密封，增強(qiáng)了密封可靠性。郭覃等人[5]設(shè)計(jì)了一種“U”形密封結(jié)構(gòu)，利用大氣壓原理保證密封唇與軸的接觸，提高了密封性能。托輥的潤滑方式為脂潤滑，成本低且方便簡單，但潤滑脂會(huì)隨著軸承的發(fā)熱逐漸流失。

磁性液體密封是一種以磁性液體為功能液體，利用磁場作用將磁性液體約束在密封間隙中而實(shí)現(xiàn)密封目的的一種液體密封形式[6]，其密封能力強(qiáng)且壽命長。同時(shí)，納米磁性液體還是一種新穎的潤滑劑，在磁場的約束作用下不產(chǎn)生飛濺和泄漏，其中磁性顆?？善鸬浇莆⑿蜐L珠的作用，從而降低摩擦[7]。為了提高托輥的密封性能，減小旋轉(zhuǎn)阻力，延長使用壽命，本文作者提出了一種基于納米磁性液體密封與潤滑的托輥，較傳統(tǒng)托輥具有更可靠的密封性能和更小的旋轉(zhuǎn)阻力，對(duì)于提高輸送效率具有重要意義。

1 磁性液體選擇

1.1 磁性液體轉(zhuǎn)軸流體動(dòng)密封原理

磁性液體是一種新型功能材料，由直徑為納米量級(jí)磁性固體顆粒均勻分散在基載液中而形成的一種穩(wěn)定膠體溶液磁性液體，這種溶液即使在重力場、電場、磁場作用下也能長期穩(wěn)定地存在，不產(chǎn)生沉淀與分離[8]。磁性液體最廣泛、成熟的應(yīng)用當(dāng)屬磁性液體密封。它是一種非接觸式的液體密封，有著很多傳統(tǒng)密封無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如密封可靠、壽命長、無污染、能承受高轉(zhuǎn)速、最佳的扭矩傳遞等[8]。磁性液體轉(zhuǎn)軸流體動(dòng)密封原理如圖1所示，通過永磁體、極靴和導(dǎo)磁軸構(gòu)成閉合磁回路，使磁性液體聚集在極靴極齒與導(dǎo)磁軸的間隙內(nèi)，形成液體“O”形密封環(huán)。

圖1 基于磁性液體的轉(zhuǎn)軸流體動(dòng)密封原理

1.2 兼顧密封與潤滑的磁性液體選擇

利用納米磁性液體潤滑，比傳統(tǒng)的脂潤滑更有優(yōu)勢(shì)，因其既有在磁場作用下的可控性，又保留了流體的流動(dòng)性?？紤]到納米磁性液體既用于密封又用于潤滑，故需選擇一種磁性能良好而且表觀黏度低的磁性液體。降低磁性液體表觀黏度的一種途徑是在磁性液體的合成過程中采用黏度較低的基載液[9]，常用基載液及其制備的磁性液體特點(diǎn)如表1所示[10]。為利用納米磁性液體的潤滑功能，最終選擇烴類基載液、納米Fe3O4作為磁性顆粒的納米磁性液體。

表1 基載液種類及特點(diǎn)

2 托輥密封與潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基于納米磁性液體的密封與潤滑方案

為解決托輥的密封與潤滑問題，將磁性液體密封技術(shù)應(yīng)用于托輥，并采用納米磁性液體取代潤滑脂，使托輥既有傳統(tǒng)迷宮密封旋轉(zhuǎn)阻力小的優(yōu)點(diǎn)，又有比接觸式密封更高的可靠性和更長的使用壽命。設(shè)計(jì)的磁性液體密封與潤滑方案[11]如圖2所示。

圖2 托輥磁性液體密封與潤滑方案

在軸承的兩側(cè)分別設(shè)置內(nèi)外磁性液體密封件，將軸承包圍在兩密封件中間。磁性液體密封部件分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)，內(nèi)側(cè)密封件由永磁體、極靴和導(dǎo)磁軸構(gòu)成；外側(cè)密封件由永磁體、極靴和導(dǎo)磁軸套構(gòu)成。通過永磁體和高導(dǎo)磁材料形成的完整磁回路，使極齒與軸套或軸間隙內(nèi)的磁性液體形成數(shù)個(gè)“O”形液體密封環(huán)，將軸承嚴(yán)密地保護(hù)起來。在極靴外側(cè)加工密封槽，配合密封圈使用保證極靴與軸承座間的靜密封。在兩密封件包圍成的軸向空腔內(nèi)注入納米磁性液體，將軸承完全浸潤于納米磁性液體之中，既能使軸承得到良好的潤滑，又能隨時(shí)補(bǔ)充密封間隙處泄漏的磁性液體。磁性液體徑向密封間隙在0.1～0.3 mm時(shí)為小間隙密封，此時(shí)密封效果較好。密封間隙大于0.3 mm時(shí)為大間隙密封，密封效果隨間隙的增大下降明顯[12]?？紤]到托輥的其他部件制作精度普遍不高，故最終選擇密封間隙為0.2 mm。

2.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

常用的永磁材料主要有三大類：一是鋁鎳鈷(Al-Ni-Co)永磁材料；二是永磁鐵氧體(BaFe12O9，Sr Fe12O9)；三是稀土永磁材料，這類又可分為三種，即SmCo5型、Sm2Co17型、Nd-Fe-B型[8]。根據(jù)各種永磁材料特性的比較，從剩磁Br、磁通密度矯頑力HcB、內(nèi)稟矯頑力Hcj、最大磁能積(BH)max和可逆磁導(dǎo)率μr等綜合來看，釹鐵硼永磁材料具有最優(yōu)值，它既能保證磁性能的穩(wěn)定性，又有良好的機(jī)械加工性能。為此，文中采用釹鐵硼永磁體。

極靴是磁性液體密封中重要的組成部分，在磁回路中起導(dǎo)磁作用。材料選擇為相對(duì)磁導(dǎo)率較高又易于加工的軟磁材料電工純鐵DT3。在極靴齒形選擇上，常用齒形有三角形齒、梯形齒和矩形齒[13]。三角形齒的有效密封齒厚非常小且難加工，密封效果不好，磁回路的磁阻較大；梯形齒的磁場梯度大，磁性液體界面的穩(wěn)定性好，但極齒的加工難度大；矩形齒耐壓能力較大，加工簡單，密封性能容易保證。因此最終極靴齒形選擇為矩形齒，如圖2所示。

3 磁場仿真計(jì)算

為驗(yàn)證托輥軸承磁性液體密封的可行性及計(jì)算密封耐壓能力，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行磁場分析，將密封部分磁場簡化為軸對(duì)稱的二維靜態(tài)磁場。在ANSYS中經(jīng)過建模、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件、求解及后處理等步驟，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 磁力線分布

由圖3可知，磁力線經(jīng)過永磁體、導(dǎo)磁性能良好的極靴和導(dǎo)磁軸形成閉合磁回路。大量的磁力線穿過極靴和軸的密封間隙處，只有少量的磁力線分布在空氣中，這是因?yàn)闃O靴材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率。極齒的作用是積聚磁力線，增加磁場梯度，將磁性液體牢牢地吸附在密封間隙處，獲得更大的耐壓能力，使密封更加可靠。圖中密封間隙處的磁力線大部分從極齒中通過，且分布比較集中，證明極齒充分發(fā)揮了積聚磁力線的作用。

圖4所示為磁通密度圖，磁通密度又稱磁感應(yīng)強(qiáng)度，它表示垂直穿過單位面積的磁力線的多少，該圖直觀地反映了各區(qū)域的磁場強(qiáng)弱?？芍?，極齒處磁通密度最大而其余部位磁通密度較小，表明極齒處磁場最強(qiáng)，對(duì)磁性液體的吸附作用最強(qiáng)。圖3、4充分表明磁性液體密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，下面通過具體數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證密封的耐壓能力。

圖4 磁通密度

沿X軸正方向在密封間隙位置自左向右分別定義若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)形成一條穿過密封間隙的路徑，將磁力線分布情況映射到該路徑上，從而得到密封間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖[14]，如圖5所示。

圖5 密封間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度

其中，橫坐標(biāo)表示穿過密封間隙的關(guān)鍵點(diǎn)形成的路徑位置，縱坐標(biāo)表示密封間隙不同位置處對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度?？梢?，密封間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿Y軸方向呈峰值曲線分布，曲線的峰值代表密封間隙中的極齒位置，即極齒位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別達(dá)到最大值，極齒兩側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值迅速下降，進(jìn)一步證明了密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。將路徑中8個(gè)極齒下的磁感應(yīng)強(qiáng)度以數(shù)字形式導(dǎo)出并處理后，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 密封間隙各極齒處磁感應(yīng)強(qiáng)度值

磁性液體密封耐壓能力計(jì)算公式[15]為

Δp=MsΔB

(1)

式中：p為壓力；Ms為所用磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度；ΔB為所有極齒下磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度的和。

由表2數(shù)據(jù)可得：

(2)

式中：ΔBi為各個(gè)極齒下的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值與最小值之差。

代入公式有：

Δp=Ms·ΔB=0.193 2 MPa>0.1 MPa

(3)

經(jīng)計(jì)算，雙極靴四極齒的磁性液體密封耐壓能力大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.1 MPa，說明磁性液體密封應(yīng)用在托輥軸承上是合理可靠的。

4 結(jié)論及展望

(1)總結(jié)了托輥現(xiàn)有的密封與潤滑方式及其特點(diǎn)，針對(duì)原密封不可靠、壽命短的問題，結(jié)合磁性液體密封與潤滑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了托輥的磁性液體密封結(jié)構(gòu)，并利用納米磁性液體潤滑，為解決托輥密封與潤滑問題提供了新的思路。

(2)利用ANSYS有限元軟件對(duì)密封件的磁場進(jìn)行仿真，得到了磁場強(qiáng)弱分布情況及密封間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度值，計(jì)算了磁性液體密封耐壓能力，結(jié)果表明磁性液體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，為后續(xù)托輥實(shí)物的試制奠定了基礎(chǔ)。

(3)目前關(guān)于磁性液體潤滑的研究較少，將磁性液體的密封與潤滑相結(jié)合，將是未來的研究方向。