李軍強, 姜 與, 郭士杰

(河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,天津 300401)

0 引 言

磁流變(magnetorheological,MR)液是一種可控流體，形態(tài)取決于外加磁場，無外加磁場時，為自由流動狀態(tài)，在外加磁場作用下，則迅速由自由流動的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)甚至固態(tài)。并且，磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的，而且其流變后的剪切屈服應(yīng)力與磁場強度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。這一特性使得磁流變液在多個工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。

利用磁流變液的流變特性，實現(xiàn)動密封是磁流變液的一種重要應(yīng)用。典型的磁流變液密封裝置磁回路由永久磁鐵、極靴和轉(zhuǎn)軸組成[3,4]。由于旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)特點，適合應(yīng)用磁流變液密封裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的動密封。

盡管磁流變液密封裝置在旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器中得到應(yīng)用，但是，密封裝置內(nèi)磁流變液在密封區(qū)域的流動特性，以及密封區(qū)域的徑向和軸向尺寸對密封效果的影響等問題仍有待研究。

針對以上問題，本文建立磁流變液密封裝置實驗系統(tǒng)，應(yīng)用實驗的方法對用于旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的磁流變液密封裝置密封特性進行研究，利用激光傳感器進行檢測[5,6]，并對實驗結(jié)果進行分析。

1 磁流變液密封裝置

1.1 密封裝置結(jié)構(gòu)

應(yīng)用磁流變液密封裝置的旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

圖1 旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器

磁流變液密封裝置通常成對使用，位于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，其一側(cè)與阻尼器內(nèi)腔相通，另一側(cè)固定。盡管阻尼器轉(zhuǎn)子、定子具有多種類型的結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的磁流變液密封裝置結(jié)構(gòu)類似，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)由軸向充磁的永磁環(huán)、轉(zhuǎn)軸和兩個極靴夠成，并且多采用矩形極靴。外側(cè)的固定部件通常采用塑料或其他非磁性材料。

圖2 磁流變液密封裝置結(jié)構(gòu)

密封裝置中，永磁環(huán)軸向充磁，阻尼器未添加磁流變液時，磁力線經(jīng)過永磁體、左側(cè)極靴、左側(cè)密封間隙、轉(zhuǎn)軸、右側(cè)密封間隙、右側(cè)極靴構(gòu)成一個閉環(huán)。由于永磁環(huán)的作用，極靴與轉(zhuǎn)軸間的密封間隙內(nèi)會有較強的磁感應(yīng)強度。

阻尼器添加磁流變液后，磁流變液流動至密封裝置右側(cè)密封間隙處，在間隙中的磁場作用下，磁流變液由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，阻止其他液態(tài)的磁流變液繼續(xù)流入間隙內(nèi)，起到靜密封的作用。當(dāng)有外力作用于轉(zhuǎn)軸時，處于密封間隙內(nèi)的固態(tài)磁流變液受到剪切力作用，當(dāng)磁流變液內(nèi)的切應(yīng)力大于其屈服應(yīng)力時，轉(zhuǎn)軸相對阻尼器定子開始轉(zhuǎn)動，磁流變液處于屈服狀態(tài)，但仍是固態(tài)，阻尼器內(nèi)部的液態(tài)磁流變液無法流入密封間隙內(nèi)，從而實現(xiàn)動密封。

1.2 實驗系統(tǒng)方案

阻尼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，密封間隙內(nèi)的磁流變液在間隙內(nèi)的狀態(tài)，以及密封區(qū)域的徑向和軸向尺寸對密封效果的影響等問題，對磁流變液密封裝置的設(shè)計與應(yīng)用具有重要意義，為了研究以上問題，設(shè)計了測試系統(tǒng)。

由圖2可知，要測量磁流變液在右側(cè)密封間隙內(nèi)的狀態(tài)，需要由左側(cè)進行測量，但是，密封裝置有兩個極靴，并且兩個極靴間還有一個隔磁環(huán)，其徑向尺寸較大，應(yīng)用測距傳感器由左側(cè)直接進行測量，難度較大，因此，設(shè)計了如圖3所示的密封裝置，用以模擬阻尼器中使用的密封裝置。

圖3 磁流變液密封實驗結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的密封裝置由轉(zhuǎn)子、勵磁線圈、定子構(gòu)成，磁流變液填充于轉(zhuǎn)子和定子間的腔體內(nèi)。由電機帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生相對運動，可以模擬密封裝置中極靴與轉(zhuǎn)軸的相對運動。定子直徑一定時，設(shè)計不同直徑的轉(zhuǎn)子，可以模擬不同的密封間隙。勵磁線圈用以產(chǎn)生磁場，設(shè)計合適的線圈匝數(shù)與供電電流可以獲得足夠的磁感應(yīng)強度，磁力線經(jīng)過轉(zhuǎn)子、密封間隙、定子構(gòu)成一個回路。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試方法

所選用的激光測距傳感器工作時，激光發(fā)射端、檢測點、激光接收端構(gòu)成一個三角形，因此，采用如圖4所示的檢測方式，使三角形與轉(zhuǎn)子外圓切向方向平行，這樣可以檢測較大深度。

圖4 檢測方式

圖4中，l1為傳感器距極靴內(nèi)測的距離，l2為極靴寬度，l3為密封裝置端面光束入射點和返回點的間距，l4為激光發(fā)射端與接收端的間距，并且

l3=l4×l2/l1

(1)

求解式(1)可獲得l3，當(dāng)密封間隙的徑向尺寸確定時，l3的數(shù)值決定著所需的轉(zhuǎn)子最小半徑，其關(guān)系如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系

傳感器激光發(fā)射端發(fā)出激光，到達檢測點后反射，接收點能夠檢測到反射光束需滿足如下條件

(R+r)2+(l3/2)2=(R+g-r)2

(2)

式中R為轉(zhuǎn)子半徑，r為激光傳感器光束半徑，g為密封間隙徑向尺寸。

由式(2)可知，較小的g值對應(yīng)較大的R值。研究中，將對不同徑向尺寸的密封間隙的密封效果進行實驗，因此計算R值時g取最小值。確定g值后，求解式(2)可以獲得所需的轉(zhuǎn)子最小直徑。

2.2 磁路設(shè)計

基于所設(shè)計的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進行磁路設(shè)計。首先，確定各部分關(guān)鍵尺寸，然后，計算所需磁動勢。

實驗系統(tǒng)中，磁場分布區(qū)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。為了測試不同密封間隙的密封效果，設(shè)計了4種直徑的轉(zhuǎn)子，對應(yīng)的密封間隙分別為2.0，1.5，1.0，0.5 mm。為了使密封區(qū)域具有足夠的磁感應(yīng)強度，設(shè)計時g取2.0 mm進行計算。極靴寬度l5取10 mm，l9取5.0 mm。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于磁路歐姆定律，在進行磁路設(shè)計時遵循以下兩個原則：1)磁導(dǎo)特性不同的部位，磁通面積之比等于初始設(shè)計時該部位磁感應(yīng)強度值之比的倒數(shù)。2)磁導(dǎo)特性相同的部位的磁通面積相同。根據(jù)以上兩個原則以及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可得式(3)

S5/S8=Bt/σBy

(3)

式中Bt為總磁通路中電磁純鐵的磁感應(yīng)強度，By為工作區(qū)域磁流變液磁感應(yīng)強度，σ為漏磁系數(shù)，取1.10。并且

S5=2πRl5

S8=π(R+g+l8+l9)2-π(R+g+l9)2

(4)

同時，l6取值滿足

(5)

求解式(3)，并考慮式(5)，若式(5)不成立，則增大轉(zhuǎn)子直徑，再次求解，求解完成后，可以獲得磁路部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上計算磁動勢。

磁流變液的磁導(dǎo)率大于空氣的磁導(dǎo)率，為了保證實驗中密封間隙內(nèi)的磁流變液內(nèi)部具有足夠的磁場強度，進行磁路分析計算時，密封間隙內(nèi)按空氣處理，來計算所需的磁動勢，進而獲得所需的勵磁電流強度。根據(jù)磁路中各段的磁感應(yīng)強度值，查材料的基本磁化曲線可求得各段磁場強度值，密封間隙值取2.0 mm，其他部分磁路長度取近似值，根據(jù)磁路第二定律和已知參數(shù)求得所需的磁通勢，如式(6)所示

(6)

式中N為線圈匝數(shù)，I為線圈中的電流值。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗系統(tǒng)建立

在完成實驗系統(tǒng)設(shè)計后，建立了實驗系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 不同直徑轉(zhuǎn)子及實驗系統(tǒng)

實驗用LabVIEW作為開發(fā)軟件[8]，系統(tǒng)中的兩臺伺服電機由同一臺工控機進行控制，電機2經(jīng)過減速器帶動轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)檢測裝置轉(zhuǎn)子與定子的相對運動。勵磁繞組纏繞于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸為空心軸，繞組導(dǎo)線穿過轉(zhuǎn)軸空心處，與導(dǎo)電滑環(huán)相接，直流穩(wěn)壓電源通過導(dǎo)電滑環(huán)給勵磁線圈供電。伺服電機1與激光測距傳感器固連，帶動傳感器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對密封間隙不同位置的檢測。伺服電機2以及激光傳感器處都設(shè)置有手動微調(diào)平臺，用以對檢測位置進行微調(diào)。

設(shè)計了4種不同直徑的轉(zhuǎn)子，用以檢測不同密封間隙的密封特性。實驗中，選定某一直徑轉(zhuǎn)子，組裝完成后，應(yīng)用直流電源為勵磁線圈供電，然后再灌裝磁流變液，用以模擬應(yīng)用永磁環(huán)的磁流變磁密封裝置。測試過程如下：1)應(yīng)用傳感器檢測轉(zhuǎn)子端面距傳感器的距離，然后用這一數(shù)值加上極靴厚度，獲得極靴右端面距傳感器的距離；2)伺服電機1以120 r/min的轉(zhuǎn)速帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定圈數(shù)，然后停止；3)應(yīng)用激光測距傳感器檢測密封間隙均勻分布的8個位置，應(yīng)用極靴右端面距傳感器的距離減去檢測距離，獲得磁流變液在密封間隙中的填充距離；4)重復(fù)步驟(2)和步驟(3)。

實驗中發(fā)現(xiàn)，不同檢測位置的填充距離值相近，為了便于表示，對獲得的8個數(shù)值取平均值，作為磁流變液填充距離l的數(shù)值，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 磁流變液填充距離

為了進一步檢驗隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增加，磁流變液是否會持續(xù)泄漏，應(yīng)用密封間隙為0.5 mm的轉(zhuǎn)子，在完成5 000轉(zhuǎn)實驗后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至7 000轉(zhuǎn)，檢測端磁流變液狀態(tài)如圖8所示。實驗結(jié)束后，定子表面溫度上升至約98 ℃。由實驗結(jié)果可知，添加磁流變液后，在轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動時，密封間隙內(nèi)會有少量磁流變液流入。無論采用何種尺寸的轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)數(shù)后，磁流變液都會充滿密封間隙;并且，由實驗數(shù)據(jù)總體趨勢可知，密封間隙越小，充滿密封間隙所需的轉(zhuǎn)數(shù)越少。 磁流變液充滿密封間隙后，實驗條件下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，磁流變液不會持續(xù)泄漏。密封間隙邊緣有少量磁流變液，但是不會流動。密封裝置長時間工作后，產(chǎn)生了大量熱能。

圖8 檢測端磁流變液狀態(tài)

3.2 實驗結(jié)果分析

在外加磁場作用下，磁流變液呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的Bingham體特性。灌裝磁流變液后，少量磁流變液進入密封間隙，在磁場作用下，磁流變液變?yōu)楣虘B(tài)，屈服應(yīng)力增加，阻止了磁流變液進一步流入密封間隙內(nèi)。由于轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動，磁流變液是自由流動，密封間隙的徑向尺寸較大時，流入的磁流變液較多。

當(dāng)磁流變液充滿密封間隙后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，左側(cè)有少量磁流變液溢出，由于定子和轉(zhuǎn)子邊緣處磁場強度較大，溢出的磁流變液會有一少部分停留在此處，在磁場作用下不會流動。

無論采用哪種尺寸的轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)到一定圈數(shù)后，磁流變液都會充滿密封間隙，并且，密封間隙徑向尺寸越小，磁流變液充滿密封間隙所需的轉(zhuǎn)數(shù)越少。

4 結(jié) 論

1) 建立了用于旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的磁流變液密封實驗系統(tǒng)，實驗結(jié)果顯示，不同尺寸的密封間隙，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到一定轉(zhuǎn)數(shù)后，磁流變液都會充滿密封間隙，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，磁流變液不會持續(xù)泄漏，磁流變液密封裝置的動密封效果較好。

2)對于應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的磁流變液密封裝置，過小的徑向尺寸和過大的軸向尺寸，對于提升密封效果作用不大。并且，密封間隙的徑向尺寸越小，密封間隙內(nèi)的磁場強度越大，磁流變液屈服應(yīng)力越大；密封間隙的軸向尺寸越大，密封裝置內(nèi)磁流變液與轉(zhuǎn)軸的接觸面積越大，此兩種情況都會增加工作過程中產(chǎn)生的熱量。

3)磁流變液密封裝置在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生熱量，如果阻尼器長時間、高轉(zhuǎn)速工作，應(yīng)考慮密封裝置的散熱問題。