王 軍 王樂宏 何 帥 王建梅

(太原科技大學(xué)重型機(jī)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(tǒng)的核心動(dòng)力元件，良好的曲軸密封性能是臥式柱塞泵可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[1]。目前，曲軸密封采用骨架油封結(jié)構(gòu)，油封唇口與轉(zhuǎn)軸之間的摩擦磨損制約了柱塞泵的高速化與智能化發(fā)展。磁性液體密封具有零泄漏、長壽命、可調(diào)控和自修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，是煤礦臥式柱塞泵實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)智能化的重要途徑，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2-5]。

趙少迪等[6]研究了礦用帶式輸送機(jī)托輥磁性液體靜密封性能，結(jié)果表明與傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)相比，磁性液體密封托輥旋轉(zhuǎn)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(guān)鍵問題，發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性。TOMIOKA和MIYANAGA[9]研究了血泵轉(zhuǎn)軸磁性液體靜密封性能，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)度的升高而增強(qiáng)。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(shí)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(bǔ)給系統(tǒng)，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(bào)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(chǎn)生較大跳動(dòng)，以及高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的摩擦熱對傳統(tǒng)骨架油封高可靠性與長使用壽命提出巨大挑戰(zhàn)。本文作者基于磁性液體潤滑理論，利用磁性液體自適應(yīng)和低摩擦等特性，設(shè)計(jì)了一種梯度齒寬單磁源磁性液體旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，建立了密封結(jié)構(gòu)磁場有限元模型，研究了不同密封間隙和轉(zhuǎn)速對密封耐壓性能的影響規(guī)律，為礦山井下臥式柱塞泵曲軸密封方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 曲軸磁性液體密封方案

臥式柱塞泵電機(jī)通過一級減速與曲軸連接傳遞動(dòng)力，曲軸通常采用骨架油封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在彈簧作用下密封唇與轉(zhuǎn)軸接觸起到密封作用，同時(shí)密封唇與轉(zhuǎn)軸的摩擦磨損增加了密封泄漏風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步導(dǎo)致軸承潤滑失效。

圖1 臥式柱塞泵局部視圖與曲軸密封結(jié)構(gòu)

在骨架油封位置安裝磁性液體密封結(jié)構(gòu)，主要包括永磁體、極靴、轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)密封作用。不同于傳統(tǒng)多極齒密封結(jié)構(gòu)中極齒齒寬相等，文中設(shè)計(jì)出一種極齒齒寬從靠近永磁體方向到遠(yuǎn)離永磁體方向逐漸增大的梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

圖3 極齒結(jié)構(gòu)

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(jìn)行數(shù)值仿真。有限元模型由永磁體、極靴、轉(zhuǎn)軸和空氣4部分組成。其中，極靴和轉(zhuǎn)軸采用導(dǎo)磁性良好的2Cr13，轉(zhuǎn)軸直徑150 mm，永磁體采用Nd-Fe-B材料，相對磁導(dǎo)率1.05，矯頑力8.9×105A/m[7]。假設(shè)磁性液體相對磁導(dǎo)率和空氣近似相等均為1。鑒于該密封幾何結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)PLANE233高階單元提高計(jì)算精度，施加磁力線平行邊界條件。采用Quad/Free自動(dòng)網(wǎng)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(jì)算精度，對密封間隙與極靴部位做局部網(wǎng)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(wǎng)格數(shù)量直接影響數(shù)值仿真精度，需對網(wǎng)格收斂性進(jìn)行驗(yàn)證。對密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分后提取永磁體一側(cè)密封間隙磁通密度，如圖5所示?？芍邢拊Ｐ蛦卧獋€(gè)數(shù)從19 797增加到42 532時(shí)，磁通密度在極齒附近變化較小，但在永磁體附近發(fā)生很大變化。當(dāng)單元個(gè)數(shù)從42 532增加到149 958時(shí)，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(xù)有限元模型均采用該網(wǎng)格密度。

圖5 不同網(wǎng)格尺寸密封間隙磁通密度

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)磁場分布密切相關(guān)。圖6、圖7所示分別為密封間隙等于0.4 mm時(shí)，梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)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(fā)穿過極靴在極齒處匯聚，少數(shù)磁力線通過極靴外側(cè)形成回路產(chǎn)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(jié)構(gòu)磁力線分布

圖7 密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在不同間隙時(shí)，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(jié)構(gòu)的磁通密度在極齒附近最大，相鄰2個(gè)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(qiáng)。此外，隨著密封間隙的增加，各個(gè)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(jié)構(gòu)相同，均勻極齒密封結(jié)構(gòu)的磁通密度在極齒附近最大，相鄰2個(gè)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(dǎo)致沿遠(yuǎn)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)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(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)公式，密封耐壓能力關(guān)于磁場和轉(zhuǎn)速的關(guān)系[7,12-13]近似為

(1)

式中:N為極齒個(gè)數(shù);Ms為磁性液體飽和磁化強(qiáng)度[14];Bimax是第i個(gè)極齒下的最大磁通密度;ρ是磁性液體密度;ω為密封軸轉(zhuǎn)速;Ri和hi為第i個(gè)極齒處密封軸半徑與密封間隙。

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

(2)

圖9給出了均勻齒寬和梯度齒寬2種不同密封結(jié)構(gòu)的靜密封耐壓力隨密封間隙的變化規(guī)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(shí)，梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)比均勻齒寬密封結(jié)構(gòu)密封能力明顯增強(qiáng)，理論耐壓能力提高約11%。因此，通過改變磁性液體靜密封結(jié)構(gòu)和提高磁性液體飽和磁化強(qiáng)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(jié)構(gòu)耐壓力隨密封間隙的變化

圖10給出了梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)在3種不同密封間隙下密封壓力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律?？芍?，在較小轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，磁性液體密封耐壓力隨轉(zhuǎn)速增大緩慢減小，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，密封耐壓力迅速減小直至失去密封能力。同時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)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(guī)律一致。

圖10 梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)耐壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

圖11示出了均勻齒寬和梯度齒寬2種密封結(jié)構(gòu)在離心力作用下失效時(shí)的最大轉(zhuǎn)速隨密封間隙的變化規(guī)律?？芍?，隨密封間隙的增大，曲軸允許最大轉(zhuǎn)速迅速減小;相同密封間隙下，梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)比經(jīng)典均勻齒寬密封結(jié)構(gòu)可承受更高的失效轉(zhuǎn)速。

圖11 2種密封結(jié)構(gòu)不同密封間隙下的最大轉(zhuǎn)速

4 結(jié)論

針對礦用臥式柱塞泵曲軸密封，設(shè)計(jì)一種梯度齒寬單磁源五極齒密封結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法分析了密封結(jié)構(gòu)的磁場分布特征，研究了不同密封間隙與轉(zhuǎn)速對密封性能的影響規(guī)律。主要得到以下結(jié)論：

(1)相比于經(jīng)典均勻齒寬磁性液體密封結(jié)構(gòu)，梯度齒寬密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)離永磁體方向，各極齒耐壓能力逐漸增強(qiáng)。均勻極齒寬度密封結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)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(dǎo)致密封失效對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速對密封耐壓性能影響較小，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，密封耐壓力迅速減小。