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)

磁性液體用于密封是其最早和最成功的技術(shù)領(lǐng)域之一。磁性液體密封具有零泄漏、長(zhǎng)壽命、無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值的非接觸式新型流體密封技術(shù)之一[1-2]。在航天、核電和國防軍事等大型裝備領(lǐng)域，大直徑軸系徑向跳動(dòng)產(chǎn)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(yán)重制約了磁性液體密封在重型高端領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。因此，如何提高大軸徑磁性液體密封性能，成為國內(nèi)外學(xué)者與工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)[3-5]。

大直徑轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)使得轉(zhuǎn)軸與極靴產(chǎn)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(dòng)對(duì)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(jié)構(gòu)、制備具有高飽和磁化強(qiáng)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(shí)驗(yàn)方法研究了直徑大于300 mm軸徑在密封間隙大于1 mm時(shí)的磁性液體密封耐壓性能，結(jié)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(qiáng)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(duì)磁性液體靜密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如多級(jí)磁源密封結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)[11]等。此外，TOMIOKA和MIYANAGA[12]研究了4種不同飽和磁化強(qiáng)度的磁性液體密封的影響，得到隨著飽和磁化強(qiáng)度的增大，磁性液體靜密封耐壓能力逐漸增強(qiáng)。

為進(jìn)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(jīng)典磁性液體密封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種具有夾芯磁路的新型磁性液體密封結(jié)構(gòu)，研究了密封結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分布特征，采用磁性液體密封耐壓理論對(duì)大間隙作用下磁性液體密封夾芯磁路結(jié)構(gòu)與經(jīng)典密封結(jié)構(gòu)的耐壓能力進(jìn)行了比較和分析。

1 大間隙磁性液體密封結(jié)構(gòu)

夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)是在經(jīng)典磁性液體密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出的，主要包括永磁鐵、極靴、轉(zhuǎn)軸、端蓋、套筒、彈性擋圈、調(diào)心滾子軸承等，如圖1(a)所示。夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)與經(jīng)典磁性液體密封結(jié)構(gòu)相比，在極齒下方增加了一個(gè)環(huán)形磁鐵，該環(huán)形磁鐵被安裝到套筒里面，與套筒一起隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，極靴采用“L”形狀，方便極靴、套筒的安裝、拆卸和對(duì)套筒、新增永磁鐵的固定。該結(jié)構(gòu)通過在軸上嵌套安裝環(huán)形磁鐵，改變了密封間隙中的磁場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)而影響到密封間隙中的磁通密度梯度，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)(a)和磁路示意(b)

2 磁場(chǎng)有限元模型

采用有限元軟件ANSYS APDL對(duì)夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行數(shù)值模擬。夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)由內(nèi)外2個(gè)同心永磁體環(huán)、極靴、轉(zhuǎn)軸等部分組成，為加工方便，極靴極齒采用矩形形狀，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)幾何模型(mm)

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

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

有限元模型網(wǎng)格大小與數(shù)值模型精確度直接相關(guān)，提取不同網(wǎng)格尺寸下密封間隙磁通密度曲線對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，如圖3(b)所示?？芍瑔卧獋€(gè)數(shù)從14 324增加到205 622時(shí)，磁通密度發(fā)生很大變化。然而，當(dāng)單元個(gè)數(shù)繼續(xù)增加到351 368時(shí)，磁通密度與205 622單元個(gè)數(shù)時(shí)幾乎重合。因此，文中后續(xù)有限元模型均采用205 622單元尺寸網(wǎng)格密度。

3 結(jié)果與討論

3.1 密封結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分布

磁性液體密封性能除磁性液體飽和磁化強(qiáng)度、磁-黏特性等自身物化特性外，密封結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分布特征是影響其密封耐壓能力的關(guān)鍵因素。密封結(jié)構(gòu)磁力線分布、磁通密度云圖、磁通密度矢量圖是評(píng)估磁性液體密封磁場(chǎng)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(shí)磁性液體密封經(jīng)典結(jié)構(gòu)與夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)的磁力線分布。

圖4 經(jīng)典結(jié)構(gòu)(a)、夾芯結(jié)構(gòu)(b)磁力線分布

由圖4可知，2種密封結(jié)構(gòu)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(yuǎn)小于極靴和軸上的磁力線分布的密度。同時(shí)，在密封結(jié)構(gòu)的外空氣側(cè)，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(jié)構(gòu)的最外側(cè)，極靴、永磁體與空氣接觸處漏磁嚴(yán)重。通過極靴的大部分磁力線聚集到極齒上，這導(dǎo)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(nèi)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(nèi)外的壓力差，起到密封作用。與經(jīng)典磁性液體密封結(jié)構(gòu)相比，夾芯密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)永磁體使得通過軸的近表面磁力線數(shù)量更多。通過對(duì)比觀察2種不同密封結(jié)構(gòu)的磁力線分布圖，可判斷出所設(shè)計(jì)的夾芯磁路磁性液體密封結(jié)構(gòu)合理可行。

為進(jìn)一步研究密封結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分布情況，圖5給出了磁性液體密封經(jīng)典結(jié)構(gòu)與夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)的磁通密度云圖?？芍?種密封結(jié)構(gòu)的磁通密度大小關(guān)于磁鐵徑向?qū)ΨQ分布，在密封間隙處磁通密度最大，這與密封結(jié)構(gòu)磁力線分布圖中表現(xiàn)的一致。此外，空氣中的磁通密度要小于極靴和轉(zhuǎn)軸上磁通密度。同時(shí)，在極齒下方的密封間隙處夾芯結(jié)構(gòu)磁通密度梯度明顯高于經(jīng)典結(jié)構(gòu)磁通密度梯度，提高了磁性液體密封性能。

圖5 經(jīng)典結(jié)構(gòu)(a)、夾芯結(jié)構(gòu)(b)磁通密度云圖

圖6給出了夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)的磁通密度矢量分布情況，其中箭頭的方向代表磁場(chǎng)的方向，顏色代表磁通密度的大小?？芍?，極靴位置處磁通密度最大，極齒上的磁場(chǎng)方向幾乎全部垂直于轉(zhuǎn)軸，2個(gè)極靴極齒處的磁場(chǎng)方向表現(xiàn)出反對(duì)稱分布形式，密封結(jié)構(gòu)具有良好的磁路特征。

圖6 磁通密度矢量圖

3.2 密封結(jié)構(gòu)耐壓性能分析

磁性液體在非均勻磁場(chǎng)作用下形成磁性液體“O”形圈，磁性液體存在壓差作用時(shí)，非均勻磁場(chǎng)使得磁性液體受到抵抗壓差的磁場(chǎng)力起到密封作用，單級(jí)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(qiáng)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(shí)，磁性液體密封經(jīng)典結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的密封間隙內(nèi)磁通密度分布曲線?？芍磐芏惹€關(guān)于磁鐵呈對(duì)稱分布，在極齒處表現(xiàn)出顯著的磁通密度差值。對(duì)比2種不同磁性液體密封結(jié)構(gòu)密封間隙中的磁通密度分布，得出2種密封結(jié)構(gòu)的極齒處最大磁通密度相差較小，但改進(jìn)的夾芯密封結(jié)構(gòu)在極齒處的最小磁通密度明顯小于經(jīng)典結(jié)構(gòu)在極齒處的最小磁通密度，導(dǎo)致改進(jìn)的夾芯密封結(jié)構(gòu)比經(jīng)典的密封結(jié)構(gòu)具有更大的磁通密度差值，使得改進(jìn)后的夾芯磁路磁性液體密封結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的聚磁能力。根據(jù)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(qiáng)度有關(guān)。因此，在相同磁性液體條件下，具有夾芯磁路的密封結(jié)構(gòu)比經(jīng)典磁性液體密封結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的密封耐壓能力。

圖7 0.4 mm密封間隙內(nèi)磁通密度分布

為進(jìn)一步研究大間隙對(duì)密封耐壓能力的影響規(guī)律，圖8給出了相同磁性液體條件下2種磁性液體密封結(jié)構(gòu)在密封間隙從0.2 mm增加到1 mm的抗壓性能?？梢缘玫?，隨著密封間隙的增大，2種結(jié)構(gòu)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(guī)律與李德才教授在大直徑大間隙磁性液體靜密封的實(shí)驗(yàn)研究中得到的密封間隙與耐壓能力關(guān)系的規(guī)律一致[7]。同時(shí)，大間隙條件下具有夾芯磁路的密封結(jié)構(gòu)在抗壓能力比經(jīng)典磁性液體靜密封結(jié)構(gòu)顯增強(qiáng)，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(jìn)結(jié)構(gòu)相比于經(jīng)典結(jié)構(gòu)，其理論耐壓能力提高百分比逐漸增大，從0.2 mm間隙時(shí)的11.7%增加到1 mm間隙時(shí)的29.7%，具有夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)在大間隙下對(duì)密封耐壓能力的提升效果尤為顯著。

圖8 2種密封結(jié)構(gòu)耐壓能力的比較

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬研究了夾芯磁路密封結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布和耐壓性能。主要得到以下結(jié)論：

(1)相比于經(jīng)典磁性液體密封結(jié)構(gòu)，夾芯密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)永磁體使得通過軸的近表面磁力線數(shù)量更多；同時(shí)，夾芯密封結(jié)構(gòu)具有更大的磁通密度差值，導(dǎo)致其具有更強(qiáng)的聚磁能力。因此，具有夾芯磁路的密封結(jié)構(gòu)表現(xiàn)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(jié)構(gòu)相比于經(jīng)典結(jié)構(gòu)，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(shí)的11.7%增加到1 mm間隙時(shí)的29.7%。

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