大間隙多級(jí)磁源磁性液體密封的實(shí)驗(yàn)研究

楊小龍，李德才，邢斐斐

(北京交通大學(xué) 機(jī)械電子與控制工程學(xué)院，北京100044)

0 引言

磁性液體密封具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零泄漏、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于壓力、真空等多種密封形式領(lǐng)域中[1]。對(duì)于磁性液體密封的應(yīng)用領(lǐng)域而言，磁性液體密封的大間隙是指磁性液體密封中的極齒與轉(zhuǎn)軸之間的距離大于0.25 mm 的間隙[2－3]。對(duì)于軍工領(lǐng)域中船舶等大直徑主軸密封而言，由于軸的較大徑向跳動(dòng)導(dǎo)致軸與極靴的摩擦磨損而破壞磁性液體密封性能，因此要求磁性液體密封的轉(zhuǎn)軸與極靴上的極齒之間的密封間隙較大。但在大間隙條件下，由于傳統(tǒng)的密封無法滿足長(zhǎng)壽命和零泄漏要求，而單級(jí)磁源磁性液體的密封耐壓能力盡管能滿足上述要求但耐壓能力較小，因此提高大間隙磁性液體密封的耐壓能力與自愈合能力具有重要的意義[4]。李德才等[2]、何新智等[5]實(shí)驗(yàn)研究了大直徑大間隙磁性液體密封的性能，但其采用的密封結(jié)構(gòu)方式為單級(jí)磁源磁性液體密封結(jié)構(gòu)。為了提高及驗(yàn)證大間隙磁性液體密封性能，本文從增加磁源數(shù)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一種多級(jí)磁源磁性液體密封結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了0.4 ～0.7 mm 密封間隙下其耐壓性能及自愈合性能。

1 磁性液體密封耐壓公式

當(dāng)轉(zhuǎn)軸以200 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，速度對(duì)磁性液體密封的影響可以忽略，故磁性液體靜密封的耐壓公式[1，6]為

式中:Himin和Himax分別為第i 齒下最小和最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度;Bimin和Bimax分別為第i 齒下最小和最大的磁通量密度;μ0為真空磁導(dǎo)率;M 和MS分別為磁性液體密封極齒下磁性液體的磁化強(qiáng)度和飽和磁化強(qiáng)度;N 為極齒的數(shù)量?？煽闯?，在磁性液體密封結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，磁性液體的耐壓能力與磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度，磁源數(shù)和極齒數(shù)有關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

如圖1 所示設(shè)計(jì)的多級(jí)磁源磁性液體密封結(jié)構(gòu)。

圖1 磁性液體密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of magnetic liquid seal

多級(jí)磁源指2 個(gè)及2 個(gè)以上的為磁性液體密封的磁路提供磁能的永磁體。文中多級(jí)磁源數(shù)量為5 個(gè)。其中:極靴的內(nèi)徑30.2 mm、外徑52 mm、軸向長(zhǎng)6 mm、極靴上極齒夾角90°;永磁體內(nèi)徑34 mm、外徑50 mm、軸向長(zhǎng)5 mm;轉(zhuǎn)軸初始直徑29.4 mm.本實(shí)驗(yàn)使用飽和磁化強(qiáng)度為41.4 kA/m 酯基磁性液體，研究的密封間隙大小分別為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm，其對(duì)應(yīng)主軸直徑分別為29.4 mm、29.2 mm、29.0 mm、28.8 mm.

如圖2 所示磁性液體動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Experimental stand

電機(jī)帶動(dòng)密封裝置的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，氮?dú)馄客ㄟ^閥門給密封腔加壓，壓力表檢測(cè)相應(yīng)的腔內(nèi)壓力值。根據(jù)上述參數(shù)加工完磁性液體密封結(jié)構(gòu)的零件后進(jìn)行裝配，并在0.4 mm 密封間隙內(nèi)注入5 mL 的酯基磁性液體。為了精確地檢測(cè)到氣體泄漏，使用可檢測(cè)到氣體最小泄漏率1 ×10－11(Pa·m3)/s 氦質(zhì)譜檢漏儀。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過變頻器將轉(zhuǎn)速調(diào)到200 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)30 min 后，使用氮?dú)馄棵扛? min 給密封腔加壓0.02 MPa，并觀察2 min，直到氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)到泄漏并記錄此時(shí)的耐壓能力。當(dāng)密封腔內(nèi)的氣體泄漏一段時(shí)間后，壓力值趨于穩(wěn)定，記錄此間隙下的多級(jí)磁源磁性液體的自愈合耐壓值，保持12 h，再次記錄壓力表顯示的數(shù)值。

3 結(jié)果分析與討論

在研究磁性液體密封時(shí)，要求磁性液具有良好的耐壓能力和自愈合能力以保證磁性液體密封的可靠性。

3.1 大間隙條件下多級(jí)磁源磁性液體密封性能的規(guī)律

如圖3 所示密封間隙高從0.4 ～0.7 mm 時(shí)單級(jí)磁源磁性液體密封的理論耐壓曲線與多級(jí)磁源磁性液體密封的實(shí)驗(yàn)曲線。

圖3 不同間隙下單級(jí)磁源磁性液體密封能力的理論值與多級(jí)磁源磁性液體密封能力實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.3 Comparison of the theoretical values of magnetic liquid seal with single magnetic source and the experimental values of magnetic liquid seal with multiple magnetic source for different gap heights

由圖3 可看出，當(dāng)密封間隙高從0.40 mm 增至0.70 mm 時(shí)，多級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓能力分別為單級(jí)磁源磁性液體密封耐壓能力的4.8 倍、3.8 倍、2.8 倍和2.5 倍，表明增加磁源數(shù)量是提高大間隙磁性液體密封耐壓能力的一種有效方法。原因在于多級(jí)磁源的磁性液體密封而言，其中間密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)是由極靴兩側(cè)的永磁體提供的，明顯大于單級(jí)磁源提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度。由磁性液體密封的理論耐壓公式可知，在飽和磁化強(qiáng)度一定的情況下，磁性液體密封的耐壓能力與密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及密封級(jí)數(shù)有關(guān)，因此多級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓能力大于單級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓值。

由圖3 不難發(fā)現(xiàn):當(dāng)間隙高從0.4 mm 增至0.7 mm時(shí)，多級(jí)磁源磁性液體密封耐壓能力的衰減值約為單級(jí)磁源磁性液體密封耐壓能力衰減值的8.8 倍，原因在于多級(jí)磁源磁性液體密封結(jié)構(gòu)由5 個(gè)磁源提供磁能，當(dāng)密封間隙增大時(shí)，多級(jí)磁源磁性液體密封耐壓能力的損失應(yīng)為5 個(gè)磁源減少的磁壓之和;還可看出，單級(jí)磁源與多級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓能力隨著密封間隙的增大而減小，原因在于當(dāng)密封間隙增大時(shí)，磁性液體密封磁路中的總磁阻增加。根據(jù)磁路定律，在磁能不變的情況下總磁阻的增加導(dǎo)致磁路中磁通量的減少從而導(dǎo)致磁通密度的減少。由磁性液體密封的理論耐壓公式可知，當(dāng)多級(jí)磁源磁性液體密封的極靴極齒下的磁通量密度減少時(shí)，磁性液體密封的總耐壓能力也隨之減少。

為了研究在大間隙條件下磁性液體密封中所有磁源是否完全發(fā)揮了作用，在密封間隙為0.7 mm不同數(shù)量的遠(yuǎn)離密封腔極靴下均注入1 mL 磁性液體以研究磁源數(shù)量對(duì)密封耐壓能力的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 磁源數(shù)量對(duì)密封性能的影響Fig.4 Effect of the amount of magnets on sealing property

由圖4 可看出，當(dāng)用于提供磁能的磁源數(shù)量從3 個(gè)增至5 個(gè)時(shí)，磁性液體的耐壓能力不變，表明密封間隙為0.7 mm 時(shí)多級(jí)磁源磁性液體密封中部分磁源沒有發(fā)揮作用，且存在1 個(gè)最佳磁源數(shù)。但由于在反復(fù)安裝過程中對(duì)密封件外殼的磨損導(dǎo)致無法繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

從理論角度出發(fā)，采用有限元方法模擬了間隙為0.7 mm 時(shí)極齒下的磁場(chǎng)分布如圖5 所示。

圖5 0.7 mm 間隙內(nèi)的磁場(chǎng)分布Fig.5 Magnetic field distribution in 0.7 mm gap

根據(jù)磁性液體密封的理論耐壓公式(1)式及圖5 中的磁場(chǎng)分布計(jì)算出磁源數(shù)為3 個(gè)和4 個(gè)時(shí)的磁性液體密封的理論耐壓能力分別為0.13 MPa 和0.17 MPa.實(shí)驗(yàn)值0.16 MPa 與磁源數(shù)為4 時(shí)的理論值更接近，表明間隙為0.7 mm 多級(jí)磁源磁性液體密封的最佳磁源數(shù)為4.磁源數(shù)為3 個(gè)時(shí)，理論上磁性液體密封的理論耐壓值應(yīng)大于實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果卻相反，原因在于實(shí)驗(yàn)研究磁源數(shù)對(duì)多級(jí)磁源磁性液體密封的影響時(shí)，只是在遠(yuǎn)離密封腔的4 個(gè)極靴上注入了磁性液體，而靠近密封腔的2 個(gè)極靴和磁源既未注入磁液也沒有去除，導(dǎo)致靠近密封腔的磁源對(duì)遠(yuǎn)離密封腔端的注有磁性液體的極靴下的磁場(chǎng)會(huì)有干擾，從而增加了靠近密封腔端注有磁性液體的極靴下的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此發(fā)生理論值大于實(shí)驗(yàn)值的現(xiàn)象。當(dāng)磁源數(shù)超過4 個(gè)時(shí)，由于大間隙磁性液體密封的總耐壓能力不再增加，因此增加磁源數(shù)量將會(huì)導(dǎo)致磁性液體密封的軸向長(zhǎng)及密封成本的增加。因此，在設(shè)計(jì)密封間隙為0.7 mm 的多級(jí)磁源磁性液體密封時(shí)，應(yīng)根據(jù)被密封介質(zhì)的壓力大小合理選擇磁源數(shù)量，最多不超過4 個(gè)。

3.2 大間隙對(duì)多級(jí)磁源磁性液體密封自愈合能力的影響

如圖6 所示密封間隙高由0.4 mm 增至0.7 mm時(shí)，單級(jí)磁源磁性液體密封的理論耐壓曲線與多級(jí)磁源磁性液體密封自愈合能力的實(shí)驗(yàn)曲線。

圖6 單級(jí)磁源磁性液體密封的理論耐壓值與多級(jí)磁源磁性液體密封自愈合能力的比較Fig.6 Comparison of the theoretical values of magnetic liquid seal with single magnetic source and the selfhealing capabilities of the magnetic liquid seal with multiple magnetic sources for different gap heights

可看出:與單級(jí)磁源磁性液體密封的理論耐壓曲線相同，多級(jí)磁源磁性液體密封自愈合能力隨著間隙高度的增加而減小;隨著間隙的增加，多級(jí)磁源磁性液體密封的自愈合能力明顯大于單級(jí)磁源磁性液體密封的理論耐壓能力，表明多級(jí)磁源磁性液體密封具有良好的二次密封性，有利于提高大間隙磁性液體密封的可靠性，同時(shí)也表明多級(jí)磁源磁性液體密封較單級(jí)磁源磁性液體密封具有明顯的優(yōu)勢(shì)，原因在于多級(jí)磁源密封結(jié)構(gòu)密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于單級(jí)磁源結(jié)構(gòu)密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致多級(jí)磁源磁性液體密封第1 次失效時(shí)其損失的磁性液體量少于單級(jí)磁源的密封失效時(shí)磁性液體的損失量。同時(shí)，多級(jí)磁源密封結(jié)構(gòu)密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度依然大于單級(jí)磁源密封結(jié)構(gòu)密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此多級(jí)磁源磁性液體密封的自愈合能力即多級(jí)磁源密封結(jié)構(gòu)的二次密封性能大于單級(jí)磁源密封結(jié)構(gòu)的理論密封耐壓能力。

當(dāng)密封間隙由0.4 mm 增至0.5 mm 時(shí)，多級(jí)磁源磁性液體密封減少的自愈合能力占其總壓降的88%，表明當(dāng)密封間隙高大于0.4 mm 時(shí)，磁性液體密封自愈合能力顯著降低，導(dǎo)致多級(jí)磁源磁性液體二次密封的可靠性降低。因此，當(dāng)密封間隙在滿足旋轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)而不導(dǎo)致極齒與轉(zhuǎn)軸摩擦磨損的情況下，為了保證大間隙多級(jí)磁源磁性液體密封的可靠性，應(yīng)盡量選擇較小的密封間隙。

4 結(jié)論

1)當(dāng)密封間隙高度分別為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm 時(shí)，多級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓能力分別為單級(jí)磁源磁性液體密封耐壓能力的4.8 倍、3.8 倍、2.8 倍、2.5 倍;

2)密封間隙高0.7 mm 時(shí)，大間隙多級(jí)磁源磁性液體密封的最佳磁源數(shù)為4 個(gè);

3)與單級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓能力相比，采用多級(jí)磁源磁性液體密封結(jié)構(gòu)是一種提高大間隙磁性液體密封的有效方法，且多級(jí)磁源磁性液體密封的耐壓能力與自愈合能力隨著密封間隙的增加減小;

4)大間隙多級(jí)磁源磁性液體密封具有良好的自愈合能力，有利于提高二次密封的可靠性。

References)

[1]Rosensweig R E.Ferrohydrodynamics [M].New York:Dover Publications Inc，2002:54 －61，142 －146.

[2]李德才，楊文明.大直徑大間隙磁性液體靜密封的實(shí)驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31(3):355 －359.LI De－cai，YANG Wen－ming.Experimental study of static sealing structure with large diameter and sealing gap using magnetic fluid[J].Acta Armamentarii，2010，31(3):355 －359.(in Chinese)

[3]鄒繼斌，陸永平.磁性流體密封原理與設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000:114 －115.ZOU Ji－bin，LU Yong－ping.Fundamentals and design method of magnetic fluid seals [M].Beijing:National Defense Industry Press，2000:114 －115.(in Chinese)

[4]劉穎，王全勝，王建華.磁流體密封自修復(fù)的試驗(yàn)研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(3):72 －76.LIU Ying，WANG Quan－sheng，WANG Jian－h(huán)ua.Experimental research on self－restoring of magnetic fluid seal[J].Tribology，1998，18(3):72 －76.(in Chinese)

[5]何新智，李德才，孫明禮，等.大直徑法蘭磁性液體靜密封的實(shí)驗(yàn)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，28(2):179 －181.HE Xin－zhi，LI De－cai，SUN Ming－li，et al.Experimental study of static sealing of large flange with magnetic fluid[J].Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2008，28(2):179 －181.(in Chinese)

[6]李德才.磁性液體的理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2003:456 －460.LI De－cai.The theory and application of magnetic fluid[M].Beijing:Science Press，2003:456 －460.(in Chinese)