柔性極靴磁脂密封溫度場和傳熱性能的研究

李子賢,張東勝,張 禹，李雙喜

(北京化工大學(xué)，北京 100029)

設(shè)計計算

柔性極靴磁脂密封溫度場和傳熱性能的研究

李子賢,張東勝,張 禹，李雙喜

(北京化工大學(xué)，北京 100029)

針對現(xiàn)有磁脂密封密封能力有限、運(yùn)行時極靴易與轉(zhuǎn)軸發(fā)生剛性磕碰；而刷式密封摩擦生熱較大、不能實現(xiàn)零泄漏等問題，綜合磁脂密封與刷式密封的特點，提出了新型柔性極靴磁脂密封。利用GAMBIT和FLUENT軟件建立柔性極靴磁脂密封的數(shù)值分析模型，對比分析了柔性極靴磁脂密封理論上的溫度場分布以及磁脂溫升規(guī)律等傳熱特性。結(jié)果表明：密封的接觸線速度、柔性絲的直徑、排列傾角和安裝過盈量都會對磁脂溫度變化產(chǎn)生一定的影響；排列傾角和安裝過盈量對磁脂溫升的影響有限。由于涂層厚度過小，改變涂層材料，對磁脂溫度的影響較小。此外，建立了柔性極靴磁脂密封試驗系統(tǒng)，驗證了隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加，柔性極靴密封功耗和磁脂溫度會有明顯的上升。

磁脂密封；柔性極靴；磁場分布；磁脂溫升

1 前言

作為成熟的密封技術(shù)，磁脂密封和刷式密封都能在特定工況下滿足密封的要求[1]，但受限于現(xiàn)有的密封結(jié)構(gòu)和工作原理[2]，磁脂密封和刷式密封也存在一定的局限性[3，4]。

(1)磁脂密封能夠?qū)崿F(xiàn)零泄漏并有自修復(fù)能力；然而，其耐壓能力有限，為了降低剪切和摩擦帶來的磁脂溫升，延長磁脂壽命，同時避免轉(zhuǎn)軸與極靴發(fā)生磕碰，一般在設(shè)計時反而采用更大的密封間隙尺寸[5]。

(2)刷式密封能夠防止軸與密封件的磕碰，適應(yīng)轉(zhuǎn)軸偏心運(yùn)動，同時使設(shè)備運(yùn)行更加安全穩(wěn)定。但由于密封原理的限制，刷式密封不能做到零泄漏，僅適合氣體介質(zhì)的密封以及耐壓要求不高的場合。

針對現(xiàn)有密封的特點和局限性，將刷式密封的刷環(huán)引入到磁脂密封中，作為柔性極靴，代替原有的硬極靴，提出新型柔性極靴磁脂密封并探究了新型柔性極靴磁脂密封溫度變化的影響因素[6]。

柔性極靴磁脂密封利用柔性極靴的柔軟刷絲，避免了普通磁脂密封的轉(zhuǎn)軸與極靴的碰撞問題，允許更大的軸偏擺量；同時，與刷式密封相比，柔性極靴磁脂密封添加的磁脂可以有效減小泄漏量并提高密封能力，從而適用于更廣泛的工作場合。

2 基本原理

柔性極靴磁脂密封由外殼、內(nèi)外側(cè)擋板、永磁鐵、柔性極靴、涂層、軸套、壓蓋和視鏡組成。永磁鐵左右兩側(cè)各布置有一組密封元件，包括內(nèi)側(cè)擋板、柔性極靴和外側(cè)擋板。其中，擋板與轉(zhuǎn)軸不接觸，留有一定的間隙。軸套的外表面布置有涂層，柔性極靴與其接觸配合。柔性極靴磁脂密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性極靴磁脂密封結(jié)構(gòu)示意

由于永磁鐵強(qiáng)磁性和柔性極靴傳導(dǎo)磁場的作用，磁脂可以吸附并聚集在擋板和轉(zhuǎn)軸表面間的柔性極靴周圍及其間隙中，磁脂和柔性極靴共同起到承受密封介質(zhì)壓力和阻止泄漏的作用。

3 傳熱特性的數(shù)值分析

3.1 傳熱機(jī)理

柔性極靴磁脂密封的發(fā)熱源主要有2個：磁脂與轉(zhuǎn)軸的摩擦熱Qc和柔性極靴與轉(zhuǎn)軸的摩擦熱Qr[7～10]，如圖2所示。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可以計算得到具體的摩擦熱數(shù)值[7～10]。

圖2 柔性極靴磁脂密封傳熱機(jī)理示意

3.2 傳熱數(shù)值分析模型及其方法

由于柔性極靴磁脂密封的外殼與壓蓋，以及軸套與轉(zhuǎn)軸采用的材料相同，建模時可以視為同一整體，如圖3所示。并利用多孔介質(zhì)模型模擬柔性極靴區(qū)域，并計算其孔隙率，以及內(nèi)部的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)[11，12]。

圖3 物理模型

對模型設(shè)定對應(yīng)的材料參數(shù)，見表1。并完成網(wǎng)格劃分[13]。

表1 模型材料參數(shù)

如圖4所示,根據(jù)對密封傳熱機(jī)理的分析，模型中CD、DE邊與外界空氣存在自然對流換熱，因此設(shè)定為對流換熱邊界條件。由于模型沿EF邊為對稱結(jié)構(gòu)，F(xiàn)C邊界兩側(cè)各存在一組相同的密封元件，理論上發(fā)熱量相同，因此EF和FC邊界兩側(cè)的熱流量相等，可以將其設(shè)定為絕熱邊界條件。模型中其余均為耦合邊界，其兩側(cè)可以完成熱量傳遞。此外，密封與外界空氣自然對流換熱邊界的具體參數(shù)見表2[14]。

圖4 模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

表2 對流換熱參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果及分析

通過設(shè)定磁脂溫度，進(jìn)行迭代求解，逐步逼近磁脂真實溫度值的方法完成傳熱數(shù)值分析[15]，得到密封的溫度場分布情況，如圖5所示。

圖5 密封溫度云圖

顯然，密封結(jié)構(gòu)中溫度最高處為磁脂。由于在密封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，磁脂與轉(zhuǎn)軸會發(fā)生剪切作用，由此產(chǎn)生大量的摩擦熱，因此磁脂是密封中重要的熱源；與此同時，柔性極靴與轉(zhuǎn)軸的摩擦熱熱源接近磁脂，通過熱傳遞，能促使磁脂溫度進(jìn)一步的升高。

3.3.1 密封接觸線速度

由于磁脂與轉(zhuǎn)軸摩擦熱，以及柔性極靴與轉(zhuǎn)軸摩擦熱隨線速度的增大而提升，因此磁脂溫度也隨之升高，如圖6所示。其中，柔性極靴摩擦熱對磁脂溫升的影響程度不大，但會隨著轉(zhuǎn)速升高而逐漸增加，高轉(zhuǎn)速時應(yīng)予以注意。

圖6 磁脂溫度隨密封線速度的變化

3.3.2 柔性絲直徑

磁脂溫度隨柔性絲直徑的變化如圖7所示。從圖7中可看出，隨著柔性絲直徑增大，柔性極靴與轉(zhuǎn)軸摩擦熱快速升高，磁脂溫升變快，此時，柔性極靴摩擦熱對磁脂溫升的影響程度很大。將柔性絲直徑控制在較小的范圍，不僅可以有效降低磁脂的溫升，同時對提高密封耐壓和傳熱能力，改善柔性極靴受力情況，降低摩擦磨損，延長使用壽命都有著積極的作用。

圖7 磁脂溫度隨柔性絲直徑的變化

3.3.3 柔性絲排列傾角

磁脂溫度隨柔性絲排列傾角的變化如圖8所示。從圖8中可看出，隨著柔性絲排列傾角的增大，磁脂溫度在很小的范圍內(nèi)下降，但影響程度極其有限，同時，柔性極靴摩擦熱對磁脂溫升也沒有明顯的影響。但增大柔性絲的排列傾角會明顯地降低柔性極靴的孔隙率，有利于密封的耐壓和傳熱，同時便于密封裝配。

圖8 磁脂溫度隨柔性絲排列傾角的變化

3.3.4 柔性極靴安裝過盈量

磁脂溫度隨柔性極靴安裝過盈量的變化如圖9所示。從圖9中可看出，當(dāng)柔性極靴的安裝過盈量增大時，磁脂溫度會隨之提高，但引起的溫升幅度較小。安裝過盈量對密封傳熱和磁脂溫升的影響比柔性絲排列傾角要大，但也比較有限。

圖9 磁脂溫度隨柔性極靴安裝過盈量的變化

3.3.5 涂層材料

不同涂層材料時的磁脂溫度和熱流量見表3。從表3可知,當(dāng)涂層材料為銅和軸套不布置涂層時，傳熱數(shù)值分析結(jié)果差別不大，可以從其他方面加以考慮，選擇合適的涂層材料。例如，當(dāng)軸套不布置涂層時，密封加工較為便利，使用方便；當(dāng)涂層材料為銅和陶瓷時，由于銅有著更高的導(dǎo)熱系數(shù)和更低的摩擦系數(shù)[15]，在一定程度上可以使磁脂溫度略低于陶瓷作涂層時的情況；但是，陶瓷的耐磨性好于銅，有助于改善柔性極靴與轉(zhuǎn)軸的磨損情況，延長密封的使用壽命。

表3 不同涂層材料時的磁脂溫度和熱流量

4 傳熱試驗研究

柔性極革化磁脂密封的偉熱試驗裝置如圖10所示。由于密封裝置的功耗是引起磁脂溫升最直接的原因，因此應(yīng)該首先對其功耗進(jìn)行分析，進(jìn)而研究密封功耗和磁脂溫升的關(guān)系。

圖10 試驗臺布置

轉(zhuǎn)軸的剪切作用會加劇磁脂、柔性極靴與轉(zhuǎn)軸的摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱以及功耗，導(dǎo)致磁脂溫度上升，影響密封的性能和使用壽命[17]。當(dāng)發(fā)熱量與散熱量相等時，裝置達(dá)到熱平衡，磁脂溫度逐漸穩(wěn)定，達(dá)到其平衡溫度。

柔性極靴磁脂密封裝置的實際功耗可以根據(jù)變頻器的實時數(shù)據(jù)，計算得出。首先測定未裝密封，即空載時，一組轉(zhuǎn)速下的功率W0；安裝密封裝置后，即負(fù)載時，測定對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的功率W1。則密封裝置在不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的實際功耗WS為兩者差值。

柔性極靴磁脂密封裝置的實際功耗可以根據(jù)變頻器的實時數(shù)據(jù)，計算得出。首先測定未裝密封，即空載時，一組轉(zhuǎn)速下的功率W0；安裝密封裝置后，即負(fù)載時，測定對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的功率W1。則密封裝置在不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的實際功耗WS為兩者差值。

根據(jù)表1中的試驗設(shè)計參數(shù)，參考相關(guān)理論計算公式，得到柔性極靴和磁脂在試驗中的理論摩擦功耗，兩者之和為密封裝置的理論功耗。同時，測定不同轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速下的磁脂平衡溫度。由于端蓋和視鏡的遮擋，因此溫升試驗進(jìn)行時，由裝置外殼中部的進(jìn)氣口通入被密封氣體，拆卸視鏡，從外側(cè)測量磁脂的溫度。紅外點溫槍對磁脂圓周進(jìn)行四點測溫取平均值，作為實際的磁脂溫度。

測試2種材料柔性極靴磁脂密封在不同轉(zhuǎn)速下，對應(yīng)的密封裝置功耗和磁脂平衡溫度，并與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對比。

4.1 功耗試驗結(jié)果

密封的功耗隨轉(zhuǎn)速的變化情況如圖11所示。從圖11中可知，隨著轉(zhuǎn)速增加，密封的功耗明顯上升，且影響程度很大。由于制作材料的關(guān)系，鍍銅鐵絲的直徑和硬度較大，其作為柔性極靴時密封的功耗會略高于鐵鎳合金絲。由于理論上沒有考慮柔性絲之間、柔性絲與擋板之間的干涉摩擦作用，柔性極靴的接觸力實際上要高于理論值，柔性極靴與轉(zhuǎn)軸的實際摩擦功耗自然更大。因此，密封裝置的實際功耗比理論值略高。

(a)鍍銅鐵絲柔性極靴

(b)鐵鎳合金絲柔性極靴

圖11 密封裝置功耗隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的變化

4.2 溫升試驗結(jié)果

溫升試驗結(jié)果如圖12所示。從圖12中可知，磁脂溫度隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增大而升高，密封功耗是造成磁脂溫升最根本的原因，磁脂的理論溫度也在一定程度上小于實際值。其中由于鍍銅鐵絲本身材質(zhì)的關(guān)系，鍍銅鐵絲作柔性極靴時，磁脂溫度的實際值與理論值相差要遠(yuǎn)大于鐵鎳合金絲。

(a)鍍銅鐵絲柔性極靴

(b)鐵鎳合金絲柔性極靴

圖12 磁脂溫度隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的變化

5 結(jié)論

(1)分析了柔性極靴磁脂密封的傳熱機(jī)理，得到以磁脂作為熱源的密封裝置溫度場分布。磁脂是密封結(jié)構(gòu)中溫度最高處，溫度依次遞減，轉(zhuǎn)軸和涂層散熱困難，而永磁鐵、擋板和柔性極靴則容易散熱。

(2)密封的接觸線速度對磁脂溫升有著重要的影響，不宜過大。柔性絲的直徑、排列傾角和安裝過盈量都會對磁脂溫度產(chǎn)生一定的影響，減小直徑能有效降低磁脂溫升，同時能提高密封綜合性能；排列傾角和安裝過盈量對磁脂溫升的影響有限。由于涂層厚度過小，改變涂層材料，對磁脂溫度的影響較小。

(3)通過試驗研究了柔性極靴磁脂密封的磁脂溫度和功耗隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的變化。由于柔性極靴的作用，隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加，密封功耗和磁脂溫度會有明顯的上升。

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Performance Study of Temperature Field and Heat Transfer of Magnetic Grease Seal with Flexible Pole Piece

LI Zi-xian，ZHANG Dong-sheng，ZHANG Yu，LI Shuang-xi

(Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

With regard to existing problems of current magnetic grease seal and brush seal such as low bearing pressure ability,pole piece bumps against spindle frequently,biggish friction heat and necessary leakage,combining adventages of magnetic grease seal and brush seal,new Magnetic Grease Seal with Flexible Pole Piece (MGS-FPP)is presented.FEM model for MGS-FPP was set up by GAMBIT and thermal field of seal,temperature of magnetic grease and heat transfer characters were relatively studied in theory.The result shows that sealing contact line speed and the diameter of the flexible pole piece have effect on the temperature change,while arrangement angle and installation interference exerts an limited impact on the temperature rise.Due to thin coating,changing coating material has little influence on temperature of magnetic grease.In addition,test system for MGS-FPP was also established and it is verified that with the shaft speed increasing,the power consumption and the temperature of magnetic grease significantly rise.

magnetic grease seal;flexible pole piece;magnetic field distribution;magnetic grease temperature

1005-0329(2017)03-0015-05

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目(2012CB026000)

TH136；T42

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.004

李子賢(1992-)，男，碩士在讀，主要從事流體密封技術(shù)方面研究， E-mail:lizixian1992@126.com。

李雙喜(1977-)，男，副教授，主要從事特種密封技術(shù)的研究，通訊地址：100029 北京市朝陽區(qū)北三環(huán)東路15號北京化工大學(xué)36號信箱，E-mail：buctlsx@126.com。

收入日期： 2016-07-25 收入日期： 2016-09-02