磁性液體大間隙旋轉(zhuǎn)密封裝置的設計及實驗研究*

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(1.北京電子科技職業(yè)學院 北京 100176；2.清華大學機械工程系 北京 100084)

磁性液體密封是依靠液體材料填充密封間隙的方式而實現(xiàn)密封功能的，具有許多傳統(tǒng)機械密封無法超越的優(yōu)點。磁性液體密封結構設計主要包括磁性液體密封件各元件的材料選擇、極靴齒形的設計、極靴與導磁套的間隙選定、耐壓級數(shù)的確定以及磁路的合理計算、軸承組件與磁芯的相對位置等[1-3]。

目前,采用普通磁性液體密封液體介質(zhì)仍然是一個未解決的難題。主要原因在于界面不穩(wěn)定性引起的摻和和磁性液體基載液與密封介質(zhì)的互溶[4-5]。在此方面，人們已經(jīng)提出了各種解決方法，如空氣隔離法，橡膠輔助密封隔離法、水銀環(huán)隔離法等[6-7]。

大型船舶由于其高橫搖性，決定了其動力裝備——發(fā)動機具有超大功率。某大型船舶所用電機的額定功率達幾百千瓦甚至于幾兆瓦，電機運轉(zhuǎn)過程中發(fā)熱量非常大，為了使其正常工作，需要用氟利昂(Freon)對其進行冷卻。眾所周知，氟利昂會破壞地球的大氣臭氧層，為了保護環(huán)境，對氟利昂的密封非常重要。本文作者設計一種五級九齒大間隙磁性液體與磁性潤滑脂組合旋轉(zhuǎn)密封裝置，通過理論推導和ANSYS有限元分析得到磁性液體旋轉(zhuǎn)密封的耐壓公式，并在密封實驗臺上對該裝置進行密封耐壓實驗。

1 理論研究

F113常用作工程中的冷卻材料，對大型電機等設備降溫，其常溫下為氣液兩相物。文中采用實驗室制備的酯基磁性液體和特殊基載液的磁性液體——磁性潤滑脂作為密封材料，密封氟利昂F113。

磁性潤滑脂基載液選擇高黏度非牛頓流體——密封潤滑脂，其切應力與切應變呈非線性關系，流變關系符合Herschel-Bulkley模型[4]：

(1)

式中：τy為屈服應力；ι、n為流體的稠度系數(shù)和流動指數(shù)。

磁性潤滑脂是一種特殊的磁流體，在多級密封中，將每一級的耐壓能力看成近似相等，則磁性液體與磁性潤滑脂組合密封的總耐壓公式近似為

Δp=n1μ0Ms,1(Hmax,1-Hmin,1)+n2μ0Ms,2(Hmax,2-Hmin,2)+n2τy

(2)

式中：n1、n2分別為磁性液體和磁脂的密封級數(shù)；μ0為真空磁導率；Ms,1、Ms,2分別為兩者的飽和磁化強度；τy為磁性潤滑脂的屈服應力。

密封耐壓能力是由磁場分布與磁性液體運動狀態(tài)共同作用的結果，磁性液體和磁性潤滑脂的“負作用”表現(xiàn)為軸徑和轉(zhuǎn)速對密封能力的影響[8-9]。假設黏度為定值，考慮離心力作用，流體定常不可壓縮，溫度均勻，作層流運動，可得旋轉(zhuǎn)密封近似的耐壓公式為

(3)

式中：ρ1和ρ2分別為磁性液體和磁性潤滑脂的密度。

由公式(3)可看出：密封耐壓值隨飽和磁化強度、磁性潤滑脂的屈服應力和密封間隙內(nèi)磁場梯度的增大而增大。

2 密封結構設計

而針對冷卻蒸發(fā)介質(zhì)密封裝置的設計，應滿足大型船舶高橫搖性、高腐蝕性的環(huán)境要求。根據(jù)船舶的環(huán)境工況要求，該密封裝置應在最高溫度約100 ℃、平均溫度約60 ℃，以及濕熱、鹽霧環(huán)境下密封性能良好。因此，設計時需充分考慮密封介質(zhì)及密封件的材質(zhì)，同時考慮到船舶工作環(huán)境的多變性和復雜性，設計要求結構緊湊，并保證密封間隙振幅的微小變化。

根據(jù)該大型船舶裝備中大功率電機密封要求，磁性液體密封裝置間隙為0.7 mm，而目前發(fā)展較成熟的磁性液體密封裝置其間隙只有0.1～0.3 mm，而對大間隙的密封研究并不多見。由前面理論研究得知，密封耐壓能力正比于空間磁場強度差，因此進行結構優(yōu)化計算時，要獲得最佳齒型結構，以保證齒型區(qū)間內(nèi)磁場分布有盡可能大的磁場差值。

極齒結構一般采用矩形齒和梯形齒，經(jīng)過計算及反復實驗，得到的極齒結構各參數(shù)[1]的最佳范圍為

矩形齒：

Lt=0.3～0.5 mm,Ls=2～3 mm,Lh=2～3 mm

梯形齒：

Lt=0.2～0.4 mm,Ls=3～4 mm,α=40°～60°

式中：Lt為下端齒寬；Ls為齒槽長度；Lh為齒高；α為梯形尺斜角角度。

矩形齒加工簡單，性能易保證，具有更大的磁場梯度，而在多級密封中，梯形齒結構聚磁作用優(yōu)于矩形齒[10]。而文中設計采用的三角齒，使得極尖的聚磁作用更加優(yōu)于梯形齒，且能有效減小磁阻，而加工制造也簡單易保證。經(jīng)過反復實驗得到該三角齒的最佳參數(shù)取值：齒數(shù)12，角度30°，采用4槽5極9齒的結構。該三角齒形采用了奇數(shù)級，使得間隙的內(nèi)磁場梯度明顯變大，進而使得密封耐壓值大幅度提高。

設計的磁性液體大間隙密封結構采用3個永磁鐵，每個永磁鐵及其極靴形成多個磁回路。

材料選擇方面，永磁鐵選用釹鐵硼；密封腔外殼選用304不銹鋼；磁極部分選用電工純鐵；旋轉(zhuǎn)軸選用1Cr13。磁極與非導磁外殼采用“O”形密封圈密封。詳細結構設計如圖1所示。

圖1 磁性液體大間隙旋轉(zhuǎn)密封結構Fig 1 The large gap of ferrofluid rotating sealing structure

3 有限元分析

采用ANSYS有限元分析軟件，對設計的磁性液體大間隙旋轉(zhuǎn)密封結構中的磁場分布進行分析，得到磁感應強度、磁路的磁場線等值分布圖及磁場強度矢量分布。

3.1 等位線分析

如圖2所示為間隙0.7 mm時的磁力線分布圖。

圖2 磁力線分布Fig 2 The magnetic field distribution

由圖2可以看出：密封間隙極齒與兩側(cè)齒槽處的磁通密度分布呈明顯的梯度分布，而梯度越大密封耐壓能力也就越大；另外，磁路的漏磁主要在永磁體的內(nèi)外兩側(cè)。

3.2 軌線分析

在ANSYS后處理器中定義軸向軌線。軸向的磁場強度變化直接決定密封能力的大小。將磁場強度Hsum的值映射在此軌線上，為了能更清楚地看出極齒處的磁場變化情況，在定義軸向軌線時，給每個極齒的端點處定義一個點，相鄰兩點插值數(shù)為20，軌線長度為s。如圖3所示為間隙為0.3～0.7 mm的軌線，最外側(cè)兩極靴的極齒下對應的磁場強度差比內(nèi)側(cè)極齒下的明顯減小，因此起到主要密封效果的為中間8個極齒下產(chǎn)生的磁場強度差。

圖3 軸向磁場分布曲線Fig 3 The axial magnetic field distribution(a)sealing gap of 0.3 mm;(b)sealing gap of 0.4 mm;(c)sealing gap of 0.5 mm; (d)sealing gap of 0.6 mm;(e)sealing gap of 0.7 mm

(212 530-93 152)+(212 670-16 787)]≈0.112 MPa

4 耐壓能力實驗

所設計的密封裝置實物圖及搭建的實驗臺如圖4、5所示。試驗中氦質(zhì)譜檢漏儀真空度3×10-3Pa，最小測量漏率1×10-10Pa·m3/s，響應時間小于3 s。

圖4 磁性液體大間隙旋轉(zhuǎn)密封裝置Fig 4 The large gap of ferrofluid rotating sealing device

圖5 密封實驗臺Fig 5 The sealing experimental bench

4.1 磁性液體靜密封耐壓實驗

實驗采用的是實驗室制備的酯基磁性液體及磁性潤滑脂，將靠近氟利昂一側(cè)的極齒注入約1 mL磁性潤滑脂，其余極齒注入共約5 mL磁性液體。實驗過程第一部分為加壓，第二部分為檢漏。通過加工中心軸來獲得不同的密封間隙。間隙分別取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mm。每次實驗，磁性液體被沖破后，靜放12 h，記錄下通過自修復仍然可以保持的耐壓值。

表1 密封間隙與耐壓值的大小Table 1 The pressure capabitiy under different sealing gaps

對于典型密封間隙0.15 mm，單級密封所能承受的壓力約為22 kPa，而文中設計的密封結構，間隙為0.4 mm時單級密封所能承受的壓力就已經(jīng)達到了約38 kPa。密封間隙越大，耐壓值越減小。間隙為0.7 mm時單級耐壓能力仍能達到18 kPa。此外，磁性液體大間隙密封具有自修復功能，磁性潤滑脂被高壓充破后，仍保持一定的耐壓值。

將間隙為0.7 mm的磁性液體密封耐壓的模擬值與實驗值進行比較，如圖6所示。可以看出：耐壓實驗值比理論值高，這與實驗誤差及有限元分析計算時的各種理想假設有關，且耐壓實驗值隨著密封間隙的增大下降較快。

圖6 密封結構的耐壓理論值與實驗值對比Fig 6 The comparion of theoretical and experiment values

4.2 大間隙下磁性液體密封泄漏率測試實驗

不同大間隙下，最大耐壓值穩(wěn)定時的泄漏率如圖7所示?？梢?，隨著密封間隙的增加，泄漏率并沒有增加，反而隨著真空度的提高而下降。因此磁性液體密封結構在大間隙下仍可看成“零”泄漏。

圖7 不同間隙下最大耐壓值的系統(tǒng)真空度及泄漏率Fig 7 The leakage rate and vacuum degree of maximum pressure under different gap

4.3 動密封耐壓能力實驗

按照大功率電機密封的要求，密封裝置要在靜止和旋轉(zhuǎn)2種狀態(tài)下密封性能良好。旋轉(zhuǎn)時的角速度范圍要求在20～200 r/min之間，而大功率電機旋轉(zhuǎn)密封裝置要求的軸徑很大，約為600 mm，由：

vmax=rωmax=2π×0.3×200/60≈6.3 (m/s)

按照該最大線速度，實驗要求的最大角速度應達到4 800 r/min。

在磁性液體密封裝置最大間隙和不同轉(zhuǎn)速下進行了耐壓能力實驗。通過調(diào)節(jié)變頻器獲得6種不同轉(zhuǎn)速：500、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min，測試在6種轉(zhuǎn)速下磁性液體密封的飽和耐壓值是否下降。結果發(fā)現(xiàn)，6種轉(zhuǎn)速下密封裝置的耐壓值為0.08 MPa，并保持不變。由理論分析可知，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動速率不大時，旋轉(zhuǎn)密封耐壓可按照靜密封耐壓進行分析的結論相一致，達到了實驗預期目標。

5 結論

(1)設計了一種大間隙磁性液體密封裝置，對其進行理論耐壓公式的推導，得到耐壓能力與磁性液體的飽和磁化強度、磁性潤滑脂的屈服應力、密封間隙內(nèi)的磁場梯度等因素有關的結論。

(2)通過有限元分析計算及實驗驗證，該密封裝置耐壓效果較好，在最大間隙0.7 mm時，單級動密封耐壓能力仍能達到18 kPa。