基于納米磁性液體的托輥密封與潤(rùn)滑設(shè)計(jì)及仿真*

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(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116；2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇徐州 221008)

托輥?zhàn)鳛閹捷斔蜋C(jī)的核心部件，主要作用是支撐傳送帶、減小運(yùn)行阻力，其性能和壽命直接影響著輸送效率和輸送成本[1]。托輥的常用密封方式有非接觸式迷宮密封和接觸式唇形密封[2]。迷宮密封的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力小，但不能保證低速和靜止工況下的密封效果；唇形密封依靠密封圈與托輥軸的過(guò)盈配合工作，密封效果好，但運(yùn)轉(zhuǎn)阻力相對(duì)較大，壽命較短[3]。針對(duì)這2種密封方式各自的局限性，很多學(xué)者對(duì)新型密封方式開(kāi)展了大量研究。鮑久圣等[4]設(shè)計(jì)了一種磁性液體密封的托輥，利用運(yùn)行時(shí)形成的液體端面密封和離心式密封，增強(qiáng)了密封可靠性。郭覃等人[5]設(shè)計(jì)了一種“U”形密封結(jié)構(gòu)，利用大氣壓原理保證密封唇與軸的接觸，提高了密封性能。托輥的潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑，成本低且方便簡(jiǎn)單，但潤(rùn)滑脂會(huì)隨著軸承的發(fā)熱逐漸流失。

磁性液體密封是一種以磁性液體為功能液體，利用磁場(chǎng)作用將磁性液體約束在密封間隙中而實(shí)現(xiàn)密封目的的一種液體密封形式[6]，其密封能力強(qiáng)且壽命長(zhǎng)。同時(shí)，納米磁性液體還是一種新穎的潤(rùn)滑劑，在磁場(chǎng)的約束作用下不產(chǎn)生飛濺和泄漏，其中磁性顆粒可起到近似微型滾珠的作用，從而降低摩擦[7]。為了提高托輥的密封性能，減小旋轉(zhuǎn)阻力，延長(zhǎng)使用壽命，本文作者提出了一種基于納米磁性液體密封與潤(rùn)滑的托輥，較傳統(tǒng)托輥具有更可靠的密封性能和更小的旋轉(zhuǎn)阻力，對(duì)于提高輸送效率具有重要意義。

1 磁性液體選擇

1.1 磁性液體轉(zhuǎn)軸流體動(dòng)密封原理

磁性液體是一種新型功能材料，由直徑為納米量級(jí)磁性固體顆粒均勻分散在基載液中而形成的一種穩(wěn)定膠體溶液磁性液體，這種溶液即使在重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下也能長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在，不產(chǎn)生沉淀與分離[8]。磁性液體最廣泛、成熟的應(yīng)用當(dāng)屬磁性液體密封。它是一種非接觸式的液體密封，有著很多傳統(tǒng)密封無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如密封可靠、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、能承受高轉(zhuǎn)速、最佳的扭矩傳遞等[8]。磁性液體轉(zhuǎn)軸流體動(dòng)密封原理如圖1所示，通過(guò)永磁體、極靴和導(dǎo)磁軸構(gòu)成閉合磁回路，使磁性液體聚集在極靴極齒與導(dǎo)磁軸的間隙內(nèi)，形成液體“O”形密封環(huán)。

圖1 基于磁性液體的轉(zhuǎn)軸流體動(dòng)密封原理

1.2 兼顧密封與潤(rùn)滑的磁性液體選擇

利用納米磁性液體潤(rùn)滑，比傳統(tǒng)的脂潤(rùn)滑更有優(yōu)勢(shì)，因其既有在磁場(chǎng)作用下的可控性，又保留了流體的流動(dòng)性?？紤]到納米磁性液體既用于密封又用于潤(rùn)滑，故需選擇一種磁性能良好而且表觀黏度低的磁性液體。降低磁性液體表觀黏度的一種途徑是在磁性液體的合成過(guò)程中采用黏度較低的基載液[9]，常用基載液及其制備的磁性液體特點(diǎn)如表1所示[10]。為利用納米磁性液體的潤(rùn)滑功能，最終選擇烴類(lèi)基載液、納米Fe3O4作為磁性顆粒的納米磁性液體。

表1 基載液種類(lèi)及特點(diǎn)

2 托輥密封與潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基于納米磁性液體的密封與潤(rùn)滑方案

為解決托輥的密封與潤(rùn)滑問(wèn)題，將磁性液體密封技術(shù)應(yīng)用于托輥，并采用納米磁性液體取代潤(rùn)滑脂，使托輥既有傳統(tǒng)迷宮密封旋轉(zhuǎn)阻力小的優(yōu)點(diǎn)，又有比接觸式密封更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。設(shè)計(jì)的磁性液體密封與潤(rùn)滑方案[11]如圖2所示。

圖2 托輥磁性液體密封與潤(rùn)滑方案

在軸承的兩側(cè)分別設(shè)置內(nèi)外磁性液體密封件，將軸承包圍在兩密封件中間。磁性液體密封部件分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)，內(nèi)側(cè)密封件由永磁體、極靴和導(dǎo)磁軸構(gòu)成；外側(cè)密封件由永磁體、極靴和導(dǎo)磁軸套構(gòu)成。通過(guò)永磁體和高導(dǎo)磁材料形成的完整磁回路，使極齒與軸套或軸間隙內(nèi)的磁性液體形成數(shù)個(gè)“O”形液體密封環(huán)，將軸承嚴(yán)密地保護(hù)起來(lái)。在極靴外側(cè)加工密封槽，配合密封圈使用保證極靴與軸承座間的靜密封。在兩密封件包圍成的軸向空腔內(nèi)注入納米磁性液體，將軸承完全浸潤(rùn)于納米磁性液體之中，既能使軸承得到良好的潤(rùn)滑，又能隨時(shí)補(bǔ)充密封間隙處泄漏的磁性液體。磁性液體徑向密封間隙在0.1～0.3 mm時(shí)為小間隙密封，此時(shí)密封效果較好。密封間隙大于0.3 mm時(shí)為大間隙密封，密封效果隨間隙的增大下降明顯[12]?？紤]到托輥的其他部件制作精度普遍不高，故最終選擇密封間隙為0.2 mm。

2.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

常用的永磁材料主要有三大類(lèi)：一是鋁鎳鈷(Al-Ni-Co)永磁材料；二是永磁鐵氧體(BaFe12O9，Sr Fe12O9)；三是稀土永磁材料，這類(lèi)又可分為三種，即SmCo5型、Sm2Co17型、Nd-Fe-B型[8]。根據(jù)各種永磁材料特性的比較，從剩磁Br、磁通密度矯頑力HcB、內(nèi)稟矯頑力Hcj、最大磁能積(BH)max和可逆磁導(dǎo)率μr等綜合來(lái)看，釹鐵硼永磁材料具有最優(yōu)值，它既能保證磁性能的穩(wěn)定性，又有良好的機(jī)械加工性能。為此，文中采用釹鐵硼永磁體。

極靴是磁性液體密封中重要的組成部分，在磁回路中起導(dǎo)磁作用。材料選擇為相對(duì)磁導(dǎo)率較高又易于加工的軟磁材料電工純鐵DT3。在極靴齒形選擇上，常用齒形有三角形齒、梯形齒和矩形齒[13]。三角形齒的有效密封齒厚非常小且難加工，密封效果不好，磁回路的磁阻較大；梯形齒的磁場(chǎng)梯度大，磁性液體界面的穩(wěn)定性好，但極齒的加工難度大；矩形齒耐壓能力較大，加工簡(jiǎn)單，密封性能容易保證。因此最終極靴齒形選擇為矩形齒，如圖2所示。

3 磁場(chǎng)仿真計(jì)算

為驗(yàn)證托輥軸承磁性液體密封的可行性及計(jì)算密封耐壓能力，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行磁場(chǎng)分析，將密封部分磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)的二維靜態(tài)磁場(chǎng)。在ANSYS中經(jīng)過(guò)建模、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件、求解及后處理等步驟，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 磁力線(xiàn)分布

由圖3可知，磁力線(xiàn)經(jīng)過(guò)永磁體、導(dǎo)磁性能良好的極靴和導(dǎo)磁軸形成閉合磁回路。大量的磁力線(xiàn)穿過(guò)極靴和軸的密封間隙處，只有少量的磁力線(xiàn)分布在空氣中，這是因?yàn)闃O靴材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率。極齒的作用是積聚磁力線(xiàn)，增加磁場(chǎng)梯度，將磁性液體牢牢地吸附在密封間隙處，獲得更大的耐壓能力，使密封更加可靠。圖中密封間隙處的磁力線(xiàn)大部分從極齒中通過(guò)，且分布比較集中，證明極齒充分發(fā)揮了積聚磁力線(xiàn)的作用。

圖4所示為磁通密度圖，磁通密度又稱(chēng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，它表示垂直穿過(guò)單位面積的磁力線(xiàn)的多少，該圖直觀地反映了各區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)弱?？芍瑯O齒處磁通密度最大而其余部位磁通密度較小，表明極齒處磁場(chǎng)最強(qiáng)，對(duì)磁性液體的吸附作用最強(qiáng)。圖3、4充分表明磁性液體密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，下面通過(guò)具體數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證密封的耐壓能力。

圖4 磁通密度

沿X軸正方向在密封間隙位置自左向右分別定義若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)形成一條穿過(guò)密封間隙的路徑，將磁力線(xiàn)分布情況映射到該路徑上，從而得到密封間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖[14]，如圖5所示。

圖5 密封間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度

其中，橫坐標(biāo)表示穿過(guò)密封間隙的關(guān)鍵點(diǎn)形成的路徑位置，縱坐標(biāo)表示密封間隙不同位置處對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度?？梢?jiàn)，密封間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿Y軸方向呈峰值曲線(xiàn)分布，曲線(xiàn)的峰值代表密封間隙中的極齒位置，即極齒位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別達(dá)到最大值，極齒兩側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值迅速下降，進(jìn)一步證明了密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。將路徑中8個(gè)極齒下的磁感應(yīng)強(qiáng)度以數(shù)字形式導(dǎo)出并處理后，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 密封間隙各極齒處磁感應(yīng)強(qiáng)度值

磁性液體密封耐壓能力計(jì)算公式[15]為

Δp=MsΔB

(1)

式中：p為壓力；Ms為所用磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度；ΔB為所有極齒下磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度的和。

由表2數(shù)據(jù)可得：

(2)

式中：ΔBi為各個(gè)極齒下的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值與最小值之差。

代入公式有：

Δp=Ms·ΔB=0.193 2 MPa>0.1 MPa

(3)

經(jīng)計(jì)算，雙極靴四極齒的磁性液體密封耐壓能力大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.1 MPa，說(shuō)明磁性液體密封應(yīng)用在托輥軸承上是合理可靠的。

4 結(jié)論及展望

(1)總結(jié)了托輥現(xiàn)有的密封與潤(rùn)滑方式及其特點(diǎn)，針對(duì)原密封不可靠、壽命短的問(wèn)題，結(jié)合磁性液體密封與潤(rùn)滑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了托輥的磁性液體密封結(jié)構(gòu)，并利用納米磁性液體潤(rùn)滑，為解決托輥密封與潤(rùn)滑問(wèn)題提供了新的思路。

(2)利用ANSYS有限元軟件對(duì)密封件的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，得到了磁場(chǎng)強(qiáng)弱分布情況及密封間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度值，計(jì)算了磁性液體密封耐壓能力，結(jié)果表明磁性液體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，為后續(xù)托輥實(shí)物的試制奠定了基礎(chǔ)。

(3)目前關(guān)于磁性液體潤(rùn)滑的研究較少，將磁性液體的密封與潤(rùn)滑相結(jié)合，將是未來(lái)的研究方向。