液壓缸磁流體密封的有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究

郝付祥， 穆安樂(lè)

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

液壓缸是一種做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的液壓裝置，它能夠?qū)⒁簤耗苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能而很好地用于工程機(jī)械中[1]。然而液壓缸存在著液壓油的外泄漏問(wèn)題，尤其局部外泄漏是長(zhǎng)期難以解決的問(wèn)題[2]。這將會(huì)大大降低液壓缸的工作效率，從而縮短液壓缸的壽命，因此降低液壓缸的外泄漏具有十分重要的意義。

田俊等[3]對(duì)O型密封圈進(jìn)行了失效的分析與研究，梅鈺[4]通過(guò)Abaqus對(duì)密封圈的接觸應(yīng)力進(jìn)行了特性研究，唐穎達(dá)等[5-6]對(duì)液壓缸往復(fù)件密封性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。以上均是采用傳統(tǒng)的密封方式，隨著液壓缸活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)密封圈造成嚴(yán)重的磨損，降低工作壽命。因此，傳統(tǒng)的密封方式很難達(dá)到零泄漏的目的。

磁流體密封技術(shù)是一種新型的密封技術(shù)，具有零泄漏、壽命長(zhǎng)、可靠性高而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠承受低溫和高速載荷[7-11]?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用于航空航天、機(jī)械和石油等領(lǐng)域[12-13]。楊小龍等[14-15]提出大間隙階梯式磁流體旋轉(zhuǎn)密封的理論，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)，孫明禮等[16]對(duì)磁流體旋轉(zhuǎn)密封進(jìn)行了仿真與優(yōu)化。

1 磁流體往復(fù)密封理論研究

本文設(shè)計(jì)了一種用于液壓缸的4級(jí)磁源磁流體往復(fù)密封結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 4級(jí)磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Magnetic fluid seal structure with four magnetic sources

當(dāng)液壓缸的往復(fù)軸在一定的運(yùn)動(dòng)速度下時(shí)，密封間隙內(nèi)的磁性液體膜從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)一直到某一位置處停下，這時(shí)候處于一種新的平衡，見(jiàn)圖2中虛線所示的位置。

圖2 往復(fù)軸磁流體密封耐壓物理模型Fig.2 Physical model of pressure resistance of magnetic fluid seal for reciprocating shaft

于是磁流體往復(fù)密封的理論公式[17]為：

ΔP=Ph-P0=[H(XC)-H(XB)]μ0MS+

(1)

式中：Ph為高壓側(cè)的壓力；P0為大氣壓力；H(XC)與H(XB)分別為C、B點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；μ0為空氣磁導(dǎo)率；MS為磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度；η為磁性液體的動(dòng)力粘度；V為往復(fù)軸的速度；h(xC)為C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁性液體的膜厚；D為密封齒間往復(fù)軸的間隙；σ為磁性液體的表面張力。

實(shí)驗(yàn)表明[4]，當(dāng)磁性液體量比較充足且往復(fù)軸運(yùn)動(dòng)速度不大時(shí)，可以忽略速度對(duì)磁流變密封的影響，也可以忽略磁流變表面張力及粘度的作用，因此單個(gè)極齒密封耐壓能力簡(jiǎn)化為：

ΔP=Ph-P0=[H(xC)-H(xD)]μ0M

(2)

因此水平方向的第i級(jí)極齒密封耐壓過(guò)程見(jiàn)圖3。得到了第i級(jí)磁流變密封壓力平衡公式：

當(dāng)X 0,Y1=0是進(jìn)化穩(wěn)定的戰(zhàn)略，政府激勵(lì)對(duì)策無(wú)效的概率為0，即政府選擇釆取激勵(lì)對(duì)策，并且激勵(lì)效果理想，在被動(dòng)房推廣上進(jìn)行了良好合作，并最終達(dá)到帕累托最優(yōu)均衡。

(3)

圖3 第i級(jí)極齒密封過(guò)程圖Fig.3 Sealing process diagram of stage i pole tooth

當(dāng)P1=P2時(shí)，磁流變往復(fù)密封耐壓能力為零。當(dāng)P1>P2時(shí)，則在新的壓力平衡下，密封間隙中的磁流體將沿著壓力梯度差方向被拉向合適的位置。考慮磁流體的飽和磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)小于外磁場(chǎng)，因此，式(3)可簡(jiǎn)化為：

(4)

2 磁流體密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

為研究液壓缸磁流體密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封耐壓能力的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸見(jiàn)表1。

表1 4級(jí)磁源并聯(lián)型磁路結(jié)構(gòu)的參數(shù)Tab.1 Parameters of parallel magnetic circuit structure with four magnetic sources

在ANSYS有限元分析軟件中，賦予極靴和軸的材料屬性均為2Cr13。采用ANSYS磁場(chǎng)有限元方法研究了極齒長(zhǎng)度、極靴高度與往復(fù)軸直徑之比對(duì)應(yīng)的臨界壓力的影響。由于密封結(jié)構(gòu)關(guān)于Y軸對(duì)稱，因此三維磁流體密封的軸對(duì)稱問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為二維模型來(lái)處理。本文中選用的永磁體材料為矯頑力為1.356×106A/m的釹鐵硼，磁流體選用的是磁化飽和強(qiáng)度為307 kA/m的磁流變液。構(gòu)建4級(jí)磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)的二維模型，給各部分賦予相應(yīng)的材料屬性，選用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格精度為1級(jí)，網(wǎng)格的劃分是采用四個(gè)結(jié)點(diǎn)，生成如圖4所示的網(wǎng)格，最后用求解器求解。

圖4 ANSYS分析模型網(wǎng)格劃分Fig.4 ANSYS analysis model meshing

3 磁場(chǎng)有限元分析及結(jié)果計(jì)算

3.1 極齒長(zhǎng)度對(duì)磁流體密封耐壓能力的影響

極齒長(zhǎng)度是影響磁流體密封耐壓能力的重要參數(shù)之一，本文研究極齒長(zhǎng)度的變化規(guī)律對(duì)于研制出高密封性能的磁流變密封裝置具有重要的意義。不同的極齒長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的磁流體密封耐壓能力見(jiàn)圖5。

I-0.9 mm; II-0.8 mm; III-0.7 mm; IV-0.6 mm。圖5 不同極齒長(zhǎng)度下磁場(chǎng)分布狀態(tài)Fig.5 Magnetic field distributions under different pole teeth conditions

從圖5所示的磁場(chǎng)分布狀態(tài)圖中可以清晰的看出，4級(jí)磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)的極齒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)越大。極齒的長(zhǎng)度為0.9 mm時(shí)，最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度到達(dá)2.15 T，而極齒長(zhǎng)度為0.6 mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.8 T。這其中的主要原因是各個(gè)參數(shù)都不變的情況下，極齒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)梯度差就越大，聚磁效果就更佳，于是磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大。

根據(jù)圖5所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖以及磁流體密封耐壓公式，可以計(jì)算出不同的極齒長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的密封耐壓能力值，其結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 極齒長(zhǎng)度與密封耐壓能力關(guān)系圖Fig.6 Relationship between length of pole teeth and sealing pressure capability

從圖6中不難看出，磁流體密封耐壓能力隨極齒長(zhǎng)度的增加先增大而后減小，極齒長(zhǎng)度為0.7 mm時(shí)，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，即此時(shí)的密封能力值最大。原因是極齒長(zhǎng)度0.7 mm左右時(shí)，恰好達(dá)到磁回路的最大磁能積，此時(shí)極齒長(zhǎng)度再增加，使得回路中通過(guò)的磁通量減少，從而導(dǎo)致耐壓能力值下降。

3.2 極靴高度與軸徑之比對(duì)磁流體密封耐壓能力的影響

極靴與永磁體直接接觸，因此極靴高度與軸徑之比是影響磁流體密封的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)密封間隙為0.1 mm時(shí)，采用控制單一變量法，在不改變其他參數(shù)的情況下，只改變極靴高度極靴高度與軸徑之比，從而得到不同密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)分布狀態(tài)，見(jiàn)圖7。在圖7中可以看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著極靴高度與往復(fù)軸徑之比的增大而減小，這是因?yàn)橥鶑?fù)軸半徑不變，隨著極靴的高度增加，導(dǎo)致極靴內(nèi)部的磁阻增大，從而磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。此外從圖7中還可以明顯看出，兩側(cè)極靴的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯低于中間極靴的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因?yàn)閮蓚?cè)極靴中的磁通量是由單個(gè)永磁體產(chǎn)生的，而中間極靴的磁通量是由兩個(gè)永磁體產(chǎn)生的。

I-0.6; II-0.8; III-1.0; IV-1.2。圖7 不同極靴高度與軸徑之比的磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.7 Magnetic flux densities at the different ratio of pole piece height to the shaft radius

根據(jù)圖7所示的磁場(chǎng)分布圖以及磁流體密封理論公式，計(jì)算得到不同的極靴高度與軸徑之比所對(duì)應(yīng)的密封耐壓能力值，見(jiàn)圖8。

圖8 極靴高度與軸徑之比對(duì)密封耐壓能力關(guān)系圖Fig.8 Effect of the ratio of pole piece height to the shaft radius on MRF sealing pressure capability

在圖8中清楚的看到密封耐壓能力隨著極靴高度與軸徑之比的的增加而減小。根據(jù)磁路定律可以知道，極靴高度與軸徑之比增加，極靴內(nèi)部的磁阻就會(huì)增大，于是磁通密度降低，穿過(guò)的磁通量減少，導(dǎo)致密封能力下降。

4 磁流體往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)研究

將設(shè)計(jì)的磁流體密封結(jié)構(gòu)安裝在如圖9所示的液壓缸實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。

1-液壓缸往復(fù)軸；2-密封結(jié)構(gòu)組件；3-液壓油泵；4-液壓油箱；5-帶有顯示器的控制臺(tái)。圖9 液壓缸密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Hydraulic cylinder seal test bench

4.1 往復(fù)軸速度對(duì)密封能力的影響

液壓缸往復(fù)軸的速度對(duì)于磁流體密封能力會(huì)有很大的影響，在本次實(shí)驗(yàn)中，固定液壓缸往復(fù)軸的行程為100 mm，分別實(shí)驗(yàn)研究了往復(fù)軸的速度為0 mm/s、1 mm/s、2 mm/s、3 mm/s、4 mm/s和5 mm/s 時(shí)對(duì)應(yīng)的密封能力，其結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 往復(fù)軸速度對(duì)磁流體密封能力的影響Fig.10 Influence of reciprocating shaft speed on magnetic fluid sealing ability

在圖10中看到，往復(fù)速度為0 mm/s時(shí)，磁流體的密封能力最大，當(dāng)速度為5 mm/s時(shí)，磁流體的密封能力減小了1.7 MPa。其中的原因是往復(fù)軸的速度越大，則拖拽出磁流體的體積量就越多，導(dǎo)致參與密封作用的磁流體量減少，造成密封能力下降。

4.2 往復(fù)軸行程對(duì)密封能力的影響

液壓缸往復(fù)軸的速度固定為3 mm/s不變，研究當(dāng)往復(fù)軸的行程為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、200 mm和240 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁流體密封能力，其結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 往復(fù)軸行程對(duì)磁流體密封能力的影響Fig.11 Influence of reciprocating shaft distance on magnetic fluid sealing ability

從圖11中可以清楚的看出，速度不變時(shí)，改變往復(fù)軸的運(yùn)動(dòng)行程，其密封能力是不變的。這說(shuō)明往復(fù)行程對(duì)磁流體密封能力的影響不明顯。

4.3 保壓時(shí)間對(duì)密封能力的影響

保壓時(shí)間對(duì)磁流體密封結(jié)構(gòu)的效果起到一個(gè)很好的檢驗(yàn)效果，因此對(duì)保壓時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究是很有必要的。當(dāng)液壓缸往復(fù)軸的速度為0時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究了保壓時(shí)間為4 h、8 h、12 h、16 h和20 h時(shí)對(duì)磁流體密封能力的影響，結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 保壓時(shí)間對(duì)磁流體密封能力的影響Fig.12 Influence of holding time on magnetic fluid sealing ability

通過(guò)靜態(tài)保壓時(shí)間的實(shí)驗(yàn)證明了用于液壓缸的4級(jí)磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)的有效性，可以有效地防止液壓缸的泄漏問(wèn)題，為提高液壓缸的工作效率提供有利的保障。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了用于液壓缸的4級(jí)磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)，用有限元法分析了極齒長(zhǎng)度和極靴高度對(duì)磁流體密封能力的影響，用實(shí)驗(yàn)法分析了往復(fù)軸的速度、往復(fù)軸的行程以及保壓時(shí)間對(duì)磁流體密封能力的影響，其結(jié)果為如下。

1) 隨著極齒長(zhǎng)度的增加，磁流體密封能力先增大后減小，并且當(dāng)極齒長(zhǎng)度為0.7 mm時(shí)，密封能力值達(dá)到最佳。隨著極靴高度的增加，磁流體密封耐壓能力值減小。

2) 隨著液壓缸往復(fù)軸速度增大，磁流體密封能力下降。隨著液壓缸往復(fù)軸行程的增大，磁流體密封耐壓能力的變化不大。往復(fù)軸速度為零時(shí)，隨著保壓時(shí)間的增加，磁流體密封耐壓能力的變化幾乎無(wú)變化。

3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，證明了設(shè)計(jì)的4級(jí)磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)的可靠性，這為研制出適合液壓缸的密封裝置提供了基礎(chǔ)。