新型磁流体密封圈的特性分析

　　磁流体密封技术是近年来发展起来的一项新技术. 利用磁流体作为密封介质设计了新型径向磁极磁流体密封圈,介绍了该密封圈的结构及工作原理;给出了耐压能力的数学模型,并通过密封间隙中磁场的有限元分析及磁流体流场的分析,对该密封圈进行了特性分析;给出了密封压力与密封圈磁极长度、磁极宽度和密封间隙三个设计参数之间的变化关系,并给出了新型径向磁极密封圈和轴向磁极密封圈的设计比较.分析结果表明,所设计径向磁极磁流体密封圈的耐压能力随磁极长度增加先增大后减小,随磁极宽度增大而增大,随密封间隙增大而减小,除具有目前普遍采用的轴向磁极磁流体密封圈的优点外,还具有比轴向磁极密封圈尺寸小、结构简单的特点.

　　磁流体是一种在母液中添加了铁磁性物质和添加剂的悬浊液. 可在外加磁场的作用下,由流动状态转变为接近固体状态;磁场消失后,又恢复为原流动状态. 在外加磁场下,磁流体能够产生一定的屈服应力,该屈服应力的大小与所施加的磁场强度有关. 因而,利用磁流体在外加磁场下具有加大的屈服应力这一特点,可将磁流体添加入由磁极构成的密封间隙中,形成密封带,起到密封的作用.

　　与传统的密封圈相比,磁流体密封具有如下特点: (1) 密封性能好,可以达到无泄漏; (2) 无固体摩擦,因而摩擦力小; (3) 结构紧凑; (4) 对被密封件加工精度要求低; (5) 使用过程中无磨损,因而使用寿命长.

　　早在20 世纪60 年代,磁流体便被用于密封装置的设计;目前已产品化、市场化. 磁流体密封主要应用在油雾密封、放射性气体密封、超导发电机密封、发酵槽的密封、半导体制造工艺、真空密封等场合.

　　本文利用径向充磁的方法,采用径向磁极设计了一种用于气动系统的新型磁流体密封圈;该密封圈可同时用于静密封和旋转密封. 由于采用径向磁极,该密封圈密封特性好,且尺寸小. 本文介绍了该密封圈的结构及密封原理,给出了磁流体密封圈耐压能力的数学模型,并对该磁流体密封圈的耐压能力进行了分析.

1、两种密封结构及密封原理比较

　　目前普遍使用的磁流体密封结构如图1 所示;磁流体密封由永久磁铁和两端的导磁材料构成磁极,磁极与被密封件之间的间隙充满磁流体.由于永久磁铁为轴向充磁,为形成闭合回路,永磁两端必须采用导磁材料,而被密封件也最好为导磁材料. 同时为使漏磁尽量少,永磁与被密封轴之间的间隙要尽量大,应使密封尺寸增大.

图1 　轴向磁极磁流体密封圈密封原理

　　所设计新型磁流体密封圈的结构如图2 所示,密封圈由外套、磁极、侧板及磁流体组成. 两块侧板、磁极及被密封件之间的环形空间充满磁流体,磁极为钕铁硼材料制作的永久磁铁. 充磁方向为径向,即内圆为N 极,外圆为S 极. 因而环形间隙中的磁流体在径向磁极的作用下,形成径向磁链,具有一定的屈服应力,能够承受一定的轴向剪切压力,使被密封件被紧密的密封. 套筒和侧板均采用不导磁材料;其作用除构成一个密封腔,固定磁极和磁流体外,还起到隔磁的作用,可减小漏磁,增大密封间隙中的磁场强度.

1. 套筒; 2. 磁极; 3. 被密封轴件; 4. 磁流体; 5. 侧板

 图2 　新型磁流体密封圈结构图

　　上述两种磁流体密封圈结构图表明,轴向磁极为减小漏磁,则要增大结构尺寸,而径向磁极为减小漏磁,则磁极和被密封件之间的间隙应越小越好,因而尺寸小. 但轴向磁极较易于充磁,而径向磁极不易于充磁,且径向磁极与轴向磁极相比由于不能形成闭合回路,而漏磁较大.

2、数学模型

　　对于所设计磁流体密封圈的计算中,由于磁流体的屈服应力是由磁场强度决定的,因而密封圈的耐压能力与磁路的设计和计算是密切相关的.

2.1、磁钢工作点的计算

　　密封圈中永久磁铁工作点的计算是比较困难的,近似计算的方法计算结果非常不准确,因而可采用有限元方法进行计算,或通过实验方法,先测量出永磁产生的作用力,再根据永磁作用力计算出永磁工作点;本文采用有限元法进行计算.经有限元计算得径向磁极磁流体密封圈磁场分布图如图3 所示. 由于磁流体密封圈的结构和磁场分布都是轴对称的,图3 只给出了轴切面的上半部分的磁场分布. 对于采用有限元方法分析的磁场,其磁力线分布图因网格划分的不同而不同,因而网格划分的合理性也是有限元分析的关键.

图3 　径向磁极磁流体密封圈磁场分布图

2.2、磁流体的磁化强度

　　磁流体在径向外加磁场的作用下,径向成链,产生一定的磁化强度,可抵抗作用在磁流体上的剪切力,使磁流体在被密封件之间形成了密封带.磁流体的磁化强度也是破坏磁流体成链状态所需要施加的力,所采用的磁流体的磁化强度和磁场强度之间关系曲线如图4 所示. 图4 表明,磁场强度达到一定值时,磁流体的磁化强度达到饱和.

图4 　磁流体磁化强度曲线