磁流体密封间隙对密封性能的影响

第33卷第3期　1999年3月上海交通大学学报JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT YV o l .33N o.3　M ar .1999　收稿日期:1998203224基金项目:上海市教委科技发展基金资助(97H 04)作者简介:顾建明(1948～),男,副教授. 文章编号:100622467(1999)0320380203磁流体密封间隙对密封性能的影响顾建明1,　许永兴2,　陆明琦1,　芮　菁1(1.上海交通大学动力与能源工程学院,上海200030;2.上海电视大学,上海200092)摘　要:对磁流体在转轴密封中的应用作了探讨.阐明了磁流体密封的原理,根据磁学理论进行了磁回路的计算.在此基础上设计了磁流体密封的试验装置.实验中采用不同的密封间隙,以确定磁流体密封能力与密封间隙之间的关系.同时,进行了轴旋转和静止时磁流体密封能力变化的试验.试验结果表明,磁流体的密封能力随密封级数的增加而提高,随密封间隙的增大而减小,密封间隙在0.05～0.20mm 时,效果较好,同时密封级数有一个最佳值.关键词:磁流体;磁流体密封;密封间隙;密封能力中图分类号:TH 117;TQ 584.1 文献标识码:AEffe c t of the G a p of M a gne tic F luid S e a l on S e a l C a pa c ityGU J ian 2m ing 1,　X U Y ong 2x ing 2,　L U M ing 2qi 1,　RU I Q ing11.Schoo l of Pow er and Energy Engrg .,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina2.Shanghai TV U n iv .,Shanghai 200092,Ch inaAbs tra c t :T he dynam ic seal of sp in shaft w ith m agnetic flu id w as studied .T he p rinci p le of m agnetic flu idseal w as described and w ith the calcu lati on of m agnetic loop based on m agnetic theo ry ,a test un it fo r m ag 2netic flu id seal w as estab ished .In the exp eri m en t ,the relati on sh i p betw een the seal cap acity of m agnetic flu id and the differen t seal gap w as determ ined ,and the variance of m agnetic flu id seal cap acity w as also tested w ith the shaft ro tating o r stati onary .T he resu lt show s that the seal cap acity of m agnetic flu id is raised w ith the increase of seal stage and the decrease of seal gap .W hen the seal gap is betw een 0.05mm and 0.20mm ,the resu lt is better and the num ber of seal stage has an op ti m um value .Ke y w o rds :m agnetic flu id ;m agnetic flu id seal ;seal gap ;seal cap acity 磁流体是一种新材料,它在机械、动力、航天和医学等方面有着广阔的应用前景[1,2].由于它具有独特的超顺磁特性[3],密封是它的又一个重要的用途.自70年代始,美国、前苏联、日本等国先后对磁流体密封进行了研究和探索.由于磁流体密封是一项新技术,它涉及到磁学、热力学、流体力学等多种学科领域,在机理上是很复杂的.因此,在研究上存在相当的难度.尽管不少国家进行了一定的研究,但无论在理论还是实用上,许多问题有必要进行深入的研究.除了须研制出高性能的磁流体外,研究不同的磁场强度、不同几何形状的磁极以及不同转轴转速对密封性能的影响,也是一个十分重要的方面.1　磁性流体密封原理及实验装置1.1　密封原理密封部分原理如图1所示.永久磁铁4和磁极3设置在固定部件上,磁极3和转轴1的间隙内注入磁流体2,将转轴贯穿的空间隔断.图1中,永久磁铁、磁极、磁流体和转轴构成一个封闭磁路.永久磁铁产生的强磁场,将磁流件牢牢地“束缚”在密封间隙内形成液体“O ”形环,即油膜屏障,用来克服转轴两端的压差.磁流体密封的耐压能力取决于磁场对磁性流体的“束缚”力.1—转轴2—磁性流体3—磁极4—永久磁铁图1　磁流体密封原理F ig.1　Schem e of ferroflu id seal1.2　磁路设计磁路设计的主要任务是根据工作气隙磁场的要求,确定磁路结构和选用磁性材料.在本实验中,因为使用的转轴的材质是铁磁性材料,故采用如图1所示的外磁式静态磁路,从而在工作气隙中产生恒定的磁场.这里先就单级密封磁路作一些分析.根据磁回路的基尔霍夫定律[4,5],有∑5=0,　5=5q+5L(1)式中:5为总磁通;5q为气隙磁通;5L为漏磁通.令5L=(K f-1)5q,则5=(K f-1)5q+5q=K f5q(2)由磁通定义5=B S,可得B m S m=K f B q S q,　H m L m=K r H q L q(3)式中:B m、H m、S m、L m和B q、H q、S q、L q分别为永磁体和气隙的磁感应强度、磁场强度、截面积和长度;K f 为漏磁系数,与磁路系统的结构有关;K r为磁阻系数,它与工作气隙、组成磁路的材质及其几何尺寸有关.由式(3)即可求得B q=B m S mK f S q=H m B mV mΛ0V q K f K r(4)式中:V m=S m L m为永磁体体积;V q=S q L q为气隙体积;H m B m为永磁体工作点的磁能积.密封装置中使用的永磁铁,选用Y20铁氧体.该材料的特点是:矫顽力高,最大磁能积虽不大,但最大回复磁能积却很大,因此适用于做动态条件下工作的永磁体.另外还具有重量轻和可磨削加工的优点.表1列出了部分铁氧体的磁特性.据磁性材料的特性知:磁路工作点处于永磁体的退磁曲线B r-D-H c段上(见图2),即工作负荷线A O与退磁曲线的交点D.由式(4)知,当磁路中的各部件和结构确定后,也就是V m、V q、K f、K r已知,此时有B q∝(H m B m)1 2. H m B m越大,则B q越高,故工作点常取在最大磁能积处,即H m B m=(B H)m ax.实验中使用的永磁体外径D o=70mm,内径d i=40mm.根据所选铁氧体的性能,初步取工作点B mo=0.2T、H mo=40kA m.表1　铁氧体永磁材料的磁性能Tab.1　The character istic of per manen t magnet(Fe2O)牌号B r T H (kA・m-1)(B H)m ax (kJ・m-3) Y150.28～0.36128～19214.3～17.5 Y200.32～0.38128～19218.3～21.5Y250.35～0.39152～20822.3～25.5图2　永久磁铁的工作点F ig.2　T he operating po siti on of perm anen t m agnet转轴外径d2=14mm,磁极厚度∆=3mm,为了使磁流体密封能力达到极限,在给定的磁极与轴的间隙,其B q至少接近或达到磁流体饱和磁感应强度,否则必须修改结构.经计算,当L q=0.5mm时,B q =0.026T;L q=0.3mm,B q=0.036T.本实验使用的磁性流体为二脂基,其饱和感应强度为0.035T.因此,B q=0.036T已能满足磁流体密封的要求.上述计算是以单级磁极为基础的,对图1的2极磁极密封,因结构变化而引起K f的变化,尽管每级的磁感应强度会下降,但总体效应不会下降很大,在密封上也能满足要求.因此,所选取的初始工作点B m和H m是合适的.1.3　试验装置图3　密封试验装置F ig.3　T he seal test un its密封试验装置[6]如图3所示.转轴由电机通过皮带带动;密封腔与真空腔用法兰联结,并用真空橡皮圈密封;永磁体与磁极固定在密封腔内,协同转轴与间隙(充注磁流体)形成磁回路;真空腔由一精密截止阀控制真空度的大小,真空度用真空表读取.183　第3期顾建明,等:磁流体密封间隙对密封性能的影响2　实验结果2.1　间隙与耐压能力的关系试验时先让转轴转动,然后启动真空泵,对装置的密封腔缓慢地抽取真空.观察真空表读数,当真空表读数有所回落时,说明磁流体的密封能力已达到极限,反复几次直到真空表读数最大.然后,关掉真空泵,1天后观察真空表读数有无变化,无变化,则记下真空表读数(这里感兴趣的是密封压差,所以记为耐压值).试验中共使用了7种不同间隙的磁极极板,6种间隙值∆=0.05～0.3mm,间隔为0.05 mm,另外还用了较大的0.5mm间隙.同时,还对某几个间隙值,做了二级和四级极板的密封试验.多级数密封试验时,因密封间隙中磁流体的充注是关键也是难点,要比单级密封困难,而且往往会影响试验结果的准确性.在缓慢抽真空时,前面几级密封间隙中形成的磁流体密封会产生瞬时的局部破裂,使得总密封压差能均衡到各级密封中去.此时,真空表读数会缓慢下落,然后又回升至原位,且反复几次.测得的实验数据如表2所示.表2　耐压能力p与间隙及级数的关系Tab.2　Sea l capac ity vs.sea l stages and gap ∆ mm p kPa单级二级四级0.051000.103052840.1519350.201123460.2550.30511440.505 由表2可知,密封能力随间隙的减小而增大.在0.50～0.25mm时密封能力变化不大,而且只能承受很小的压差;在0.20～0.05mm时密封效果增加显著.但并不是间隙越小密封能力越大,间隙小到一定程度密封能力就上不去.单级密封的试验,已经显露出这一趋势.密封能力随级数增加提高较显著,但是并不按线性关系递增.因为永磁体的总B m是一定的,级数增加了,每级的B q就下降,因而密封级数有一个最佳值.所以有时减小密封间隙比增加密封级数更有效,如图4中二级密封、∆=0.05mm处,该处约可承受0.1M Pa的压差.2.2　轴的转动和静止对密封能力的影响由于离心力的作用,磁流体密封的能力随转速的增大而降低[7].本实验也研究了轴静止和旋转时,磁性流体密封能力的变化.试验是在二级磁极密封和5种密封间隙下进行的,试验时的转速为2750r m in.试验结果如图4所示.由图可知,旋转时磁流体密封的能力跟静止时相差不大.图4　旋转与静止密封的比较　F ig.4　Comparison of seal capacity betw een stati onaryand ro tati on po siti on s 当轴径不大时,轴的线速度较低.因此,产生的离心力较小;又因密封间隙较小,在∆<1mm中,磁流体的离心力就很难施展影响.同时,当线速度较低、轴旋转时磁流体和轴表面的速度梯度较小,所以较小的粘滞力所产生的热量不会使磁流体的温度上升过高而破坏磁流体的性能.因此,磁流体的密封能力并没有发生明显的变化.但是当转轴表面的线速度大到一定程度后,密封能力会随线速度的增大而下降.3　结　论(1)密封能力随∆的减小而增大,∆=0.05～0. 2mm密封效果较好.∆>0.3mm时,只能承受住很小的压差,此时密封能力不再有变化.(2)磁流体的密封能力随密封级数的增加而提高,在一定的磁场强度下,密封级数有一个最佳值.(3)对二级磁流体的密封结构,当∆=0.05mm 时,约可承受0.1M Pa的压差.(4)转轴表面的线速度较小时,对磁流体的密封耐压能力影响不大.参考文献:[1]　伊藤博幸.磁性流体の应用动向 展望[J].工业材料(日),1981,30(7):22～26.[2]　许孙曲.第七届磁性流体国际会议学术论文综述[J].磁性材料及器件,1996,(2):25～30.[3]　Isao N akatan i.P roducti on and characterizati on of fer2roflu id[J].Jou rnal of M agnetis m and M agnetic M a2 terials,1993,22:1～5.[4]　内山青彦.应用磁学[M].姜恩永译.天津:天津科技出版社,1983.[5]　李文彬.磁力应用工程[M].北京:兵器工业出版社,1991.[6]　芮　菁,顾建明,徐　列,等.磁性流体密封的试验研究[J].真空与低温,1997,3(2):84～87.[7]　周继斌,陆永平.离心力在旋转轴磁性流体密封中的应用[J].润滑与密封,1990,(1):2～4.283 上　海　交　通　大　学　学　报第33卷　。