真空镀膜机用小型磁性液体密封设计

于文娟，李德才,，李艳文，张志力，董珈皓

(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.清华大学 摩擦学国家重点实验室，北京 100084)

磁性液体是一种新型纳米级功能性材料，它同时具有固体的磁性和液体的流动性，磁性液体通常由三部分构成，分别是磁性颗粒、表面活性剂和基载液[1].磁性液体密封是磁性液体最成熟的应用之一，具有零泄漏、长寿命、结构简单、可靠性高等优点[2].

国外真空镀膜机发展较早，1980年之后我国的真空镀膜技术才开始逐渐展开[3].随着时代的发展，对于镀制品的质量要求越来越高，提高了对真空镀膜机的设计要求[4]，解决镀制产品合格率不高是亟待解决的问题[5].真空镀膜机的传动轴轴头外伸部分的密封极其重要[6]，若密封达不到真空度要求，会影响最终镀膜效果，造成一系列损失.对于真空镀膜机传动控制轴处的密封是一个难题，国内外学者采用了多种密封方式，通常为橡塑密封或机械密封[7].在转轴转动过程中，橡塑密封[8]或机械密封[9]均存在一定摩擦，易于损坏密封装置或转轴，质量不稳定，从而产生泄漏，不但造成损失，而且污染了环境.传统密封[10]存在装配复杂、寿命短等不足，而磁性液体密封[11]可以克服以上不足.文献[12]设计了真空镀膜机用双轴磁性液体密封，通过理论分析及实验表明密封良好，镀膜产品满足质量要求，但是对于真空镀膜机传动控制轴处直径不大于10 mm时却不适用.本文作者结合磁性液体密封原理[13]，根据真空镀膜机的需求，设计了一种适用于真空镀膜机轴径小的磁性液体密封装置.

1 真空镀膜机磁性液体密封结构设计

1.1 磁性液体密封原理

磁性液体密封如图1所示，左侧为被密封介质，磁性液体密封装置与被密封设备通过机械连接，位置3处的密封圈防止外界杂质进入装置，同时防止设备内被密封介质外泄.轴承用来做轴向定位，降低运动中的摩擦系数，保证了回转精度.极靴内圈开设齿槽，形成数个极齿，极齿与转轴存在一定间隙，永磁体提供磁源，与极靴、转轴形成磁回路，将磁性液体束缚在极齿下，形成数个“O”型液态密封圈[14].极靴的外圆开设有沟槽，密封圈嵌入沟槽内，与外壳接触，防止被密封介质从极靴与外壳的间隙处泄漏，最终达到动密封的效果[15].

图1 磁性液体密封原理Fig.1 Schematic of magnetic fluid sealing

1.2 真空镀膜机磁性液体密封结构

图2为磁性液体密封装置总结构图，转轴直径为8 mm，在极靴内圈开设齿槽增加了加工难度，因此选择将齿槽开在转轴上.磁性液体密封装置外套设有外螺纹，可直接与真空镀膜机通过螺纹连接，法兰处的沟槽用来放置密封圈，起到密封作用.端盖、隔套、外套均使用304不锈钢材料制成，极靴、主轴选用导磁材料2Cr13制成，密封圈均使用丁晴橡胶圈，极靴对应的转轴段一共开设20个极齿，每个极靴对应10个极齿，为对称结构.

图2 磁性液体密封装置Fig.2 Magnetic fluid sealing machine

1.3 转轴结构的设计

转轴结构如图3所示，卡槽处安装卡簧，分别将两个轴承进行定位.转轴直径为 8mm，极靴对应的转轴段开设齿槽，形成数个极齿.

图3 转轴结构(单位：mm)Fig.3 Shaft structure(unit:mm)

1.4 极齿尺寸的确定

在极靴对应处的转轴上开设齿槽，形成数个极齿，极齿的剖面形状为矩形，极齿剖面结构局部示意图如图4所示.其中：Lt为极齿宽度，设为0.2 mm；Ls为齿槽宽度，设为0.8 mm；Lh为极齿高度，设为0.7 mm；Lg为极齿与转轴的间隙，设为0.1 mm.

图4 极齿结构示意Fig.4 Schematic of pole tooth structure

1.5 永磁体尺寸的确定

永磁体使用圆环形钕铁硼(NdFeB)磁铁，具有极高的磁能积和矫顽力.选择牌号为N35的钕铁硼磁铁，矫顽力为890 kA/m，相对磁导率为1.05，最大磁能积为305 kJ/m3.永磁体的具体尺寸见图5.

图5 永磁体结构(单位：mm)Fig.5 Structure of permanent magnet(unit:mm)

1.6 轴承的确定

轴承在磁性液体密封结构中，用来承受径向载荷，并限制轴向位移，轴承安装在转轴处，处于极靴的两侧.由于转轴直径极小，标准轴承不能满足尺寸要求，极靴两侧轴承选用特制微型深沟球轴承，轴承内径为8 mm，外径为19 mm，宽度为6 mm.轴承结构如图6所示.

图6 轴承结构(单位：mm)Fig.6 Structure of bearing(unit:mm)

2 理论分析

2.1 磁场强度的有限元分析

使用AutoCAD软件建立磁性液体密封结构模型，然后使用ANSYS软件对建立好的模型进行仿真模拟，得到密封间隙内的磁感应强度分布，分析磁性液体密封结构的耐压能力.改变极靴内径，使得极齿与极靴内壁的间隙不同，取4组不同的间隙值，分别为0.1、0.2、0.3、0.4 mm，对4组间隙值的磁性液体密封结构均做了磁场仿真.

将在AutoCAD内建立好的模型输出为ACIS格式，导入到ANSYS软件中.首先建立物理环境，选择节点法磁场分析类型，并添加节点，对节点进行测试，将模型设置为轴对称模型，分别建立空气、永磁体、极靴、转轴4种材料模型，并定义材料属性.其次将模型进行网格划分，先进行一次网格划分，再进行局部细化网格，磁性液体密封结构网格图见图7.最后对模型施加载荷，计算分析结果，得到磁性液体密封结构的磁场分布图如图8所示.在密封极齿间隙处定义路径，最终得到每个极齿处磁场强度值.

图7 磁性液体密封结构网格Fig.7 Grid of magnetic fluid seal structure

图8 磁性液体密封结构磁场分布Fig.8 Magnetic field distribution of magnetic fluid sealing structure

2.2 密封耐压能力的计算

2.2.1 伯努利方程的推导

磁性液体的运动方程[16-17]为

(1)

式中：ρf为磁性液体的密度；V为磁性液体的速度；ts为松弛时间；g为重力加速度；μ0为真空磁导率；M为磁性液体的磁化强度；H为磁场强度；J为单位体积的磁性液体内所有固相颗粒的绕轴惯性矩；ω为磁性液体的基载液的涡旋速度；Ω为固相颗粒的转动速度；p为磁性液体受到的正应力，即压力；ηH为磁性液体在磁场中的黏度.

假设：1)磁性液体密度是常数ρf=const，由流体运动的连续方程

(2)

有

∇·V=0

(3)

2)流动是无旋流动，根据无旋流动定义有

∇×V=0 或ω=0

(4)

并且存在势函数φv，使得

V=-∇φv

(5)

3)磁性液体是内禀性的，外磁场的变化不造成磁性固体颗粒的旋转，同时因为ω=0，所以可以认为

Ω=0

(6)

在内禀性假设条件下一般认为磁性液体的磁化强度和外磁场平行，即

μ0M·∇H=μ0M∇H

(7)

利用Leibniz对积分上限取导数

(8)

又M=M(H,T)，T为温度，式(8)变为

(9)

将重力换成梯度形式，h为分析对象到参考点的高度，则

ρfg=-∇(ρfgh)

(10)

根据恒等式变换

(11)

∇2V=∇(∇·V)-∇×(∇×V)=0

(12)

联立式(1)～式(12)，得到磁性液体伯努利方程的一般形式为

(13)

假设磁性液体在做定常的等温流动，则式(13)可简化为

(14)

2.2.2 边界条件的确定

由边界条件的一般表达式[18]

(15)

接触面的表面张力pc为

(16)

又

n0·(τ1-τ2)=-pcn0

(17)

式中：R1为接触界面磁性液体曲率半径；R2为接触界面被密封介质曲率半径；σ是表面张力常数.

联立式(15)～式(17)，得

(18)

2.2.3 推导密封耐压公式

假设：1)认为磁力线与等磁场线重合； 2)忽略磁性液体自身的重力以及表面张力.对边界面应用伯努利方程，有

(19)

结合边界条件式(18)得

(20)

将式(20)代入式(19)得

(21)

式(21)即为计算磁性液体两侧压力差的公式.当磁性液体密封间隙中的磁场强度很高，磁性液体处于饱和磁化强度状态，可化简为

Δp=μ0Ms(H1-H2)

(22)

式中：Ms为磁性液体饱和磁化强度.可知，要想磁性液体两侧压力差达到最大，可以提高Ms或者磁性液体两侧的磁场强度差值.

对于本文所述磁性液体密封结构来说，每个极齿下均存在一个磁性液体密封环，对于磁性液体密封结构的总耐压P应为每个密封环之和[6]

(23)

式中：N为磁性液体密封结构中极齿的数量.

当极齿处的磁场足够大到磁性液体处于饱和磁化强度的大小时，磁性液体密封结构总耐压为

P=Nμ0Ms(H1-H2)

(24)

2.3 仿真结果

通过仿真分析了不同密封间隙磁性液体密封结构的磁场分布情况.密封间隙Lg分别取为0.1、0.2、0.3、0.4 mm，图9为沿着轴线S不同密封间隙的极齿处磁感应强度分布.很显然，当密封间隙为0.1 mm时，每个极齿两侧的磁场梯度最大.由以上理论分析可知，极齿处磁场差值越大，最终的磁性液体密封结构耐压效果越好，结果表明当极齿与极靴间隙为0.1 mm时耐压最高.

由磁感应强度B=μ0H，式(24)可写为

P=NMsΔB=NMs(B1-B2)

(25)

将已知数值ΔBmax=6.8456T，Ms=26.27kA/m代入式(25)得

P=26.27×103(A/m)×6.8456(T)=

(a)间隙为0.1 mm

(b)间隙为0.2 mm

(c)间隙为0.3 mm

(d)间隙为0.4 mm图9 不同密封间隙的磁感应强度分布Fig.9 Magnetic induction intensity distributions under different sealing clearances

由上述的理论分析得出间隙为0.1 mm时磁性液体密封结构的耐压值为0.18 MPa.同理，分别得到间隙为0.2、0.3、0.4 mm时磁性液体密封结构的耐压值分别为：0.13、0.122、0.116 MPa.

根据以上的分析，得到了当密封间隙为0.1 mm时，此磁性液体密封结构耐压值为0.18 MPa；当密封间隙为0.2 mm时，耐压值为0.13 MPa；当密封间隙为0.3 mm时，耐压值为0.12 MPa.根据真空度要求，考虑到将磁性液体密封结构的耐压值留出足够的余量，选择加工极齿与转轴间隙为0.1 mm的磁性液体密封装置.本文设计并加工了间隙为0.1 mm的磁性液体密封装置，在高速实验台上测试了不同转速下磁性液体密封装置的耐压能力，使用高低温箱测试了不同温度下磁性液体静密封，均满足真空度要求，并应用在真空镀膜机的转轴动密封处，至今应用良好.

3 结论

1)设计了适用于小轴径的真空镀膜机磁性液体密封结构，改变了以往真空镀膜机转轴处的橡塑密封模式，对不同间隙的密封结构进行了仿真模拟，得到了4组不同间隙对应的磁性液体密封结果理论耐压值，4组间隙均满足真空镀膜机的真空度要求.

2)考虑到将磁性液体密封结构耐压值留出余量，加工了间隙为0.1 mm的磁性液体密封装置，将磁性液体密封装置应用在真空镀膜机的传动转轴处，实际应用表明密封装置性能良好.

3)本文的小型磁性液体密封设计方法对于其他磁性液体密封设计具有参考价值，今后磁性液体密封小型化无论从理论上还是应用上都是值得研究的.