夹芯磁路下大轴径磁性液体密封性能研究*

王 军 王乐宏 何 帅 王建梅

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心 山西太原 030024)

磁性液体用于密封是其最早和最成功的技术领域之一。磁性液体密封具有零泄漏、长寿命、无污染等优点，成为最具发展潜力和应用价值的非接触式新型流体密封技术之一[1-2]。在航天、核电和国防军事等大型装备领域，大直径轴系径向跳动产生的大间隙降低了磁性液体密封的耐压能力和使用寿命，严重制约了磁性液体密封在重型高端领域的应用与发展。因此，如何提高大轴径磁性液体密封性能，成为国内外学者与工程技术人员研究的热点[3-5]。

大直径转轴径向跳动使得转轴与极靴产生摩擦磨损引起磁性液体密封失效，增大密封间隙减轻径向跳动对密封的影响是提高大轴径磁性液体密封性能的重要途径。大间隙条件下，磁性液体的密封能力显著降低，需要改变密封结构、制备具有高饱和磁化强度的磁性液体等方法来提高密封能力[6]。李德才等[7-8]采用实验方法研究了直径大于300 mm轴径在密封间隙大于1 mm时的磁性液体密封耐压性能，结果表明：密封耐压能力随着密封间隙的增大迅速减小，随磁性液体饱和磁化强度的增大而增大。为提高大轴径大间隙密封性能，研究者们对磁性液体静密封结构进行了改进，如多级磁源密封结构[9]、磁性液体密封与迷宫密封组合密封[10]以及聚合型阶梯式磁性液体静密封结构[11]等。此外，TOMIOKA和MIYANAGA[12]研究了4种不同饱和磁化强度的磁性液体密封的影响，得到随着饱和磁化强度的增大，磁性液体静密封耐压能力逐渐增强。

为进一步提高大轴径大间隙磁性液体密封耐压能力，本文作者在经典磁性液体密封结构基础上提出了一种具有夹芯磁路的新型磁性液体密封结构，研究了密封结构磁场分布特征，采用磁性液体密封耐压理论对大间隙作用下磁性液体密封夹芯磁路结构与经典密封结构的耐压能力进行了比较和分析。

1 大间隙磁性液体密封结构

夹芯磁路密封结构是在经典磁性液体密封结构的基础上提出的，主要包括永磁铁、极靴、转轴、端盖、套筒、弹性挡圈、调心滚子轴承等，如图1(a)所示。夹芯磁路密封结构与经典磁性液体密封结构相比，在极齿下方增加了一个环形磁铁，该环形磁铁被安装到套筒里面，与套筒一起随轴转动，极靴采用“L”形状，方便极靴、套筒的安装、拆卸和对套筒、新增永磁铁的固定。该结构通过在轴上嵌套安装环形磁铁，改变了密封间隙中的磁场分布规律，进而影响到密封间隙中的磁通密度梯度，实现了磁性液体密封耐压性能的改善，如图1(b)所示。

图1 大间隙磁性液体密封结构(a)和磁路示意(b)

2 磁场有限元模型

采用有限元软件ANSYS APDL对夹芯磁路密封结构的密封性能进行数值模拟。夹芯磁路密封结构由内外2个同心永磁体环、极靴、转轴等部分组成，为加工方便，极靴极齿采用矩形形状，转轴直径为150 mm，二维几何模型及主要尺寸如图2所示。

图2 夹芯磁路密封结构几何模型(mm)

该磁性液体密封结构具有轴对称特性，采用Magnetic-Nodal模块，全部选用高阶8节点PLANE233单元与Axisymmetric轴对称选项，采用Quad/Free自动网格划分，为提高密封间隙收敛性与计算精度，对密封间隙部位做局部网格加密处理，施加Flux Par’l磁力线平行边界条件，建立轴对称有限元模型如图3(a)所示。该磁性液体密封结构中永磁铁选用最常用的钕铁硼，极靴和转轴的材料均选用导磁性好的2Cr13。为尽可能减小密封结构的漏磁，壳体选用导磁能力差的304不锈钢，假设磁性液体磁导率和空气近似相等，永磁体磁导率为1.05，矫顽力为8.910 5 A/m[13-14]。

图3 夹芯磁路密封结构的有限元模型(a)及 不同网格精度下密封间隙磁通密度(b)

有限元模型网格大小与数值模型精确度直接相关，提取不同网格尺寸下密封间隙磁通密度曲线对有限元模型进行网格无关性分析，如图3(b)所示。可知，单元个数从14 324增加到205 622时，磁通密度发生很大变化。然而，当单元个数继续增加到351 368时，磁通密度与205 622单元个数时几乎重合。因此，文中后续有限元模型均采用205 622单元尺寸网格密度。

3 结果与讨论

3.1 密封结构磁场分布

磁性液体密封性能除磁性液体饱和磁化强度、磁-黏特性等自身物化特性外，密封结构磁场分布特征是影响其密封耐压能力的关键因素。密封结构磁力线分布、磁通密度云图、磁通密度矢量图是评估磁性液体密封磁场分布特征的主要方式[4，15-16]。

图4示出了密封间隙为0.4 mm时磁性液体密封经典结构与夹芯磁路密封结构的磁力线分布。

图4 经典结构(a)、夹芯结构(b)磁力线分布

由图4可知，2种密封结构所有磁力线形成了完整的闭合回路，其中空气中的磁力线分布的密度远小于极靴和轴上的磁力线分布的密度。同时，在密封结构的外空气侧，空气中的磁力线越靠近极靴与永磁铁分布越密集，即在密封结构的最外侧，极靴、永磁体与空气接触处漏磁严重。通过极靴的大部分磁力线聚集到极齿上，这导致通过极齿的磁力线十分密集，极齿处的磁力线密度明显大于密封间隙的其他地方的磁力线密度，在极齿处的密封间隙内形成较大的磁通密度梯度，能够更好地把磁性液体聚集到极齿下抵抗密封腔内外的压力差，起到密封作用。与经典磁性液体密封结构相比，夹芯密封结构的内永磁体使得通过轴的近表面磁力线数量更多。通过对比观察2种不同密封结构的磁力线分布图，可判断出所设计的夹芯磁路磁性液体密封结构合理可行。

为进一步研究密封结构磁场分布情况，图5给出了磁性液体密封经典结构与夹芯磁路密封结构的磁通密度云图。可知，2种密封结构的磁通密度大小关于磁铁径向对称分布，在密封间隙处磁通密度最大，这与密封结构磁力线分布图中表现的一致。此外，空气中的磁通密度要小于极靴和转轴上磁通密度。同时，在极齿下方的密封间隙处夹芯结构磁通密度梯度明显高于经典结构磁通密度梯度，提高了磁性液体密封性能。

图5 经典结构(a)、夹芯结构(b)磁通密度云图

图6给出了夹芯磁路密封结构的磁通密度矢量分布情况，其中箭头的方向代表磁场的方向，颜色代表磁通密度的大小。可知，极靴位置处磁通密度最大，极齿上的磁场方向几乎全部垂直于转轴，2个极靴极齿处的磁场方向表现出反对称分布形式，密封结构具有良好的磁路特征。

图6 磁通密度矢量图

3.2 密封结构耐压性能分析

磁性液体在非均匀磁场作用下形成磁性液体“O”形圈，磁性液体存在压差作用时，非均匀磁场使得磁性液体受到抵抗压差的磁场力起到密封作用，单级磁性液体密封的一般耐压公式[10]：

Δp=Ms(Bmax-Bmin)

(1)

式中：Ms是磁性液体饱和磁化强度[10]；Bmax和Bmin分别是极齿下的最大和最小磁通密度。

图7所示为密封间隙在0.4 mm时，磁性液体密封经典结构和改进结构的密封间隙内磁通密度分布曲线。可知，磁通密度曲线关于磁铁呈对称分布，在极齿处表现出显著的磁通密度差值。对比2种不同磁性液体密封结构密封间隙中的磁通密度分布，得出2种密封结构的极齿处最大磁通密度相差较小，但改进的夹芯密封结构在极齿处的最小磁通密度明显小于经典结构在极齿处的最小磁通密度，导致改进的夹芯密封结构比经典的密封结构具有更大的磁通密度差值，使得改进后的夹芯磁路磁性液体密封结构具有更强的聚磁能力。根据式(1)可知，密封耐压能力与磁通密度差值和磁性液体的饱和磁化强度有关。因此，在相同磁性液体条件下，具有夹芯磁路的密封结构比经典磁性液体密封结构具有更强的密封耐压能力。

图7 0.4 mm密封间隙内磁通密度分布

为进一步研究大间隙对密封耐压能力的影响规律，图8给出了相同磁性液体条件下2种磁性液体密封结构在密封间隙从0.2 mm增加到1 mm的抗压性能。可以得到，随着密封间隙的增大，2种结构的耐压力均随着密封间隙的增大而减弱，这一磁性液体密封的规律与李德才教授在大直径大间隙磁性液体静密封的实验研究中得到的密封间隙与耐压能力关系的规律一致[7]。同时，大间隙条件下具有夹芯磁路的密封结构在抗压能力比经典磁性液体静密封结构显增强，平均耐压能力提高了约20%。随着密封间隙从0.2 mm增大到1 mm，磁性液体密封改进结构相比于经典结构，其理论耐压能力提高百分比逐渐增大，从0.2 mm间隙时的11.7%增加到1 mm间隙时的29.7%，具有夹芯磁路密封结构在大间隙下对密封耐压能力的提升效果尤为显著。

图8 2种密封结构耐压能力的比较

4 结论

设计一种适用于大轴径的大间隙具有夹芯磁路的磁性液体密封结构，采用数值模拟研究了夹芯磁路密封结构的磁场分布和耐压性能。主要得到以下结论：

(1)相比于经典磁性液体密封结构，夹芯密封结构的内永磁体使得通过轴的近表面磁力线数量更多；同时，夹芯密封结构具有更大的磁通密度差值，导致其具有更强的聚磁能力。因此，具有夹芯磁路的密封结构表现出更好的密封性能，理论耐压能力平均提高约20%。

(2)磁性液体密封夹芯磁路结构相比于经典结构，随着密封间隙的增大，密封耐压能力提高效果越加显著，从0.2 mm间隙时的11.7%增加到1 mm间隙时的29.7%。

(3)在磁性液体相同时，密封间隙在0.2 mm到1 mm范围内，随着密封间隙的增大，夹芯磁路密封结构耐压能力逐渐减小。