磁性流體密封能力的數(shù)值計(jì)算分析

磁性流體密封能力的數(shù)值計(jì)算分析

摘 要：磁場(chǎng)和磁性流體的飽和磁化強(qiáng)度對(duì)磁性流體的密封有著直接的影響。磁性流體密封間隙的變化、轉(zhuǎn)軸偏心、磁性流體的量、轉(zhuǎn)軸直徑、離心力等對(duì)磁性流體密封間隙處的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)磁性流體的密封壓差也產(chǎn)生影響。本文定量的分析了密封間隙、轉(zhuǎn)軸偏心、轉(zhuǎn)軸直徑、離心力對(duì)磁性流體密封能力的影響。
關(guān)鍵詞：磁性流體、密封能力、數(shù)值計(jì)算

引言
影響磁性流體旋轉(zhuǎn)軸密封能力的因素很多，其中磁性流體的材料特性，磁場(chǎng)的強(qiáng)度對(duì)軸密封有著直接的影響，對(duì)于材料相同和結(jié)構(gòu)相似的密封裝置而言，轉(zhuǎn)軸的偏心、密封間隙的變化以及在轉(zhuǎn)軸的直徑、離心力的作用都會(huì)對(duì)密封能力產(chǎn)生影響。分析這些因素的影響對(duì)磁性流體密封的設(shè)計(jì)和使用是十分重要的。本文采用數(shù)值計(jì)算方法分析了設(shè)計(jì)與制造因素對(duì)密封能力的影響。

１、密封的理論基礎(chǔ)

一般而言，外加磁場(chǎng)較強(qiáng)，磁性流體處于飽和狀態(tài)[1]，其磁化強(qiáng)度近似等于其飽和磁化強(qiáng)度Ms，不考慮旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用，磁性流體單級(jí)密封內(nèi)任一點(diǎn)處的壓強(qiáng)為：

式中h ——沿重力方向自參考點(diǎn)至磁性流體微團(tuán)的距離，C ——積分常數(shù)，由邊界條件確定。

當(dāng)磁性流體較多時(shí)，可以認(rèn)為在極限狀態(tài)下，此時(shí)流體低壓側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為０，忽略重力作用，單級(jí)軸密封的極限密封壓強(qiáng)差近似為：

當(dāng)轉(zhuǎn)軸以角速度w0旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)磁性流體還會(huì)受到離心力的作用。假設(shè)轉(zhuǎn)軸半徑為R1，磁極內(nèi)徑為R2，則旋轉(zhuǎn)密封磁性流體內(nèi)的壓強(qiáng)[1]為：

式中：

2、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁性流體磁化強(qiáng)度對(duì)密封壓差的影響

從式（2）可以看出，磁性流體的密封壓差與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與磁性流體的飽和磁化強(qiáng)度成正比。因此，為提高磁性流體的密封能力，應(yīng)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，采用磁性強(qiáng)的磁性流體。

3、密封間隙對(duì)密封壓差的影響

密封壓差取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。當(dāng)密封間隙發(fā)生變化時(shí)，由于永磁體的體積不變，磁勢(shì)不變，隨著密封間隙的增大，密封間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)變小[2-3]。圖1所示為密封間隙內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸向的分布。隨著密封間隙的不斷增加，密封間隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值逐步減小。

在磁性流體量不變的前提下，因?yàn)槊芊鈮翰钫扔诖鸥袘?yīng)強(qiáng)度，所以隨著密封間隙的增加，密封壓差減小。圖2所示為磁性流體密封壓強(qiáng)差與密封間隙的關(guān)系。在加工精度允許的前提下，密封間隙應(yīng)取得小些。

除設(shè)計(jì)與制造因素決定密封間隙外，轉(zhuǎn)軸偏心的影響也與間隙的影響相似。當(dāng)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生偏心作用時(shí)，密封間隙沿圓周方向分布不均勻。在磁性流體量不變的情況下，對(duì)于整個(gè)密封裝置而言，氣隙大的位置對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)差就是整個(gè)裝置的壓強(qiáng)差。偏心距越大，密封壓強(qiáng)差越小。圖3所示為磁性流體密封壓差與轉(zhuǎn)軸偏心的關(guān)系。其中，轉(zhuǎn)軸直徑為10mm，密封間隙為0.5mm。

４、轉(zhuǎn)軸直徑的變化對(duì)密封壓差的影響

根據(jù)式（1），考慮重力作用時(shí)，在重力方向上，壓強(qiáng)隨著h的增大而增加[4]。圖4所示為用數(shù)值方法計(jì)算出的轉(zhuǎn)軸為水平方向的單級(jí)密封的磁性流體截面形狀。其中虛線為不考慮重力作用時(shí)的截面形狀，而實(shí)線為考慮重力作用時(shí)的截面形狀。因?yàn)榇判粤黧w量不變，兩種情況下截面形狀包圍的面積相同。

隨著轉(zhuǎn)軸直徑的增加，重力的作用變得更加明顯。磁性流體量一定時(shí)，位于轉(zhuǎn)軸下部的間隙處磁性流體量增加，而轉(zhuǎn)軸上部的間隙處磁性流體量減少，總的作用相當(dāng)于磁性流體量的減少。因而，就存在隨著轉(zhuǎn)軸直徑的增加，轉(zhuǎn)軸上部密封壓差減小，下部密封壓差增加。就整個(gè)密封裝置而言，密封能力是由最小密封壓差部分決定的，因此隨著轉(zhuǎn)軸直徑的增加，密封能力將會(huì)下降。

圖5所示為其他尺寸相同，密封截面積相同時(shí)，磁性流體單級(jí)密封壓差與轉(zhuǎn)軸直徑的關(guān)系。其中，密封間隙為1mm?？梢钥闯觯?dāng)轉(zhuǎn)軸直徑為200mm時(shí)，重力的作用將使密封能力下降6%左右。為克服重力的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)軸直徑較大時(shí)，應(yīng)多加入磁性流體。

５、磁性流體量對(duì)密封壓差的影響

圖6所示為密封壓差與磁性流體量的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著磁性流體量的增加，開始時(shí)，由于磁極極尖處磁場(chǎng)變化較大，等壓線所包圍的面積較小，磁性流體密封壓差隨磁性流體量增加較快。在遠(yuǎn)離磁極極尖處，磁場(chǎng)變化緩慢，等壓線包圍面積增大，因而密封壓差增加緩慢，并趨于極限值。當(dāng)磁性流體較少時(shí)，不能形成密封帶，所以曲線的起始點(diǎn)不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。為了充分利用密封裝置的密封能力，必須加入充分多的磁性流體，但磁性流體達(dá)到一定量時(shí)，繼續(xù)增加注入的量，其作用逐漸減小。

６、離心力對(duì)密封壓差的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁性流體會(huì)受到離心力的作用。在離心力的作用下，磁性流體沿徑向發(fā)生位移，密封環(huán)截面積形狀發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)軸表面上的軸向長(zhǎng)度減小，相同壓強(qiáng)差時(shí)所對(duì)應(yīng)的等壓線所包圍的面積較靜止時(shí)增大，因而，磁性流體量相同時(shí)，密封壓差下降[5-8]。

為了減少離心力的作用，可以將磁極放于轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同速旋轉(zhuǎn)。離心力使磁性流體沿徑向發(fā)生位移時(shí)，增加了磁性流體截面在外殼內(nèi)表面上的軸向長(zhǎng)度，因而旋轉(zhuǎn)密封壓差大于靜止密封壓差。

圖7所示為磁極旋轉(zhuǎn)和軸旋轉(zhuǎn)，密封壓差與磁性流體量關(guān)系。從圖中可以看出，在磁性流體體積一定的前提下，磁極旋轉(zhuǎn)密封壓差大于軸旋轉(zhuǎn)密封壓差。

在實(shí)際密封中，磁場(chǎng)較強(qiáng)，密封間隙較小，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)磁性流體截面形狀變化不明顯，這時(shí)可以不考慮離心力的作用，按靜止密封進(jìn)行分析。

７、結(jié)論

對(duì)于材料相同和結(jié)構(gòu)相似的密封裝置而言，磁性流體的密封壓差與外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和磁性流體飽和磁化強(qiáng)度成正比；隨著密封間隙和轉(zhuǎn)軸偏心的增加，密封能力將會(huì)減弱；隨著磁性流體量的增加，磁性流體的密封壓差將會(huì)增加；在重力作用下，轉(zhuǎn)軸直徑的增加，相當(dāng)于磁性流體量的減少，使得密封能力減弱。離心力的作用使得磁性流體的界面形狀發(fā)生變化，可以通過(guò)一定的改進(jìn)措施減小離心力對(duì)磁性流體密封能力的影響或者可以利用離心力的作用提高密封能力。

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