旋转轴用磁性流体密封结构

资源类型:pdf 资源大小:680.00KB 文档分类:工业技术 上传者:浦哲

文档信息

【作者】 闫令文  冷艳  李保锋 

【关键词】磁性流体密封 离心式密封 迷宫密封 端面密封 组合密封 可变形永磁铁 变齿宽 软磁极 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】结合磁性流体密封的特性, 介绍了几种磁性流体密封结构以及磁性流体密封与传统密封相结合的组合密封结构, 使传统密封的不足得到了改善。

【刊名】机床与液压

全文阅读

0 前言传统密封通常分为接触式密封和非接触式密封两大类, 它们都存在一些不足。接触式密封虽然能保证绝对密封零泄漏, 但这种密封由于接触元件之间的摩擦磨损较大、功率损耗大、转速受到限制、使用寿命短、需要经常维修; 非接触密封虽然不存在摩擦或者摩擦较小, 但由于非接触造成存在泄漏通道, 密封效果较差。20世纪 60年代出现的磁性流体密封技术,结合了以上两种结构的优势, 是一种处于接触式和非接触式之间的密封形式, 成功地实现了零泄漏、无磨损、小功耗, 成为一种很有前景的密封形式。磁性液体密封的性能除了取决于磁性液体本身的性能外, 还取决于磁性液体密封的结构。经过了近 40年的发展,人们对磁性流体密封性能进行了广泛深入的研究, 使得磁性流体密封结构越来越成熟, 尤其是在静密封和真空动密封方面磁性流体密封已经取得了很大的成功, 但是在动态液体密封方面, 还有很多的工作需要做, 针对这种情况, 本文结合国内外以及作者的研究工作, 介绍和提出了一些适用于磁性液体密封的密封结构。1 磁性流体密封简介磁性流体密封就是利用磁性液体在磁场作用下表现出来的强磁性, 将其固定在密封间隙内, 形成液体“O”形密封环, 在无外力作用时, 磁性流体保持在磁场最强处; 在有外力作用时, 磁性流体的位置和形状发生变化, 引起磁场力的变化, 磁场力与外力相平衡, 从而起到密封的作用。其原理图如图 1所示 [1]。由于起密封作用的是磁性液体, 因此它具有如下的优点: (1 ) 在允许承压范围内可以实现零泄漏;(2) 由于液体产生的摩擦力很小, 所以几乎无磨损,使用寿命长; ( 3 ) 密封无方向性, 可以双向受压;(4) 瞬间过压, 在压力回落时可以自动修复; ( 5 )无固体接触, 所以噪声和振动小; (6 ) 在低温时能保持较好的密封性能。图 1 磁性流体密封原理图  图 2 非磁性轴密封结构2 磁性流体密封结构(1) 非磁性轴的磁性流体密封结构磁性流体密封必须要求将磁性流体固定在磁路中, 对于非磁性轴, 由于轴不能构成磁路的一部分,所以磁路通过磁铁、磁极、磁性流体构成一个回路,其结构如图 2所示。(2) 磁性转轴常用磁性流体密封结构常用的磁性转轴磁性流体密封结构如图 3所示 [1], 它依靠磁铁、磁极、间隙中的磁性流体和转轴构成磁回路。这几种结构各有优缺点, 图 3 (a) 是最常用的结构, 磁极和磁铁固定, 轴旋转, 这种结构安装方便, 易于使用; 它的缺点是在轴旋转时密封能力比静止时明显下降, 而且随转速的增加, 密封性能随之下降。图 3 (b) 的密封效果好, 随转速增加密封能力下降慢, 但是该结构安装复杂, 且轴的转动惯量增加, 对优化结构不利。图 3 (c) 的密封效果较好, 但是由于需要轴固定, 应用范围受到限制。图 3 磁极与旋转轴之间不同的相对运动(3) 离心式密封结构如果旋转轴需要在高转速的情况下运转, 磁性流体受到的离心力作用就会很大, 磁性流体会被甩离轴的表面, 从而使轴表面附近轴向磁性流体量减少, 甚至形成间隙泄漏, 常用磁性流体密封结构的密封能力明显下降, 这时就需要改进结构。图 4所示的离心式磁性流体密封结构 [5], 就是综合了离心密封和磁性流体密封两者的优势, 在较低转速时, 磁性流体密封起主要作用; 当转速较高时, 离心力起主要作用, 从而达到了良好的密封效果 [6~8]。(4) 磁性流体端面密封结构普通的端面密封是依靠弹簧使两端面紧压在一起来实现密封的。在端面之间摩擦力较大, 因而需要经常维护且使用寿命受到限制。而磁性流体端面密封是利用磁场和磁性流体来实现的, 它克服了这种不足。图 5是磁性流体端面密封结构, 它由永磁铁和位于支座中间的极片及法兰和环形间隙中的磁性流体组成。法兰沿轴线方向可以调整其位置, 保证滑环与支座有一定的接触压力, 永久磁铁与磁极和磁性流体、支座、法兰形成 4个具有合适磁通量的环形磁路, 其中磁极、支架与法兰之间的磁场力使装有滑环的法兰与支座接触, 磁极之间、磁极与法兰之间的磁场力保证磁性流体在间隙中形成端面密封。两个端面之间由于充满了磁性流体而不直接接触, 因此摩擦力小、功耗低、寿命长、易于维护 [2]。(5) 组合密封结构①“O”形圈与磁性流体密封的组合这种结构令“O”形圈与轴很松地接触, 以减小间隙, 此时“O”形圈即使有少量磨损也不影响密封效果, 因为该结构主要是靠磁性流体来密封; 但是“O”形圈能使磁性流体尽量保持在磁极的齿处, 对密封有一定的帮助作用。其密封原理如图 6所示。②迷宫密封与磁性流体密封的组合图 6 磁性流体与“O”  形圈组合密封其实磁性流体密封的齿本身就起到迷宫的作用, 但是如果采用交错式的迷宫密封, 综合两者的优点, 磁性流体密封使得密封间隙可以稍大一些,有利于组装; 迷宫形式可以有效地将磁性流体控制在磁极附近, 增强了密封能力, 可以实现零泄漏。其密封原理图 7 磁性流体迷宫密封如图 7所示。③螺旋密封与磁性流体密封的组合这种密封结构充分利用了磁性流体密封和螺旋密封两者的优势。静止或低速时, 靠磁性流体来保证密封, 高速时靠螺旋密封来保证密封,密封原理如图 8所示 [3~4]。该结构的缺点就是螺旋密封与磁性流体密封必须串联, 故结构轴向尺寸较大。④离心密封与普通磁性流体密封的组合离心式磁性流体密封结构中磁性流体分布在旋转件的两侧, 由于离心力的作用他们都将被甩离旋转件, 而两侧磁性流体中必有一侧所受的离心力与液体压力方向相同, 这不利于提高承压能力。若采用单侧离心式磁性流体密封, 使其所受离心力的方向与液体压力相反, 另一侧配以普通磁性流体密封使其构成磁回路, 则密封承压能力将有所提高。其原理图如图 9所示。图 8 螺旋密封与磁  流体组合密封      图 9 离心密封与普  通磁流体密封(6) 变齿宽结构对于图 10所示的密封结构, 通常为了计算方便假设磁极与轴之间的磁场是沿轴向均匀分布的, 然而实际上并非如此。通过实测发现: 磁极与轴之间磁场强度沿轴向从永久磁铁处向远离永久磁铁的一侧呈现明显的衰减。根据这种情况, 可将磁极的齿宽设计成图 10 变齿宽结构变化的, 如图 10所示。磁场强度高的地方齿极较宽, 磁场强度低的地方齿极较窄, 这样使得每个齿极通过的磁通量都能够达到接近饱和, 使密封结构更加紧凑。(7) 可变形永磁铁密封结构所谓可变形永磁铁, 就是将橡胶、塑料等可变形材料与磁性粉末均匀混合制备而成, 然后用磁铁把它磁化做成磁性材料 [9], 这种材料既具有原来的可变形性, 又具有磁性。采用这种密封结构, 使磁极与磁铁合为一体, 节省了空间, 并且安装拆卸简单, 如图11所示; 但是这种密封结构因磁场较弱, 密封承压能力受到限制。图 11 可变形永磁铁密封结构  图 12 多极密封结构(8) 多极密封上面所说的结构都是由一块磁铁与磁极、轴、磁性流体构成磁回路的。而在有些情况下, 这样的结构难以达到密封要求, 这时可以考虑采用多块磁铁与磁极并用, 总的密封效果在一定范围内几乎等于所有级数密封效果的总和, 这就是所谓的多极密封, 如图12所示。3 讨论与展望提高磁性流体密封能力的方法主要是两个方面,一是改进磁性流体的性能; 二是改进密封结构。在应用中需要根据实际情况, 选择合适的磁性流体和密封结构, 才能达到最佳的使用效果。但是人们通常把这两部分分开来单独考虑, 这影响了磁性流体密封性能的提高。如果能将两者综合考虑, 密封性能会进一步提高。比如通常用的磁性流体颗粒都较小, 一般在10nm左右; 而密封间隙一般小于 0 2mm。而笔者在密封间隙较大 (大于 0 3mm) 的情况下, 制备了一些较大颗粒因而比饱和磁化强度较高的磁粉, 将其均匀的分散到磁性液体中。以该磁性液体实施密封时,较大颗粒聚沉于密封磁极上形成“柔性磁极”, 可使密封的承压能力比原来有明显的提高, 体现了综合利用结构与磁性流体的优势。所以在对磁性流体密封液体以及大间隙、高转速条件下的磁性流体密封结构的研究方面, 还有许多工作要做。相信磁性流体密封作为一种新颖的密封型式, 由于其独特的特征将会得到越来越广泛的应用。旋转轴用磁性流体密封结构@闫令文$中国科学院理化技术研究所!北京100080 @冷艳$北京神钢联冶金设备配件有限责任公司!北京100062 @李保锋$北京东方光电科技有限公司!北京100081磁性流体密封;;离心式密封;;迷宫密封;;端面密封;;组合密封;;可变形永磁铁;;变齿宽;;软磁极结合磁性流体密封的特性, 介绍了几种磁性流体密封结构以及磁性流体密封与传统密封相结合的组合密封结构, 使传统密封的不足得到了改善。【1】邹继斌,陆永平磁流体密封原理与设计北京:国防工业出版社,20008:17~134 【2】马秋成磁流体密封结构润滑与密封,1995(5):50~54 【3】(德)海因茨K 米勒,(英)伯纳德S 纳乌著,程传庆译流体密封技术———原理与应用机械工业出版社,20027 【4】刘令勋,刘英贵动态密封设计技术中国标准出版社,199310 【5】尾崎浩一磁流体シル技術原理と動向机械设计,32(2):39 【6】H.Heshmat,W.Shapiro,D.F.Wilcock.DesignandTestofaMagnetic-Fluid,Static-CentrifugalSeal.LubricationEngineering,September,1981 【7】U.S.Patent4200296Ferrofluidcentrifugalseal 【8】U.S.Patent4335885PluralFluidMagnetic/CentrifugalSeal 【9】U.S.Patent4708350MagneticLiquidSealwithMag netizedDeformableMagnet

1

参考文献

问答

我要提问