磁性流体密封能力的数值计算分析

磁性流体密封能力的数值计算分析
摘要：磁场和磁性流体的饱和磁化强度对磁性流体的密封有着直接的影响。磁性流体密封间隙的变化、转轴偏心、磁性流体的量、转轴直径、离心力等对磁性流体密封间隙处的磁场产生影响，同时也对磁性流体的密封压差也产生影响。本文定量的分析了密封间隙、转轴偏心、转轴直径、离心力对磁性流体密封能力的影响。
关键词：磁性流体、密封能力、数值计算
引言
影响磁性流体旋转轴密封能力的因素很多，其中磁性流体的材料特性，磁场的强度对轴密封有着直接的影响，对于材料相同和结构相似的密封装置而言，转轴的偏心、密封间隙的变化以及在转轴的直径、离心力的作用都会对密封能力产生影响。分析这些因素的影响对磁性流体密封的设计和使用是十分重要的。本文采用数值计算方法分析了设计与制造因素对密封能力的影响。
１、密封的理论基础
一般而言，外加磁场较强，磁性流体处于饱和状态[1]，其磁化强度近似等于其饱和磁化强度ms，不考虑旋转时离心力的作用，磁性流体单级密封内任一点处的压强为：
式中h ——沿重力方向自参考点至磁性流体微团的距离，c ——积分常数，由边界条件确定。
当磁性流体较多时，可以认为在极限状态下，此时流体低压侧的磁感应强度为０，忽略重力作用，单级轴密封的极限密封压强差近似为：
当转轴以角速度w0旋转时，此时磁性流体还会受到离心力的作用。假设转轴半径为r1，磁极内径为r2，则旋转密封磁性流体内的压强[1]为：
式中：
2、外加磁场强度及磁性流体磁化强度对密封压差的影响
从式（2）可以看出，磁性流体的密封压差与外加磁场强度成正比，与磁性流体的饱和磁化强度成正比。因此，为提高磁性流体的密封能力，应提高磁场强度，采用磁性强的磁性流体。
3、密封间隙对密封压差的影响
密封压差取决于磁场的强弱。当密封间隙发生变化时，由于永磁体的体积不变，磁势不变，随着密封间隙的增大，密封间隙处的磁感应强度会变小[2-3]。图1所示为密封间隙内磁感应强度沿轴向的分布。随着密封间隙的不断增加，密封间隙内的磁感应强度最大值逐步减小。
在磁性流体量不变的前提下，因为密封压差正比于磁感应强度，所以随着密封间隙的增加，密封压差减小。图2所示为磁性流体密封压强差与密封间隙的关系。在加工精度允许的前提下，密封间隙应取得小些。
除设计与制造因素决定密封间隙外，转轴偏心的影响也与间隙的影响相似。当转轴产生偏心作用时，密封间隙沿圆周方向分布不均匀。在磁性流体量不变的情况下，对于整个密封装置而言，气隙大的位置对应的压强差就是整个装置的压强差。偏心距越大，密封压强差越小。图3所示为磁性流体密封压差与转轴偏心的关系。其中，转轴直径为10mm，密封间隙为0.5mm。
４、转轴直径的变化对密封压差的影响
根据式（1），考虑重力作用时，在重力方向上，压强随着h的增大而增加[4]。图4所示为用数值方法计算出的转轴为水平方向的单级密封的磁性流体截面形状。其中虚线为不考虑重力作用时的截面形状，而实线为考虑重力作用时的截面形状。因为磁性流体量不变，两种情况下截面形状包围的面积相同。
随着转轴直径的增加，重力的作用变得更加明显。磁性流体量一定时，位于转轴下部的间隙处磁性流体量增加，而转轴上部的间隙处磁性流体量减少，总的作用相当于磁性流体量的减少。因而，就存在随着转轴直径的增加，转轴上部密封压差减小，下部密封压差增加。就整个密封装置而言，密封能力是由最小密封压差部分决定的，因此随着转轴直径的增加，密封能力将会下降。
图5所示为其他尺寸相同，密封截面积相同时，磁性流体单级密封压差与转轴直径的关系。其中，密封间隙为1mm。可以看出，当转轴直径为200mm时，重力的作用将使密封能力下降6%左右。为克服重力的影响，当转轴直径较大时，应多加入磁性流体。
５、磁性流体量对密封压差的影响
图6所示为密封压差与磁性流体量的关系。从图中可以看出，随着磁性流体量的增加，开始时，由于磁极极尖处磁场变化较大，等压线所包围的面积较小，磁性流体密封压差随磁性流体量增加较快。在远离磁极极尖处，磁场变化缓慢，等压线包围面积增大，因而密封压差增加缓慢，并趋于极限值。当磁性流体较少时，不能形成密封带，所以曲线的起始点不经过原点。为了充分利用密封装置的密封能力，必须加入充分多的磁性流体，但磁性流体达到一定量时，继续增加注入的量，其作用逐渐减小。
６、离心力对密封压差的影响
当转轴旋转时，磁性流体会受到离心力的作用。在离心力的作用下，磁性流体沿径向发生位移，密封环截面积形状发生变化。在转轴表面上的轴向长度减小，相同压强差时所对应的等压线所包围的面积较静止时增大，因而，磁性流体量相同时，密封压差下降[5-8]。
为了减少离心力的作用，可以将磁极放于转轴上，与转轴同速旋转。离心力使磁性流体沿径向发生位移时，增加了磁性流体截面在外壳内表面上的轴向长度，因而旋转密封压差大于静止密封压差。
图7所示为磁极旋转和轴旋转，密封压差与磁性流体量关系。从图中可以看出，在磁性流体体积一定的前提下，磁极旋转密封压差大于轴旋转密封压差。
在实际密封中，磁场较强，密封间隙较小，转轴转速较低时磁性流体截面形状变化不明显，这时可以不考虑离心力的作用，按静止密封进行分析。
７、结论
对于材料相同和结构相似的密封装置而言，磁性流体的密封压差与外加磁场的强度和磁性流体饱和磁化强度成正比；随着密封间隙和转轴偏心的增加，密封能力将会减弱；随着磁性流体量的增加，磁性流体的密封压差将会增加；在重力作用下，转轴直径的增加，相当于磁性流体量的减少，使得密封能力减弱。离心力的作用使得磁性流体的界面形状发生变化，可以通过一定的改进措施减小离心力对磁性流体密封能力的影响或者可以利用离心力的作用提高密封能力。
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