磁性流体密封能力的数值计算分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)哈尔滨工业大学电气工程系 作者:赵猛

  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。

  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,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。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。

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