本發(fā)明涉及磁性液體密封，具體涉及一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置的原理及其設(shè)計方法，屬于機械密封。

背景技術(shù)：

1、磁性液體是一種新型智能流體，主要由基液及懸浮在基液中的納米磁性顆粒組成。磁性液體受工作磁場作用后會在毫秒內(nèi)發(fā)生流變效應，從液態(tài)可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)，具有響應迅速，壽命長，適應性強的特點。

2、磁流變密封系統(tǒng)采用磁性液體作為密封介質(zhì)。在密封過程中，環(huán)形永磁體對放置在旋轉(zhuǎn)軸與極齒頂端縫隙間的磁性液體施加磁場，使其發(fā)生流變效應形成一個或多個“o型密封圈”，從而達到密封的目的。磁性液體密封技術(shù)是世界各國廣泛公認的“零泄漏”動密封先進技術(shù)。研究標明，在旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時，磁性液體受到的離心力大于磁場力，致使其脫離旋轉(zhuǎn)軸向極齒頂端擠壓。在傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)中，極齒頂端和旋轉(zhuǎn)軸表面多采用平面結(jié)構(gòu)，而平面結(jié)構(gòu)對磁性液體沒有聚集力，磁性液體極易從極齒頂端向外散逸，最終造成密封失效。

3、目前提高磁性液體密封性能的方法大致有三種：一是采用彈簧加載密封，利用彈簧力來維持密封件與密封面的接觸，以保持持續(xù)的密封效果；二是使用多級密封，通過在密封系統(tǒng)中設(shè)置多個密封點，可以有效地阻止mr流體的泄漏；三是添加表面活性劑，通過添加表面活性劑，可以減少顆粒間的聚集，提高mr流體的穩(wěn)定性和密封性能。由于在高速旋轉(zhuǎn)運動的過程中，彈簧在反復振動，且彈簧具有慣性，無法立即停止運動，因此第一種方法穩(wěn)定性較低，且壽命較短；第二種方法的實現(xiàn)方式有很多種；第三種方法需要優(yōu)質(zhì)的表面活性劑，成本較高，且由于表面活性劑的吸附力有限，因此在高速旋轉(zhuǎn)的物體中(比如航空發(fā)動機)并不適用。經(jīng)過研究分析，設(shè)計新型磁性液體體密封結(jié)構(gòu)，不通過添加額外機構(gòu)，將磁性液體與軸的接觸部分進行機構(gòu)上的設(shè)計改進，利用雙拱型機構(gòu)，可以減小壓強與軸向正應力，從而使磁性液體密封牢固，在高速情況下依然具有較高的穩(wěn)定性。

4、通過專利檢索，存在以下已知的技術(shù)方案：申請?zhí)枮閏n202111153987.7，申請日：2021.09.29，授權(quán)公告日：2022.04.26。本專利涉及到一種嵌入型套筒式的磁性液體密封裝置，該裝置通過在極靴間嵌入開有極齒的套筒，使通道形成一種類似于迷宮密封的結(jié)構(gòu)，同時采用非導磁性軸，增強了密封間隙的磁場，能夠在轉(zhuǎn)軸偏心以及高轉(zhuǎn)速的情況下有著較好的密封耐壓能力。

5、該裝置考慮了裝配誤差、振動、等因素的引起的轉(zhuǎn)軸偏心問題，通過極齒交錯的迷宮密封設(shè)計，減小了偏心的影響；然而，其外端斜面設(shè)計僅可以在高轉(zhuǎn)速時降低磁性液體流失，并不能充分解決高速離心力造成密封失效問題。

6、通過專利檢索，存在以下已知的技術(shù)方案：申請?zhí)枺篶n117386818a,申請日：2023.11.13，授權(quán)公告日：2024.01.12。本發(fā)明涉及一種臺階塔形式極齒磁性液體密封裝置。主要解決現(xiàn)有磁性液體密封存在的高壓高速場合時磁性液體密封穩(wěn)定性差的技術(shù)問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種臺階塔形式極齒磁性液體密封裝置，其包括轉(zhuǎn)軸、端蓋、左極靴、永磁體、右極靴、殼體和磁性液體，所述左極靴、永磁體和右極靴沿軸向依序并排安裝在所述殼體的腔室內(nèi)；所述左極靴和右極靴的內(nèi)周面上均設(shè)有多個臺階塔形式極齒，所述轉(zhuǎn)軸穿過所述左極靴和右極靴的極齒孔并能轉(zhuǎn)動，所述臺階塔形式極齒和所述轉(zhuǎn)軸形成的間隙中充滿磁性液體，起到密封作用。本發(fā)明通過臺階塔形式極齒，能夠保護磁性液體密封膜不易被擠壓破壞，提高了磁性液體密封的穩(wěn)定性，延長密封壽命。

7、該裝置未充分考慮高速離心作用，采用垂直臺階結(jié)構(gòu)，磁性液體易受到離心力而脫離轉(zhuǎn)軸，在旋轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)條件下密封性能有限。

8、通過以上的檢索發(fā)現(xiàn)，以上技術(shù)方案沒有影響本發(fā)明的新穎性；并且以上專利文件的相互組合沒有破壞本發(fā)明的創(chuàng)造性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明公開的一種一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，要解決的技術(shù)問題為：磁性液體在旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)情況下離心流失與密封失效的問題。該執(zhí)行器具有下述優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)尺寸??；(2)同時具備磁流體密封與離心密封特性；(3)響應速度極快，幾乎為零；(4)制造工藝成熟、工作原理簡單易行；(5)工作可靠、適用性強。

2、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明公開的一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，主要由密封裝置結(jié)構(gòu)件和磁性密封體兩部分組成。其中，密封裝置結(jié)構(gòu)件包括右端蓋(10),左端蓋(1),螺母，密封座(2)，左軸承(3)，右軸承(9)，轉(zhuǎn)軸(12)，所述左端蓋(1)，右端蓋(10)和密封座(2)形成的空腔中置有轉(zhuǎn)軸(12)；磁性密封體部分包括左極靴(5)，右極靴(7)，左軸套(4)，永磁體(6)，磁套(8)和拱型極齒(11)，所述轉(zhuǎn)軸(12)表面加工有半圓型環(huán)狀突起結(jié)構(gòu)，在拱型極齒(11)與轉(zhuǎn)軸突起結(jié)構(gòu)(12)形成的雙拱型間隙內(nèi)填充磁性液體。在左極靴(5)與右極靴(7)之間置有永磁體(6)。

4、本發(fā)明所述的一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，永磁體產(chǎn)生的磁場使其中磁性液體發(fā)生流變效應，在轉(zhuǎn)軸高速離心作用下，磁性液體逐漸由轉(zhuǎn)軸向拱型極齒流動，由于拱形極齒對弧形結(jié)構(gòu)對磁性液體有聚集效應，磁性液體從雙拱型間隙的兩側(cè)向中部擠壓，形成高壓區(qū)域，從而提升密封耐壓能力。

5、有益效果

6、1、本發(fā)明基于一種雙拱型結(jié)構(gòu)的磁性液體密封系統(tǒng)，在磁性液體兩端存在氣壓差且轉(zhuǎn)軸處于高速旋轉(zhuǎn)過程中時，由于離心作用，磁性液體向拱型極齒流動，并沿著雙拱型間隙的兩側(cè)向中部擠壓，形成高壓區(qū)域，從而提升磁性液體密封耐壓能力。

7、2、本發(fā)明公開的一種雙拱型結(jié)構(gòu)的磁性液體密封系統(tǒng)，其旋轉(zhuǎn)軸工作轉(zhuǎn)速越高，磁性液體在雙拱型間隙內(nèi)聚集效應越強，密封間隙中部的離心壓強越大，密封能力越強。

8、3、本發(fā)明基于一種雙拱型結(jié)構(gòu)的磁性液體密封系統(tǒng)，在低轉(zhuǎn)速時，離心力較小而采用傳統(tǒng)磁性液體密封實現(xiàn)零泄露，在高轉(zhuǎn)速時，離心力急劇增大而利用雙拱型密封間隙形成離心壓強密封，彌補傳統(tǒng)磁流體密封在高轉(zhuǎn)速工況下的密封失效問題。

9、4、磁性液體在磁場作用下發(fā)生流變效應，由于此發(fā)明直接改進軸向機構(gòu)，省去了響應流程，因此響應速度迅速，是毫秒級。

10、5、與傳統(tǒng)流體密封發(fā)明相比，本發(fā)明體積小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加工難度低，適合微型化。

技術(shù)特征：

1.一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，其特征在于：該磁性液體密封系統(tǒng)包括：密封裝置結(jié)構(gòu)件和磁性密封體；密封裝置結(jié)構(gòu)件包括左端蓋(1),右端蓋(10),螺栓,螺母，密封座(2)，左軸承(3)，右軸承(9)，轉(zhuǎn)軸(12)，所述左端蓋(1)與右端蓋(10)內(nèi)側(cè)，分別有左軸承(3)和右軸承(9)與轉(zhuǎn)軸(12)過盈連接，所述左端蓋(1)，右端蓋(10)和密封座(2)形成的空腔中置有轉(zhuǎn)軸(12)；所述磁性密封體包括左極靴(5)，右極靴(7)，左軸套(4)，永磁體(6)，磁套(8)和拱型極齒(11)，所述左右極靴之間上裝有永磁體(6)，用于形成密封磁回路，所述左極靴(5)被左軸套(4)固定，所述右軸承(9)右端固定有磁套(8)，所述左極靴(5)與右極靴(6)頂端均加工有拱型極齒(11)，所述轉(zhuǎn)軸(12)表面加工有半圓形環(huán)狀突起結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸(12)突起結(jié)構(gòu)與拱型極齒(12)形成的雙拱型密封間隙內(nèi)填充有磁性液體。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，其特征在于：極靴上的極齒采用拱形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸上加工有半圓形環(huán)狀突起結(jié)構(gòu)，加工位置為極齒橫截面投影到轉(zhuǎn)軸所覆蓋的環(huán)形區(qū)域。兩個拱形結(jié)構(gòu)同軸，朝向側(cè)相同，形成雙拱型密封間隙。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，其特征在于：在轉(zhuǎn)軸高速離心作用下，磁性液體由轉(zhuǎn)軸向拱型極齒流動，由于拱形極齒對弧形結(jié)構(gòu)對磁性液體有聚集效應，磁性液體從雙拱型間隙的兩側(cè)向中部擠壓，形成高壓區(qū)域，達到離心壓強密封效果，從而提升密封耐壓能力；所述旋轉(zhuǎn)軸工作轉(zhuǎn)速越高，磁性液體在雙拱型間隙內(nèi)聚集效應越強，密封間隙中部的離心壓強越大，密封能力越強。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，其特征在于：在低轉(zhuǎn)速時，所述旋轉(zhuǎn)軸離心力較小，密封系統(tǒng)采用傳統(tǒng)磁性液體密封形式實現(xiàn)零泄露，在高轉(zhuǎn)速時，所述旋轉(zhuǎn)軸離心力急劇增大，所述雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置利用雙拱型密封間隙形成離心壓強密封，彌補傳統(tǒng)磁流體密封在高轉(zhuǎn)速工況下的密封失效問題。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種雙拱型離心式極齒磁性液體密封裝置，屬于機械密封技術(shù)領(lǐng)域。主要由密封裝置結(jié)構(gòu)件和磁性密封體兩部分組成。左端蓋(1)，右端蓋(10)和密封座(2)形成的空腔中置有轉(zhuǎn)軸(12)，左端蓋(1)和右端蓋(10)通過螺栓和螺母與基座相連固定，靠近左右兩端蓋，分別有左軸承(3)和右軸承(9)與轉(zhuǎn)軸(12)過盈相連，密封座(2)內(nèi)裝有磁性密封體結(jié)構(gòu)，其中左極靴(5)被左軸套(4)所固定，右極靴(7)右側(cè)固定有磁套(11)，左右極靴之間上裝有永磁體(6)，用于形成密封磁回路，引起磁性液體發(fā)生流變效應，左極靴與右極靴頂端均加工有拱型極齒(11)，轉(zhuǎn)軸(12)表面加工有半圓形環(huán)狀突起結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸(12)突起結(jié)構(gòu)與拱型極齒(12)形成的雙拱型密封間隙內(nèi)填充有磁性液體。該磁性液體密封裝置采用雙拱型離心式極齒設(shè)計，可以在高轉(zhuǎn)速時利用急劇增大的離心力，使磁性液體沿著雙拱型間隙的兩側(cè)向中部擠壓形成高壓區(qū)域，同時實現(xiàn)磁流體密封和離心壓強密封，彌補傳統(tǒng)磁流體密封在高轉(zhuǎn)速工況下的密封失效問題。

技術(shù)研發(fā)人員：代俊,朱泰榮,高政,許致遠,謝嶠峰,于寧,萬高
受保護的技術(shù)使用者：北京理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2