CN102537367B - 一种磁流体轴密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流体轴密封装置。所述装置在主要由转轴、非导磁金属壳、磁极、永磁体、磁流体和橡胶圈组成的现有磁流体轴密封装置基础上，在磁极的密封极齿齿槽中增设软磁材料的密封极齿，密封极齿环套装于转轴上，其内径比转轴直径大0.1～0.6mm，外径比齿槽内径小0.1～0.3mm，厚度比齿槽宽度小0.1～0.3mm；磁流体分布在转轴与密封极齿环之间的环形密封间隙内，每个磁极由两个半环形磁极组成。所述装置中密封极齿的位置可沿转轴径向改变调整转轴与密封极齿间的同轴度，减小环形密封间隙在转轴周向上的分布不均，避免所述装置承压能力的降低及转轴与密封极齿间的磨损，降低了密封部件加工和安装的精度要求。

Description

一种磁流体轴密封装置

技术领域

本发明涉及一种磁流体轴密封装置，具体地说，涉及一种可以自动调整被密封转轴与密封极齿环之间的同轴度的磁流体轴密封装置，属于磁流体密封技术领域。

背景技术

磁流体，又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，在实际中有着广泛的应用，可应用于各种苛刻条件的磁流体密封。当磁流体注入磁场的间隙时，它可以充满整个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”，从而实现对被密封介质的磁流体密封。磁流体密封具有密封件之间无固体摩擦、密封件使用寿命长、可实现零泄漏等优点，其中，最主要的应用之一是用于对转轴的密封，如真空密封(离子注入机、X射线衍射仪等)、气体密封(X射线管、CO₂激光器等)、液体密封(深水泵、舰船螺旋推进器轴等)以及防尘密封(纺织机械、计算机硬盘等)等。

现有常规使用的磁流体轴密封装置如图1所示(李德才.磁性液体理论及应用[M].北京：科学出版社，2003.347-349.)，所述装置主要由转轴、非导磁金属壳、磁极、永磁体、磁流体和橡胶圈组成。其中，两个环形的磁极由均由导磁材料制成，磁极内侧圆周上加工有密封极齿。在所述磁流体轴密封装置中，非导磁金属壳用于固定磁流体轴密封装置的各个组成部件，以及将磁流体轴密封装置紧固到需要密封的器件开口处；磁极、永磁体和磁流体设在非导磁金属壳与被密封的转轴之间；转轴轴向贯穿非导磁金属壳、磁极和永磁体；两个磁极围绕转轴分别位于非导磁金属壳两端，之间设有一个提供磁场的环形永磁体，转轴与两个磁极的密封极齿之间有环形密封间隙，磁流体分布在环形密封间隙内，永磁体形成的磁场通过转轴、密封极齿及二者之间的环形密封间隙形成一个闭合磁回路，使磁流体充满环形密封间隙，在磁场作用下，磁流体被定位在环形密封间隙处，从而实现对液体、气体等的轴密封；磁极与非导磁金属壳之间的间隙以及非导磁金属壳与被密封器件开口接触部位之间的间隙分别用橡胶圈密封。

就磁流体轴密封而言，转轴与密封极齿之间的环形密封间隙大小对磁流体轴密封的承压能力具有重要的意义。这是因为环形密封间隙的略微增大将导致环形密封间隙处的漏磁明显增加，使磁场对环形密封间隙内充填的磁流体的磁吸引力降低，从而导致磁流体轴密封承压值降低。由于磁流体轴密封承压值对环形密封间隙大小十分敏感，如所述环形密封间隙增大0.1mm可使磁流体轴密封承压值降低10％以上，因此，环形密封间隙的少许增大就会导致磁流体轴密封承压值的明显下降。为保证磁流体轴密封具有足够的承压值，对于在使用中要求具有较高承压值的磁流体轴密封装置，在设计其密封结构时应尽量减小环形密封间隙的径向尺寸，通常将环形密封间隙的径向尺寸设计为0.05～0.15mm。然而，较小的环形密封间隙尺寸会给磁流体轴密封装置各个密封部件的加工和安装带来很大的不便，既要增加密封部件机械加工的精度，同时还要提高密封部件的安装精度。因为当由于加工和安装精度不高导致转轴与密封极齿之间存在较明显的不同轴而偏心时，将使环形密封间隙径向尺寸在转轴的周向上分布不均而造成环形密封间隙在转轴一侧的径向尺寸明显增大，另一侧的径向尺寸减小。环形密封间隙径向尺寸明显增大会造成磁流体轴密封承压值明显降低，同时，密封间隙径向尺寸减小还极易造成转轴与密封极齿之间产生刚性接触导致刚性磨损，使环形密封间隙径向尺寸明显增大，从而引起磁流体轴密封承压能力降低。为避免上述问题的出现，有时不得不牺牲磁流体轴密封的承压能力而将环形密封间隙设计得较大。所以，在应用磁流体轴密封技术时，如何尽量减小环形密封间隙径向尺寸在转轴周向上的分布不均和避免转轴与密封极齿之间产生刚性磨损一直是磁流体轴密封装置结构设计、加工和安装过程中亟需解决的问题。

发明内容

针对现有常规使用的磁流体轴密封装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种磁流体轴密封装置，所述装置可以自动调整转轴与密封极齿之间的同轴度，减小环形密封间隙径向尺寸在转轴周向上的分布不均和避免转轴与密封极齿之间产生刚性接触磨损，降低密封部件加工和安装的精度要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种磁流体轴密封装置，所述装置主要由转轴、非导磁金属壳、磁极、永磁体、磁流体和橡胶圈组成。其中，两个环形磁极由均由导磁材料制成，磁极内侧圆周上加工有密封极齿。在所述磁流体轴密封装置中，非导磁金属壳用于固定磁流体轴密封装置的各个组成部件，以及将磁流体轴密封装置紧固到需要密封的器件开口处；磁极、永磁体和磁流体设在非导磁金属壳与被密封的转轴之间；转轴轴向贯穿非导磁金属壳、磁极和永磁体；两个磁极围绕转轴分别位于非导磁金属壳两端，之间设有一个提供磁场的环形永磁体；磁极与非导磁金属壳之间的间隙以及非导磁金属壳与被密封器件开口接触部位之间的间隙分别用橡胶圈密封。其特征在于，所述装置设有密封极齿环，密封极齿环分别安装在两个磁极的密封极齿齿槽中，套装于转轴上，转轴与密封极齿环之间有环形密封间隙，磁流体分布在环形密封间隙内，永磁体形成的磁场通过转轴、密封极齿环及二者之间的环形密封间隙形成一个闭合磁回路，使磁流体充满环形密封间隙，在磁场作用下，磁流体被定位在环形密封间隙处，从而实现对液体、气体等的轴密封，每个磁极由两个半环形的磁极组合而成。

其中，所述密封极齿环材料为软磁材料，优选密封极齿环材料为电工纯铁、硅钢、坡莫合金、铁铝合金或铁钴合金。

优选密封极齿环的内径比转轴的直径大0.1～0.6mm；密封极齿环的外径比密封极齿齿槽的内径小0.1～0.3mm；密封极齿环的厚度比密封极齿齿槽的宽度小0.1～0.3mm。

本发明所述的一种磁流体轴密封装置，当由于加工和安装原因导致转轴和密封极齿环之间不同轴而使转轴与密封极齿环相接触时，通过转轴对密封极齿环的挤压作用可使密封极齿环在密封极齿齿槽中的位置沿其径向发生改变，可自动调整转轴与密封极齿环之间的不同轴状况，从而减小转轴与密封极齿环之间的环形密封间隙径向尺寸沿转轴周向分布的不均匀性，减小因环形密封间隙径向尺寸增大而导致的磁流体轴密封承压能力降低，并使转轴与密封极齿环之间的接触成为柔性接触，避免转轴与密封极齿环之间的刚性磨损。

有益效果

1.本发明提供的一种磁流体轴密封装置，设计了一种沿转轴径向可自动调整的密封极齿环作为柔性密封极齿来替代现有常规使用的磁流体轴密封装置中磁极上的刚性密封极齿；利用密封极齿环位置的调整，可以自动调整转轴与密封极齿环之间的同轴度，减小转轴与密封极齿环之间的环形密封间隙径向尺寸在转轴周向上的分布不均，避免因环形密封间隙径向尺寸增大造成的磁流体轴密封承压值降低；

2.本发明提供的一种磁流体轴密封装置，利用位置可自动调整的密封极齿环，可以自动调整转轴与密封极齿环之间的同轴度，减小转轴与密封极齿环之间的环形密封间隙径向尺寸在转轴周向上的分布不均，避免因环形密封间隙径向尺寸减小造成的转轴和密封极齿环之间的刚性接触磨损，以及由于刚性磨损造成的环形密封间隙径向尺寸增大而引起的磁流体轴密封承压能力降低；

3.本发明提供的一种磁流体轴密封装置，密封极齿环可方便地套装于转轴上，每个环形磁极由两个半环形的磁极组合而成，便于安装，密封极齿环可自动调整与转轴的同轴度，从而降低了加工和安装过程对磁极和密封极齿环同轴度精度的要求，使磁极和密封极齿环的安装过程简化。

附图说明

图1为现有常规使用的磁流体轴密封装置的结构示意图。

图2为实施例1中一种磁流体轴密封装置的结构示意图。

图3为图2的I部放大图。

图4为图2中磁极的结构示意图。

图5为图2中密封极齿环的结构示意图。

其中：1-转轴，2-非导磁金属壳，3-第一磁极，4-第二磁极，5-永磁体，6-磁流体，7-第一橡胶圈，8-第二橡胶圈，9-第三橡胶圈，10-密封极齿环。

具体实施方式

为了充分说明本发明的特性以及实施本发明的方式，下面给出实施例。

实施例1

一种磁流体轴密封装置，如图2所示，是一种用于水泵上密封水的磁流体轴密封装置，所述装置主要由转轴1、非导磁金属壳2、磁极、永磁体5、磁流体6、橡胶圈和密封极齿环10组成。其中，如图4所示，每个磁极为环形，由两个半环形的磁极组合而成，磁极内侧圆周上加工有密封极齿，两个磁极分别为第一磁极3和第二磁极4；三个橡胶圈均为“O”型橡胶圈，分别为第一橡胶圈7、第二橡胶圈8和第三橡胶圈9。

所述磁流体轴密封装置中，非导磁金属壳2用于固定磁流体轴密封装置的各个组成部件，以及将磁流体轴密封装置紧固到需要密封的器件开口处；磁极、密封极齿环10、永磁体5和磁流体6设在非导磁金属壳2与被密封的转轴1之间；转轴1轴向贯穿非导磁金属壳2、磁极、密封极齿环10和永磁体5，传递机械运动；第一磁极3和第二磁极4围绕转轴1分别位于非导磁金属壳2两端，第一磁极3和第二磁极4之间设有一个提供磁场的环形永磁体5；密封极齿环10分别安装在第一磁极3和第二磁极4的密封极齿齿槽中，套装于转轴1上，转轴1与密封极齿环10之间有环形密封间隙，磁流体6分布在环形密封间隙内，永磁体5形成的磁场通过转轴1、密封极齿环10及二者之间的环形密封间隙形成一个闭合磁回路，使磁流体6充满环形密封间隙，在磁场作用下，磁流体6被定位在环形密封间隙处，从而实现轴密封。第一磁极3与非导磁金属壳2之间的间隙由第一橡胶圈7密封，第二磁极4与非导磁金属壳2之间的间隙由第二橡胶圈8密封。非导磁金属壳2右端与被密封器件开口接触部位之间的间隙由第三橡胶圈9密封，非导磁金属壳2右端开有六个用于紧固密封部件的通孔；非导磁金属壳2左端设有开口，以便于观察磁流体6密封是否泄漏，同时也利于磁流体轴密封装置中密封结构的拆卸。

如图4所示，每个环形磁极沿轴向切成左右均等的两部分，将密封极齿环10依次放置在半环形磁极的密封极齿齿槽内，然后将另外一半磁极对应放置形成完整的磁极。

如图5所示，密封极齿环10为环形，该密封极齿环10安装在磁极内侧，起到聚磁作用，同时还可以自动调节径向距离以实现密封的目的。

所述磁流体轴密封装置中，各组成部分材料如下：

转轴1由强度较高、导磁性较好的45#钢制造，在转轴1表面通过化学镀镀覆一层厚0.02mm的镍磷合金以防锈。

非导磁金属壳2由耐蚀性较好的6061铝合金制造。

第一磁极3和第二磁极4由最大磁导率μ_max＝9000的电工纯铁制造，且外镀一层厚0.02mm的镍磷合金以防锈。

永磁体5为高磁能积的钕铁硼永磁材料。

磁流体6为油基Fe₃O₄磁流体。

第一橡胶圈7、第二橡胶圈8和第三橡胶圈9为耐油性极好的丁晴橡胶密封圈。

密封极齿环10由最大磁导率μ_max＝9000的电工纯铁制造，密封极齿环10外镀一层厚0.02mm的镍磷合金以防锈。

所述磁流体轴密封装置中，各组成部分的尺寸如下：

转轴1：直径＝25mm；

非导磁金属壳2：内径＝60.4mm，外径＝70mm，长度＝56mm；

第一磁极3和第二磁极4：内径＝29mm，外径＝60mm，厚度＝12mm；其中密封极齿的齿槽槽深＝3mm；槽宽＝1mm；相邻齿槽间宽度＝2mm；

永磁体5：内径＝35mm，外径＝60mm，厚度＝12mm。

密封极齿环10：内径＝25.1mm，外径＝34.6mm，厚度＝0.8mm；

如图3所示，磁极内径与转轴1之间的径向间隙为2mm；密封极齿环10外径与密封极齿齿槽底部之间的轴向间距为0.2mm，密封极齿环10侧面与相邻的密封极齿齿槽侧面的径向间距为0.1mm。

密封极齿环10的内径比转轴1的直径大0.1mm，密封极齿环10的外径略小于密封极齿齿槽的内径，密封极齿环10的厚度略小于密封极齿齿槽的宽度。

所述磁流体轴密封装置中磁流体6的添加量为5ml。

实施例2

密封极齿环10：内径＝25.6mm。其余同实施例1。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种磁流体轴密封装置，所述装置主要由转轴(1)、非导磁金属壳(2)、磁极、永磁体(5)、磁流体(6)和橡胶圈组成；其中，两个环形磁极由均由导磁材料制成，磁极内侧圆周上加工有密封极齿；非导磁金属壳(2)用于固定所述装置的各个组成部件，以及将所述装置紧固到需要密封的器件开口处；磁极、永磁体(5)和磁流体(6)设在非导磁金属壳(2)与转轴(1)之间；转轴(1)轴向贯穿非导磁金属壳(2)、磁极和永磁体(5)；两个磁极围绕转轴(1)分别位于非导磁金属壳(2)两端，之间设有一个环形永磁体(5)；磁极与非导磁金属壳(2)之间的间隙以及非导磁金属壳(2)与被密封器件开口接触部位之间的间隙分别用橡胶圈密封；其特征在于：所述装置设有密封极齿环(10)，密封极齿环(10)分别安装在两个磁极的密封极齿齿槽中，套装于转轴(1)上，磁流体(6)分布在转轴(1)与密封极齿环(10)之间的环形密封间隙内，每个磁极由两个半环形的磁极组成；其中，所述密封极齿环(10)材料为软磁材料；密封极齿环(10)的内径比转轴(1)的直径大0.1～0.6mm，密封极齿环(10)的外径比密封极齿齿槽的内径小0.1～0.3mm，密封极齿环(10)的厚度比密封极齿齿槽的宽度小0.1～0.3mm。

2.根据权利要求1所述的一种磁流体轴密封装置，其特征在于：密封极齿环(10)材料为电工纯铁、硅钢、坡莫合金、铁铝合金或铁钴合金。