CN110140445B - 超薄磁流体密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超薄型磁流体密封装置。整个密封装置包括内部组件及外部组件，磁流体(6)及滚动体(11)位于内部组件及外部组件之间；滚动体(11)装入由内环(9)与外环(10)形成的圆形空腔内，滚动体(11)分别与内环(9)的圆弧面与外环(10)的圆弧面接触，起到定心作用，因此内部组件与外部组件可实现相对转动。内部组件与外部组件配合安装时，在磁极(4)内孔与内部组件轴套(5)外圆之间存在着均匀密封间隙，磁流体(6)加注到此密封间隙内。该装置由内环、外环及滚动体组成支撑结构，代替轴承的支撑作用。减少了轴承结构，能在任意尺寸范围内设计磁流体密结构，特别适用于轴向长度短，径向厚度薄的部件。

Description

超薄磁流体密封装置

技术领域

本发明涉及一种气体动密封装置，特别涉及一种真空或压力设备上的轴向、径向空间极小时且需对气体进行动密封的装置。

背景技术

磁流体密封技术是在磁流体这一全新的功能材料出现之后才发展起来的。20世纪60年代初，美国国家航空航天局(NASA)为解决宇航服的真空密封及空间失重状态下液体燃料的补充问题，开发了磁流体。当时作为美国航天研究的一项附加成果而出现的这一功能材料，后来逐步发现有许多应用之处，如矿冶中的贵金属回收、机械制造中的磁流体润滑与研磨，以及近期热门的生物医学中的生物分离、生物与医药检测、疾病诊断与治疗中都取得了许多十分重要的科研成果和工业实用价值。经过调研发现，磁流体密封技术在密封技术上的应用是其最重要的成果之一。经过几十年的发展，磁流体密封已在国防、航天、机械、电子、仪表、原子能、化工、制药等众多领域得到了广泛应用，特别是在防尘密封、真空密封和压差密封三个方面表现十分突出。如重要机械旋转部位的密封；计算机硬盘存储器中用于对灰尘和油雾的密封；原子能设备中用于对放射性气体的密封；发酵罐搅拌中用于防止细菌等混入的密封；真空镀膜机、真空热处理炉、单晶硅炉等用于超高和特高真空条件下的密封以及反应釜、风机、气泵等用于压差条件下的密封等等。尤其是在转轴中作为设备的动态防漏部分具有突出的优越性。既可达到防漏目的，又不至影响可动产件的运动。所以磁流体密封技术的应用范围越来越广。

经过几十年的发展，磁流体密封技术在气体动密封领域应用已相当成熟，但受其本身结构的限制，磁流体密封件的轴向尺寸及径向尺寸一般都有一定的要求。难以改小轴向尺寸及径向尺寸，因为磁流体密封件内部需使用轴承，而轴承是标准件，其轴向长度及径向厚度均已固定。因此在一些径向厚度或轴向长度受限制的部位就难以使用磁流体密封技术，特别是当这些部位需要有严格的气密性要求，因无法使用磁流体密封技术而只能使用普通密封技术，从而使这些设备存在整体可靠性及稳定性不高、维护周期短等不足。

目前典型的磁流体动密封装置一般由永磁体(圆环或圆柱形)、两个磁极(环状盘片形导磁材料)、旋转轴(圆柱形导磁材料)和磁流体构成密封组件；再将此密封组件安装于壳体(非导磁材料)中，安装时隔磁套(环状盘片形非导磁材料)用来隔绝磁场，避免轴承被磁化；轴承用来保证旋转轴1旋转，并保证图中所示密封间隙“δ”的一致；静密封O型密封圈用来保证气体不从此处泄露；端盖对上述零件进行轴向定位，防止上述零件移动。(详见附图一)。由于该装置中永磁体的N-S极是按轴向分布的且两个磁极和旋转轴由导磁材料制成，因此，在磁场作用下，如图中环线所示形成了一个个封闭的磁路，此封闭磁路是沿N-S区间转轴表面形成的。从图中还可以看出两个磁极与旋转轴之间是有间隙“δ”存在的，此间隙环绕旋转轴该截面外圆呈环形状分布，这两段环状间隙就是我们通常所说的磁场磁路中的″气隙″，磁场磁路气隙中的磁场强度最大。磁流体密封正是利用了这一磁现象，将具有超顺磁特性的磁流体8注入其间，在磁场作用下，磁流体被稳稳地吸附并充满旋转轴(运动件)和磁极(静止件)之间的这两段间隙，实现了对磁场两端空间的分隔，并形成可靠的密封。

在目前典型的磁流体动密封装置的技术下，即使在设计时将磁极、永磁体、隔磁套等零件的轴向长度减短，但轴承是标准件(GB/T292-94、GB276-94等)，轴向长度无法改变；而且轴承的径向厚度也是一定的，当特定的场合下要求径向厚度比较小，小于或等于同尺寸的轴承径向厚度时，也无法将轴承装入磁流体密封件内部。这样的磁流体密封件内因旋转轴无法支撑，密封间隙“δ”无法保证，从而导致密封功能无法实现。

发明内容

本发明提供一种超薄型磁流体密封装置，即本发明的磁流体密封件的径向厚度小于同尺寸的轴承的径向厚度，轴向长度小于同尺寸轴承的轴向长度。在本发明中，磁流体密封件所必须的壳体、轴套、磁极、永磁体、O型密封圈、端盖等零件均存在，不同的是本发明的磁流体密封件内部无轴承及隔磁套，取而代之的4个带圆弧的环(内外各2个)及陶瓷球。通过陶瓷球在环的圆弧内滚动实现类似轴承的作用。

本发明的技术方案是：该装置它包括内部组件及外部组件，其中，外部组件包括：O型密封圈1、壳体2、永磁体3、磁极4、端盖7、内六角螺钉8、外环10，内部组件包括轴套5、内环9，磁流体6及滚动体11位于内部组件及外部组件之间；

所述外部组件包括：O型密封圈1、壳体2、永磁体3、磁极4、端盖7、内六角螺钉8、外环10，在壳体2下侧端面设有一内圆孔I 12，磁极4设置在该圆孔中；磁极4分为上下两件，在上下两件结合部位形成一空腔，永磁体3放置在空腔内，在壳体2下侧端面内圆孔I的上部设有一个直径小于内圆孔I的内圆孔II 13，一件外环10放置在内圆孔II内，端盖7上侧端面设有一内圆孔III14，另一件外环10放置在内圆孔III内；

所述内部组件包括轴套5、内环9，内环9安装在轴套5靠上下两端的外圆上；内环9的外圆设有环形圆弧，外环10的内孔设有环形圆弧，内环9与外环10配合安装，即外环圆弧的中心与内环9的圆弧中心重合且与内环9的圆弧尺寸一致。滚动体11装入由内环9与外环10形成的圆形空腔内，滚动体11分别与内环9的圆弧面与外环10的圆弧面接触，起到定心作用，因此内部组件与外部组件可实现相对转动。两部分转动时，滚动体11不仅自转，同时绕内环9或外环10的中心公转。

内部组件与外部组件配合安装时，在磁极4内孔与内部组件轴套5外圆之间存在着均匀密封间隙，磁流体6加注到此密封间隙内。

所述磁极4的上下两件的外圆上设置有环形槽，环形槽放置O型密封圈；壳体2上端面设置有环形槽，环形槽设有O型密封圈；壳体2下端面通过内六角螺钉8与端盖7连接

所述O型密封圈1：截面为圆形的环状零件，材料为橡胶，起静密封作用，隔绝其两侧的气体，其安装后处于一相对固定的位置，如磁极4上的O型密封圈，当磁极4与壳体2组装后两者相对静止，因此磁极4上设置的O型密封圈起静密封作用。

所述壳体2，圆形环状零件，非导磁材料制作，上端设置有螺钉孔，通过此螺钉孔与需进行密封的设备相联接；上端设置有O型密封圈1，同样起静密封作用。壳体下端设置有螺孔，可以通过内六角螺钉8将端盖7与壳体2连接；壳体2的内孔还安装有外环10及磁极4。

所述永磁体3，圆形环状或圆柱形零件，安装于两个磁极4之间，能产生固定磁场。

所述磁极4，圆形环状零件，导磁材料制作，外圆上开设有用于安装O型密封圈1的环形槽，内孔为圆柱形，端面设有凸台，可在永磁体3安装时起径向定位作用。

所述轴套5，轴套外圆上设置有多个环形齿，内孔或端面设置有与需密封的设备相联接的结构，如螺纹或止口或螺钉孔等；外圆两端安装有内环9。

所述磁流体6，一种液状的磁性材料，能响应磁场特性，即无磁场时其能像液体一样流动，当周围存在磁场时会被束缚在磁场周围，即使在重力、离心力及电磁力的作用下也不会使其分离。当装配完成后磁极4的圆柱形内孔与轴套5的外圆的环形齿之间会存在一个密封间隙“δ”，同时因为永磁体3产生的固定磁场，当磁力线穿过密封间隙“δ”时，使轴套5的外圆的环形齿处存在很强的磁场强度。将磁流体6加入到轴套5的外圆的环形齿处时会因为其能响应磁场特性而被束缚在密封间隙“δ”内，当磁极4两端的气体存在压力差时，也不会使磁流体6离开密封间隙“δ”，从而起到密封作用。由于磁极4内孔比轴套5外圆大2δ，同时磁极4内孔或者轴套5与磁极4内孔对应的外圆设置有多个环形；同时永磁体3产生的磁场力；因此当将内部组件套入外部组件时，滚动体11起到定心作用，使外部组件中的磁极4内孔与内部组件轴套5外圆存在着均匀密封间隙“δ”，且此间隙不随内部组件及外部组件的相对转动而改变；同时永磁体3的磁场力沿磁极4、密封间隙“δ”及轴套5形成磁回路。再将若干毫升磁流体6加注到此密封间隙“δ”处时，磁流体6即被永磁体3产生的磁场力束缚在此密封间隙内，不因为重力、离心力、压力等外力改变，从而达到采用磁流体实现转动动密封效能。

所述端盖7，非导磁材料制作，圆形环状零件，端面上开设有用于安装内六角螺钉8的螺钉孔，内孔中安装有外环10。

所述内六角螺钉8，标准件，GB70-85。

所述内环9，圆形环状零件，耐磨材料制作，如GCr15、3Cr13Mo等等。内环9的内孔为圆柱形，安装于轴套5的外圆上，内环9的外圆有环形圆弧，见附图4，圆弧弧度约占整圆的1/4，此圆弧的表面硬度大于HRC55(洛式硬度55度)，此圆弧的表面粗糙度小于Ra0.4，此圆弧的中心与外环10的圆弧中心重合且于外环10的圆弧尺寸一致。

所述外环10，圆形环状零件，耐磨材料制作，如GCr15、3Cr13Mo等等。外环10的外圆为圆柱形，安装于壳体2、端盖9的的内孔中，外环10的内孔有环形圆弧，见附图5，圆弧弧度约占整圆的1/4，此圆弧的表面硬度大于HRC55(洛式硬度55度)，此圆弧的表面粗糙度小于Ra0.4，此圆弧的中心与内环9的圆弧中心重合且于内环9的圆弧尺寸一致。

所述滚动体11，球形，陶瓷材料(耐磨、不导磁、硬度高，表面粗糙度低)，数量：上下两组由内环9及外环10组成的圆弧环内留约10％圆环长度未布满。安装于内环9与外环10的两圆弧之间形成的圆弧环内，与内环9及外环10的圆弧相接触。通过拧紧或旋松端盖7上的内六角螺钉8，可以调节接触的松紧(即调节游隙)，从而使壳体2与轴套5能相对灵活转动，同时限制轴套5的径向及轴向位移，保证密封间隙“δ”。

本发明的优点在于：由内环9、外环10及滚动体11组成支撑结构，代替轴承的支撑作用。减少了轴承结构，能在任意尺寸范围内设计磁流体密结构，特别适用于轴向长度短，径向厚度薄的部件。

附图说明

图1是典型的磁流体动密封装置示意图；

图2是本发明的超薄型磁流体密封装置示意图；

图3是本发明的超薄型磁流体密封装置示意图；

图4是本发明的内环外圆示意图；

图5是本发明的外环内孔示意图。

具体实施方式

本发明一种超薄型磁流体密封装置，主要用于形状如圆盘状或圆环状磁流体密封件，即厚度与直径的比值较大的磁流体密封件。由内环9、外环10及滚动体11组成支撑结构，代替轴承的支撑作用。

所述内环9、外环10上的环形圆弧，也可以设计成斜面。所述环形圆弧与滚动体11接触。

所述滚动体11除用陶瓷类材料外，也可用钢类材料，只要能保证硬度、耐磨性等指标亦可。

所述内环9、外环10在本发明中，是分别装于轴套5及壳体2上的，也可以与这些配件制作成一体。

所述轴套5外圆设置的多个环形齿也可以设置在磁极4的内孔中，此时轴套5的外圆为圆柱形。

所述轴套5内孔、壳体2上端面是需密封设备相联接的部位，可以有各种形式。如法兰联接等等。

Claims (9)

1.超薄磁流体密封装置，包括：内部组件及外部组件，其特征在于，外部组件包括：O型密封圈(1)、壳体(2)、永磁体(3)、磁极(4)、端盖(7)、内六角螺钉(8)、外环(10)，内部组件包括轴套(5)、内环(9)，磁流体(6)及滚动体(11)位于内部组件及外部组件之间；

所述外部组件，在壳体(2)下侧端面设有一内圆孔I(12)，磁极(4)设置在该圆孔中；磁极(4)分为上下两件，在上下两件结合部位形成一空腔，永磁体(3)放置在空腔内，在壳体(2)下侧端面内圆孔I的上部设有一个直径小于内圆孔I的内圆孔II(13)，一件外环(10)放置在内圆孔II内，端盖(7)上侧端面设有一内圆孔III(14)，另一件外环(10)放置在内圆孔III内；

所述内部组件，内环(9)安装在轴套(5)靠上下两端的外圆上；内环(9)的外圆设有环形圆弧，外环(10)的内孔设有环形圆弧，内环(9)与外环(10)配合安装，滚动体(11)装入由内环(9)与外环(10)形成的圆形空腔内，滚动体(11)分别与内环(9)的圆弧面与外环(10)的圆弧面接触，起到定心作用，内部组件与外部组件可实现相对转动，两部分转动时，滚动体(11)不仅自转，同时绕内环(9)或外环(10)的中心公转；

内部组件与外部组件配合安装时，在磁极(4)内孔与内部组件轴套(5)外圆之间存在着均匀密封间隙，磁流体(6)加注到此密封间隙内。

2.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述磁极(4)的上下两件的外圆上设置有环形槽，环形槽放置O型密封圈；壳体(2)上端面设置有环形槽，环形槽设有O型密封圈；壳体下端面通过内六角螺钉(8)与端盖(7)连接。

3.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述O型密封圈(1)是截面为圆形的环状零件，材料为橡胶，起静密封作用。

4.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述壳体(2)为圆形环状零件，材料为非导磁材料；所述端盖(7)为圆形环状零件，材料为非导磁材料。

5.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述磁极(4)为圆形环状零件，材料为导磁材料。

6.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述轴套(5)外圆上设置有多个环形齿。

7.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述滚动体(11)为球形，材料为陶瓷或钢类材料。

8.根据权利要求1所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述内环(9)的外圆的环形圆弧及外环(10)的内孔的环形圆弧，也可以设计成斜面，所述环形圆弧与滚动体(11)接触。

9.根据权利要求6所述的超薄磁流体密封装置，其特征在于，所述轴套(5)外圆设置的多个环形齿也可以设置在磁极(4)的内孔中，此时轴套(5)的外圆为圆柱形。