CN111173932A - 基于磁流体的压力自适应密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流体的压力自适应密封装置，主要包括壳体、回转体、油回路和自适应控制机构。采用以上技术方案通过压力传感器输出信号的变化来调节励磁线圈的电流大小，实现作用面积内磁场变化，从而调整密封装置的耐压性，达到被密封体随环境压力变化的自适应调节，环境适应性强，通用性好；该密封装置还具有间隙内压自调节作用，可以有效的减小环境瞬间波动引起内压差，提高其自适应能力；该密封装置还可以大大降低轴向剪切力引起的能耗变大，有效地减小磁流体密封的功耗，扩大了其工作范围；并且，相较于传统密封设备，本密封装置没有磨损，使用寿命极长，可靠性极高。

Description

基于磁流体的压力自适应密封装置

技术领域

本发明涉及机械工程密封技术领域，具体涉及一种基于磁流体的压力自适应密封装置。

背景技术

密封技术广泛存在于社会工业的各个领域，如旋转轴类零件的防尘密封、真空及低压气体密封和液体环境中的防腐密封等。传统的密封技术存在诸如易磨损、易泄漏，耐压性能低及不能随环境的变化而耐压性可调等缺点，已不能满足某些领域对密封要求越来越高的需求。

因此，近年来发展出一种磁流体密封技术。磁流体密封是利用在外加磁场作用下，磁流体具有承受压力差的能力而实现密封，具有结构简单、功耗小、零泄漏和自润滑等优点。基于磁流体的密封技术作为一种新型智能密封方式，具有很广泛的应用范围。

但是，现有的磁流体密封技术均采用永磁体作为磁场发生装置，磁场强度不可调节，即磁流体承受压力差的能力不可调节，导致现有的磁流体密封装置的耐压性能不能根据需求变化进行自适应的调节，不仅通用性较差，而且难以适应于一些特殊的应用场景。

解决以上问题成为当务之急。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于磁流体的压力自适应密封装置。

其技术方案如下：

一种基于磁流体的压力自适应密封装置，其要点在于，包括：

壳体，其内部具有腔体，该壳体的两端具有同轴设置的中心通孔；

回转体，其可转动地安装在腔体中，并具有一个沿其转动轴线贯穿的轴向通孔以及至少一个沿其轴向贯穿的旁通小孔，所述轴向通孔的两端分别与对应的中心通孔同轴连通，所述回转体的外周面上具有至少两个沿轴向并排设置且宽度相同的环形凸台，相邻环形凸台之间形成环形凹槽；

自适应控制机构，其包括检测元件、控制组件、设置在各环形凹槽中的线圈保持架以及绕制在对应线圈保持架上的励磁线圈；

油回路，其由旁通小孔、回转体两端端面与壳体内壁之间形成的端面储油间隙、环形凸台外周面与壳体内壁之间形成的励磁间隙以及环形凹槽与对应线圈保持架之间形成的凹槽储油间隙相互连通构成，在所述油回路中充满磁流体，该磁流体的轴向剪切力能够随着励磁线圈产生的磁场强度变化而变化；

其中，所述检测元件为压力传感器，其用于检测油回路的内压，所述控制组件能够根据压力传感器的反馈信息控制励磁线圈的电流大小。

采用以上结构，环形凸台和励磁线圈的数量根据实际需要的磁路数量进行选择；由旁通小孔、端面储油间隙、励磁间隙和凹槽储油间隙共同构成的油回路间隙即为磁流体的密封作用面积，通过压力传感器输出信号的变化来调节励磁线圈的电流大小，实现作用面积内磁场变化，从而调整密封装置的耐压性，达到被密封体随环境压力变化的自适应调节，环境适应性强，通用性好；该密封装置还具有间隙内压自调节作用，可以有效的减小环境瞬间波动引起内压差，提高其自适应能力；该密封装置还可以大大降低轴向剪切力引起的能耗变大，有效地减小磁流体密封的功耗，扩大了其工作范围。

作为优选：所述壳体包括呈圆筒形的套筒、分别盖合在套筒两端的端盖以及分别安装在对应端盖中心位置的密封盖，所述回转体的两端分别通过轴承安装在对应的端盖上，所述中心通孔分别位于对应的密封盖上，所述密封盖均用于限定回转体的位置。采用以上结构，既易于装配，又保证回转体的可靠安装。

作为优选：所述回转体的两端端面均沿轴向凸出的安装颈，所述安装颈与对应的端盖之间设置有所述轴承，所述密封盖均具有限位凸环，所述安装颈分别具有与对应限位凸环相适应的限位台阶，所述安装颈分别卡在对应的限位台阶上。采用以上结构，既能够可靠地安装回转体，又保证了回转体的自由转动。

作为优选：所述安装颈与对应限位台阶之间设置有动密封元件。采用以上结构，既保证了油回路的密封性，防止磁流体泄漏，又保证了回转体的自由转动。

作为优选：所述回转体和套筒采用高导磁材料制成，所述端盖和密封盖采用低导磁材料制成。采用以上材质，环形凸台能够与对应部分的套筒和励磁间隙等链接形成多级磁路(级数根据环形凸台和励磁线圈的数量而定)。

作为优选：所述高导磁材料为低碳钢，所述低导磁材料为不锈钢。采用以上材质，高导磁材料选用低碳钢，不仅具有高磁导率，还具有低矫顽力的特性；低导磁材料选用不锈钢，不仅具有低磁导率，还能够防锈，能够适用于水下和潮湿环境。

作为优选：所述套筒的内壁上凹陷形成有与对应线圈保持架相适应的止挡凹槽，各个线圈保持架分别安装在对应的止挡凹槽中，并合围形成与对应励磁线圈相适应的线圈安装腔，各组励磁线圈分别位于对应的线圈安装腔中。采用以上结构，保证了各组励磁线圈的可靠安装和定位。

作为优选：所述控制组件包括用于采集压力传感器输出信号的数据采集器、用于向励磁线圈供电的可控电源以及用于根据数据采集器采集信号控制可控电源输出电流大小的控制器，所述压力传感器、数据采集器、控制器、可控电源和励磁线圈电连接。采用以上结构，压力传感器通过导线将压力信号传输给数据采集器，控制器通过识别数据采集器采集到的压力信号来控制可控电源，并改变励磁线圈中电流大小；控制精度高，响应快。

作为优选：所述压力传感器安装在壳体的内壁上，并凸出至油回路中，所述壳体的内壁上开设有引线孔槽。采用以上结构，便于走线。

作为优选：所述磁流体或为磁流变液，或为磁流变脂。采用以上材质，既具有较好的流动性和耐压性，又具有固定的磁性；从而能够更精确地控制磁流体的轴向剪切力，响应时间短。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的基于磁流体的压力自适应密封装置，结构新颖，设计巧妙，易于实现，环形凸台和励磁线圈的数量根据实际需要的磁路数量进行选择；由旁通小孔、端面储油间隙、励磁间隙和凹槽储油间隙共同构成的油回路间隙即为磁流体的密封作用面积，通过压力传感器输出信号的变化来调节励磁线圈的电流大小，实现作用面积内磁场变化，从而调整密封装置的耐压性，达到被密封体随环境压力变化的自适应调节，环境适应性强，通用性好；该密封装置还具有间隙内压自调节作用，可以有效的减小环境瞬间波动引起内压差，提高其自适应能力；该密封装置还可以大大降低轴向剪切力引起的能耗变大，有效地减小磁流体密封的功耗，扩大了其工作范围；并且，相较于传统密封设备，本密封装置没有磨损，使用寿命极长，可靠性极高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为壳体的结构示意图；

图3为回转体的结构示意图；

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于磁流体的压力自适应密封装置，其主要包括壳体1、回转体2、油回路和自适应控制机构。

请参见图1和图2，壳体1主要包括套筒1c、分别盖合在套筒1c两端的端盖1d以及分别安装在对应端盖1d中心位置的密封盖1e，密封盖1e均用于限定回转体2的位置。套筒1c、端盖1d和密封盖1e合围形成一个腔体1a，该腔体1a用于容置安装回转体2等其它零部件。其中，套筒1c呈圆筒形结构，需要指出的是，套筒1c可以由至少两个呈圆筒形结构的子套筒1c1构成，以便于内部元器件的装配。

壳体1的两端具有同轴设置的中心通孔1b，具体地说，中心通孔1b分别位于对应的密封盖1e上，回转体2的两端分别通过轴承9安装在对应的端盖1d上，并受对应的密封盖1e限位。

请参见图1和图3，通过上述轴承9的设置，回转体2可转动地安装在腔体1a中。并且，回转体2具有一个沿其转动轴线贯穿的轴向通孔2a以及至少一个沿其轴向贯穿的旁通小孔2b，轴向通孔2a的两端分别与对应的中心通孔1b同轴连通，需要指出的是，轴向通孔2a的孔径大于中心通孔1b的孔径，以便于轴的装卸。而且，回转体2的外周面上具有至少两个沿轴向并排设置且宽度相同的环形凸台2c，相邻环形凸台2c之间形成环形凹槽2d，在各环形凹槽2d中设置有线圈保持架3，在各线圈保持架3上均绕制有励磁线圈4。

具体地说，套筒1c的内壁上凹陷形成有与对应线圈保持架3相适应的止挡凹槽1g，各个线圈保持架3分别安装在对应的止挡凹槽1g中，并合围形成与对应励磁线圈4相适应的线圈安装腔11，各组励磁线圈4分别位于对应的线圈安装腔11中。

通过上述设计，使回转体2两端端面与壳体1内壁之间形成的端面储油间隙6，使环形凸台2c外周面与壳体1内壁之间形成的励磁间隙7，使环形凹槽2d与对应线圈保持架3之间形成的凹槽储油间隙8，旁通小孔2b、端面储油间隙6、励磁间隙7和凹槽储油间隙8共同组成油回路，在油回路中充满磁流体，磁流体的轴向剪切力能够随着励磁线圈4产生的磁场强度变化而变化。

请参见图3，为了便于装配和满足模块化设计需求，回转体2最好是由至少两个子回转体2’组成，每个子回转体2’的外周面上均具有环形凸台2c，相邻子回转体2’之间构成环形凹槽2d。每多一个子回转体2’，相应的，需要增加一组励磁线圈4和线圈保持架3，从而增加一级磁路。本实施例中，优选采用两个结构相同的子回转体2’组成回转体2，两个子回转体2’相互对称，两个子回转体2’之间具有一组励磁线圈4和线圈保持架3，从而构成两级磁路。

请参见图1-图3，回转体2的两端端面均沿轴向凸出的安装颈2e，两个轴承9分别设置在对应的安装颈2e与端盖1d之间。密封盖1e均具有限位凸环1e1，安装颈2e分别具有与对应限位凸环1e1相适应的限位台阶2e1，安装颈2e分别卡在对应的限位台阶2e1上。从而既保证了回转体2的自由转动，又能够对回转体2进行可靠的限位。并且，安装颈2e与对应限位台阶2e1之间设置有动密封元件10，既保证了油回路的密封性，防止磁流体泄漏，又保证了回转体的自由转动。

其中，回转体2和套筒1c采用高导磁材料制成，端盖1d和密封盖1e采用低导磁材料制成。具体地说，高导磁材料优选采用低碳钢，不仅具有高磁导率，还具有低矫顽力的特性，低导磁材料优选采用不锈钢，不仅具有低磁导率，还能够防锈，能够适用于水下和潮湿环境。

磁流体可以为磁流变脂、磁流变液或者其它流动磁性物质材料。现有的磁流体密封技术一般选用磁流变液作为磁流体，磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，但磁流变液长期静置会产生沉降问题，磁流变效应会极大地降低，使装置工作不稳定甚至导致工作失效。本发明人团队研究发现，磁流变脂是一种全新的可控流体材料，其载体液采用硅级粘弹性流体，温度适应范围宽-70℃至230℃，剪切屈服应力可达120千帕，响应时间约为50毫秒，磁控粘度调节范围宽约15至20倍，在外加载荷作用下体积可压缩10％至15％，长期静置不会发生沉降。因此，本实施中，磁流体优选采用磁流变脂。

请参见图1，自适应控制机构包括检测元件、控制组件、设置在各环形凹槽2d中的线圈保持架3以及绕制在对应线圈保持架3上的励磁线圈4。

其中，检测元件为压力传感器5，其用于检测油回路的内压，控制组件能够根据压力传感器5的反馈信息控制励磁线圈4的电流大小。具体地说，压力传感器5安装在壳体1的内壁上，并凸出至油回路中，壳体1的内壁上开设有引线孔槽1f，便于走线，使压力传感器5、控制组件和励磁线圈4之间都能直接通过导线连接，相较于无线传输，可靠性更高，适应于极端恶劣环境和特殊环境。

控制组件包括用于采集压力传感器5输出信号的数据采集器12、用于向励磁线圈4供电的可控电源13以及用于根据数据采集器12采集信号控制可控电源13输出电流大小的控制器14，压力传感器5、数据采集器12、控制器14、可控电源13和励磁线圈4电连接。

压力传感器5通过导线将压力信号传输给数据采集器12，控制器14通过识别数据采集器12采集到的压力信号来控制可控电源13，并改变励磁线圈4中电流大小，实现作用面积内磁场变化，从而调整密封装置的耐压性，达到被密封体随环境压力变化的自适应调节，环境适应性强，通用性好；该密封装置还具有间隙内压自调节作用，可以有效的减小环境瞬间波动引起内压差，提高其自适应能力；该密封装置还可以大大降低轴向剪切力引起的能耗变大，有效地减小磁流体密封的功耗，扩大了其工作范围。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于，包括：

壳体，其内部具有腔体，该壳体的两端具有同轴设置的中心通孔；

回转体，其可转动地安装在腔体中，并具有一个沿其转动轴线贯穿的轴向通孔以及至少一个沿其轴向贯穿的旁通小孔，所述轴向通孔的两端分别与对应的中心通孔同轴连通，所述回转体的外周面上具有至少两个沿轴向并排设置且宽度相同的环形凸台，相邻环形凸台之间形成环形凹槽；

自适应控制机构，其包括检测元件、控制组件、设置在各环形凹槽中的线圈保持架以及绕制在对应线圈保持架上的励磁线圈；

油回路，其由旁通小孔、回转体两端端面与壳体内壁之间形成的端面储油间隙、环形凸台外周面与壳体内壁之间形成的励磁间隙以及环形凹槽与对应线圈保持架之间形成的凹槽储油间隙相互连通构成，在所述油回路中充满磁流体，该磁流体的轴向剪切力能够随着励磁线圈产生的磁场强度变化而变化；

其中，所述检测元件为压力传感器，其用于检测油回路的内压，所述控制组件能够根据压力传感器的反馈信息控制励磁线圈的电流大小。

2.根据权利要求1所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述壳体包括呈圆筒形的套筒、分别盖合在套筒两端的端盖以及分别安装在对应端盖中心位置的密封盖，所述回转体的两端分别通过轴承安装在对应的端盖上，所述中心通孔分别位于对应的密封盖上，所述密封盖均用于限定回转体的位置。

3.根据权利要求2所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述回转体的两端端面均沿轴向凸出的安装颈，所述安装颈与对应的端盖之间设置有所述轴承，所述密封盖均具有限位凸环，所述安装颈分别具有与对应限位凸环相适应的限位台阶，所述安装颈分别卡在对应的限位台阶上。

4.根据权利要求3所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述安装颈与对应限位台阶之间设置有动密封元件。

5.根据权利要求2所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述回转体和套筒采用高导磁材料制成，所述端盖和密封盖采用低导磁材料制成。

6.根据权利要求5所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述高导磁材料为低碳钢，所述低导磁材料为不锈钢。

7.根据权利要求2所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述套筒的内壁上凹陷形成有与对应线圈保持架相适应的止挡凹槽，各个线圈保持架分别安装在对应的止挡凹槽中，并合围形成与对应励磁线圈相适应的线圈安装腔，各组励磁线圈分别位于对应的线圈安装腔中。

8.根据权利要求1所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述控制组件包括用于采集压力传感器输出信号的数据采集器、用于向励磁线圈供电的可控电源以及用于根据数据采集器采集信号控制可控电源输出电流大小的控制器，所述压力传感器、数据采集器、控制器、可控电源和励磁线圈电连接。

9.根据权利要求8所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述压力传感器安装在壳体的内壁上，并凸出至油回路中，所述壳体的内壁上开设有引线孔槽。

10.根据权利要求1所述的基于磁流体的压力自适应密封装置，其特征在于：所述磁流体或为磁流变液，或为磁流变脂。

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