CN112833193A - 一种磁流体密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流体密封组件，包括有外环和内环；所述外环呈环状结构，内侧设有“U”型或“V”型凹槽，由外套及固定在外套两侧的盖板组合而成；所述内环上设有凸极，凸极置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型或“V”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体，所述磁流体由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环或内环上的永磁体提供；在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体；过渡流体与磁流体共同组合成一个“U”型或“V”型液态密封带。本发明提供的密封方法结合了流体在U型管中静压平衡的原理，并利用流体旋转时产生的离心力，提高了磁流体密封效果。

Description

一种磁流体密封组件

技术领域

本发明属于机械工程密封领域，尤其涉及一种具有自调节性且适合高转速的磁流体密封组件。

技术背景

磁流体在机械密封当中发挥着巨大的作用，磁流体密封具有以下优点：1、密封性能好、易修复；2、无磨损、寿命长、功耗低；3、结构简单、成本低、可靠性高，但现有磁流体动密封结构包括静止磁极及旋转磁极，磁流体受到两磁极的轴向磁拉力被约束在静止磁极与旋转磁极形成的磁路间隙当中，形成密封，在运转过程中，磁流体因为旋转而在旋转面上产生径向朝外的离心力，此离心力与磁流体所受的磁约束力并不处在同一方向上，因此，运转过程中的磁流体会因为离心力的作用挣脱磁力的束缚的影响而发生迁移，导致磁流体“O型密封圈”的有效密封厚度明显减小，密封性能变差，当处在高速运转过程中，甚至会导致密封失效，且由于磁流体密封的密封带间隙很小，所以各运动部件之间的相对位置的精度要求较高，就必须需要辅助定位才能保证磁流体密封各部件高速旋转下稳定运行。

而轴承作为当代机械设备中一种重要零部件，它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度，但为了阻止灰尘、水和其他杂质进入轴承，并防止润滑剂流失，其一般采用接触式密封、非接触式密封及组合式密封，尤其是在水下应用时，其多采用接触式密封，该种密封方式密封摩擦系数大，导致相关设备额外损耗的功比较高，且产生的大量的热量，又进一步影响了密封性能，降低了轴承的使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合了流体在U型管中静压平衡的原理，并利用流体旋转产生的离心力，提供了一种具有自调节性且适合高转速的磁流体密封组件。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种磁流体密封组件，包括有外环和内环；所述外环呈环状结构，内侧设有“U”型或“V”型凹槽，由外套及固定在外套两侧的盖板组合而成；所述内环上设有凸极，凸极置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型或“V”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体，所述磁流体由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环或内环上的永磁体提供；在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体；过渡流体与磁流体共同组合成一个“U”型或“V”型液态密封带；其有益效果在于：密封组件分别固定在一对同轴且至少其中之一可旋转的部件上；所述内环及外环的结构形式共同营造了一个截面呈“U”型的间隙，磁流体被填充在两侧的间隙中；永磁体侧边的磁极近距离地对磁流体提供一个磁场，而磁极作为永磁体中磁力最强的部位，使得磁流体被聚集在磁极周围，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带，在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体，一般磁流体的密度在1.2×10³Kg/m³～1.35×10³Kg/m³之间,过渡流体可选择饱和盐水、甘油等难容于磁流体的液体；过渡流体与磁流体在凹槽底部共同组合成一个“U”型或“V”型的、连续的液态密封带；静密封状态下，两侧的磁流体密封带在起到密封作用的同时又将过渡流体封存在磁流体密封带之间，共同组成液态密封带，实现流体在U型管中的静压平衡，当液态密封带两端存在压力差的情况下，磁流体与过渡流体组成的液态密封带会整体偏移达到新的平衡，密封面不会被破坏，密封效果不受影响；动密封状态下，当处于旋转状态下的内环或外环带动磁流体和过渡流体旋转时，会使磁流体和过渡流体同时产生离心力，由于过渡流体的密度不小于磁流体，因此，过渡流体始终处于磁流体的底部，再根据流体在U型管中静压平衡的原理，密封两端压差为零时，两端液面高度差为零，当压差不为零时，磁流体与过渡流体组成的液态密封带在间隙中会整体发生偏移使两端形成液面高度差，以此平衡压差，转速越高，离心力越大，极小的液面高度差就能抵抗极强地外部压差，既能保证极好的动密封效果，还不用担心高速状态下，磁流体因离心力的影响而导致密封厚度拉伸变薄被击穿而导致密封失效的问题，特别是转速越高时，离心力越大，抵抗外部压差的能力越强，适合外界压差随转速增加而增大的工况，自我调节能力强；根据压力、压强及面积之间的物理关系，为进一步增加磁流体在磁力影响下抵御外部压差的能力，“U”型间隙处的流通面积越到底部越小。

优选地，所述外环与内环之间通过轴承活动连接在一起；其有益效果在于：锁定外环与凸极之间的位置关系，防止外环与凸极发生相对位移，保证密封效果；且轴承能够承担极强的径向载荷及轴向载荷，使得密封组件可以作为密封轴承使用。

优选地，所述间隙中设有用于增大旋转部件与磁流体及过渡流体接触面积的载液条，载液条固定在旋转部件上；其有益效果在于：所述载液条作为凹极或凸极的延申部，间接地增大了凹极或凸极与磁流体及过渡流体的表面接触面积，增强了凹极或凸极带动磁流体及过渡流体一起旋转的能力，使得磁流体及过渡流体获得更多的能量旋转，产生更大的离心力；所述载液条可由呈海绵结构的材料制作而成，如高密海绵，主要特征为柔性、多孔，流体可以自由穿梭在其孔隙中而不影响自身的流动性，进而不影响流体的密封效果，更加重要的是其海绵结构纵横交错，大大增大了旋转部件带动磁流体旋转的能力；在一般情况下，若为节约成本，所述载液条可用絮状纤维或者羽绒代替。

优选地，所述永磁体呈环状结构，采用轴向充磁；其有益效果在于：轴向充磁的永磁体环的磁极位于永磁体的两侧，众所周知，磁极是磁体中磁力最强的部位，磁感线分布最为密集；对于大直径的环状永磁体加工并不是很容易，可采用组合的方式制作，降低加工难度。

优选地，所述外套上开设有至少一个注入口；其有益效果在于：可方便在间隙中填充磁流体及过渡流体，填充完成后，注入口进行密封处理。

优选地，所述永磁体固定在外套两侧的盖板上，所述盖板上设有永磁体的安装槽；其有益效果在于：对于密封要求高的地方，凹极可安装更多、体积更大的永磁体，而永磁的磁场强度与体积有很大关系，直接影响密封效果。

优选地，所述永磁体位于凸极的两侧，相邻面为异性，产生磁吸力，所述凸极为导磁材料；其有益效果在于：两侧的永磁体可形成磁回路，提高间隙中的磁场强度，减少磁漏，所述凸极采用导磁材料制作，可形成有效磁通道，更进一步减少磁漏，增强密封效果。

优选地，所述永磁体与凸极连为一体固定在内环上；其有益效果在于：所述永磁体直接套装在凸极上，与凸极连成一体，其结构更加简单，安装更加方便，成本低，应用在密封等级不高的装置中。

优选地，所述永磁体侧边设有极靴；其有益效果在于：所述极靴能获得更好的磁场线性分布，可在间隙中建立多级磁流体密封带，从而达到密封效果，每级磁流体密封带一般可承受一定的压差，总承压为各级压差之和，总体耐压随着磁流体密封带的级数增加而增加。

优选地，所述外环或内环上设有饶有线圈的励磁体；其有益效果在于：所述励磁体固定在静止部件上，饶有线圈的励磁体通电后产生磁场，通过改变电流的大小就可控制励磁体产生磁场的强度变化，使得密封强度实现可控，适合有特殊要求的工作场合。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、利用流体在U型管中静压平衡的原理，促使磁流体与过渡流体组合形成“U”型液态密封带，该液态密封带既保证了磁流体低摩擦副的特性，还消除了磁流体因离心力的作用而导致密封失效的风险；2、将离心力从有害面转变为有利面，转速越高，离心力越大，密封效果越强，特别适合在水下推进器中应用，自调节性强；3、涉及的零部件结构简单，制作成本底；4、兼具磁流体密封无磨损、寿命长、功耗低；5、与轴承组合使用，取长补短，在保证密封及回转精度的同时，还能承担极强的载荷。

附图说明

图1为实施例一中所述磁流体密封组件的示意图；

图2为实施例一中所述磁流体密封组件存在压差情况下的平衡状态示意图；

图3为实施例二中所述磁流体密封组件的示意图；

图4为实施例三中所述磁流体密封组件的示意图；

图5为实施例四中所述磁流体密封组件的示意图；

图6为实施例五中所述磁流体密封组件的示意图；

图7为实施例六中所述磁流体密封组件的示意图；

图中：1、外环；1-1、外套；1-2、左盖板；1-3、右盖板；1-4、注入口；1-5、内套；1-6、垫圈；2、内环；2-1、凸极；3、永磁体；4、磁流体；5、过渡流体；6、载液条；7、极靴；8、轴承；9、励磁体；9-1、线圈；10、防爆环；11、限位部。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1～2所示，一种磁流体密封组件，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“U”型凹槽，由外套1-1、左盖板1-2、右盖板1-3组合而成，左盖板1-2及右盖板1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1为导磁材料，顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体4，所述磁流体4由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环1上的永磁体3提供，永磁体3分别固定安装在左盖板1-2及右盖板1-3的安装槽内，相邻面为异极，产生磁吸力；从注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充密度不小于磁流体4的过渡流体5后，封闭注入口1-4；此时，过渡流体5与磁流体4共同组合成一个“U”型液态密封带；为稳定外环1与凸极2-1之间的位置关系，防止外环1与凸极2-1发生相对位移，保证密封效果，所述外环1与凸极2-1之间通过轴承8活动连接在一起，轴承8与右盖板1-3之间设有隔板，保证充足的空间，以确保轴承8运转轴承。

根据流体在U型管中静压平衡的原理，磁流体与过渡流体组成的液态密封带处在静密封状态时，液态密封带磁极的作用下保持平衡；若磁流体4两端无压差，两端液面高度差基本h3为零，若一端压力变大，液态密封带将会整体向压力低的一侧偏移，直至达到新的平衡状态，此时会形成液面高度差h3,处于此高度差带中的磁流体4在h1段磁力及h2段磁力的共同作用下平衡外界压差；液态密封带在动密封状态时，旋转状态下的液态密封带不仅会受到了磁力作用，还会受到离心力的作用，两者相互叠加，共同提供力场实现流体在U型管中的静压平衡，若一端压力变大，液态密封带将会整体向压力低的一侧偏移，直至达到新的平衡状态，此时会形成液面高度差h3，处于此高度差带中的磁流体4不仅受到h1段磁力及h2段磁力的作用，还会受到h3段离心力的作用，若过渡流体5的密度大于磁流体4，亦会受到h4段的离心力的作用，多重作用力的叠加以外界平衡压差，转速越高，离心力越大，动密封效果越好，不用担心磁流体4厚度变薄被击穿而导致密封失效地问题。

需要说明的是，为增强旋转部件带动磁流体4及过渡流体5的能力，在旋转部件上可设载液条6，如外环1固定在静止部件上，凸极2-1固定在旋转部件上，凸极2-1置于凹槽的部位可设有载液条6，以增强动密封能力。

实施例二

如图3所示，一种磁流体密封组件，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“U”型凹槽，由外套1-1、左盖板1-2、右盖板1-3组合而成，左盖板1-2及右盖板1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1为导磁材料，顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体4，所述磁流体4由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环1上的永磁体3提供，永磁体3分别固定安装在左盖板1-2及右盖板1-3的安装槽内，相邻面为异极，产生磁吸力，永磁体3侧边设有极靴7，获得更好的磁场线性分布，可在间隙中建立多级磁流体密封带；从注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充密度不小于磁流体4的过渡流体5后，封闭注入口1-4；此时，过渡流体5与磁流体4共同组合成一个“U”型液态密封带。

极靴7能获得更好的磁场线性分布，可在间隙中建立多级磁流体密封带，每级磁流体密封带均可承受一定的压差，而总承压为各级压差之和，总体耐压随着磁流体密封带的级数增加而增加，进而增强静密封能力。

实施例三

如图4所示，一种磁流体密封组件，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“U”型凹槽，由外套1-1、左盖板1-2、右盖板1-3组合而成，外套1-1、左盖板1-2及右盖板1-3均为导磁材料，左盖板1-2及右盖板1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体4，所述磁流体4由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在凸极2-1上的永磁体3提供，永磁体3套装在凸极2-1上，与凸极2-1连为一体，左右两侧磁极对磁流体4产生磁吸力，永磁体3外圈可套设防爆环10，防止永磁体高速运转时，受离心力的作用而爆裂，也可延长磁流体4在间隙中的定向移动通道，更好地利用流体在在U型管中静压平衡的原理，提升密封性能；从注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充密度不小于磁流体4的过渡流体5后，封闭注入口1-4；此时，过渡流体5与磁流体4共同组合成一个“U”型液态密封带。

实施例四

如图5所示，一种磁流体密封组件，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“U”型凹槽，由外套1-1、左盖板1-2、右盖板1-3组合而成，外套1-1、左盖板1-2及右盖板1-3均为导磁材料，左盖板1-2及右盖板1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4，左盖板1-2及右盖板1-3上设有极靴7，采用一体化设计；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体4，所述磁流体4由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在凸极2-1上的永磁体3提供，永磁体3套装在凸极2-1上，与凸极2-1连为一体，左右两侧磁极对磁流体4产生磁吸力，永磁体3外圈可套设防爆环10，防止永磁体高速运转时，受离心力的作用而爆裂，也可延长磁流体4在间隙中的定向移动通道，更好地利用流体在在U型管中静压平衡的原理，提升密封性能；从注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充密度不小于磁流体4的过渡流体5后，封闭注入口1-4；此时，过渡流体5与磁流体4共同组合成一个“U”型液态密封带。

为稳定外环1与凸极2-1之间的位置关系，防止外环1与凸极2-1发生相对位移，保证密封效果，所述外环1与凸极2-1之间设有限位部11，所述限位部11为滚珠，滚珠由保持架定位，与轴承的结构原理相同。

实施例五

如图6所示，一种磁流体密封组件，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“U”型凹槽，由外套1-1、左盖板1-2、右盖板1-3、内套1-5及垫圈1-6组合而成，左盖板1-2及右盖板1-3为硅钢等导磁材料制作，内套1-5及垫圈1-6为环氧树脂等非导磁材料制作，左盖板1-2及右盖板1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，为一体化设计，采用导磁材料制作，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型间隙；两侧的间隙中均填充有磁流体4，所述磁流体4由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环1上的永磁体3提供，永磁体3分别固定安装在左盖板1-2及右盖板1-3的安装槽内，相邻面为异极，产生磁吸力；从注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充密度不小于磁流体4的过渡流体5后，封闭注入口1-4；此时，过渡流体5与磁流体4共同组合成一个“U”型液态密封带。

为使得密封强度实现可控，若外环1固定在静止部件上，凸极2-1固定在旋转部件上，则外环1上安装有饶有线圈9-1的励磁体9；所述励磁体9呈环状结构，固定在外环1上，与左盖板1-2、右盖板1-3及凸极2-1组成磁通道，饶有线圈的励磁体通电后产生磁场，通过改变电流的大小就可控制励磁体产生磁场的强度，适合有特殊要求的工作场合，若凸极2-1固定在静止部件上，外环1固定在旋转部件上，也可采用相似的方法。

实施例六

如图7所示，一种磁流体密封组件，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套1-1、左盖板1-2、右盖板1-3组合而成，左盖板1-2及右盖板1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，为一体化设计，采用导磁材料制作而成，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙，为方便内环2的安装，所述凸极2-1顶端部位可采用柔性材质制作；两侧的间隙中均填充有磁流体4，所述磁流体4由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环1上的永磁体3提供，永磁体3分别固定安装在左盖板1-2及右盖板1-3的安装槽内，相邻面为异极，产生磁吸力；从注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充密度不小于磁流体4的过渡流体5后，封闭注入口1-4；此时，过渡流体5与磁流体4共同组合成一个“V”型液态密封带。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种磁流体密封组件，其特征在于：包括有外环和内环；所述外环呈环状结构，内侧设有“U”型或“V”型凹槽，由外套及固定在外套两侧的盖板组合而成；所述内环上设有凸极，凸极置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型或“V”型间隙，两侧的间隙中均填充有磁流体，所述磁流体由于磁极的作用，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带；所述磁极由固定在外环或内环上的永磁体提供；在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体；过渡流体与磁流体共同组合成一个“U”型或“V”型液态密封带。

2.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述外环与内环之间通过轴承活动连接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述间隙中设有用于增大旋转部件与磁流体及过渡流体接触面积的载液条。

4.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述永磁体呈环状结构，采用轴向充磁。

5.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述外套上开设有至少一个注入口。

6.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述永磁体固定在外套两侧的盖板上，所述盖板上设有永磁体的安装槽。

7.根据权利要求6所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述永磁体位于凸极的两侧，相邻面为异性，产生磁吸力，所述凸极为导磁材料。

8.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述永磁体与凸极连为一体固定在内环上。

9.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述永磁体侧边设有极靴。

10.根据权利要求1所述的一种磁流体密封组件，其特征在于：所述外环或内环上设有饶有线圈的励磁体。

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