CN112984119A - 一种低摩擦系数的密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低摩擦系数的密封方法，包括有凹极和凸极，分别固定在一对同轴且至少其中之一可旋转的部件上；凹极呈环状结构，外侧设有第一永磁体，内侧设有凹槽；凸极顶部置于凹槽内，与凹槽之间间隙；间隙内填充磁流体；磁流体在第一永磁体内侧磁极提供的磁场作用下积聚在凹槽底部，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极与凹极之间形成“U”型或“V”型的密封带；第一永磁体外侧或内侧设有第二永磁体，第一永磁体在第二永磁体的磁力作用下，平衡旋转部件的重力作用，降低摩擦系数。本发明结合了磁体的性质及流体在U型管中静压平衡的原理，并利用流体旋转产生的离心力，提供了一种摩擦系数低、自调节性强且适合高转速的密封方法。

Description

一种低摩擦系数的密封方法

技术领域

本发明属于机械工程密封领域，尤其涉及一种摩擦系数低且自调节性强、适合高转速的密封方法。

技术背景

为了提高旋转活动部件之间的能量传递效率，降低摩擦损耗，减低活动部件的摩擦系数一直是工程机械研究的重点，且在有些工作环境中，又需要在活动部件之间进行密封处理，旋转部件之间如何在保证密封性的同时又具有极低的摩擦系数的问题急需突破。

磁力轴承具有低级的摩擦系数而被广泛应用在高端产品中，但是磁力轴承的密封性不足，而与磁体有密切关系的磁流体作为一种特殊的功能材料，在机械密封当中发挥着巨大的作用，其原理是利用磁场来约束磁流体，使其充满密封空间形成“液体O型密封圈”，而合适的载液又能良好地浸润密封面，达到非常好的密封效果，且当载液的饱和蒸汽压足够低时，即使在高真空环境下也很难挥发，以至于可以应用于真空密封，如何结合磁力轴承与磁流体密封成为当下研究的问题，且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，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凹陷，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，如何克服磁流体密封高速失效的问题也亟需解决。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合了磁体的性质及流体在U型管中静压平衡的原理，并利用流体旋转产生的离心力，提供了一种摩擦系数低、自调节性强且适合高转速的密封方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种低摩擦系数的密封方法，包括有凹极和凸极，分别固定在一对同轴且至少其中之一可旋转的部件上；所述凹极呈环状结构，外侧设有第一永磁体，内侧设有“U”型或“V”型凹槽；所述凸极顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型或“V”型间隙；所述间隙内填充磁流体；所述磁流体在第一永磁体内侧磁极提供的磁场作用下积聚在凹槽底部，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极与凹极之间形成“U”型或“V”型的密封带；所述第一永磁体外侧或内侧设有第二永磁体，第一永磁体在第二永磁体的磁力作用下，平衡旋转部件的重力作用，降低旋转部位的摩擦系数；其有益效果在于：凸极及凹极的结构形式共同营造了一个截面呈“U”型的间隙，磁流体被填充在其中；第一永磁体内侧磁极近距离地对磁流体提供一个径向的磁场，使磁流体两端均产生一个径向外移动的势能，进而促使磁流体积聚在凹槽底部形成密封带，实现流体在U型管中的静压平衡，当磁流体两端存在压差的情况下，密封带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；当处于旋转状态下的凸极或凹极带动磁流体旋转时，会使磁流体产生离心力，离心力的方向亦是径向朝外，磁流体在磁力及离心力的同向叠加作用下增强向凹极底部积聚的势，根据流体在U型管中静压平衡的原理，磁流体两端压差为零时，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；第二永磁体利用磁体的性质，对第一永磁体施加斥力或吸力来平衡旋转部件的重力，来降低摩擦系数；为方便该方法的实施，可与轴承相配合或与轴承集成在一起。

优选地，所述间隙中设有用于增大与磁流体接触面积的载液条，所述载液条固定在旋转部位上；其有益效果在于：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的表面接触面积，增强了凹极或凸极带动磁流体旋转的能力，使得磁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，所述第一永磁体呈环状结构，采用辐射充磁，为单极辐射环；其有益效果在于：单极辐射环的磁极分别位于内外两侧，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，越靠近环状永磁体内侧磁极的磁场线越呈现出径向分布的状态，凹槽紧贴环状永磁体内侧磁极，处在正中位置，使整个磁流体密封带近距离地处在磁极提供磁场的最佳位置中，可获得最大化的径向磁力，进而促使磁流体积聚在凹槽底部形成密封带，实现流体在U型管中的静压平衡，保证更强的密封性能。需要指出的是，所述永磁体可由多片扇形永磁体交错布置组合而成，对于小半径的环状永磁体可采用辐射环，容易加工，但对于大直径的环状永磁体加工并不是很容易，可采用组合的方式降低加工难度；为使磁场分布的更加均匀，扇形永磁体交错的布置，采用辐射充磁或径向充磁的方式。

优选地，所述第一永磁体与凹极连为一体固定在旋转部件上，所述凸极固定在静止部件上；其有益效果在于：第一永磁体与凹极连为一体更进一步地拉近了磁极与磁流体的距离，使磁流体可获得更大的磁力，产生更强的密封性能；将凹极固定在旋转部件上，一方面在于，第一磁流体在磁场的作用下向凹槽底积聚，磁流体中的磁性微粒在磁场的作用下呈现不均匀的分布，越靠近磁极的部位磁性微粒浓度越稠密，进而导致越靠经磁极的部位，磁流体的黏度越大，相较于凸极，凹极旋转带动磁流体获得离心力的能力更强，使得动密封状态下密封性能更强，且由于靠经凸极的磁流体黏度小，旋转时磁流体与凸极之间的摩擦力小，运转时产生的热量也相对较小；另一方面在于，密封结构上，凹极处在凸极的外圈，凹极与第一磁流体的表面接触面积大于凸极与磁流体的接触面积，产生的静摩擦力大，传递的能量多，带动第一磁流体旋转的能力优于凸极，且在旋转时，处于外圈的凹极线速度大于处于内圈的凸极，所产生的离心力更大，更有利于抵抗外界压差；所述凹极优选地采用柔性材料制作，如可塑性强的高弹性聚合物，更具体地如聚四氟乙烯，既耐高温又耐低温，而凹极由柔性材料制作时，所述环状永磁体可作为支架为凹极提供强有力的支撑，保证其在高速运转时不发生变形，进而保证了密封效果，减少零部件的个数；特别需要指出的是，由于第一永磁体的磁极分别处在在内外侧，内侧磁极为磁流体提供磁场，而外侧磁极也可以提供磁场，若永磁体外侧空间形成有“U”型间隙，可填充磁性润滑脂这种黏度大、成本低的非牛顿磁流体，在离心力的作用下，形成一道辅助密封带。

优选地，所述旋转环外端设有隔离板，所述隔离板固定在静止部件上；其有益效果在于：形成迷宫型密封结构，且在永磁体的外围形成“U”型间隙，在间隙可内填润滑脂，优选为磁性润滑脂，充分利用旋转环运转时产生的离心效应及永磁体的磁极对磁性润滑脂的强大磁吸力形成辅助密封，提高密封性能。

优选地，所述隔离板外侧设有甩泥环，所述隔离板固定在旋转部件上；其有益效果在于：作防水密封时，高速旋转的甩泥环可以将水中的泥沙等大颗粒杂质利用离心力的作用甩出，避免杂质进入流体密封带中，影响密封性能。

优选地，所述第二永磁体呈弧形结构，置于第一永磁体的正上方，对第一永磁体产生磁吸力，用以平衡旋转部件的重力。

优选地，所述第二永磁体呈弧形结构，置于第一永磁体的正下方，对第一永磁体产生磁斥力，用以平衡旋转部件的重力。

进一步优选地，所述第二永磁体为可移动式，可在第一永磁体圆周向上转动；其有益效果在于：在运行环境处在不断变换环境中，使得第二永磁体始终处于旋转部件的正下方，更好地平衡旋转部件的重力，以此降低摩擦系数。

优选地，所述凹极与第一永磁体连为一体固定在静止部件上，所述凸极与第二永磁体连为一体固定在旋转部件上；其有益效果在于：适用于第一永磁体外侧需要设置励磁体的场合，方便励磁体上绕组线圈的接线，由旋转的凸极带动磁流体旋转，使流体产生离心力，需要指出的是，在磁极的影响下，磁流体中的磁性微粒向凹极靠拢，导致靠经凸极的磁流体中磁性微粒浓度低，进而导致靠经凸极的磁流体黏度低，带动磁流体旋转获得离心力的能力有限，为增加凸极带动流体旋转的能力，在凸极适当位置需设置叶片或将载液条固定安装在凸极上；需要指出的是，该设计方法可承担磁悬浮轴承中径向磁力支撑的部分，若增加轴向磁力支撑，可组合成密封磁悬浮轴承。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、突破常规方法中通过轴向磁拉力将磁流体束缚在磁路气隙中进行密封的做法，而是对磁流体施加一个径向朝外的磁力，利用流体在U型管中静压平衡的原理，促使磁流体形成“U”型密封带，该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、利用磁体的性质，平衡旋转部件的重力，极大降低了摩擦系数。

附图说明

图1为实施例一中所述低摩擦系数密封方法的示意图；

图2为实施例一中所述低摩擦系数密封方法永磁体布置的示意图；

图3为实施例一中所述单极辐射环的结构示意图；

图4为实施例一中所述永磁体采用组合形式的结构示意图.

图5为实施例一中所述凹极及载液条的结构示意图；

图6为实施例一中所述密封方法存在压差情况下的平衡状态示意图；

图7为实施例二中所述低摩擦系数密封方法的示意图；；

图8为实施例二中所述低摩擦系数密封方法永磁体布置的示意图；

图9为实施例二中所述低摩擦系数密封方法永磁体布置的局部示意图；

图10为实施例三中所述低摩擦系数密封方法永磁体布置的示意图；

图中：1、凸极；2、磁流体；3、凹极；4、第一永磁体；4-1、磁片；5、旋转环；6、载液条；7、旋转部件；8、静止部件；9、支撑环；10、甩泥环；11、第二永磁体；12、定位架；13、隔离板；14、润滑脂；15、滚针；16、保持架。

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1～6所示，一种低摩擦系数的密封方法，应用在轴承上，包括有凸极1和凹极3，分别固定在同轴布置的静止部件8及旋转部件7上，本实施例中静止部件指的是轴承的外环，旋转部件指的是轴承的内环；所述凹极3上设有“U”型凹槽；所述凸极1顶部置于凹极3“U”型凹槽内，并与凹极3之间形成“U”型的间隙；所述间隙内填充磁流体2；所述凹极3外侧固定有第一永磁体4，所述第一永磁体4呈环状结构，采用辐射充磁，为单极辐射环，第一永磁体4的内侧磁极对磁流体2产生径向朝外的磁力；所述磁流体2在径向磁力的作用下克服自身重力，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极1与凹极3之间形成“U”型的磁流体密封带；凸极1通过支撑环9固定安装在静止部件8中；所述第一永磁体4与凹极3连为一体固定在旋转环5上，旋转环5固定安装在旋转部件7上，旋转部件7运动时，带动凹极3及第一永磁体4同步旋转，处于旋转状态下的凹极3带动磁流体2旋转，使磁流体2产生径向朝外离心力；磁流体2在离心力及磁力的共同作用下积聚在凹极3“U”型凹槽底部；为增大凹极3带动磁流体2旋转的能力，载液条6固定粘结在凹极3中；所述旋转环5外端设有隔离板13，所述隔离板13固定在静止部件8上；为辅助密封、防尘，所述支撑环9、旋转环5、隔离板13及壳体8之间形成的“U”型间隙处填充有磁性润滑脂14；为简化加工工序，支撑环9可与凸极1一体化设计，所述凹极3为由聚四氟乙烯注塑而成；所述第一永磁体4正上方设有第二永磁体11，所述第二永磁体11呈弧形结构，所述第二永磁体11对第一永磁体4产生磁吸力，用以平衡旋转部件7的重力，降低摩擦系数。

根据流体在U型管中静压平衡的原理，密封带处在静密封状态时，磁流体2在凹极3正上方磁极的作用下保持平衡；若磁流体2两端无压差，两端液面高度差h为零，若一端压力变大，磁流体2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h,处于此高度差带中的磁流体2在磁力的作用下平衡外界压差；密封带在动密封状态时，旋转状态下的磁流体2不仅受到了磁力作用，还受到离心力的作用，两者相互叠加，共同提供径向力场实现U型管静压平衡，转速越高，离心力越大，极小的液位高度差h就能抵抗极强地外部压差变化，保证极好的动密封效果，不用担心磁流体2厚度变薄被击穿而导致密封失效地问题；需要说明的是磁性润滑脂14在永磁体4的作用下被吸附在外侧磁极上，不易外泄；旋转时，旋转环5带动磁性润滑脂14产生离心力，在间隙内形成密封带，起到辅助密封作用，能有效防止杂质进入。

实施例二

如图7～9所示，一种低摩擦系数的密封方法，应用在轴承的辅助配件上，包括有凸极1和凹极3，分别固定在同轴布置的静止部件8及旋转部件7上，本实施例中静止部件指的是轴承的安装壳体，旋转部件指的是轴承的轴套或轴；所述凹极3上设有“V”型凹槽；所述凸极1顶部置于凹极3“V”型凹槽内，并与凹极3之间形成“V”型的间隙；所述间隙内填充磁流体2；所述凹极3外侧固定有第一永磁体4，所述第一永磁体4呈环状结构，采用辐射充磁，为单极辐射环，第一永磁体4的内侧磁极对磁流体2产生径向朝外的磁力；所述磁流体2在径向磁力的作用下克服自身重力，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极1与凹极3之间形成“V”型的磁流体密封带；凸极1通过支撑环9固定安装在静止部件8中；所述第一永磁体4与凹极3连为一体固定在旋转环5上，旋转环5固定安装在旋转部件7上，旋转部件7运动时，带动凹极3及第一永磁体4同步旋转，处于旋转状态下的凹极3带动磁流体2旋转，使磁流体2产生径向朝外离心力；磁流体2在离心力及磁力的共同作用下积聚在凹极3“V”型凹槽底部；为增大凹极3带动磁流体2旋转的能力，载液条6固定粘结在凹极3中；所述旋转环5外端设有隔离板13，所述隔离板13固定在静止部件8上；为辅助密封、防尘，所述支撑环9、旋转环5、隔离板13及壳体8之间形成的“U”型间隙处填充有磁性润滑脂14；为简化加工工序，支撑环9可与凸极1一体化设计，所述凹极3为由聚四氟乙烯注塑而成；所述第一永磁体4正下方设有第二永磁体11，所述第二永磁体11呈弧形结构，为可移动式，固定在移动式平台上，移动式平台下方设有滚针15及保持滚针15相对位置的保持架16，无论运行环境如何变化，第二永磁体11始终在重力作用下，处在第一永磁体4的正下发，对第一永磁体4产生磁吸力，用以平衡旋转部件7的重力，降低摩擦系数。

实施例三

如图10所示，一种低摩擦系数的密封方法，应用中磁悬浮轴承中，包括有凸极1和凹极3，分别固定在同轴布置的静止部件8及旋转部件7上，本实施例中，静止部件为轴承安装座，旋转部件7为轴套或转轴；所述凹极3上设有“V”型凹槽；所述凸极1顶部置于凹极3“V”型凹槽内，并与凹极3之间形成有“V”型的间隙；所述间隙内填充磁流体2；所述凹极3外侧固定有第一永磁体4，所述永磁体4呈环状结构，采用辐射充磁，为单极辐射环，永磁体4内侧磁极对磁流体2产生径向朝外的磁力；所述磁流体2在永磁体提供的径向磁力的作用下克服自身重力，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极1与凹极3之间形成“V”型的磁流体密封带；所述凹极3及第一永磁体4连为一体固定在定位架12上，定位架12固定安装在静止部件8上，处于静止状态；第二永磁体呈环状结构，采用辐射充磁，为单极辐射环，处在凹极1的内侧；凸极1与第二永磁体11连为一体固定安装在旋转部件7上，旋转部件7运动时，处于旋转状态下的凸极1带动磁流体2旋转，使磁流体2产生径向朝外离心力；磁流体2在离心力及磁力的共同作用下积聚在凹极3“V”型凹槽底部；为增大凸极1带动磁流体2旋转的能力，载液条6粘结在凸极1上；考虑到密封在水下应用的情况，为减少外界杂质进入密封带，在凸极1上设有甩泥环10，所述甩泥环10随着转轴7旋转，利用离心力将水中的杂质甩出。

需要指出的是，第一永磁体4作为完成密封特性的主要部件，其内侧磁极为磁流体提供了磁场，且其外侧磁极又在第二永磁体11的作用下，承担了磁悬浮轴承中径向的磁力支撑，一举两得，充分减少了零件数量，节约了制作成本，又减低了轴承的使用空间。

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)

1.一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：包括有凹极和凸极，分别固定在一对同轴且至少其中之一可旋转的部件上；所述凹极呈环状结构，外侧设有第一永磁体，内侧设有“U”型或“V”型凹槽；所述凸极顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“U”型或“V”型间隙；所述间隙内填充磁流体；所述磁流体在第一永磁体内侧磁极提供的磁场作用下积聚在凹槽底部，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极与凹极之间形成“U”型或“V”型的密封带；所述第一永磁体外侧或内侧设有第二永磁体，第一永磁体在第二永磁体的磁力作用下，平衡旋转部件的重力作用，降低旋转部位的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述间隙中设有用于增大与磁流体接触面积的载液条，所述载液条固定在旋转部件上。

3.根据权利要求1或2所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述第一永磁体呈环状结构，采用辐射充磁，为单极辐射环。

4.根据权利要求3所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述第一永磁体与凹极连为一体固定在旋转部件上，所述凸极固定在静止部件上。

5.根据权利要求4所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述旋转环外端设有隔离板，所述隔离板固定在静止部件上。

6.根据权利要求5所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述隔离板外端设有甩泥环，所述甩泥环固定在旋转部件上。

7.根据权利要求3所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述第二永磁体呈弧形结构，置于第一永磁体的正上方，对第一永磁体产生磁吸力，用以平衡旋转部件的重力。

8.根据权利要求3所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述第二永磁体呈弧形结构，置于第一永磁体的正下方，对第一永磁体产生磁斥力，用以平衡旋转部件的重力。

9.根据权利要求8所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述第二永磁体为可移动式，可在第一永磁体圆周向上转动。

10.根据权利要求3所述的一种低摩擦系数的密封方法，其特征在于：所述凹极与第一永磁体连为一体固定在静止部件上，所述凸极与第二永磁体连为一体固定在旋转部件上。

Images