CN114198504A - 用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置及去偏心方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置及去偏心方法，包括磁铁、磁性液体、隔离套、极靴、外套、下压环、轴、架子和补偿永磁体；所述外套的上端与架子连接，外套的下端经隔离套与架子连接；所述轴位于所述外套的中部；两个所述极靴与位于极靴中间的磁铁套设在轴上；在极靴的外槽设置密封环形成与外套之间的密封；所述磁性液体位于由磁铁、极靴和转轴组成磁回路中，形成多个密封液膜；所述下压环将位于下方的极靴向内压紧；所述外套上开设有与磁体高度相对的槽，安装补偿永磁体；还包括大轴承，大轴承内圈上设有传感器支架，传感器支架上环形分布有多个激光传感器。本发明可以有效的提升磁性液体密封的耐压性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及磁性液体密封技术领域，特别涉及一种用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置及去偏心方法。
背景技术
磁性液体是将纳米级的磁性颗粒高度弥散在基载液中得到的稳定胶体溶液，其中的磁性颗粒表面包覆表面活性剂，避免磁性颗粒发生团聚和沉淀。磁性液体兼具流体的流动性和铁磁材料的磁性，在光学、声学及医学等领域中具有很高的学术价值，在电子、化工、能源、冶金和医疗等行业中具有广泛的应用。
磁性液体密封是一种非接触式的新型动密封方式，具有零泄漏和维修方便等优点。目前成熟应用的磁性液体密封转轴均采用滚动轴承支撑，保证转轴与极齿之间的密封间隙均匀。而在部分大载荷或高转速的机械设备中，如化工反应釜等，转轴两端采用滑动轴承支撑，无法严格保证转轴与极靴内孔的同轴度，导致两者之间存在0.1mm以上的偏心距。
实验表明，磁性液体密封在偏心工况下的静态耐压明显小于均匀间隙的密封，且偏心距越大，密封耐压越小。除此以外，当转轴开始转动时，即使密封腔中的压力低于最大静耐压能力，密封也会在短时间内发生泄漏。转轴与极齿的偏心距造成液膜稳定性降低，最终导致磁性液体密封性能和可靠性降低，使密封更容易发生失效。
采用有限单元法和等效磁路法研究发现，当转轴出现偏心现象时，磁感应强度在圆周方向存在不均匀分布，即磁感应强度在间隙宽度大的位置较弱。由于大间隙宽度位置的磁性液体受到的约束磁场力较小，大间隙位置将成为密封腔高压气体冲破的薄弱点。因此，减弱这种磁感应强度的不均匀现象，提高大间隙位置的磁感应强度将会有效的提高磁性液体密封在偏心工况下的密封性能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置及去偏心方法。本发明可以有效的提升磁性液体密封的耐压性能和可靠性。
本发明的技术方案：用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置，包括磁源补偿磁性液体密封主体结构和偏心检测结构；
所述磁源补偿磁性液体密封主体结构磁铁、磁性液体、隔离套、极靴、外套、下压环、轴、架子和补偿永磁体；所述外套的上端与架子固定连接，外套的下端经隔离套与架子固定连接；所述轴位于所述外套的中部；两个所述极靴与位于极靴中间的磁铁套设在轴上；在极靴的外槽设置密封环形成与外套之间的密封；所述磁性液体位于由磁铁、极靴和转轴组成磁回路中，形成多个密封液膜；所述下压环将位于下方的极靴向内压紧；所述外套上开设有与磁体高度相对的槽，安装补偿永磁体；
所述的偏心检测结构包括固定在架子上的大轴承，大轴承内圈上设有传感器支架，传感器支架上环形分布有多个激光传感器。
上述的用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置的去偏心方法，包括以下步骤：
S1：将磁源补偿磁性液体密封结构固定在架子上；
S2：利用激光传感器测出外套表面和轴端表面的距离，获得偏心距e；
S3：并采用有限元法求解的密封磁场，通过遗传算法调整设计补偿永磁体，并进行多次迭代，求解得到补偿永磁体的形状；
S4：通过外套内侧上开槽，并使槽的高度与磁体高度相对，用于将求解得到的补偿永磁体安装固定在外套内合适位置；
S5：利用求解得到的补偿永磁体对主磁场附加一个新磁场，改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布，提高偏心磁性液体密封耐压性能。
前述的用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置的去偏心方法，步骤S3中，补偿永磁体的调整设计过程如下：
S3.1：选定特征值R1、R2和θ，并随机生成初始种群为m＝50；其中R1表示补偿永磁体的外径尺寸，R2表示补偿永磁体的内径尺寸；θ为补偿永磁体的弧度，取值为(0，π)；
S3.2：针对每一组数据，采用有限单元法计算对应尺寸的磁感应强度分布，求解不同个体的适应度即磁性液体密封的耐压能力；
S3.3：淘汰不均匀性较强的数据组，并进行交叉和遗传，形成新的种群；
S3.4：判断磁感应强度分布是否满足终止条件，若满足终止条件且群体不再显著进化，则可以确定四个特征值，并输出补偿永磁体形状。
与现有技术相比，本发明通过偏心检测结构测出是否产生偏心距，其原理是通过激光传感器在大轴承上转动，测出到外套表面和轴端表面的距离，通过360°方位的测量判断出偏心的位置找到补偿永磁体放置的方位，再将补偿永磁体9设置在合理位置，对主磁场附加一个新磁场，改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布，从而提高偏心磁性液体密封耐压性能。此外，本发明的补偿永磁体的设计是采用有限单元法求解的密封磁场，通过遗传算法调整补偿永磁体形状，通过进行多次迭代，求解得到补偿永磁体形状，减小周向的磁感应强度的不均匀性，使得补偿永磁体可以进一步提供改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布的能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的磁源补偿磁性液体密封主体结构和偏心检测结构的示意图；
图3是本发明的工作原理图；
图4是补偿永磁体的结构示意图；
图5是补偿永磁体的设计流程图。
附图标记
1、磁铁；2、磁性液体；3、隔离套；4、极靴；5、外套；6、下压环；7、轴；8、架子；9、补偿永磁体；10、大轴承；11、传感器支架；12、激光传感器；13、密封环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置，如图1和图2所示，包括磁源补偿磁性液体密封主体结构和偏心检测结构；
所述磁源补偿磁性液体密封主体结构包括磁铁1、磁性液体2、隔离套3、极靴4、外套5、下压环6、轴7、架子8和补偿永磁体9；所述外套5的上端与架子8通过螺栓固定连接，外套5的下端经隔离套3与架子8固定连接；所述轴7位于所述外套5的中部，通过联轴7器连接电机进行转动；两个所述极靴4与位于极靴4中间的磁铁1套设在轴7上；在极靴4的外槽设置密封环13形成与外套5之间的密封；所述磁性液体2位于由磁铁1、极靴4和转轴7组成磁回路中，形成多个密封液膜；所述下压环6将位于下方的极靴4向内压紧；所述外套5上开设有与磁体高度相对的槽，安装补偿永磁体9；
所述的偏心检测结构包括固定在架子8上的大轴7承，大轴7承内圈上设有传感器支架11，传感器支架11上环形分布有多个激光传感器12。如图3所示，本发明通过偏心检测结构测出是否产生偏心距，其原理是通过激光传感器12在大轴7承上转动，测出到外套5表面和轴7端表面的距离，通过360°方位的测量判断出偏心的位置找到补偿永磁体放置的方位，再将补偿永磁体9设置在合理位置，对主磁场附加一个新磁场，改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布，从而提高偏心磁性液体2密封耐压性能。
用于偏心工况的磁源补偿磁性液体2密封装置的去偏心方法，包括以下步骤：
S1：将磁源补偿磁性液体2密封结构固定在架子8上；
S2：利用激光传感器12测出外套5表面和轴7端表面的距离，获得偏心距e；
S3：并采用有限元法求解的密封磁场，通过遗传算法调整设计补偿永磁体，并进行多次迭代，求解得到补偿永磁体的形状；
其中，整个数字化设计过程在Matlab和COMSOL软件中进行，如图4所示，补偿永磁体由R1、R2和θ三个特征尺寸及矫顽力Hc确定，如图5所示，补偿永磁体的调整设计过程如下：
S3.1：选定选定特征值R1、R2和θ，并随机生成初始种群为m＝50；其中R1表示补偿永磁体的外径尺寸，R2表示补偿永磁体的内径尺寸；θ为补偿永磁体的弧度，取值为(0，π)；r1，r2，r3，r4需要根据永磁铁1的外径和外套5的内径实际尺寸情况取值；
S3.2：针对每一组数据，采用有限单元法计算对应尺寸的磁感应强度分布，求解不同个体的适应度即磁性液体2密封的耐压能力；
S3.3：淘汰不均匀性较强的数据组，并进行交叉和遗传，形成新的种群；
S3.4：判断磁感应强度分布是否满足终止条件，若满足终止条件且群体不再显著进化，则可以确定四个特征值，并输出补偿永磁体形状。本发明的补偿永磁体的设计是采用有限单元法求解的密封磁场，通过遗传算法调整补偿永磁体形状，通过进行多次迭代，求解得到补偿永磁体形状，减小周向的磁感应强度的不均匀性，使得补偿永磁体可以进一步提供改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布的能力。
S4：通过外套5内侧上开槽，并使槽的高度与磁体高度相对，用于将求解得到的补偿永磁体安装固定在外套5内合适位置；
S5：利用求解得到的补偿永磁体对主磁场附加一个新磁场，改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布，提高偏心磁性液体2密封耐压性能。
综上所述，本发明通过偏心检测结构测出是否产生偏心距，其原理是通过激光传感器12在大轴7承上转动，测出到外套5表面和轴7端表面的距离，通过360°方位的测量判断出偏心的位置找到补偿永磁体放置的方位，再将补偿永磁体9设置在合理位置，对主磁场附加一个新磁场，改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布，从而提高偏心磁性液体2密封耐压性能。此外，本发明的补偿永磁体的设计是采用有限单元法求解的密封磁场，通过遗传算法调整补偿永磁体形状，通过进行多次迭代，求解得到补偿永磁体形状，减小周向的磁感应强度的不均匀性，使得补偿永磁体可以进一步提供改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布的能力。
Claims (3)
1.用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置，其特征在于：包括磁源补偿磁性液体密封主体结构和偏心检测结构；
所述磁源补偿磁性液体密封主体结构包括磁铁(1)、磁性液体(2)、隔离套(3)、极靴(4)、外套(5)、下压环(6)、轴(7)、架子(8)和补偿永磁体(9)；所述外套(5)的上端与架子(8)固定连接，外套(5)的下端经隔离套(3)与架子(8)固定连接；所述轴(7)位于所述外套(5)的中部；两个所述极靴(4)与位于极靴(4)中间的磁铁(1)套设在轴(7)上；在极靴(4)的外槽设置密封环(13)形成与外套(5)之间的密封；所述磁性液体(2)位于由磁铁(1)、极靴(4)和转轴(7)组成磁回路中，形成多个密封液膜；所述下压环(6)将位于下方的极靴(4)向内压紧；所述外套(5)上开设有与磁体(1)高度相对的槽，安装补偿永磁体(9)；
所述的偏心检测结构包括固定在架子(8)上的大轴承(10)，大轴承(10)内圈上设有传感器支架(11)，传感器支架(11)上环形分布有多个激光传感器(12)。
2.根据权利要求1所述的用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置的去偏心方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将磁源补偿磁性液体密封结构固定在架子上；
S2：利用激光传感器测出外套表面和轴端表面的距离，获得偏心距e；
S3：并采用有限元法求解的密封磁场，通过遗传算法调整设计补偿永磁体，并进行多次迭代，求解得到补偿永磁体的形状；
S4：通过外套内侧上开槽，并使槽的高度与磁体高度相对，用于将求解得到的补偿永磁体安装固定在外套内合适位置；
S5：利用求解得到的补偿永磁体对主磁场附加一个新磁场，改变偏心密封间隙中周向不均匀的磁感应强度分布，提高偏心磁性液体密封耐压性能。
3.根据权利要求2所述的用于偏心工况的磁源补偿磁性液体密封装置的去偏心方法，其特征在于：步骤S3中，补偿永磁体的调整设计过程如下：
S3.1：选定特征值R1、R2和θ，并随机生成初始种群为m＝50；其中R1表示补偿永磁体的外径尺寸，R2表示补偿永磁体的内径尺寸；θ为补偿永磁体的弧度，取值为(0，π)；
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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