一种高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法

摘要

本发明提供一种高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法，包括转轴和转轴上的外套。在转轴上位于外套的内侧依次安装有第一密封定位结构、磁性液体密封单元及第二密封定位结构；磁性液体密封单元包括第一极靴、第二极靴、磁性液体和环形永磁体，第一极靴与第二极靴的极齿相对安装且之间注有磁性液体，第一极靴和第二极靴安装后扩口方向朝向环形永磁体，环形永磁体内侧注入压缩气体，极齿间的磁场使磁性液体保持在极齿与转轴间的密封间隙内，压缩气体使磁性液体能抵抗高速旋转引起的离心力。本发明能够显著减弱高转速工况下磁化弛豫效应的影响并抵消离心力的影响，保证磁性液体密封环的截面形状不随转轴转速变化。

权利要求

1.一种高转速磁性液体密封结构，其特征在于，包括转轴和安装在所述转轴上的不导磁外套，在所述转轴上位于所述外套的内侧依次安装有第一密封定位结构、磁性液体密封单元及第二密封定位结构；

所述磁性液体密封单元包括依次安装的第一极靴、环形永磁体及第二极靴，所述第一极靴和所述第二极靴的凹槽内分别安装有第一O形圈和第二O形圈；所述第一极靴与所述第二极靴的极齿相对安装，所述第一极靴和所述第二极靴安装后扩口方向朝向所述环形永磁体，且在所述第一极靴、所述第二极靴与所述转轴之间注有磁性液体；

所述外套上设有通孔，所述环形永磁体侧面与所述外套上通孔对应位置也设有通孔，两通孔之间形成气路，所述气路外端与减压阀和气瓶依次连接，所述气瓶通过所述气路为所述环形永磁体内部通入压缩气体；

所述第一极靴和所述第二极靴采用导磁性佳的材质制成，且两极靴的极齿端面为变截面形状；调整所述第一极靴和所述第二极靴上的极齿尺寸以满足所述两极齿之间的磁场强度远大于所述极齿与所述转轴表面之间的磁场强度；

所述磁性液体在压缩气体压力的作用下，抵抗因所述转轴高速旋转引起的离心力，使磁性液体密封环的截面不随所述转轴的转速变化。

2.根据权利要求1所述的高转速磁性液体密封结构，其特征在于，所述第一密封定位结构包括第一轴承和第一挡环并依次安装，所述第一挡环贴近所述第一极靴；所述第二密封定位结构包括第二挡环、第二轴承和端盖并依次安装，所述第二挡环贴近所述第二极靴，所述第二轴承外端被所述端盖压紧，所述端盖与所述外套螺纹连接；所述转轴一端设有阶梯，所述第一轴承的内圈紧靠在所述转轴的阶梯处。

3.根据权利要求1所述的高转速磁性液体密封结构，其特征在于，在所述转轴上依次平行安装多个所述磁性液体密封单元。

4.根据权利要求1所述的高转速磁性液体密封结构，其特征在于，所述第一极靴和所述第二极靴的极齿端面形状为梯形或双曲面形。

5.根据权利要求2所述的高转速磁性液体密封结构，其特征在于，所述第一轴承和所述第二轴承为球轴承或滚子轴承或角接触球轴承。

6.根据权利要求1所述的高转速磁性液体密封结构，其特征在于，所述环形永磁体内部的压缩气体压力根据压缩气体与磁性液体受到的磁场力、转轴旋转引起的离心力之间的平衡关系确定或者根据实验方法确定。

7.一种密封环表面气压调节方法，其特征在于，所述密封环表面气压调节方法用于如权利要求1～6任意一项所述的高转速磁性液体密封结构中的压缩气体的气压调节，所述方法包括：S1：记录所述转轴未转动时磁性液体密封环的截面形状；

S2：增大所述转轴转速至某一点，同时逐渐增大气体压力，记录使磁性液体密封环截面形状恢复至初始形状的气体压力；

S3：重复步骤S2，直至转速点覆盖工作转速范围，得到一系列转速及与之一一对应的气体压力，拟合这些点，得到他们之间的关系曲线；

S4：根据步骤S3中得到的所述转轴转速与气体压力间的关系式，设计自动控制程序，密封工作时根据该关系式和实际转速实时调节气体压力，保证磁性液体密封环截面形状不随转轴转速变化。

说明书

一种高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磁性液体密封技术领域，尤其涉及一种适用于高转速工况的磁性液体密封结构。

背景技术

[0002] 磁性液体密封因其零泄漏率、低摩擦功耗、高可靠性等优点广泛应用于机械、军工、核能等领域中，解决高转速、大轴径、液体工况等特殊工况下的密封难题。

[0003] 现有磁性液体旋转密封结构中，磁性液体一般被填充在静止的极靴极齿和导磁性轴之间的密封间隙内。当转轴高速旋转时，磁性液体密封环一方面承受转轴的高速剪切，磁性液体内部具有非常大的速度梯度，这时流动的特征时间与磁性液体的磁化弛豫时间的倒数相当，表现出较强的磁化弛豫效应，而这一效应会影响密封耐压。另一方面，磁性液体随转轴高速旋转将在其内部产生较大的离心力，该力引起密封环截面变形，甚至脱开转轴表面，严重降低密封耐压。因此，需要设计一种能够减弱磁化弛豫效应，并能够抵抗离心力以减小密封环截面变形的磁性液体密封结构，解决高转速工况下的密封难题。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法，不仅可以使磁性液体保持在极靴与转轴间的密封间隙内，而且可以最大程度地减弱磁化弛豫的影响，并在磁性液体密封环外侧通过压缩空气施加压力，抵消离心力的影响，使磁性液体密封环的截面形状不随转轴转速变化，最终实现高转速工况下的可靠密封。

[0005] 为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

[0006] 一种高转速磁性液体密封结构，包括转轴和安装在所述转轴上的不导磁外套，在所述转轴上位于所述外套的内侧依次安装有第一密封定位结构、磁性液体密封单元及第二密封定位结构；

[0007] 所述磁性液体密封单元包括依次安装的第一极靴、环形永磁体及第二极靴，所述第一极靴和所述第二极靴的凹槽内分别安装有第一O形圈和第二O形圈；所述第一极靴与所述第二极靴的极齿相对安装，所述第一极靴和所述第二极靴安装后扩口方向朝向所述环形永磁体，且在所述第一极靴、所述第二极靴与所述转轴之间注有磁性液体；

[0008] 所述外套上设有通孔，所述环形永磁体侧面与所述外套上通孔对应位置也设有通孔，两通孔之间形成气路，所述气路外端与减压阀和气瓶依次连接，所述气瓶通过所述气路为所述环形永磁体内部通入压缩气体；

[0009] 所述第一极靴和所述第二极靴采用导磁性佳的材质制成，且两极靴的极齿端面为变截面形状；调整所述第一极靴和所述第二极靴上的极齿尺寸以满足所述两极齿之间的磁场强度远大于所述极齿与所述转轴表面之间的磁场强度。

[0010] 优选地，所述第一密封定位结构包括第一轴承和第一挡环并依次安装，所述第一挡环贴近所述第一极靴；所述第二密封定位结构包括第二挡环、第二轴承和端盖并依次安装，所述第二挡环贴近所述第二极靴，所述第二轴承外端被所述端盖压紧，所述端盖与所述外套螺纹连接；所述转轴一端设有阶梯，所述第一轴承的内圈紧靠在所述转轴的阶梯处。

[0011] 优选地，在所述转轴上依次平行安装多个所述磁性液体密封单元。

[0012] 优选地，所述第一极靴和所述第二极靴的极齿端面为形状为梯形或双曲面形。

[0013] 优选地，所述第一轴承和所述第二轴承为球轴承或滚子轴承或角接触球轴承。

[0014] 优选地，所述环形永磁体内部的压缩气体压力根据压缩气体与磁性液体受到的磁场力、转轴旋转引起的离心力之间的平衡关系确定或者根据实验方法确定。

[0015] 一种密封环表面气压调节方法，所述密封环表面气压调节方法用于所述的高转速磁性液体密封结构中的压缩气体的气压调节，所述方法包括：

[0016] S1：记录所述转轴未转动时磁性液体密封环的截面形状；

[0017] S2：增大所述转轴转速至某一点，同时逐渐增大气体压力，记录使磁性液体密封环截面形状恢复至初始形状的气体压力；

[0018] S3：重复步骤S2，直至转速点覆盖工作转速范围，得到一系列转速及与之一一对应的气体压力，拟合这些点，得到他们之间的关系曲线；

[0019] S4：根据步骤S3中得到的所述转轴转速与气体压力间的关系式，设计自动控制程序，密封工作时根据该关系式和实际转速实时调节气体压力，保证磁性液体密封环截面形状不随转轴转速变化。

[0020] 上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

[0021] 上述方案，高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法，通过使用变截面极齿，使磁性液体保持在极靴与转轴间的密封间隙内，同时可最大程度地减弱磁化弛豫的影响，并在磁性液体密封环外侧通过压缩空气施加压力，可抵消离心力的影响，使磁性液体密封环的截面形状不随转轴转速变化，最终实现高转速工况下的可靠密封。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1为本发明一种高转速磁性液体密封结构的结构示意图；

[0024] 图2为本发明密封环表面气压调节方法流程图。

[0025] 其中附图标记说明如下：

[0026] 1、转轴；2、外套；3、第一轴承；4、第一挡环；5、第一O形圈；6、第一极靴；7、环形永磁体；8、磁性液体；9、第二O形圈；10、第二挡环；11、第二极靴；12、第二轴承；13、端盖；14、气瓶；15、气路；16、减压阀。

具体实施方式

[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

[0029] 需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0030] 本发明针对现有磁性液体旋转密封结构有较强的磁化弛豫效应，并且高速旋转产生的离心力会使密封环截面变形从而降低密封耐压的问题，提供了一种能够减弱磁化弛豫效应，并能够抵抗离心力以减小密封环截面变形的高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法。

[0031] 如图1所示，本发明实施例提供了一种高转速磁性液体密封结构及密封环表面气压调节方法，包括转轴1和安装在转轴1上的外套2，外套2为不导磁外套，外套2由不导磁材料制成；紧靠外套2的内凸台中心装入环形永磁体7，紧靠外套2的内凸台且在环形永磁体7两侧依次对称设有第一极靴6、第二极靴11、第一挡环4、第二挡环10和第一轴承3、第二轴承12；转轴1一端设有阶梯，第一轴承3的内圈紧靠在转轴1的阶梯处；第二轴承12的外端被端盖13压紧，端盖13与外套2螺纹连接在转轴1上；第一轴承3和第二轴承12为球轴承、滚子轴承、或角接触球轴承；转轴1由第一轴承3和第二轴承12支撑。

[0032] 第一极靴6和第二极靴11由具有良好导磁性的材料制成且凹槽内分别安装有第一O形圈5和第二O形圈9；第一极靴6与第二极靴11的极齿端面为梯形或双面曲形的变截面形状并且相对安装，安装后扩口方向朝向环形永磁体7，在所述第一极靴6和所述第二极靴11与所述转轴1之间注有磁性液体8；第一极靴6与第二极靴11的极齿之间形成强磁场，磁场梯度指向转轴1的表面，在这一磁场的作用下，磁性液体8被保持在转轴1和极齿之间的密封间隙内；第一极靴6和第二极靴11上的极齿尺寸要满足两极齿之间的磁场强度远大于极齿与转轴1表面之间的磁场强度。

[0033] 第一极靴6、第二极靴11、第一O形圈5、第二O形圈9、环形永磁体7和磁性液体8组成一套密封组件，密封结构中可依次平行安装多套密封组件。

[0034] 磁性液体8随转轴1作整体旋转运动，由于磁性液体8与静止的极齿之间的接触面积相对较小，磁性液体8内的速度梯度也较小，可显著减弱磁化弛豫效应的影响。

[0035] 外套2上设有通孔，环形永磁体7侧面与外套2上通孔对应位置也设有通孔，两通孔之间形成气路15，气路15外端依次连接有减压阀16和气瓶14，气瓶14通过减压阀16和气路15为环形永磁体7内部通入压缩气体。

[0036] 磁性液体8在该压缩气体压力的作用下，抵抗因转轴1高速旋转引起的离心力，使磁性液体8密封环的截面不随转轴的转速变化。

[0037] 第一O形圈5和第二O形圈9密封与磁性液体8密封的组合一方面将密封结构左右两侧隔离开来，另一方面可以密封通入环形永磁体7内部的气体，保证气体压力完全作用在磁性液体8表面上。

[0038] 通入环形永磁体7内部的压缩气体压力可以根据压缩气体与磁性液体受到的磁场力、转轴旋转引起的离心力之间的平衡关系确定或者可以根据实验方法确定。

[0039] 实验方法包括以下步骤：

[0040] 第一步：记录转轴1未转动时磁性液体密封环的截面形状。

[0041] 第二步：增大转轴1转速至某一点，同时逐渐增大气体压力，记录使磁性液体密封环截面形状恢复至初始形状的气体压力大小。

[0042] 第三步：重复第二步骤，直至转速点覆盖工作转速范围，得到一系列转速及与之一一对应的气体压力大小，拟合这些点，得到他们之间的关系曲线。

[0043] 第四步：根据第三步中得到的转轴1转速与气体压力间的关系式，设计自动控制程序，密封工作时根据该关系式和实际转速实时调整气体压力，保证磁性液体密封环截面形状不随转轴转速变化。

[0044] 本发明的一种高转速磁性液体密封结构的工作过程如下：

[0045] 在第一极靴6与第二极靴11的极齿之间注入磁性液体8，磁性液体8随着转轴1高速旋转，极齿之间的高磁场使磁性液体8保持在转轴1和极齿之间的密封间隙内，通过气瓶14和减压阀16和气路15向环形永磁体7内通入适当压力的压缩气体，压缩气体使得磁性液体8能够抵抗因转轴1高速旋转引起的离心力，使磁性液体密封环的截面不随转轴1的转速变化。

[0046] 本发明的一种密封环表面气压调节方法流程如下：

[0047] S1：记录转轴1未转动时磁性液体密封环的截面形状。

[0048] S2：增大转轴1转速至某一点，同时逐渐增大气体压力，记录使磁性液体密封环截面形状恢复至初始形状的气体压力大小。

[0049] S3：重复S2，直至转速点覆盖工作转速范围，得到一系列转速及与之一一对应的气体压力大小，拟合这些点，得到他们之间的关系曲线。

[0050] S4：根据S3中得到的转轴1转速与气体压力间的关系式，设计自动控制程序，密封工作时根据该关系式和实际转速实时调节气体压力，保证磁性液体密封环截面形状不随转轴1转速变化。

[0051] 有以下几点需要说明：

[0052] (1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

[0053] (2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。

[0054] (3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

[0055] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。