【摘 要】
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近几十年来,磁性液体应用在特殊工况下成为研究热门,其中就包括高速磁性液体密封的研究。在高速工况下磁性液体受到的离心力很大,过大的离心力使磁性液体难以稳定在极齿下。同时高速时转轴与磁性液体摩擦耗散产生热量更多,结构的温度迅速上升使磁性液体的饱和磁化强度和粘度变低,致使密封性能变差。针对高速时的大离心力和高温这两个难题,本文进行了以下研究:（1）对适用于高速密封的二酯基磁性液体进行了表征测试,测得其在
【基金项目】
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国家重点研发计划大型掘进机主驱动密封关键技术研究与应用项目；
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近几十年来,磁性液体应用在特殊工况下成为研究热门,其中就包括高速磁性液体密封的研究。在高速工况下磁性液体受到的离心力很大,过大的离心力使磁性液体难以稳定在极齿下。同时高速时转轴与磁性液体摩擦耗散产生热量更多,结构的温度迅速上升使磁性液体的饱和磁化强度和粘度变低,致使密封性能变差。针对高速时的大离心力和高温这两个难题,本文进行了以下研究:（1）对适用于高速密封的二酯基磁性液体进行了表征测试,测得其在室温及高温时的饱和磁化强度,采用线性拟合得到磁性液体的饱和磁化强度与温度的函数关系。用流变仪测量不同温度、磁场强度和剪切速率磁性液体的粘度,通过Slotte方程拟合得到磁性液体的粘温曲线。（2）设计了适用于高速工况的磁性液体密封零件,主要包括转轴,极靴,永磁体,轴承及外壳结构设计。通过比较不同材料性能和结构密封耐压能力,选用转轴和极靴材料为2Cr13,永磁体材料为钕铁硼。选择在轴上开极齿,减小离心力的影响,通过比较不同参数结构密封耐压能力大小,极齿宽度为0.2mm,齿间距为1.2mm的设计方案。采用极靴上加工冷却水槽,在零件中通入冷却液来解决温升问题。考虑冷却水槽两侧要用橡胶圈密封,将极靴轴向尺寸设计为29mm。（3）对设计的结构进行了多物理场分析,通过磁场分析得到密封间隙中最大磁通密度为1.8T,磁性液体受到的最大轴向磁场力为1.112×108N/m3,最大径向磁场力为7.77×107N/m3,从磁场角度计算密封最大耐压能力为502.34k Pa。通过流场分析,得到静密封和转轴线速度达20m/s的高速密封磁性液体随着压力增加的变化情况,观察到高速时离心力对磁性液体液膜变化的影响,计算出结构静密封耐压能力为323.08k Pa,转轴线速度为20m/s时耐压能力为275.14k Pa。通过温度场分析得到了冷却水槽中通入不同冷却水时,结构的温度变化情况,拟合了磁性液体温度随热流密度变化情况,与磁性液体粘温特性和磁温特性联系,对高速工况的磁性液体密封耐压公式进行了修正。（4）首次提出将磁场和温度场仿真模块进行耦合仿真优化设计方法,可以对不同结构参数模型进行自动采样计算,构建出高速工况磁性液体密封的代理模型,对高速时磁性液体密封冷却水槽进行了优化设计,得到齿槽轴向距离为10mm,径向距离为9mm的优化方案。以优化的方案进行实验测试,得到结构静密封最大耐压能力为304.52k Pa,无冷却转轴线速度为20m/s工况时结构密封最大耐压能力为180.02k Pa,0℃冷却液转轴线速度为20m/s工况的最大耐压能力为275.15k Pa。图82幅,表10个,参考文献78篇。
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