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1、第20卷第1期摩擦学学报Vol20,No12000年2月TRIBOLOGYFeb,2000磁性流体密封压差的数值计算邹继斌,尚静,孙桂瑛,齐毓霖(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:分析并简化了含磁性流体的磁场模型,以密封理论为基础,采用有限元法计算出磁性流体密封的磁场和等压线分布,进而计算出密封压差.分析了密封压差与磁性流体量的关系,给出了多级密封压差的计算方法,同时分析了转速对密封能力的影响.结果发现,数值计算结果与实验结果相一致.关键词:密封;磁性流体;密封压差;数值计算中图分类号:TH136文章标识码:A文章
2、编号:100420595(2000)0120046204磁性流体密封以其无泄漏、无磨损及寿命长等优在旋转轴密封中,磁性流体受到离心力的作用,点而在旋转轴密封中得到了广泛的应用.在密封的设其内部压强为:B计与应用中,密封能力的计算是较复杂的问题,原因p=∫MdB+<(r)+Qgh+C.(3)0在于磁性流体密封技术涉及摩擦学、电磁学与流体力式中:<(r)为与转轴直径和转速有关的函数.准确地学等多门学科的理论与方法.密封压差的计算应以磁推导<(r)的表达式较为困难,在分析均匀间隙问题场与力学计算为基础.关于密封能力的理论,国内外[1～3]时,可
3、推导得:有几种不同的观点,在一定的条件下可以统一.2Sama等[4]对磁性流体密封的磁场问题进行了计算,122C2<(r)=QC1r-2+4C1C2lnr.2r[5]刘颖等对密封压差进行了实验研究,但对密封能力222R1R1R2的准确计算报道甚少.本文以密封理论为基础,分析式中:C1=22X;C2=22X.R2-R1R2-R1了磁场模型,用有限元法计算出磁性流体密封的磁场其中:R1及R2分别为转轴内径和外径;X为角速度.和等压线分布,进而计算出密封压差.当磁极两侧和槽中填充非导磁材料时,即为均匀间隙问题.相应的旋转密封压差公式为:1密封理
4、论B2[6]△p=∫MdB+<(r2)-根据磁性流体力学分析,磁场中的磁性流体受B1到磁场力的作用,静止磁性流体内部的压强为:<(r1)+Qg(h2-h1).(4)B一般地,外加磁场较强,磁性流体饱和磁化,其磁化强p=∫0MdB+Qgh+C.(1)度基本为其饱和磁化强度Ms.由于重力相对于磁场式中:Q为磁性流体的密度;B为磁感应强度;M为磁力很小,可以忽略,式(1～4)可以近似地写为:p=MsB+C,(5)性流体的磁化强度;g为重力加速度;h为沿铅垂方向△p=Ms(B2-B1),(6)的高度;C为积分常数,由边界条件确定.磁性流体内任意两
5、点间的压强差为:p=MsB+<(r)+C,(7)B2△p=Ms(B2-B1)+<(r2)-<(r1).(8)△p=p2-p1=∫MdB+Qg(h2-h1).(2)B12磁场模型在磁性流体表面,由于介质的跃变引起表面压强差.一般地,表面压强差较小,可以忽略不计.因此,式2.1磁性流体磁化特性的处理(2)即可近似地认为是磁性流体静止密封压差.流体磁性介质的存在使磁性流体密封的磁场问3国家自然科学基金资助项目(59075168).1999203208收到初稿,1999206201收到修改稿ö本文联系人邹继斌.邹继斌男,42岁,博士,教授,博士生
6、导师,主要从事磁性流体密封的研究.第1期邹继斌等:磁性流体密封压差的数值计算47题具有特殊性.磁场与力场之间存在耦合作用,严格的等压线与等磁感应强度线相一致.在磁场计算的基的计算较为复杂.由于磁性流体的磁化强度较小,而据流体平衡的条件,磁性流体密封环的截面边界与等且随着外磁场的增加而饱和,其饱和磁化强度一般小于500Gs,因而在磁场计算中可以近似认为其相对磁导率为1,磁性流体对磁场的影响忽略不计.2.2求解区域及边界条件磁性流体密封中的磁场与力场均可以按二维场分析,为简化数据处理和减小计算量,本文采用场路结合的计算方法求解磁场,以磁极与密
7、封间隙作为磁场的求解区域.单级密封以极尖部分为求解区域,多级密封以半个齿距为求解区域(如图1所示).Fig1Areatobesolved图1磁场的求解区域Fig2Magneticfielddistribution2.3磁场模型图2磁场分布以标量磁位U作为求解函数,磁场满足拉普拉斯52U52U础上计算出磁性流体内的等压线分布如图3所示.根方程:2+2=0.(9)5x5y单级密封的边界条件为:EI:U=U1,CD:U=U2,IBD,EAC:5U=0,(10)5n5U5UEFGHI:LFE=L0.5n5n多级密封的边界条件为:AB:U=U1,C
8、D:U=U2,BD,AC:5U=0,(11)5n5U5UEFGH:LFE=L0.5n5n3磁场和等压线计算采用有限元法与磁路计算相结合的方法求解出单级密封和多级密封装置模型的磁场分布,结果如图
