柔性极靴磁脂密封温度场和传热性能的研究

李子贤,张东胜,张 禹，李双喜

(北京化工大学，北京 100029)

设计计算

柔性极靴磁脂密封温度场和传热性能的研究

李子贤,张东胜,张 禹，李双喜

(北京化工大学，北京 100029)

针对现有磁脂密封密封能力有限、运行时极靴易与转轴发生刚性磕碰；而刷式密封摩擦生热较大、不能实现零泄漏等问题，综合磁脂密封与刷式密封的特点，提出了新型柔性极靴磁脂密封。利用GAMBIT和FLUENT软件建立柔性极靴磁脂密封的数值分析模型，对比分析了柔性极靴磁脂密封理论上的温度场分布以及磁脂温升规律等传热特性。结果表明：密封的接触线速度、柔性丝的直径、排列倾角和安装过盈量都会对磁脂温度变化产生一定的影响；排列倾角和安装过盈量对磁脂温升的影响有限。由于涂层厚度过小，改变涂层材料，对磁脂温度的影响较小。此外，建立了柔性极靴磁脂密封试验系统，验证了随着转轴转速的增加，柔性极靴密封功耗和磁脂温度会有明显的上升。

磁脂密封；柔性极靴；磁场分布；磁脂温升

1 前言

作为成熟的密封技术，磁脂密封和刷式密封都能在特定工况下满足密封的要求[1]，但受限于现有的密封结构和工作原理[2]，磁脂密封和刷式密封也存在一定的局限性[3，4]。

(1)磁脂密封能够实现零泄漏并有自修复能力；然而，其耐压能力有限，为了降低剪切和摩擦带来的磁脂温升，延长磁脂寿命，同时避免转轴与极靴发生磕碰，一般在设计时反而采用更大的密封间隙尺寸[5]。

(2)刷式密封能够防止轴与密封件的磕碰，适应转轴偏心运动，同时使设备运行更加安全稳定。但由于密封原理的限制，刷式密封不能做到零泄漏，仅适合气体介质的密封以及耐压要求不高的场合。

针对现有密封的特点和局限性，将刷式密封的刷环引入到磁脂密封中，作为柔性极靴，代替原有的硬极靴，提出新型柔性极靴磁脂密封并探究了新型柔性极靴磁脂密封温度变化的影响因素[6]。

柔性极靴磁脂密封利用柔性极靴的柔软刷丝，避免了普通磁脂密封的转轴与极靴的碰撞问题，允许更大的轴偏摆量；同时，与刷式密封相比，柔性极靴磁脂密封添加的磁脂可以有效减小泄漏量并提高密封能力，从而适用于更广泛的工作场合。

2 基本原理

柔性极靴磁脂密封由外壳、内外侧挡板、永磁铁、柔性极靴、涂层、轴套、压盖和视镜组成。永磁铁左右两侧各布置有一组密封元件，包括内侧挡板、柔性极靴和外侧挡板。其中，挡板与转轴不接触，留有一定的间隙。轴套的外表面布置有涂层，柔性极靴与其接触配合。柔性极靴磁脂密封结构如图1所示。

图1 柔性极靴磁脂密封结构示意

由于永磁铁强磁性和柔性极靴传导磁场的作用，磁脂可以吸附并聚集在挡板和转轴表面间的柔性极靴周围及其间隙中，磁脂和柔性极靴共同起到承受密封介质压力和阻止泄漏的作用。

3 传热特性的数值分析

3.1 传热机理

柔性极靴磁脂密封的发热源主要有2个：磁脂与转轴的摩擦热Qc和柔性极靴与转轴的摩擦热Qr[7～10]，如图2所示。根据相关文献，可以计算得到具体的摩擦热数值[7～10]。

图2 柔性极靴磁脂密封传热机理示意

3.2 传热数值分析模型及其方法

由于柔性极靴磁脂密封的外壳与压盖，以及轴套与转轴采用的材料相同，建模时可以视为同一整体，如图3所示。并利用多孔介质模型模拟柔性极靴区域，并计算其孔隙率，以及内部的粘性阻力系数和惯性阻力系数[11，12]。

图3 物理模型

对模型设定对应的材料参数，见表1。并完成网格划分[13]。

表1 模型材料参数

如图4所示,根据对密封传热机理的分析，模型中CD、DE边与外界空气存在自然对流换热，因此设定为对流换热边界条件。由于模型沿EF边为对称结构，FC边界两侧各存在一组相同的密封元件，理论上发热量相同，因此EF和FC边界两侧的热流量相等，可以将其设定为绝热边界条件。模型中其余均为耦合边界，其两侧可以完成热量传递。此外，密封与外界空气自然对流换热边界的具体参数见表2[14]。

图4 模型网格划分及边界条件

表2 对流换热参数

3.3 模拟结果及分析

通过设定磁脂温度，进行迭代求解，逐步逼近磁脂真实温度值的方法完成传热数值分析[15]，得到密封的温度场分布情况，如图5所示。

图5 密封温度云图

显然，密封结构中温度最高处为磁脂。由于在密封运转过程中，磁脂与转轴会发生剪切作用，由此产生大量的摩擦热，因此磁脂是密封中重要的热源；与此同时，柔性极靴与转轴的摩擦热热源接近磁脂，通过热传递，能促使磁脂温度进一步的升高。

3.3.1 密封接触线速度

由于磁脂与转轴摩擦热，以及柔性极靴与转轴摩擦热随线速度的增大而提升，因此磁脂温度也随之升高，如图6所示。其中，柔性极靴摩擦热对磁脂温升的影响程度不大，但会随着转速升高而逐渐增加，高转速时应予以注意。

图6 磁脂温度随密封线速度的变化

3.3.2 柔性丝直径

磁脂温度随柔性丝直径的变化如图7所示。从图7中可看出，随着柔性丝直径增大，柔性极靴与转轴摩擦热快速升高，磁脂温升变快，此时，柔性极靴摩擦热对磁脂温升的影响程度很大。将柔性丝直径控制在较小的范围，不仅可以有效降低磁脂的温升，同时对提高密封耐压和传热能力，改善柔性极靴受力情况，降低摩擦磨损，延长使用寿命都有着积极的作用。

图7 磁脂温度随柔性丝直径的变化

3.3.3 柔性丝排列倾角

磁脂温度随柔性丝排列倾角的变化如图8所示。从图8中可看出，随着柔性丝排列倾角的增大，磁脂温度在很小的范围内下降，但影响程度极其有限，同时，柔性极靴摩擦热对磁脂温升也没有明显的影响。但增大柔性丝的排列倾角会明显地降低柔性极靴的孔隙率，有利于密封的耐压和传热，同时便于密封装配。

图8 磁脂温度随柔性丝排列倾角的变化

3.3.4 柔性极靴安装过盈量

磁脂温度随柔性极靴安装过盈量的变化如图9所示。从图9中可看出，当柔性极靴的安装过盈量增大时，磁脂温度会随之提高，但引起的温升幅度较小。安装过盈量对密封传热和磁脂温升的影响比柔性丝排列倾角要大，但也比较有限。

图9 磁脂温度随柔性极靴安装过盈量的变化

3.3.5 涂层材料

不同涂层材料时的磁脂温度和热流量见表3。从表3可知,当涂层材料为铜和轴套不布置涂层时，传热数值分析结果差别不大，可以从其他方面加以考虑，选择合适的涂层材料。例如，当轴套不布置涂层时，密封加工较为便利，使用方便；当涂层材料为铜和陶瓷时，由于铜有着更高的导热系数和更低的摩擦系数[15]，在一定程度上可以使磁脂温度略低于陶瓷作涂层时的情况；但是，陶瓷的耐磨性好于铜，有助于改善柔性极靴与转轴的磨损情况，延长密封的使用寿命。

表3 不同涂层材料时的磁脂温度和热流量

4 传热试验研究

柔性极革化磁脂密封的伟热试验装置如图10所示。由于密封装置的功耗是引起磁脂温升最直接的原因，因此应该首先对其功耗进行分析，进而研究密封功耗和磁脂温升的关系。

图10 试验台布置

转轴的剪切作用会加剧磁脂、柔性极靴与转轴的摩擦，产生大量的摩擦热以及功耗，导致磁脂温度上升，影响密封的性能和使用寿命[17]。当发热量与散热量相等时，装置达到热平衡，磁脂温度逐渐稳定，达到其平衡温度。

柔性极靴磁脂密封装置的实际功耗可以根据变频器的实时数据，计算得出。首先测定未装密封，即空载时，一组转速下的功率W0；安装密封装置后，即负载时，测定对应转速下的功率W1。则密封装置在不同转速下对应的实际功耗WS为两者差值。

柔性极靴磁脂密封装置的实际功耗可以根据变频器的实时数据，计算得出。首先测定未装密封，即空载时，一组转速下的功率W0；安装密封装置后，即负载时，测定对应转速下的功率W1。则密封装置在不同转速下对应的实际功耗WS为两者差值。

根据表1中的试验设计参数，参考相关理论计算公式，得到柔性极靴和磁脂在试验中的理论摩擦功耗，两者之和为密封装置的理论功耗。同时，测定不同转轴转速下的磁脂平衡温度。由于端盖和视镜的遮挡，因此温升试验进行时，由装置外壳中部的进气口通入被密封气体，拆卸视镜，从外侧测量磁脂的温度。红外点温枪对磁脂圆周进行四点测温取平均值，作为实际的磁脂温度。

测试2种材料柔性极靴磁脂密封在不同转速下，对应的密封装置功耗和磁脂平衡温度，并与数值分析结果进行对比。

4.1 功耗试验结果

密封的功耗随转速的变化情况如图11所示。从图11中可知，随着转速增加，密封的功耗明显上升，且影响程度很大。由于制作材料的关系，镀铜铁丝的直径和硬度较大，其作为柔性极靴时密封的功耗会略高于铁镍合金丝。由于理论上没有考虑柔性丝之间、柔性丝与挡板之间的干涉摩擦作用，柔性极靴的接触力实际上要高于理论值，柔性极靴与转轴的实际摩擦功耗自然更大。因此，密封装置的实际功耗比理论值略高。

(a)镀铜铁丝柔性极靴

(b)铁镍合金丝柔性极靴

图11 密封装置功耗随转轴转速的变化

4.2 温升试验结果

温升试验结果如图12所示。从图12中可知，磁脂温度随转轴转速的增大而升高，密封功耗是造成磁脂温升最根本的原因，磁脂的理论温度也在一定程度上小于实际值。其中由于镀铜铁丝本身材质的关系，镀铜铁丝作柔性极靴时，磁脂温度的实际值与理论值相差要远大于铁镍合金丝。

(a)镀铜铁丝柔性极靴

(b)铁镍合金丝柔性极靴

图12 磁脂温度随转轴转速的变化

5 结论

(1)分析了柔性极靴磁脂密封的传热机理，得到以磁脂作为热源的密封装置温度场分布。磁脂是密封结构中温度最高处，温度依次递减，转轴和涂层散热困难，而永磁铁、挡板和柔性极靴则容易散热。

(2)密封的接触线速度对磁脂温升有着重要的影响，不宜过大。柔性丝的直径、排列倾角和安装过盈量都会对磁脂温度产生一定的影响，减小直径能有效降低磁脂温升，同时能提高密封综合性能；排列倾角和安装过盈量对磁脂温升的影响有限。由于涂层厚度过小，改变涂层材料，对磁脂温度的影响较小。

(3)通过试验研究了柔性极靴磁脂密封的磁脂温度和功耗随转轴转速的变化。由于柔性极靴的作用，随着转轴转速的增加，密封功耗和磁脂温度会有明显的上升。

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Performance Study of Temperature Field and Heat Transfer of Magnetic Grease Seal with Flexible Pole Piece

LI Zi-xian，ZHANG Dong-sheng，ZHANG Yu，LI Shuang-xi

(Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

With regard to existing problems of current magnetic grease seal and brush seal such as low bearing pressure ability,pole piece bumps against spindle frequently,biggish friction heat and necessary leakage,combining adventages of magnetic grease seal and brush seal,new Magnetic Grease Seal with Flexible Pole Piece (MGS-FPP)is presented.FEM model for MGS-FPP was set up by GAMBIT and thermal field of seal,temperature of magnetic grease and heat transfer characters were relatively studied in theory.The result shows that sealing contact line speed and the diameter of the flexible pole piece have effect on the temperature change,while arrangement angle and installation interference exerts an limited impact on the temperature rise.Due to thin coating,changing coating material has little influence on temperature of magnetic grease.In addition,test system for MGS-FPP was also established and it is verified that with the shaft speed increasing,the power consumption and the temperature of magnetic grease significantly rise.

magnetic grease seal;flexible pole piece;magnetic field distribution;magnetic grease temperature

1005-0329(2017)03-0015-05

国家重点基础研究发展计划973项目(2012CB026000)

TH136；T42

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.004

李子贤(1992-)，男，硕士在读，主要从事流体密封技术方面研究， E-mail:lizixian1992@126.com。

李双喜(1977-)，男，副教授，主要从事特种密封技术的研究，通讯地址：100029 北京市朝阳区北三环东路15号北京化工大学36号信箱，E-mail：buctlsx@126.com。

收入日期： 2016-07-25 收入日期： 2016-09-02