真空镀膜机用小型磁性液体密封设计

2021-12-23于文娟李德才李艳文张志力董珈皓

北京交通大学学报 2021年5期

于文娟，李德才,，李艳文，张志力，董珈皓

(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.清华大学摩擦学国家重点实验室，北京 100084)

磁性液体是一种新型纳米级功能性材料，它同时具有固体的磁性和液体的流动性，磁性液体通常由三部分构成，分别是磁性颗粒、表面活性剂和基载液[1].磁性液体密封是磁性液体最成熟的应用之一，具有零泄漏、长寿命、结构简单、可靠性高等优点[2].

国外真空镀膜机发展较早，1980年之后我国的真空镀膜技术才开始逐渐展开[3].随着时代的发展，对于镀制品的质量要求越来越高，提高了对真空镀膜机的设计要求[4]，解决镀制产品合格率不高是亟待解决的问题[5].真空镀膜机的传动轴轴头外伸部分的密封极其重要[6]，若密封达不到真空度要求，会影响最终镀膜效果，造成一系列损失.对于真空镀膜机传动控制轴处的密封是一个难题，国内外学者采用了多种密封方式，通常为橡塑密封或机械密封[7].在转轴转动过程中，橡塑密封[8]或机械密封[9]均存在一定摩擦，易于损坏密封装置或转轴，质量不稳定，从而产生泄漏，不但造成损失，而且污染了环境.传统密封[10]存在装配复杂、寿命短等不足，而磁性液体密封[11]可以克服以上不足.文献[12]设计了真空镀膜机用双轴磁性液体密封，通过理论分析及实验表明密封良好，镀膜产品满足质量要求，但是对于真空镀膜机传动控制轴处直径不大于10 mm时却不适用.本文作者结合磁性液体密封原理[13]，根据真空镀膜机的需求，设计了一种适用于真空镀膜机轴径小的磁性液体密封装置.

1 真空镀膜机磁性液体密封结构设计

1.1 磁性液体密封原理

磁性液体密封如图1所示，左侧为被密封介质，磁性液体密封装置与被密封设备通过机械连接，位置3处的密封圈防止外界杂质进入装置，同时防止设备内被密封介质外泄.轴承用来做轴向定位，降低运动中的摩擦系数，保证了回转精度.极靴内圈开设齿槽，形成数个极齿，极齿与转轴存在一定间隙，永磁体提供磁源，与极靴、转轴形成磁回路，将磁性液体束缚在极齿下，形成数个“O”型液态密封圈[14].极靴的外圆开设有沟槽，密封圈嵌入沟槽内，与外壳接触，防止被密封介质从极靴与外壳的间隙处泄漏，最终达到动密封的效果[15].

图1 磁性液体密封原理Fig.1 Schematic of magnetic fluid sealing

1.2 真空镀膜机磁性液体密封结构

图2为磁性液体密封装置总结构图，转轴直径为8 mm，在极靴内圈开设齿槽增加了加工难度，因此选择将齿槽开在转轴上.磁性液体密封装置外套设有外螺纹，可直接与真空镀膜机通过螺纹连接，法兰处的沟槽用来放置密封圈，起到密封作用.端盖、隔套、外套均使用304不锈钢材料制成，极靴、主轴选用导磁材料2Cr13制成，密封圈均使用丁晴橡胶圈，极靴对应的转轴段一共开设20个极齿，每个极靴对应10个极齿，为对称结构.

图2 磁性液体密封装置Fig.2 Magnetic fluid sealing machine

1.3 转轴结构的设计

转轴结构如图3所示，卡槽处安装卡簧，分别将两个轴承进行定位.转轴直径为 8mm，极靴对应的转轴段开设齿槽，形成数个极齿.

图3 转轴结构(单位：mm)Fig.3 Shaft structure(unit:mm)

1.4 极齿尺寸的确定

在极靴对应处的转轴上开设齿槽，形成数个极齿，极齿的剖面形状为矩形，极齿剖面结构局部示意图如图4所示.其中：Lt为极齿宽度，设为0.2 mm；Ls为齿槽宽度，设为0.8 mm；Lh为极齿高度，设为0.7 mm；Lg为极齿与转轴的间隙，设为0.1 mm.

图4 极齿结构示意Fig.4 Schematic of pole tooth structure

1.5 永磁体尺寸的确定

永磁体使用圆环形钕铁硼(NdFeB)磁铁，具有极高的磁能积和矫顽力.选择牌号为N35的钕铁硼磁铁，矫顽力为890 kA/m，相对磁导率为1.05，最大磁能积为305 kJ/m3.永磁体的具体尺寸见图5.

图5 永磁体结构(单位：mm)Fig.5 Structure of permanent magnet(unit:mm)

1.6 轴承的确定

轴承在磁性液体密封结构中，用来承受径向载荷，并限制轴向位移，轴承安装在转轴处，处于极靴的两侧.由于转轴直径极小，标准轴承不能满足尺寸要求，极靴两侧轴承选用特制微型深沟球轴承，轴承内径为8 mm，外径为19 mm，宽度为6 mm.轴承结构如图6所示.

图6 轴承结构(单位：mm)Fig.6 Structure of bearing(unit:mm)

2 理论分析

2.1 磁场强度的有限元分析

使用AutoCAD软件建立磁性液体密封结构模型，然后使用ANSYS软件对建立好的模型进行仿真模拟，得到密封间隙内的磁感应强度分布，分析磁性液体密封结构的耐压能力.改变极靴内径，使得极齿与极靴内壁的间隙不同，取4组不同的间隙值，分别为0.1、0.2、0.3、0.4 mm，对4组间隙值的磁性液体密封结构均做了磁场仿真.

将在AutoCAD内建立好的模型输出为ACIS格式，导入到ANSYS软件中.首先建立物理环境，选择节点法磁场分析类型，并添加节点，对节点进行测试，将模型设置为轴对称模型，分别建立空气、永磁体、极靴、转轴4种材料模型，并定义材料属性.其次将模型进行网格划分，先进行一次网格划分，再进行局部细化网格，磁性液体密封结构网格图见图7.最后对模型施加载荷，计算分析结果，得到磁性液体密封结构的磁场分布图如图8所示.在密封极齿间隙处定义路径，最终得到每个极齿处磁场强度值.

图7 磁性液体密封结构网格Fig.7 Grid of magnetic fluid seal structure

图8 磁性液体密封结构磁场分布Fig.8 Magnetic field distribution of magnetic fluid sealing structure

2.2 密封耐压能力的计算

2.2.1 伯努利方程的推导

磁性液体的运动方程[16-17]为

(1)

式中：ρf为磁性液体的密度；V为磁性液体的速度；ts为松弛时间；g为重力加速度；μ0为真空磁导率；M为磁性液体的磁化强度；H为磁场强度；J为单位体积的磁性液体内所有固相颗粒的绕轴惯性矩；ω为磁性液体的基载液的涡旋速度；Ω为固相颗粒的转动速度；p为磁性液体受到的正应力，即压力；ηH为磁性液体在磁场中的黏度.

假设：1)磁性液体密度是常数ρf=const，由流体运动的连续方程

(2)

有

∇·V=0

(3)

2)流动是无旋流动，根据无旋流动定义有

∇×V=0 或ω=0

(4)

并且存在势函数φv，使得

V=-∇φv

(5)

3)磁性液体是内禀性的，外磁场的变化不造成磁性固体颗粒的旋转，同时因为ω=0，所以可以认为

Ω=0

(6)

在内禀性假设条件下一般认为磁性液体的磁化强度和外磁场平行，即

μ0M·∇H=μ0M∇H

(7)

利用Leibniz对积分上限取导数

(8)

又M=M(H,T)，T为温度，式(8)变为

(9)

将重力换成梯度形式，h为分析对象到参考点的高度，则

ρfg=-∇(ρfgh)

(10)

根据恒等式变换

(11)

∇2V=∇(∇·V)-∇×(∇×V)=0

(12)

联立式(1)～式(12)，得到磁性液体伯努利方程的一般形式为

(13)

假设磁性液体在做定常的等温流动，则式(13)可简化为

(14)

2.2.2 边界条件的确定

由边界条件的一般表达式[18]

(15)

接触面的表面张力pc为

(16)

又

n0·(τ1-τ2)=-pcn0

(17)

式中：R1为接触界面磁性液体曲率半径；R2为接触界面被密封介质曲率半径；σ是表面张力常数.

联立式(15)～式(17)，得

(18)

2.2.3 推导密封耐压公式

假设：1)认为磁力线与等磁场线重合； 2)忽略磁性液体自身的重力以及表面张力.对边界面应用伯努利方程，有

(19)

结合边界条件式(18)得

(20)

将式(20)代入式(19)得

(21)

式(21)即为计算磁性液体两侧压力差的公式.当磁性液体密封间隙中的磁场强度很高，磁性液体处于饱和磁化强度状态，可化简为

Δp=μ0Ms(H1-H2)

(22)

式中：Ms为磁性液体饱和磁化强度.可知，要想磁性液体两侧压力差达到最大，可以提高Ms或者磁性液体两侧的磁场强度差值.

对于本文所述磁性液体密封结构来说，每个极齿下均存在一个磁性液体密封环，对于磁性液体密封结构的总耐压P应为每个密封环之和[6]

(23)

式中：N为磁性液体密封结构中极齿的数量.

当极齿处的磁场足够大到磁性液体处于饱和磁化强度的大小时，磁性液体密封结构总耐压为

P=Nμ0Ms(H1-H2)

(24)

2.3 仿真结果

通过仿真分析了不同密封间隙磁性液体密封结构的磁场分布情况.密封间隙Lg分别取为0.1、0.2、0.3、0.4 mm，图9为沿着轴线S不同密封间隙的极齿处磁感应强度分布.很显然，当密封间隙为0.1 mm时，每个极齿两侧的磁场梯度最大.由以上理论分析可知，极齿处磁场差值越大，最终的磁性液体密封结构耐压效果越好，结果表明当极齿与极靴间隙为0.1 mm时耐压最高.

由磁感应强度B=μ0H，式(24)可写为

P=NMsΔB=NMs(B1-B2)

(25)

将已知数值ΔBmax=6.8456T，Ms=26.27kA/m代入式(25)得

P=26.27×103(A/m)×6.8456(T)=

(a)间隙为0.1 mm

(b)间隙为0.2 mm

(c)间隙为0.3 mm

(d)间隙为0.4 mm图9 不同密封间隙的磁感应强度分布Fig.9 Magnetic induction intensity distributions under different sealing clearances

由上述的理论分析得出间隙为0.1 mm时磁性液体密封结构的耐压值为0.18 MPa.同理，分别得到间隙为0.2、0.3、0.4 mm时磁性液体密封结构的耐压值分别为：0.13、0.122、0.116 MPa.

根据以上的分析，得到了当密封间隙为0.1 mm时，此磁性液体密封结构耐压值为0.18 MPa；当密封间隙为0.2 mm时，耐压值为0.13 MPa；当密封间隙为0.3 mm时，耐压值为0.12 MPa.根据真空度要求，考虑到将磁性液体密封结构的耐压值留出足够的余量，选择加工极齿与转轴间隙为0.1 mm的磁性液体密封装置.本文设计并加工了间隙为0.1 mm的磁性液体密封装置，在高速实验台上测试了不同转速下磁性液体密封装置的耐压能力，使用高低温箱测试了不同温度下磁性液体静密封，均满足真空度要求，并应用在真空镀膜机的转轴动密封处，至今应用良好.