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屈服應力對磁性液體密封啟動扭矩的影響

2022-05-13 05:18何新智王志斌李德才
兵工學報 2022年4期
關鍵詞:靜置磁性密封

何新智, 王志斌, 李德才

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院, 北京 100044; 2.清華大學 摩擦學國家重點實驗室, 北京 100084)

0 引言

磁性液體是一種液體磁性材料,在磁場的作用下能夠定位。磁性液體密封是利用這一性質(zhì)磁性液體最成熟的應用。相較于其他傳統(tǒng)密封結構,磁性液體密封具有零泄漏、結構簡單、壽命長、可靠性高、傳輸效率高、摩擦磨損低和自修復性良好等特征[1-3]。磁性液體密封的耐壓能力一般為0.2~0.7 MPa[1],在低壓氣體密封特別是真空密封領域,其具有不可替代的作用。

磁性液體旋轉(zhuǎn)密封的阻力來源主要有兩個,一個是磁性液體內(nèi)部的黏性剪切力,另一個是磁性液體與轉(zhuǎn)軸和極靴之間的摩擦力[4]。不過填充在極靴與轉(zhuǎn)軸之間的磁性液體由于其流體的特性,有效避免了其他密封結構中密封件和旋轉(zhuǎn)軸直接接觸而發(fā)生摩擦和磨損的缺點。同時有的磁性液體基載液(例如機油和煤油)原本就具有潤滑性能,可以使轉(zhuǎn)軸與極靴的摩擦進一步降低,不僅如此,一些學者發(fā)現(xiàn)將納米磁性顆粒作為潤滑油添加劑,能顯著提高潤滑油的潤滑性能,極大地提高轉(zhuǎn)軸的扭矩傳遞效率[5-6]。

磁性液體密封具有眾多形式和實現(xiàn)方法,不管是低溫大直徑磁性液體靜密封還是磁性液體旋轉(zhuǎn)密封,在實驗和實際應用中都可以觀察到:隨著靜置時間的延長,密封件的耐壓會出現(xiàn)增大的現(xiàn)象[7],如果是旋轉(zhuǎn)密封,密封件的啟動扭矩將增大,而且隨著密封環(huán)境溫度的降低,啟動扭矩增大的幅度更明顯。但向密封件施加一定壓力后,又會出現(xiàn)啟動扭矩減小的現(xiàn)象。

李德才等[8]針對密封件靜置時間和磁性液體注入量等因素,實驗研究了低溫環(huán)境下大直徑磁性液體密封裝置的啟動扭矩,提出減小啟動扭矩的一些措施,但沒有完全解釋啟動扭矩出現(xiàn)變化的原因。

趙四海等[9]通過懸浮液的分散團聚理論,推導了磁性液體密封的耐壓公式,但未能對動密封的耐壓機理進行更加深度的剖析。

何新智等[7]從磁性液體屈服應力的角度,在微觀領域進一步研究了這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,并補充修正了磁性液體密封的耐壓和扭矩公式,使這兩個公式的適用范圍不再局限于動密封的范圍,而是擴展到適合任何磁性液體密封,但其并沒有針對磁性液體密封的耐壓、扭矩公式和這些實驗現(xiàn)象進行更加深入的實驗驗證。

程艷紅等[10]主要圍繞靜置時間這一變量,借助磁性液體黏度理論對啟動扭矩進行了實驗研究,但沒有針對注入量、溫度和施加壓力的影響進行更全面的實驗。

熊樂等[11]研究了磁性液體顆粒成鏈對軸承的承載能力和潤滑性能的改善作用,但未能對影響成鏈的因素進行細致分析。

本文將通過實驗,從溫度、磁性液體注入量、靜置時間和磁性液體所受外界壓力4個方面,對磁性液體密封的啟動扭矩進行更加深入和全面的研究,從磁性液體屈服應力的角度來分析密封件啟動扭矩出現(xiàn)變化的原因,并從微觀角度討論了磁性液體中的鏈狀結構對屈服應力的影響,以及鏈狀結構的生成機理。

1 磁性液體密封啟動扭矩實驗

1.1 實驗原理及步驟

實驗所用密封裝置[5]如圖1所示,其主要構成元件包括端蓋、卡簧、軸承、隔磁環(huán)、左極靴、永磁鐵、密封圈、右極靴、外殼、轉(zhuǎn)軸等。磁回路由左右極靴、軸向充磁的永磁鐵和轉(zhuǎn)軸組成。在轉(zhuǎn)軸右端4個均布的螺紋孔中,依次擰入4個質(zhì)量相同的螺釘,并按順時針編號1號、2號、3號和4號。1號和3號螺釘用來懸掛配重塊,2號螺釘用來定位,使1號和3號螺釘之間的連線保持水平,4號螺釘用來平衡2號螺釘?shù)馁|(zhì)量。圖1中rL為力臂長度。

圖1 磁性液體密封裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic fluid seal device

左右兩極靴都有13個極齒。由于極齒的存在,轉(zhuǎn)軸和極靴之間的密封間隙中磁場較強且存在磁場梯度,使注入其中的磁性液體被束縛在極齒與轉(zhuǎn)軸之間,形成26個O形密封環(huán),在不同條件下,這些 O形密封環(huán)將對密封件的啟動扭矩產(chǎn)生不同的影響。實驗所用的磁性液體參數(shù)如表1所示,其中1號磁性液體的基載液為美國生產(chǎn)的金裝美孚1號0W-40機油,傾點溫度為-54 ℃。

表1 實驗中所選用的磁性液體參數(shù)

在研究磁性液體所受外界壓力與啟動扭矩的關系時,通過密封件外殼上的加壓孔,向兩極靴中間的空間充壓,以此消除加壓時轉(zhuǎn)軸壓緊一側(cè)軸承所引起的摩擦阻力矩變化。為了保持實驗所需要的溫度,將密封件安裝在8 m3高低溫箱的特定工裝上進行保溫。實驗人員進入高低溫箱通過圖2所示掛配重塊的方式測量啟動扭矩,具體實驗步驟如下:

圖2 啟動扭矩測量裝置實物圖Fig.2 Physical diagram of starting torque measuring device

1)在密封件中注入實驗量的磁性液體。

2)正反轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸各3圈,使磁性液體在密封間隙中分布均勻。

3)在實驗溫度下保溫所規(guī)定的時間后,測量人員進入高低溫箱。為避免懸掛配重塊時的沖擊對測量結果的影響,要在1號螺釘上緩慢地懸掛合適質(zhì)量的配重塊,當轉(zhuǎn)軸剛開始發(fā)生旋轉(zhuǎn)時取下所有配重塊,記錄質(zhì)量為m1。

4)為了消除軸系偏心距的影響,需要在對角的3號螺釘上重新懸掛配重塊進行測量,并記錄質(zhì)量為m2,將兩次記錄的數(shù)據(jù)代入(1)式進行啟動扭矩的計算:

(1)

式中:T為啟動扭矩。

5)正反轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸各3圈,重復步驟3、步驟4和步驟5,測量另一實驗變量點的啟動扭矩。

1.2 實驗結果

1.2.1 溫度對啟動扭矩的影響

在密封間隙中不注磁性液體和分別注入0.4 mL 的1號、2號和3號磁性液體進行4組實驗,測量密封件在不同溫度條件下保溫2.5 h后的啟動扭矩。

密封件的啟動扭矩需要克服自身的摩擦阻力和磁性液體的屈服應力,不注磁性液體時測量的是密封件自身的摩擦阻力矩,4組實驗中摩擦阻力矩在啟動扭矩中的占比情況如圖3所示。

圖3 摩擦阻力矩在啟動扭矩中的占比Fig.3 Percentage of friction torque in the starting torque

從圖3中可以看出,注入磁性液體的密封件中,隨著溫度的降低,摩擦阻力矩在啟動扭矩中不再起主導作用,即屈服應力隨溫度的變化對啟動扭矩的影響更大,因此可以將摩擦阻力矩作為誤差在實驗中予以剔除,得到的實驗結果如圖4所示。

圖4 啟動扭矩與溫度的關系Fig.4 Relationship between the starting torque and the temperature

從圖4中可以看出:溫度從70~25 ℃的區(qū)間內(nèi),注入3種磁性液體密封件的啟動扭矩隨溫度變化不明顯;但從25~-55 ℃的區(qū)間內(nèi),密封件的啟動扭矩隨溫度發(fā)生明顯變化,而且隨著溫度的降低,啟動扭矩增大的趨勢越來越明顯。

1.2.2 注入量對啟動扭矩的影響

分別測量注入0.2 mL、0.4 mL和0.6 mL 1號和2號磁性液體的密封件在不同溫度下保溫2.5 h后的啟動扭矩,所得結果如圖5和圖6所示。

圖5 啟動扭矩與1號磁性液體注入量的關系Fig.5 Relationship between the starting torque and the amount of No. 1 magnetic fluid injected

圖6 啟動扭矩與2號磁性液體注入量的關系Fig.6 Relationship between the starting torque and the amount of No. 2 magnetic fluid injected

由圖5和圖6可以看出,在溫度相同的條件下,啟動扭矩隨著兩種磁性液體的注入量增加都出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

1.2.3 靜置時間對啟動扭矩的影響

將分別注入了1 mL 3種磁性液體的密封件,在-40 ℃條件下靜置不同時間,測量啟動扭矩的大小,所得結果如圖7所示。

圖7 啟動扭矩與靜置時間的關系Fig.7 Relationship between the starting torque and the standing time

圖7表明,隨著靜置時間的增加,注入不同磁性液體密封件的啟動扭矩都呈現(xiàn)明顯的增大趨勢。

1.2.4 磁性液體所受外界壓力對啟動扭矩的影響

將注入了1 mL 1號磁性液體的密封件,在-40 ℃條件下靜置不同時間,然后從加壓孔向密封件施加不同的壓力,并測量啟動扭矩,結果如表2所示。

表2 不同壓力下密封件的啟動扭矩

從表2中可以看出,密封件未進行靜置時,啟動扭矩隨著施加壓力的增大沒有明顯變化,但靜置一段時間后,密封件的啟動扭矩隨著施加壓力的增大而減小。

2 對實驗結果的分析與討論

2.1 磁性液體屈服應力對密封件啟動扭矩的影響

在外加磁場H的影響下,磁性液體中的磁性顆粒集聚形成類似圖8(a)所示長鏈或更復雜的網(wǎng)狀結構,而要破壞這些鏈狀或網(wǎng)狀結構需要力的作用,即磁性液體的屈服應力。圖8(b)中p為外界壓力。如圖8(c)所示,當軸剛發(fā)生轉(zhuǎn)動時,密封間隙的上下表面產(chǎn)生相對位移引起鏈狀結構傾斜,使下表面產(chǎn)生一個水平恢復力,而軸如果要繼續(xù)轉(zhuǎn)動,勢必要拉斷這些鏈狀結構,這就需要啟動扭矩額外提供一個抵消水平恢復力的力F,也就是要額外克服磁性液體的屈服應力,宏觀表現(xiàn)為磁性液體密封件啟動扭矩增大[12-15]。

圖8 鏈狀結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of the chain-like structures

由圖5和圖6所示結果推論,向密封件中注入不同量的磁性液體靜置一段時間后,微觀上隨著注入量增加,密封間隙內(nèi)的磁性顆??倲?shù)目增多,磁性顆粒集聚形成的總鏈數(shù)增多,密封間隙上下表面產(chǎn)生相對運動所需要拉斷的鏈數(shù)增多,即注入量影響了長時間靜置后磁性液體的屈服應力,宏觀上表現(xiàn)為啟動扭矩隨著注入量的增加而增大。

從圖4所示結果可以推論:較高的溫度導致熱漲落效應和磁性顆粒布朗運動加劇[16],磁性顆粒在基載液中活躍“游蕩”,集聚成鏈難度較大,故在溫度較高時,磁性顆粒集聚成鏈的數(shù)目較少;隨著溫度的降低,熱運動減弱,液體流動性減弱,在磁場強的地方磁性顆粒集聚形成的鏈狀結構數(shù)目增多,逐漸增多的鏈狀結構反過來進一步阻礙了磁性液體的流動,并且使得鏈狀結構更容易捕獲處于“游蕩”態(tài)的磁性顆粒,這一過程加快了鏈狀結構的形成速度。因此隨著溫度降低,密封件的啟動扭矩增大,并且溫度越低,啟動扭矩增大的幅度越明顯。

從圖7的實驗結果推論,隨著靜置時間的延長,密封間隙內(nèi)由磁性顆粒形成的鏈狀結構數(shù)目增多,即磁性液體的屈服應力增大,宏觀表現(xiàn)為磁性液體密封件的啟動扭矩隨靜置時間的延長而增大。而且在磁場作用下,磁性液體中的磁性顆粒集聚成鏈不是瞬時完成的,而是需要經(jīng)過一定時間的“游走”才能集聚成鏈,即靜置時間越長,鏈數(shù)越多。結合由圖5和圖6得到的推論可以進一步推斷:由于注入量有限,磁性液體中的顆??倲?shù)也是有限的,這就決定了鏈狀結構的數(shù)目不能無限增多,從宏觀方面看,在靜置后的某個時刻,磁性液體的屈服應力不再明顯變化,表現(xiàn)為啟動扭矩不再增加達到上限。

從表2的結果可以推斷:沒有外界壓力p時,軸要發(fā)生轉(zhuǎn)動僅需要克服磁性液體的屈服應力;當存在外界壓力p時,如圖8(b)和圖8(c)所示,軸如果要發(fā)生轉(zhuǎn)動,屈服應力需要向抵抗外界壓力的方向和阻止軸轉(zhuǎn)動的方向進行分解,宏觀表現(xiàn)為靜置一段時間后再施加壓力,密封件的啟動扭矩會減小,同時也解釋了密封件在轉(zhuǎn)軸靜止時的耐壓能力大于轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的耐壓能力這一現(xiàn)象。隨著外界壓力不斷增大,屈服應力抵抗外界壓力的分量增大,阻止轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的力減小,因此隨著外界壓力的增大,磁性液體密封件的啟動扭矩減小。

值得注意的是,從表2中可以看出,在密封件未進行靜置時,加壓0.07 MPa和0.09 MPa后,啟動扭矩與未加壓時相比沒有變化,可以推斷此時并沒有形成如圖8(a)所示的鏈狀結構,故加壓和不加壓對啟動扭矩的影響不大。

2.2 磁性液體密封的扭矩修正公式

以前的研究已經(jīng)對磁性液體密封啟動扭矩進行了一系列分析,池長青[17]借助偶極子鏈受拉伸作用模型,趙四海等[18]利用磁流變液的理論[19],都推導了磁性液體的屈服應力公式,何新智等[7]研究了二者關于屈服應力的理論,并結合文獻[1]提出了修正后的扭矩公式為

(2)

式中:N為密封級數(shù);η為磁性液體的動力黏度;ω為軸的轉(zhuǎn)速;r為磁性液體密封的半徑;Lt為極齒寬;Lg為密封間隙;τs為屈服應力。

以下用結合修正后的磁性液體扭矩公式來分析本次實驗的結果。

當軸長時間靜置后,在磁場作用下形成的鏈狀結構使得磁性液體的屈服應力很大,從而阻礙軸的轉(zhuǎn)動,此時啟動扭矩取決于(2)式中的第2項。當軸從靜止狀態(tài)剛要開始旋轉(zhuǎn)時,必須要拉斷這些鏈狀結構,表現(xiàn)為啟動扭矩增大。在軸不斷旋轉(zhuǎn)的過程中,鏈狀結構被不斷破壞,使磁性液體的黏度減小,發(fā)生剪切稀化現(xiàn)象,(2)式的第2項便可以忽略。

在(2)式中,溫度和靜置時間影響的是第2項τs值的大小,溫度降低或靜置時間延長,τs值增大,密封件的啟動扭矩增大,與圖4和圖7的結果相符。

磁性液體未注滿時,其在極齒上的分布寬度l小于Lt,隨著注入量的增多,磁性液體在密封間隙內(nèi)的分布變化如圖9所示,分布寬度l逐漸達到上限Lt,(2)式第2項值隨之變大,與圖5和圖6所示實驗結果相符。

圖9 不同注入量的磁性液體在密封間隙內(nèi)的分布Fig.9 Distribution of magnetic fluid with different injection volumes in the seal gap

外界壓力并沒有改變(2)式中磁性液體屈服應力τs的大小,啟動扭矩減小的原因是屈服應力需要額外抵抗外界壓力,因此造成屈服應力在阻礙軸旋轉(zhuǎn)方向上的分量減小,與表2的實驗結果相符。

綜上所述,磁性液體扭矩公式(2)式與本次實驗的結果可以相互印證,證明了以上實驗結果分析和討論的合理性,同時根據(jù)實驗的結果和上述推論提出進一步補充后的磁性液體扭矩公式為

(3)

式中:τ′s為屈服應力在阻礙軸轉(zhuǎn)動方向上的分量。

3 結論

本文通過實驗研究了密封件啟動扭矩隨溫度降低、磁性液體注入量增加和靜置時間的延長而增大,隨磁性液體所受外界壓力的增大而減小的現(xiàn)象,分析這些實驗現(xiàn)象和所得的實驗結果。得出以下主要結論:

1)在磁場作用下,磁性液體在密封間隙內(nèi)形成的鏈狀結構最終數(shù)量取決于其含有的磁性顆??倲?shù),即取決于磁性液體的注入量,即注入量決定了屈服應力最終的大小。

2)溫度影響了磁性液體中磁性顆粒集聚成鏈的快慢,靜置時間相同的條件下溫度越低,磁性顆粒成鏈越快,密封件啟動扭矩越大。增多的鏈狀結構更容易吸引住“游蕩”中的磁性顆粒,使得成鏈的速度進一步加快,導致溫度越低,啟動扭矩增大的越明顯。

3)磁性液體中的磁性顆粒由單獨存在集聚成鏈需要時間,在一定時間內(nèi),靜置時間越長,鏈數(shù)越多,屈服應力越大,密封件的啟動扭矩越大。

4)施加壓力后使軸轉(zhuǎn)動,鏈狀結構所引起的屈服應力需要額外抵抗外界壓力,屈服應力在阻礙軸旋轉(zhuǎn)方向上的分量減小,造成密封件的啟動扭矩減小。

另外,本文實驗從實驗角度驗證了溫度、磁性液體注入量、靜置時間和磁性液體所受外界壓力大小對密封件啟動扭矩的影響關系,所得實驗結果與修正后的扭矩公式可以相互印證,并進一步補充了磁性液體扭矩公式,但本文沒有從微觀角度直接觀察到磁性液體的鏈狀結構,這需要進一步的實驗和理論研究。

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