液壓缸磁流體密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封耐壓能力的影響

液壓缸磁流體密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封耐壓能力的影響

液壓罐是一種用于重復(fù)直線運(yùn)動的設(shè)備。將故障轉(zhuǎn)化為機(jī)器可以很好地用于工程機(jī)械。田俊等人對O型密封圈進(jìn)行了失效的分析與研究磁流體密封技術(shù)是一種新型的密封技術(shù)，具有零泄漏、壽命長、可靠性高而且結(jié)構(gòu)簡單，能夠承受低溫和高速載荷然而目前研究的均是磁流體旋轉(zhuǎn)密封，而對于液壓缸的磁流體往復(fù)密封的研究內(nèi)容較少。目前只有李德才1磁流體往復(fù)密封的理論分析本文設(shè)計(jì)了一種用于液壓缸的4級磁源磁流體往復(fù)密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。當(dāng)液壓缸的往復(fù)軸在一定的運(yùn)動速度下時(shí)，密封間隙內(nèi)的磁性液體膜從開始運(yùn)動一直到某一位置處停下，這時(shí)候處于一種新的平衡，如圖2中虛線所示的位置。于是磁流體往復(fù)密封的理論公式為高壓側(cè)的壓力；實(shí)驗(yàn)表明因此水平方向的第i級極齒密封耐壓過程如圖3所示。得到了第i級磁流變密封壓力平衡公式：當(dāng)P2磁流體密封的軸對稱模型為研究液壓缸磁流體密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封耐壓能力的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如表1所示。在ANSYS有限元分析軟件中，賦予極靴和軸的材料屬性均為2Cr13。采用ANSYS磁場有限元方法研究了極齒長度、極靴高度與往復(fù)軸直徑之比對應(yīng)的臨界壓力的影響。由于密封結(jié)構(gòu)關(guān)于Y軸對稱，因此三維磁流體密封的軸對稱問題可以簡化為二維模型來處理。本文中選用的永磁體材料為矯頑力為1.356×103對磁體的有限分析和結(jié)果計(jì)算3.1極齒長度對磁流體密封油氣壓的影響極齒長度是影響磁流體密封耐壓能力的重要參數(shù)之一，本文研究極齒長度的變化規(guī)律對于研制出高密封性能的磁流變密封裝置具有重要的意義。不同的極齒長度所對應(yīng)的磁流體密封耐壓能力如圖5所示。從圖5所示的磁場分布狀態(tài)圖中可以清晰的看出，四級磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)的極齒長度越長，對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就會越大。極齒的長度為0.9mm時(shí)，最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度到達(dá)2.15T;而極齒長度為0.6mm時(shí)，所對應(yīng)的的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.8T。這其中的主要原因是：各個參數(shù)都不變的情況下，極齒長度越長，則對應(yīng)的磁場梯度差就越大，聚磁效果就更佳，于是磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大。根據(jù)圖5所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖以及磁流體密封耐壓公式，可以計(jì)算出不同的極齒長度所對應(yīng)的密封耐壓能力值，其結(jié)果如圖6所示。從圖6中不難看出，磁流體密封耐壓能力隨極齒長度的增加先增大而后減小，極齒長度為0.7mm時(shí)，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，即此時(shí)的密封能力值最大。原因是極齒長度0.7mm左右時(shí)，恰好達(dá)到磁回路的最大磁能積，此時(shí)極齒長度再增加，使得回路中通過的磁通量減少，從而導(dǎo)致耐壓能力值下降。3.2極鞋/中間極鞋磁場極靴與永磁體直接接觸，因此極靴高度與軸徑之比是影響磁流體密封的一個重要參數(shù)。當(dāng)密封間隙為0.1mm時(shí)，采用控制單一變量法，在不改變其他參數(shù)的情況下，只改變極靴高度極靴高度與軸徑之比，從而得到不同密封間隙內(nèi)的磁場分布狀態(tài)，如圖7所示。在圖7中可以看出，磁場強(qiáng)度隨著極靴高度與往復(fù)軸徑之比的增大而減小，這是因?yàn)橥鶑?fù)軸半徑不變，隨著極靴的高度增加，導(dǎo)致極靴內(nèi)部的磁阻增大，從而磁場強(qiáng)度減??；此外從圖中還可以明顯看出，兩側(cè)極靴的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯低于中間極靴的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因?yàn)閮蓚?cè)極靴中的磁通量是由單個永磁體產(chǎn)生的，而中間極靴的磁磁通量是由兩個永磁體產(chǎn)生的。根據(jù)圖7所示的磁場分布圖以及磁流體密封理論公式，計(jì)算得到不同的極靴高度與軸徑之比所對應(yīng)的密封耐壓能力值，如圖8所示。在圖8中清楚的看到密封耐壓能力隨著極靴高度與軸徑之比的的增加而減小。根據(jù)磁路定律可以知道，極靴高度與軸徑之比增加，極靴內(nèi)部的磁阻就會增大，于是磁通密度降低，穿過的磁通量減少，導(dǎo)致密封能力下降。4液壓缸實(shí)驗(yàn)頂板將設(shè)計(jì)的磁流體密封結(jié)構(gòu)安裝在如圖9所示的液壓缸實(shí)驗(yàn)臺上。圖中的1是液壓缸往復(fù)軸，2是密封結(jié)構(gòu)組件，3是液壓油泵，4是液壓油箱，5是帶有顯示器的控制臺。4.1往復(fù)軸速度對密封能力的影響液壓缸往復(fù)軸的速度對于磁流體密封能力會有很大的影響，在本次實(shí)驗(yàn)中，固定液壓缸往復(fù)軸的行程為100mm，分別實(shí)驗(yàn)研究了往復(fù)軸的速度為0、1mm/s、2mm/s、3mm/s、4mm/s和5mm/s時(shí)對應(yīng)的密封能力，其結(jié)果如圖10所示。在圖10中看到，往復(fù)速度為0，磁流體的密封能力最大，當(dāng)速度為5mm/s時(shí)，磁流體的密封能力減小了1.7MPa。其中的原因是：往復(fù)軸的速度越大，則拖拽出磁流體的體積量就越多，導(dǎo)致參與密封作用的磁流體量減少，造成密封能力下降。4.2磁流體密封能力計(jì)算液壓缸往復(fù)軸的速度固定為3mm/s不變，研究當(dāng)往復(fù)軸的行程為40mm、80mm、120mm、160mm、200mm和240mm時(shí)所對應(yīng)的磁流體密封能力，其結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以清楚的看出，速度不變時(shí)，改變往復(fù)軸的運(yùn)動行程，其密封能力是不變的。這說明往復(fù)行程對磁流體密封能力的影響不明顯。4.3保壓時(shí)間對密封能力的影響保壓時(shí)間對磁流體密封結(jié)構(gòu)的效果起到一個很好的檢驗(yàn)效果，因此對保壓時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究是很有必要的。當(dāng)液壓缸往復(fù)軸的速度為0時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究了保壓時(shí)間為4h、8h、12h、16h和20h時(shí)對磁流體密封能力的影響，結(jié)果如圖12所示。通過靜態(tài)保壓時(shí)間的實(shí)驗(yàn)證明了用于液壓缸的四級磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)的有效性，可以有效的防止液壓缸的泄漏問題，為提高液壓缸的工作效率提供有利的保障。5極齒長度和保壓時(shí)間對磁流體密封能力的影響本文設(shè)計(jì)了用于液壓缸的4級磁源磁流體密封結(jié)構(gòu)，用有限元法分析了極齒長度和極靴高度對磁流體密封能力的影響；用實(shí)驗(yàn)法分析了往復(fù)軸的速度、往復(fù)軸的行程以及保壓時(shí)間對磁流體密封能力的影響，其結(jié)果為：1）隨著極齒長度的增加，磁流體密封能力先增大后減小，并且當(dāng)極齒長度為0.7mm時(shí)，密封能力值達(dá)到最佳；隨著極靴高度的增加，磁流體密封耐壓能力值而減??；2）隨著液壓缸往復(fù)軸的速度增大，磁