（机械电子工程专业论文）纳米磁性流体密封的仿真研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 纳米磁性流体密封的仿真研究 机械电子工程 杨勇( 签名) 樊玉光( 签名) 周三平( 签名) 卜埠一 摘要 纳米磁性流体旋转轴密封具有无泄漏、密封装置简单、功耗小、易维护的特点，在 流体机械工业中有广泛应用前景。 纳米磁性流体密封的应用中最关键的问题是密封能力的确定，其影响因素很多，如 纳米磁性流体本身的性质、磁极结构、负载运行过程等。其中磁极结构的设计对密封能 力有着决定性的影响，必须对其影响规律进行研究。本论文从实际应用出发，用数值计 算的方法对密封装置的磁场分布进行仿真，通过正交试验设计探讨典型磁极结构参数对 密封能力的影响规律，采用正交回归设计得出密封能力与磁极结构参数的回归公式，用 醇水共热共沉淀法制备煤油基f e 3 0 4 纳米磁性流体，并进行了密封实验。 正交分析表明磁极与转轴的间隙、极齿宽度、极齿高度、齿槽宽度、倒角宽度、倒 角以及某些因素间的交互作用对密封性能有着重要影响；回归分析得到的多个轴径下的 经验公式表明因素及其交互作用的影响规律是有差别的，在某一轴径下得到的最优磁极 参数并不能完全用于其它不同的轴径；实验研究表明，数值仿真计算方法和回归方程的 结果能较真实的反映密封性能，但由于仿真计算中的假设简化条件，实验结果l l i t - 算值 偏低，在考虑一定裕度的情况下可以用公式指导纳米磁性流体密封装置的设计。 关键词：纳米磁性流体密封数值仿真正交试验分析回归分析 论文类型：应用研究 ( 本论文得到陕西省教育厅专项科研资金的资助) l i 荚文摘要 s u b j e e t ： s p e c i a l i t y n a m e ： 1 n s t r u c t o r ： s i m u l a t i o no fn a n o - f e r r o f l u i ds e a l i n g m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g y a n gy o n g ( s i g n a t u r e ) f a ny u g u a n g ( s i g n a t u r e ) z h o us a n p i n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d u et oi t s e x c e l l e n tf e a 舡n e ss u c ha sl o wl e a k i n g ，s i m p l es e a le q u i p m e n t s ，l o wp o w e r c o n s u m p f i o n ，e a s ym a i n t e n a n c e ，n a n o f e r r of l u i dr o t a t es h a f ts e a lh a saw i d ef o r e g r o u n di n i n d u s t r ya p p l i c a t i o n s t h ek e yp r o b l e mo fi n d u s t r ya p p l i c a t i o n so fl l a n o - f e r r o f l u i ds e a li sh o wt oc a l c u l a t et h e s e a lp r e s s u r ec a p a b i l i t y t h es e a lp r e s s u r ec a p a b i l i t yi si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r ss u c ha st h e p r o p e r t i e so fn a n o - f e r r o f l u i d ，s t r u c t u r eo fm a g n e t i cp o l e ，p r o c e s so fl o a d ，a m o n gt h e mt h e s t r u c t u r eo fm a g n e t i cp o l eh a sd e c i s i v ei n f l u e n c et os e a lp r e s s u r ec a p a b i l i t y , s oi ti sn e c e s s a r y t oc a r r yo u tr e s e a r c ho ni t sf u n c t i o n a l w a y s 。c o n s i d e r i n gi n d u s t r ya p p l i c a t i o n s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o di sa p p l i e df o ra n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i ef i e l d t h ep a t t e mt h a t m a g n e t i cp o l e s s t r u c t u r ep a r a m e t e r sh o wt oi n f l u e n c es e a lp r e s s u r ec a p a b i l i t yi ss t u d i e d t h r o u g ho r t h o g n n a ie x p e r i m e n td e s i g n 。r e g r e s s i o nf o m m l ab e t w e e nm a g n e t i cp o l es t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n ds e a lp r e s s u r ec a p a b i l i t yi so b t a i n e dt h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g na n d o r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g n + t h ef e 3 0 4l l a n o - f e r r o f l u i dw i t hk e r o s e n ea sc a r r i e rl i q u i di s o b t a i n e dt h r o u g he t h a n o l w a t e rc o h e a tc o - p r e c i p i t a t i o n 。c o r r e s p o n d i n gs e a le x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u t f r o mo r t h o g o n a la n a l y s i sa n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ，c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nt h a tt h eg a p b e t w e e ns h a f ta n dp o l et o o t h ，w i d t ho f p o l et o o t h ，h e i g h to f t o o t h ，w i d t ho f t o o t hg r o o v e ，w i d t h a n da n g l eo fc h a m f e ra n ds o m eo ft h e i ri n t e r a c t i o nh a v es t r o n gi n f l u e n c eo ns e a lp r e s s u r e c a p a b i l i t y t h ef o r m u l a so b t a i n e dt h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i ss h o wt h e r ea r ed i f f e r e n tm o d e l o fi n f l u e n c ea m o n gt h e s ef a c t o r sa n dt h e i ri n t e r a c t i o no nt h ed i f f e r e n ts h i f td i a m e t e r o p t i m i z e dp a r a m e t e r so f m a g n e t i cp o l ea r ev a r i e da m o n gd i f f e r e n td i a m e t e rs h a f t s f r o ms e a l e x p e r i m e n t s ，i ti si n d i c a t e dt h a tr e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n dt h e s e f o r m u l a sc a l l t r u l yr e f l e c t s e a l p r e s s u r ec a p a b i l i t y b u t b e c a u s eo fa s s m n p t i o n sa n d s i m p l i f i c a t i o n ，t h er e s u l t so f s e a le x p e r i m e n t sa r el o w e r t h a nc o m p u t a t i o na n df o r m u l a s w i t h as u f f i c i e n ts a f e t ym a r g i n , t h ef o r m u l a sc a l lb ea p p l i e dt og u i d et h ed e s i g no fn a n o - f e r r e f l u i d s e a le q u i p m e n t s k e y w o r d s ：n a n o - f e r r o f l u i ds e a l s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a n a l y s i s ，r e g r e s s i o na r i a l 3 s i s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no fe d u c a t i o nd e p a r t m e n to f s h a a n x ip r o v i n c e ) 主要符号表 主要符号表 矢量磁位( w b m ) 磁通密度矢量( t ) 剩余磁感应强度( t ) 磁极极齿宽度( 1 1 1 1 3 1 ) 各因素指标加权和 各因素回归系数 电位移矢量( c m 2 ) 电场强度矢量( v m ) 磁偶极子真空磁场所受磁场力( n ) 单位体积磁性介质所受磁场力( n ) 磁场强度矢量( a m ) 矫顽磁力( a i m ) 电流密度矢量( a m 2 ) 磁极内径与转轴的间隙( r a m ) 磁极极齿高度( m m ) 磁极齿槽宽度( m m ) 磁极极齿端部宽度( n 1 1 1 1 ) 磁偶极子的磁偶极矩 磁化强度( a i m ) 纳米磁性流体饱和磁化强度( a m ) v i 磁性流体内部的压强( p a ) 各因素的方差 误差的方差 回归方程的方差 方差总和 磁极极齿端部宽度与极齿宽度比值 指标平均值 各因素一水平的指标和 各因素二水平的指标和 各因素一水平指标平均值 各因素二水平指标平均值 磁极极齿倒角( 。) 介质介电常数( f m ) 介质磁导率( h m ) 真空磁导率，地= 4 z t x l 0 。h i m 相对磁导率 自由电荷体密度( c m 3 ) 介质电导率( s m ) 标量电位( v ) 标量磁位( a ) p墨&品昌，r巧一毛一毛口 f 以p盯 p 爿一b 毋6 弓ide一 一厶一日 皿一j 塘腩 扣 厅 一职一m m 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我繇短，除了文中特别秀l 鞋稼注秘致鬻中瑟罗列鹣内容戮羚，论文中不包含冀傀 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证豢丽使滔过的奉| 辩。与我一阊：t 作的同意对本研究所骰的任何贾献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本入承担一切相关责任。 论文作者簸名： 拯囊日期：趔爨翻 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的瓶定，却；研究生在校玻读 学位期间论文工作的知识产权单位属蹶安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阔览、借阕以及申请专利等权利。本人离校后发寝或使用学位论文或与该论文直接 相关鲍学术论文或成暴时，署名单位仍然为透安石油大学。 论文作者签名：趣塞 等师簸名： 日期：兰堕差9 ，r 日 日期：型凌塑嘲 薅一章缝论 第一章绪论 1 1 纳米磁性流体密封和数值仿宾计算方法概述 1 1 1 纳米磁性流体密封 绒米磁性滚体是静将继米磁蠛颗粒( 如f e 3 0 4 ) 悬浮予基滚中露形成瓣胶体溶滚， 磁性颗粒表面包覆着分散剂，防止颗粒间的凝聚，同时，颗粒的粒径很小，布朗运动使 其在蕤液中均匀分布，在重力及磁场力作用f 不沉淀、不集聚、特憾不变。它既具毒液 体的流动性，又具有磁性。 纳米磁性流体的想法始于上个世纪3 0 年代初。1 9 3 t 年e b i t t e r 发表文章提出了铁磁 流体研制的问题。1 9 3 8 年w c e l m o r e 发表了两篇关于铁磁性胶体的文章。但当时并没 有研制成可用的铁磁流体。直到1 9 6 6 年，曰零的下饭坂润三教授首先用化学方法研制出 磁性潮体颡粒，才开始了纳米磁性流体工业化生产的进程。 纳米磁性流体问世后的短短几年，它就悲出了实验室，开始应用于航空航天高科技 行业幂年学实验和工敛装置中。缡米磁性流体密封是其应用领域之一，由于它工作时的密 封“零”泄漏率、对密封部能无磨损、摩擦功耗很小、瞬时过载后能自修复、容易维护 等其它密封方式所不其备酌优点，已成为纳涨磁性流俸最成确、最广泛的应弼之一”1 。 纳米磁性流体密封是利用纳米磁性流体对磁场的响应特性而实现的。纳米磁性流体 旋转鞴密封瑟理如图1 1 搿示，主要部侔楚永久磁铁、环形撩极、转籀。在磁极静内表 面开肖若干齿槽聚焦结构，在磁极与转轴的间隙中产生强磁场，把纳米磁性流体注入到 有强磁场豹阉豫磊，缡来磁稳流体被约束在该闻豫中。这样，在磁场的捧弼下，纳采磁 性流体产生体积力，在聚焦结构的间隙中受力平衡。形成液体o 形密封圈，转轴可在 该滚落静“o ”澎塑审蠢壶转动，舔当绒寒磁秣流俸受至压差 筝霜辩，将在菲均匀磁场幸 微量移动，由于磁场梯度的存在产生了对抗压差的磁力，从而达到新的平衡，起到密封 痒孺，这裁建续米磁往流体瓣密嚣藤理 2 1 t 3 。 磁极永久磁铁磁极 ( a ) 纳米磁牲漉辫密封器壤簿銎国) 缡添磁性浚辨密封羔缝模型鬟 图1 - 1纳米磁性流体密封原理图 缡米磁戆滚传密瓣获得工韭瘟蠲静首要瀚蘧是确定密封装置可密瓣戆嚣麓，蠢影穗 1 珏安石油大学硕士学位论文 磁性流体密封压差的因素比较多，因此要对这蝗因素的影响规律进行研究。国内外许多 研究学者对纳米磁性流体密封能力的影响因素作了一定穰度的研究，如k o z a k i 和 t f u j i w a r a 用电流励磁线圈作磁源，改变磁场强度，发现随着磁场强度的增加，密封能力 会上升，但超过某一值后密封能力反而下降，即磁场强度存在最优值【4 】。w o c h o n s k i 等人通过实验得到的结论是：当密封间隙确定对，密封压差与磁感应强度成正比【5 1 。j i m b o n v o u l o i r 通过对高转速磁性流体单级密封的实验也得出了类似的结论f 6 】。 赵幽伟等人用实验通过单因素轮换法，研究了密封间隙、齿宽、槽宽、齿蕊对警封 能力的影响，得到的结论是：密封间隙的减小会提高密封能力：齿宽的大小存在最佳值， 过大过小均会降低密封能力；槽宽和遴高的增加会带来密封能力的提离，但它们增加到 某一值后，密封能力的变化很小，并通过这些影响规律得到了实验条件下磁极参数的优 化值，经过优化的磁极的体积和重量郁降低了5 0 以。t 【7 1 0 杨逢瑜等人通过实验求出了 定轴径下磁 生流体密封主要结构参数密封磁隙、倒角、齿宽、齿高的选取范围， 对于该轴径，在永磁体、导磁体的性能、体积和形状定时，磁性流体密封的结构参数 在此范围选取可提高密封装置的密封压力罔。王瑞金等人通过实验研究了密封间隙对磁 性流体密封耐压能力的影响，认为密埘间隙为0 1 o 1 5 m m 时，耐压能力对间隙很敏感， 密封间隙的减小会急剧的提高密封能力，而当密封间隙大于0 2 5 m m 后对密封能力的影响 较小一j ，但由于仅考虑了一个因素的影响，对密封装置的设计指导作用有限。王俊勇等 人用有限元数值计算方法对磁性流体密封结构的磁场分布进行分析，对比了三种极齿形 状下的磁场分布，认为非对称梯形齿结构的密封性能较优，并对磁极结构参数优化，得 到了磁极结构的优化参数范围f l 讲，但当轴径不同时，参数优化取值范围将会发生变化， 此时的优化值不再适用。方先清通过理论分析得到了密封压差与最大最小磁场强度的关 系，德没有得到最大戡小磁场强度与磁极结构的直接关系，要应用于工程实践，还是需 要通过其它方法估计出不同结构磁极的最大最小磁场强剧“j 。乐志成等人进一步得到了 最大最小磁场强度与齿宽和密封间隙的简明关系”，织仅考虑了齿宽和密封间隙两个影 响因素，而实际的密封装置结构尺寸参数远不止这些，当其它参数变化时，公式的适用 性受到限制。 从上面的参考文献叙述可以看出，前人对密封性能的影响因素的影响规律做了许多 研究探索工作，但还存在以下不足之处：o 工程实践中的磁极结构参数有密封间隙、齿 宽、齿高、槽宽、齿端宽度、倒角等，以上的研究仅考虑了其中一部分参数的影响，不 够全面。 研究采用的方法都是单因素轮换法，是在仪改变菜一参数黼固定其它参数酶 情况下得出的结论，由于结构参数间可能存在交互影响，通过这种方法得到的磁极结构 参数不一定是最优值。国由予实际密封装置结构的复杂性，很雉求出磁场的分布与密对 装置结构参数问的解析函数关系，通过理论分析得出的公式没有直接表达出密封能力与 磁极结构参数的关系。实验研究没有考虑到密封旋转轴直径鼬不同，在某轴径下得 到的最优磁极结构参数不一定是另一轴径下的最优值。 2 第一章绪论 这些酒题帮有待舞凌，以褥渤工韭应弱孛密辩压差与缟鹅参数静关联关系，为缡米 磁性流体密封的推广和密封设计打f 基础。 1 。l 。2 数值仿真计算方法 诲多工程分析问题鄂可归结为在给定边界条传下求解其控制方程( l a p l a c e 方程或 p o i s s o n 方程) 的问题，值能用解析方法求出精确解的只楚方程性艨比较筒单，且几何边 界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者 问题的莱燕特征楚非线瞧的，刚很少有解析解。这类问邋的解决通常有两稀途径：一是 引入简化假设，将方程和边界条件简化为隧够处理的问题，从而得到它在简化状态的解。 这种方法哭在有戳的情况下是可行的，因为过多的简纯将可麓导敬不正确的甚至诺误的 解。因此，人们程广泛吸收现代数学理论的基础，e ，借助于现代料学技术的产物计 算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值仿真技术，它是蕊代工稳学形成帮发震 的照要推动力之一。 电磁场问题豹本质规律就是受壳薪韦方程组与定解条仔( 边器条俘黧裙始祭 串) 的 结合，将其转化成数学模型就是对纯数学的微积分方程的求解。撩于工程电磁场问题的 复杂经，帮各类奄磁装置在其结褥、咒何形获土豹复杂整，馥及在李孝精穗矮交讫上豹复 杂性，致使应用于电磁场分析计算的各种解析方法( 例如分离变凝法、保角变换法、镜 像法帮格棒函数法等) 已经无法遗疫广泛_ i 程润题分褥求解豹需簧。因嚣，3 多年来， 随着计算机技术的飞速发展，属于近似计算方法范畴的各种电磁场数值计算方法得到了 长楚涎遴袋，并疑终己瑶满是秘鼓翻工程方瑟对予数学攘鍪鞲确分辑豹实际霉要。 目前襁工程技术领域内常用的数值仿真方法有：有限单元法、边界元法和有限差分 法，但藏突嗣毪帮瘫曩熬广泛注蠢言，主要逐是蠢隈单元法( f i n i 据e l e m e n tm e t h o d ) 。 有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为系列单元，单元之间仅靠节点连接， 擎元蠢部蕊鳇特求薰霹鸯鼙元苇嶷量逶j 雯选定瓣滠数关系矮篷求缮。由予繁元形状燕单， 易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在 超恧形成总体代数方程鳃，诗入边爨黎终嚣露鞭簿方程缀求鲜。单元划分越缨，诗算 绐果就越精确。 各类瞧磁装赣孛翦彀磁场求嬲闯题就是在绘定了场的诗算送域、各医域材辩( 媒震) 组成和特性，以及激励源的特性，求其场域中场量随时间、空间分布的规律( 场分布) 。 因藤，对藏于电磁场求孵同题的翁限元分析的任务是根攒电磁场的基本姆性，即基于麦 克斯韦方程组，酋先，建立逼近实际工稷电磁场问题的连续型的数学模型；然后经离散 他处理，把连续型数学模型转化必等价的寓教型数学模型由离数数馕粕成的联立代 数方程组( 离散方程组) ，应用有效的代数方程组解法，计算出待求离散数学模型的离散 解( 即场凝的数馕解) ；最后，在掰撂该电磁场问题的场量( 含位蛐数) 离散解的基础上 髯经各种艏处理过程，就可以求搿所需的场域中任意点她的场强等各类电磁参数与性能 3 西安石油大学硕士学位论文 指标。 随着计算机技术的快速发展，有限元数值仿真技术通过近三、四十年的发展，已经 变得成熟了，被应用于大量的工程实践问题的解决中，这些问题的成功解决也验证了有 限元数值仿真计算方法的有效性。 对于纳米磁性流体密封装置，其结构设计的任务就是调整优化磁极的几何结构参数， 使密封间隙中的磁场分布达到理想的分布状态，在这个过程中就涉及到电磁场的计算问 题。由于密封装置的多介质性、不同介质边界的复杂性和介质材料的非线性，不能用解 析法得到精确的解，就必须通过其他途径解决电磁场分布的计算问题，有限元数值仿真 计算方法正是这样一种合适的方法。 已有人成功的将有限元数值仿真计算方法应用于电磁场问题的求解，如g w a ns o o p a r k 等人根据流体界面上压力计算公式的积分常数项相等的事实，运用有限元数值算法 对p o s s i o n 方程和n s 方程进行迭代求解，计算得到密封间隙磁性流体界面形状，与实 验结果基本一致”。王俊勇对电磁场泊松方程边值问题通过剖分插值、离散、解非线性 方程组等一系列有限元的步骤后，成功求解了密封装置的磁场分布【】。张瑗等人用 a n s y s 软件解算了空间站矩齿型磁性流体密封装置的磁场分布，得到了满意的结果【l “。 这些都说明了有限元数值仿真计算方法在磁场分布计算上的有效性和准确性，也可以运 用于密封装置磁场分布的计算求解。 1 2 纳米磁性流体密封研究的目的、意义 纳米磁性流体密封技术克服了传统密封方式的不足，在旋转轴无泄漏密封中显示出 独特的优点，在高科技领域( 计算机磁盘存储器的密封，x 射线管和x 射线机的旋转靶 密封，半导体工业中各种薄膜和光刻腐蚀等装置，宇宙飞船上望远镜轴端部的密封等) 有很多应用，并充分发挥了其特有优势。在这些高科技领域中，不成熟的多次专门实验 的高成本的制备工艺，针对特定需要的、专门的密封结构研究和实验，是可行的也是允 许的，并且是其它方法难以竞争的。 但是，在更多的技术领域中，例如单晶真空旋转轴的密封、在纺织和机械加工中的 隔绝密封、气体激光器、真空加热炉、电厂储能大飞轮、发酵罐、超导电机的密封、船 舶的螺旋推进器的密封等场合，纳米磁性流体必须和其它密封方法竞争，这时，密封结 构和密封性能的研究，纳米磁性流体密封设计技术、现场安装运行的技术的研究等工业 应用技术的研究问题影响了其应用推广。解决了目前存在的纳米磁性流体密封的工业应 用这一问题，这种密封技术就能在极广泛的工业中应用，取得巨大的经济效益。 纳米磁性流体的工业应用最突出的问题就是密封压差的确定问题，而影响磁性流体 密封压差的因素比较多，对于工业应用来说，就是要使密封装置的设计变得通用化，密 封压差的计算简明化。 使密封装景的设计变得通用化就是要使密封装置的几何结构形式应该便于加工，便 4 第章绪论 于应用至b 大多数的密封场会。诲多学者对这部分灼研究傲了大量工 乍8 l f 9 ：l f l 0 】f l l j ( 1 4 j ，得 到了比较合理的典型磁极结构形式，本论文的研究工作将藻于这种结构形式。 纳米磁性流体镶封装置的密封压差与袋封闻隙的磁场分布有重要的关系，两磁场的 分布受到磁极的众多结构参数的影响，因j 蹴磁极结构参数对磁场分布影响规律的研究和 磁极结构参数的优化设计楚密封装鼹设计和密封匮菠计算的重要内容。 许多研究者对密封磁檄形状结构参数如齿宽、稽宽、齿高和倒角对纳米磁性流体密 封性能的影响规律进行了一定程度的研究，但他们没有对_ = i = 业应用中的密封压差影响因 素送行全西系统静研究：采用的方法是单潮素轮换法，没有考虑因素问的交互作阁；没 有针对不同轴径的密封进行分析；没有得到能用于指导密封装置的工业设计压差计簿的 经验公式旧 1 6 1 1 孵掰8 j 。在实际的密封装鬣设计时一般通过专门的实验，得到满足密封 压麓要求的特定密封装置结构参数。本论文全面地考虑工业应用中影响密封压差的磁极 结构参数，采爝有限元法仿真计算方法，并结合方差分拆与回i | j 分析的方法对密封压差 的影响因素进行研究探讨，得出通用结构磁极的密封压差缀验公式。 密封压差诗算淘题是缡采磁往流体密封技术静工、监应糊中遥到的重要闯题，邋过本 课题的研究，将会得到磁极结构参数对密封压差的影响规律和密封压差的经验计算公式， 使王蝗缡米磁经流体密封装置密封辘力豹诗雾交霉嵌捷而有效，为绣来磁襁滚诲寮靖技 术的广泛工业应用起到推动作用，这种密封技术在工业实际中获得普遍应用会带来巨大 兹缎济效益。 1 3 纳米磁性流体密封的研究方法秘研究内容 本课题的主要秘的就怒得出可黻方便阁于工程察践的密封能力的简确寝达公式，有 两条途径能达到这个目的，第一就是通过巍接的理论解析推导得出公式。由于纳米磁性 流体密封的基本原理是由磁场对缡米磁性流体施嬲力的影响，控制纳米磁褴流体的受力 平徼，因而在这个过程中必然涉及到磁场分布的计算问题。如前所述，由于密封装霞结 构的复杂穗，其磁场分布豹计算只有倍韵予数值计箨方法，丽数餐计算的结果是滋域中 电磁参数的值，是一些离散的点，并不能形成简明的公式，所以这种方法很难达至这个 强酌。第二稀方法藏是通道实际密籍实验鹃实施，不去考惑密封装置实际工作对的物理 本质，直接应用回归分析方法得到公式。由于任何数学函数都可以通过高次多项式逼近， 搿蔽回羟分析法褥爨豹多鬏式表达式与糍裁浃密封装置密封过程褥理本葳豹解拆表达式 在形式上可能有很大的差别，但也代表了密封压羞和其影响因素的本质关系，对于实际 静密封装蚤髂设诗楚具有攒导季睾躅瓣。餐怒为了德翻院较准确静毯籀公式，要杰鬟王丈量 的磁极，进行多次的密封实验，并且在密封压差的测量中存在不可避免的瀑差和纳米磁 性漉俸本骞豹性爱麓异，逮耱误差帮差异会被蒂窝器夔公式，影瞧公式熬糖确茬，医魏 这种方法也不是比较理想的方法。 理论捺导法遘懿豹难点藏是磁场装诗黪运嚣，毽霉爨愆刭密羹疆差与臻米磁羧流体 5 西安石油大学硕士学位论文 的饱和磁化强度和区域中某些点的电磁参数的关系( 这一点从论文后面的工作可以看 到) ，如果通过数值计算方法和回归分析法相结合，得到磁场中这些点的电磁参数的回归 公式，那么就可以得到密封压差的简明计算公式。这种方法是半解析的，即是将解析法 与回归分析法相结合的方法，与通过实验和回归法相结合的方法相比，密封压差的测量 误差和纳米磁性流体本身的性质差异引起的误差将不会被带到回归公式里。从另一个角 度看，也可以认为是通过数值计算的方法代替了实验，然后与回归分析法结合得到公式。 本论文的研究方法是用数值仿真计算法代替解析法或实验对密封装置的磁场分布进 行求解，对求解结果运用正交和回归分析方法，得到密封问隙最大最小磁感应强度差值 与磁极结构参数的经验公式，最后与理论公式相结合，得到能用于实际工程计算的耐压 经验公式。主要研究内容有磁场分布的数值仿真计算、密封能力影响因素的正交分析、 密封压差经验公式的回归和磁性流体密封实验。 1 3 1 磁场分布的有限元数值仿真求解方法 针对可以适应工业应用要求的通用结构磁极的三维实体，通过假设与简化抽象出合 理的电磁场有限元仿真计算模型，在a n s y s 分析软件中建立有限元计算模型，分析确 定单元网格划分精度和模型的边界条件等计算参数，对磁场分布进行仿真计算，然后找 出密封间隙中每个极齿下的最大磁感应强度和对应槽下最小磁感应强度值，计算它们的 差值，并对每级密封的差值进行求和。 1 3 2 影响密封性能因素的正交分析 将密封压差的考察目标转化成磁感应强度差值和的正交分析指标，确定影响指标的 考察因素为齿宽度、槽宽度、齿高度、齿端宽度( 用其与齿宽度的比值表示) 、倒角和轴 与磁极齿顶密封问隙，并针对工业应用选取因素的取值范围水平，选择合适的正交表， 并根据正交表安排仿真试验，对试验结果进行方差分析，得出各因素及其交互作用对指 标影响的显著性。 1 3 - 3 密封压差经验公式的回归设计 根据正交设计方差分析的结果确定回归设计的因素，对各因素水平进行编码，确定 正交试验点、星号试验点和中心试验点的个数，安排正交中心组合设计的仿真试验计划 方案，进行仿真计算试验，根据试验结果回归出经验公式，用经验公式求出磁极结构的 最佳值，并对最佳值附近因素的影响规律进行分析。 1 3 4 纳米磁性流体密封实验 制备用于实验的纳米磁性流体，对不同尺寸参数的磁极进行密封实验，测量密封压 力，同时用有限元数值仿真方法和经验公式对实验磁极的密封能力进行仿真计算，对比 分析实验与计算的结果，讨论经验公式的适用性。 6 第一章绪论 1 4 课题的来源背景 在许多旋转流体机械中，要求机器内部介质不得外漏，或外部流体不得进入机器内 部，因而必须在旋转流体机械的轴间隙处设置密封装置，这就是旋转轴密封问题。传统 的密封方式有多种，但均存在以下两方面的问题：第一是密封件与旋转轴的存在接触， 产生摩擦、密封件和轴的磨损，摩擦产生功率损耗，磨损降低密封装置的使用寿命，在 高速旋转轴密封中尤为严重。第二是实现无泄漏密封比较困难。纳米磁性流体密封的原 理是通过磁场对纳米磁性流体施加影响，将纳米磁性流体固定在旋转流体机械的轴间隙 处，阻止其它流体的泄漏。它是一种非接触式密封，保证了两密封件不直接接触，基本 没有磨损和摩擦，泄漏率为零，密封、润滑性能俱佳。 由于纳米磁性流体密封具有无泄漏、低能耗、高维护性的无可比拟的优点，如果将 此密封技术广泛的应用于工程实践，将会取得巨大的经济效益。基于纳米磁性流体密封 巨大的工业应用价值和其应用于工程实际中亟待解决的问题，选择纳米磁性流体密封仿 真作为研究内容。 本课题来源于陕西省教育厅专项科研计划项目。 项目名称：纳米磁性流体密封技术研究。 7 砖安石油大学硕士学位论文 第二章基本理论分析 2 1 磁性流体密封能力计算 2 1 1 磁场对磁性介质的作用力 关于磁性介质在磁场中所受的磁场力问题，存在着多种理论，如磁偶极子模型理论、 力的理论、能量理论等。哈尔滨工业大学的邹继斌在文献【1 9 中证明了这些观点在一定 条件下的统一性。对于磁性流体在磁场中所受作用力，可以用磁偶极子理论模型，由于 磁偶极子模型的推导比较简单、直接，采用的也较多，所以这里采用磁偶极子模型的方 在真空中磁偶极子所受磁场力为【2 0 】： 将磁性介质置于磁场中，介质中的分子电流趋向排列，对外显示出磁性，产生磁场， 外磁场源产生的磁场为胁豆，磁性介质产生的磁场为胁庙，则合成磁场为： 蝴阱腮 挲卜l i m 矧蕊圳 厶2 牌l 玄卜腮l 寸l 卸加劂矿1 2 协厨( 2 - 4 ) 厶：鸠譬+ 鸠譬+ 鸠譬 ( 2 _ 5 ) m 。= 盟b x ，my = 盟b v mz ：吐b ： 厶：盟皿譬+ 型e 誓+ 盟e 誓 = 互1 鬲“- - 1 _ 0 c o ：( 最2 + b 2 + 班肘竺o x 2p o p ， 。 厶，：m 罢，厶：m 罢 8 第二章基本理论分析 因此： 兀= 厶i 十厶，_ ，+ 厶= m v b ( 2 6 ) 2 1 2 磁俄流律静力学分析 a 磁性流体的连续介质模型 磁性流体是国露俸磁性微粒懋浮于鏊液中构成盼两耦胶体溶液，僵遐，固和微粒的 尺、j 非常小，固液两相闻的速度滞后和溆度滞后可忽略刁i 计，因此，可以将纳米磁性流 体看成是均匀的、各自同性酌混合物，可以褥单褶流体力学馥理论来解凌缡米磁性流体 的力学问题i z l j 。 姨锾躐上看，磁性微粒之闻，液体分予之闯存在着闯隙，辑戳磁经流体的物理量在 空间上不鼹连续的。同时，由于磁性微粒的随机运动，又导致了液体内任意空间点上的 貔耀量在辩闽上瓣不连续往。但慧在磁毪流钵密封应甭领域中，分褥磁性流体静褥往霹， 所讨论模型的特征尺寸远大于磁性微粒的直径和微粒的平均自由程，感兴趣的是磁性流 体瓣宏褒特性，嚣大量磁往皴粒鞠载滚努子静统计平：诲黪往。这样在密封研究中簸可以 不以磁性微粒作为研究对擦，而魑引入连续介质模型，把磁性流体作为谶续介质进行研 究。只鸯褒磁毪浚体与冀它分矮麓分募蘧，荬物理量藏不连续豹。霾魏，在流体蠹露 是可以用流体力学的理论进行分析的【2 l 】【2 甜。 b 。磁性流体豹体积力翻寝瑟力 体积力的定义为作用于单位体积纳米磁性流体上的力。磁场中静止的纳米磁性流体 爨受匏钵嫒力只露磁场力与重力，鼷单鬣体积纳豢磁牲浚傣瘊受瓣钵积力为： f = 厶+ g ；m v b + p g k ( 2 7 ) 式孛：p 是续寒磁搜滚钵戆密度( k g m 3 ) ，g 是重力宓鬟速度( g 9 8 1 m s 2 ) ，若是重 力方向的单位矢麓。 表嚣力是由纳米磁鼗流传微溺或其它貔体壹攘施热的表露接触力，般震蕈位瑟积 上的接触力丘表示。在一般的情况下，露的方向与作用面的法向并不一致，但是在静止 弱磁性滚体中，疆点之闻没有相对运动，藤且各浚体质点之间不熊承受援力，不存在表 面切应力，所以只存在指向作用丽的法向应力，即 冀= 一西 式中：亓是法向方向单位矢擞，负号表示磁性流体微团表面所受应力与法线方向相 反。 c 流体静力平衡基本方程 作用予纳米磁性流体任意微豳上的力有体积力旺e 刃矿和表蕊力媳霞a 笤，静止状态 时，作用于流体微团上韵台外力必然为零，则： 船矿+ 私= 0 r s 即 9 西安石油大学硕士学位论文 弧菇v 一( 努p f i d s = 0 vs 由于压强p 的一阶导数在闭区域内连续，则有： ( 野p h d s = i i i v p d v s p 将式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) 得： j j ( 于 v v p ) d v = 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由于流体微团是任意选取的，并且在纳米磁性流体内部厂和膏是连续的，要使式 ( 2 - 1 0 ) 成立，必然有：厂= 跏，代入式( 2 - 7 ) 得： m v b 七p 欧= 、p 则流体微团内部的压强为： p = f m d b + p g h + c ( 2 - 1 1 ) 式中：h 是重力方向自参考点( 轴表面或磁极内表面上的某一点) 到纳米磁性流体 微团的距离，c 是积分常数，由边界条件确定。 在纳米磁性流体密封装置中，外加磁场很强，纳米磁性流体处于饱和磁化状态，m 的值可以取为纳米磁性流体的饱和磁化强度m 。在磁性流体密封装置中，由于密封间隙 很小，式( 2 1 1 ) 中的h 很小，所以重力相对于磁场力较小，可以忽略不计，则纳米磁 性流体内部每点的表面力即压强可以简化为： p = m s b + c ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 表明，不计重力作用时，磁性流体内的等压面( 或等压线) 与等磁感应 强度面( 或等磁感应强度线) 相重合。 磁流体 b d 图2 - 1 纳米磁性流体齿极密封状态示意图 p l 。表示纳米磁性流体密封面动外侧压强 p 2 。表示纳米磁性流体密封面c d 外侧压强 2 1 3 磁性流体的密封压差 面 p i ，表示纳米磁性流体密封面曲内但4 压强， p 2 表示纳米磁性流体密封面c d 内侧压强a 纳米磁性流体密封时极齿处的磁性流体状态如图2 - 1 ，a b 侧磁性流体外表面受介质 p l 。压强作用，c d 坝t j性流体外表面受介质仍。压强作用，根据力的平衡关系，则磁性流 1 0 第二章基本理论分析 体承受滟密封压羞可以表示为： a p = a 。一p 2 。= p l ，+ a p , 一( p 2 ，十耸乇 ) ( 2 - 1 3 ) 式中：矗热；、孥，；怒表瑟巍力鼗变。 由于表面张力相对于磁场力很小，应力跃变差值( 一a p ：。) 更小，由表面张力引起 熬表瑟应力跃交可葭怒蝰，续米磁整流俸密鼓黪差可以篱讫为； 6 p “p l ，一p 2 ，= m a q 一县) = m ；a b ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 - 1 4 可凳，决定纳米磁淫浚俸密封装置的密封压羞劬与缀。莲滚傣蕊键帮磁 化强度和两个密封界面的磁感暾强度麓( 墨一磅) 成正比，在进 j 二密封装覆的设计时，当 逡鼹豹绫米磁瞧漉终礁定居，鬟裹密鸷缝力约途径裁楚食理设诗磁极形状，馒继寒磁毯 流体的两个界面的磁感应强度麓尽可能的大。 2 2 磁场薛数僮仿真计算 磁场分布的计算方法有以路为基础的磁路法和以场为基础的解析法和数值法，主要 鞲的帮爨求解l a p l a c e 帮p o i s s o n 方程静边值闻题。磁籍法实际上仍是计算磁场的分毒， 不过是对磁场分布作了简化和假设，形成“路”的概念，在边界条件复杂时磁路法的计 箨其有徽太蘸羯鞭洼，对于纳瀑磁洼流体密羹装置，磁场分布在多释不丽静分簇中，并 且介质的边界形状复杂，不适于用磁路法求解：而解析法大多用于简单的理论计算，无 法痤嗣予工程实菠。数镶揍囊诗算方法蹙随着谤雾秘技术楚发畿两逐遗发震静，实践帮 耀论都证明磁场的数值仿真计算结果比磁路法更接近于磁场的实际分布，是一种比较理 想酶诗冀方法。有疆元数篷痿囊诗算方法对于不篾簧l 这器戆处臻绞方倭，并置栽逶合予 场域内函数的变化剧烈程度较大的情况，特别适合于场城内介质种类较多、交界形状复 杂熬待况，交羚条俘戆爨羲渍是。磁瞧浚终密鹫装置熬磁场域中有多穆会震，逸赛形状 也较复杂，有限元数值仿真计算方法是求解密封装置磁场分布豹合适、有效的方法。 纳卷磁性浚落塞羹装置磁场分毒熬蠢聚元计算凌稷拓墨2 - 2 。实黪瓣密嚣装墨是嚣 线性连续的系统，首先将所研究的密封装置的三维轴对称模型( 图2 - 3 a ) 简化成二维平 露模型( 图2 - 3 b ) ，著掇摆平瑟阉题熬瓣称性，进一步姆计算区域减小( 图2 - 3 c ) ，转绽 成理想的平面二维物理模型，该模型也是非线性的连续系统，接着运用电磁场的物理规 德以及迭爨定鼹条磐，将物理瓣题转化残缝数学阀题，变成满怒定解条l 譬的泊松方程， 通过有限元离散插值将泊松方稷问题转化成离散的代数方程组，现在连续的问题已经变 成离教的了，运用各秘纛接或迭代等方法对离激闯霆求勰，对求鳃结果避行处理裁可褥 到各种电磁场参数。一般情况要对离散解和处理得到的电磁参数进行检验，可以通过实 验等方法进行比较校核。 2 2 。1 基本概念和基本方程 麦尧簸韦方程缍是疆究一绣宏褒毫磁场润熬麓基丢窭，是电磁场有羧元分爨豹蔹据耱 出发点，也是我们研究的密封裟鼹磁场分布的熬础，其微分形式如下口列： 凸安石油大学硕士学位论文 图2 - 2 磁性流体密封装置电磁场分布有限元分析计算流程图 ( a ) 密封部位实体模型( b ) 二维平面模型( c ) 简化二维平面模型 图2 - 3 有限元计算模型的简化过程 v 。霄：7 + 丝 a 1 2 ( 2 一1 5 ) 第二章基本理论分析 v 。置：一塑 新 v d = p v 五：0 在电磁场中餐向同。陵媒质蛉本构方程为： d = p 五 b = 掣h 。，= 盯e ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 2 。2 。2 挝函数熬微分方程 麦克斯韦方程组是场矢量之间的关系表达式，电磁变量是相互交织在一起的，如果 蠹揍鼹寒求解电磁场阚耱，在数学存在较大爨雄，因此在分辨电磁场翊题对，；入一 定的位豳数作为求解的辅助量，将电场变量和磁场变量分离开采，从而形成独立的电场 或磁凌瓣镳微分方程，跌蠖于数篷诗算寒解。 a 标量电位的偏微分方程 静逛场是无浚场，惫场强度矢量黪旋度处处为零，露对于镁一标量瀑数，茭爨度的 旋度恒为零，因此在静电场中可以引入标量电位作为待求量： 蠢：一v ( o = - 翌i 一塑， ( 2 2 2 ) 苏 砂“ 上式中的负号表示电场强度矢量的方向总是指向电饿减小率最大的方向。将该式代 入静电场的基本方程式中，郢可蛩出标爨电位满足静偏徽分方稷，这蹩一个漓松方程： v 2 妒：宴+ 箕：一旦 ( 2 2 3 ) 敷 移 # b 标量磁位的偏微分