液压缸磁流体密封的有限元分析及实验研究

郝付祥， 穆安乐

(西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048)

液压缸是一种做往复直线运动的液压装置，它能够将液压能转化为机械能而很好地用于工程机械中[1]。然而液压缸存在着液压油的外泄漏问题，尤其局部外泄漏是长期难以解决的问题[2]。这将会大大降低液压缸的工作效率，从而缩短液压缸的寿命，因此降低液压缸的外泄漏具有十分重要的意义。

田俊等[3]对O型密封圈进行了失效的分析与研究，梅钰[4]通过Abaqus对密封圈的接触应力进行了特性研究，唐颖达等[5-6]对液压缸往复件密封性能试验方法标准进行了研究。以上均是采用传统的密封方式，随着液压缸活塞杆的往复运动，会对密封圈造成严重的磨损，降低工作寿命。因此，传统的密封方式很难达到零泄漏的目的。

磁流体密封技术是一种新型的密封技术，具有零泄漏、寿命长、可靠性高而且结构简单，能够承受低温和高速载荷[7-11]。现在普遍应用于航空航天、机械和石油等领域[12-13]。杨小龙等[14-15]提出大间隙阶梯式磁流体旋转密封的理论，并进行了仿真与实验，孙明礼等[16]对磁流体旋转密封进行了仿真与优化。

1 磁流体往复密封理论研究

本文设计了一种用于液压缸的4级磁源磁流体往复密封结构，见图1。

图1 4级磁源磁流体密封结构Fig.1 Magnetic fluid seal structure with four magnetic sources

当液压缸的往复轴在一定的运动速度下时，密封间隙内的磁性液体膜从开始运动一直到某一位置处停下，这时候处于一种新的平衡，见图2中虚线所示的位置。

图2 往复轴磁流体密封耐压物理模型Fig.2 Physical model of pressure resistance of magnetic fluid seal for reciprocating shaft

于是磁流体往复密封的理论公式[17]为：

ΔP=Ph-P0=[H(XC)-H(XB)]μ0MS+

(1)

式中：Ph为高压侧的压力；P0为大气压力；H(XC)与H(XB)分别为C、B点的磁场强度；μ0为空气磁导率；MS为磁性液体的饱和磁化强度；η为磁性液体的动力粘度；V为往复轴的速度；h(xC)为C点对应的磁性液体的膜厚；D为密封齿间往复轴的间隙；σ为磁性液体的表面张力。

实验表明[4]，当磁性液体量比较充足且往复轴运动速度不大时，可以忽略速度对磁流变密封的影响，也可以忽略磁流变表面张力及粘度的作用，因此单个极齿密封耐压能力简化为：

ΔP=Ph-P0=[H(xC)-H(xD)]μ0M

(2)

因此水平方向的第i级极齿密封耐压过程见图3。得到了第i级磁流变密封压力平衡公式：

当X 0,Y1=0是进化稳定的战略，政府激励对策无效的概率为0，即政府选择釆取激励对策，并且激励效果理想，在被动房推广上进行了良好合作，并最终达到帕累托最优均衡。

(3)

图3 第i级极齿密封过程图Fig.3 Sealing process diagram of stage i pole tooth

当P1=P2时，磁流变往复密封耐压能力为零。当P1>P2时，则在新的压力平衡下，密封间隙中的磁流体将沿着压力梯度差方向被拉向合适的位置。考虑磁流体的饱和磁化强度远小于外磁场，因此，式(3)可简化为：

(4)

2 磁流体密封结构参数的确定

为研究液压缸磁流体密封结构参数对密封耐压能力的影响，结构参数尺寸见表1。

表1 4级磁源并联型磁路结构的参数Tab.1 Parameters of parallel magnetic circuit structure with four magnetic sources

在ANSYS有限元分析软件中，赋予极靴和轴的材料属性均为2Cr13。采用ANSYS磁场有限元方法研究了极齿长度、极靴高度与往复轴直径之比对应的临界压力的影响。由于密封结构关于Y轴对称，因此三维磁流体密封的轴对称问题可以简化为二维模型来处理。本文中选用的永磁体材料为矫顽力为1.356×106A/m的钕铁硼，磁流体选用的是磁化饱和强度为307 kA/m的磁流变液。构建4级磁源磁流体密封结构的二维模型，给各部分赋予相应的材料属性，选用智能网格划分，网格精度为1级，网格的划分是采用四个结点，生成如图4所示的网格，最后用求解器求解。

图4 ANSYS分析模型网格划分Fig.4 ANSYS analysis model meshing

3 磁场有限元分析及结果计算

3.1 极齿长度对磁流体密封耐压能力的影响

极齿长度是影响磁流体密封耐压能力的重要参数之一，本文研究极齿长度的变化规律对于研制出高密封性能的磁流变密封装置具有重要的意义。不同的极齿长度所对应的磁流体密封耐压能力见图5。

I-0.9 mm; II-0.8 mm; III-0.7 mm; IV-0.6 mm。图5 不同极齿长度下磁场分布状态Fig.5 Magnetic field distributions under different pole teeth conditions

从图5所示的磁场分布状态图中可以清晰的看出，4级磁源磁流体密封结构的极齿长度越长，对应的磁感应强度就会越大。极齿的长度为0.9 mm时，最大的磁感应强度到达2.15 T，而极齿长度为0.6 mm时，所对应的的最大磁感应强度为1.8 T。这其中的主要原因是各个参数都不变的情况下，极齿长度越长，则对应的磁场梯度差就越大，聚磁效果就更佳，于是磁感应强度就越大。

根据图5所示的磁感应强度分布图以及磁流体密封耐压公式，可以计算出不同的极齿长度所对应的密封耐压能力值，其结果见图6。

图6 极齿长度与密封耐压能力关系图Fig.6 Relationship between length of pole teeth and sealing pressure capability

从图6中不难看出，磁流体密封耐压能力随极齿长度的增加先增大而后减小，极齿长度为0.7 mm时，出现了拐点，即此时的密封能力值最大。原因是极齿长度0.7 mm左右时，恰好达到磁回路的最大磁能积，此时极齿长度再增加，使得回路中通过的磁通量减少，从而导致耐压能力值下降。

3.2 极靴高度与轴径之比对磁流体密封耐压能力的影响

极靴与永磁体直接接触，因此极靴高度与轴径之比是影响磁流体密封的一个重要参数。当密封间隙为0.1 mm时，采用控制单一变量法，在不改变其他参数的情况下，只改变极靴高度极靴高度与轴径之比，从而得到不同密封间隙内的磁场分布状态，见图7。在图7中可以看出，磁场强度随着极靴高度与往复轴径之比的增大而减小，这是因为往复轴半径不变，随着极靴的高度增加，导致极靴内部的磁阻增大，从而磁场强度减小。此外从图7中还可以明显看出，两侧极靴的磁感应强度明显低于中间极靴的磁感应强度，因为两侧极靴中的磁通量是由单个永磁体产生的，而中间极靴的磁通量是由两个永磁体产生的。

I-0.6; II-0.8; III-1.0; IV-1.2。图7 不同极靴高度与轴径之比的磁感应强度Fig.7 Magnetic flux densities at the different ratio of pole piece height to the shaft radius

根据图7所示的磁场分布图以及磁流体密封理论公式，计算得到不同的极靴高度与轴径之比所对应的密封耐压能力值，见图8。

图8 极靴高度与轴径之比对密封耐压能力关系图Fig.8 Effect of the ratio of pole piece height to the shaft radius on MRF sealing pressure capability

在图8中清楚的看到密封耐压能力随着极靴高度与轴径之比的的增加而减小。根据磁路定律可以知道，极靴高度与轴径之比增加，极靴内部的磁阻就会增大，于是磁通密度降低，穿过的磁通量减少，导致密封能力下降。

4 磁流体往复密封实验研究

将设计的磁流体密封结构安装在如图9所示的液压缸实验台上。

1-液压缸往复轴；2-密封结构组件；3-液压油泵；4-液压油箱；5-带有显示器的控制台。图9 液压缸密封实验台Fig.9 Hydraulic cylinder seal test bench

4.1 往复轴速度对密封能力的影响

液压缸往复轴的速度对于磁流体密封能力会有很大的影响，在本次实验中，固定液压缸往复轴的行程为100 mm，分别实验研究了往复轴的速度为0 mm/s、1 mm/s、2 mm/s、3 mm/s、4 mm/s和5 mm/s 时对应的密封能力，其结果见图10。

图10 往复轴速度对磁流体密封能力的影响Fig.10 Influence of reciprocating shaft speed on magnetic fluid sealing ability

在图10中看到，往复速度为0 mm/s时，磁流体的密封能力最大，当速度为5 mm/s时，磁流体的密封能力减小了1.7 MPa。其中的原因是往复轴的速度越大，则拖拽出磁流体的体积量就越多，导致参与密封作用的磁流体量减少，造成密封能力下降。

4.2 往复轴行程对密封能力的影响

液压缸往复轴的速度固定为3 mm/s不变，研究当往复轴的行程为40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、200 mm和240 mm时所对应的磁流体密封能力，其结果见图11。

图11 往复轴行程对磁流体密封能力的影响Fig.11 Influence of reciprocating shaft distance on magnetic fluid sealing ability

从图11中可以清楚的看出，速度不变时，改变往复轴的运动行程，其密封能力是不变的。这说明往复行程对磁流体密封能力的影响不明显。

4.3 保压时间对密封能力的影响

保压时间对磁流体密封结构的效果起到一个很好的检验效果，因此对保压时间的实验研究是很有必要的。当液压缸往复轴的速度为0时，实验研究了保压时间为4 h、8 h、12 h、16 h和20 h时对磁流体密封能力的影响，结果见图12。

图12 保压时间对磁流体密封能力的影响Fig.12 Influence of holding time on magnetic fluid sealing ability

通过静态保压时间的实验证明了用于液压缸的4级磁源磁流体密封结构的有效性，可以有效地防止液压缸的泄漏问题，为提高液压缸的工作效率提供有利的保障。

5 结 论

本文设计了用于液压缸的4级磁源磁流体密封结构，用有限元法分析了极齿长度和极靴高度对磁流体密封能力的影响，用实验法分析了往复轴的速度、往复轴的行程以及保压时间对磁流体密封能力的影响，其结果为如下。

1) 随着极齿长度的增加，磁流体密封能力先增大后减小，并且当极齿长度为0.7 mm时，密封能力值达到最佳。随着极靴高度的增加，磁流体密封耐压能力值减小。

2) 随着液压缸往复轴速度增大，磁流体密封能力下降。随着液压缸往复轴行程的增大，磁流体密封耐压能力的变化不大。往复轴速度为零时，随着保压时间的增加，磁流体密封耐压能力的变化几乎无变化。

3) 通过实验研究，证明了设计的4级磁源磁流体密封结构的可靠性，这为研制出适合液压缸的密封装置提供了基础。