一种基于增材制造的磁流体密封装置

1.本发明涉及机械工程密封技术，尤其涉及一种基于增材制造的磁流体密封装置。


背景技术：

2.随着工业技术的不断发展，各领域对密封的要求逐渐增大，尤其是在化工机械领域。化工机械设备中的反应物为易燃易爆、有毒性的物质，因此不能泄露，对设备的密封性能要求极高。但传统的动密封装置不能完全胜任密封的要求，如填料密封和机械密封技术虽然可以满足动密封的要求，但随着设备的运转密封性能逐渐下降直到失效，因此研究一种寿命长、密封性能可靠的密封结构成为热点研究内容。
3.磁流体密封技术是近年来发展快速的密封技术，具有零泄漏、无污染、密封性能可靠等优点。磁流体密封是利用永磁体将磁流体固定在密封间隙内，形成液体密封圈，通过磁流体抵抗两侧形成的压差，从而达到密封要求。因此磁流体密封技术完全满足化工机械的密封要求。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种基于增材制造的磁流体密封装置，解决了旋转轴动密封不能达到零泄露的问题，使该密封技术能够应用于复杂的工作环境中。
5.技术方案：本发明所述的基于增材制造的磁流体密封装置，包括轴、套筒、第一轴承、第一轴承挡环、第一隔磁环、第一迷宫极靴、第一迷宫轴、永磁体、轴套挡圈、螺钉、第二迷宫极靴、第二迷宫轴套、第二隔磁环、第二轴承挡环、第二轴承、隔磁套、后端盖、压紧螺栓及各零件的橡胶圈；
6.所述轴穿过并延伸至套筒和后端盖的两端外，在套筒内部的轴外表面开有螺纹孔，通过螺钉与第一迷宫轴套、第二迷宫轴套、隔磁套、第一轴承挡环、第二轴承挡环配合固定；
7.所述的第一迷宫轴套为软磁材料，上端为矩形极齿，极齿数量为四个；与第一迷宫极靴同轴度配合形成迷宫型密封结构，下端两侧位置开孔与螺钉配合，通过螺钉安装固定在轴上，在内孔端面设置成阶梯凹槽形状，设有轴套橡胶圈，与隔磁套端面的间隙通过第一迷宫轴套和轴套橡胶圈装配进行静密封；所述第二迷宫轴套与第一迷宫轴套的结构相同，两端位置开有螺纹孔，通过螺钉安装于轴上，同时两端位置开有阶梯槽，安装轴套橡胶圈，两个轴套相邻端面安装有轴套挡圈；
8.所述的第一迷宫极靴也为软磁材料，内侧为矩形极齿，极齿数量为三个；第一迷宫极靴两极齿之间的齿槽宽度略大于第一迷宫轴套的齿槽宽度，第一迷宫极靴的极齿与第一迷宫轴套的矩形极齿相间配合，形成迷宫型密封结构，在第一迷宫极靴上方开磁流体补加孔，贯穿极靴的三个极齿，可以通过此孔补加磁流体，在第一迷宫极靴外圆面开凹槽，通过安装极靴橡胶圈密封第一迷宫极靴与套筒间的间隙；所述第二迷宫极靴与第一迷宫极靴结构相同，与第二迷宫轴套装配，两个极靴相邻端面分别与永磁体接触，通过永磁体将极靴、
轴套磁化，永磁体外表面与套筒内表面接触；
9.所述的永磁体左端面与第一迷宫极靴接触，右端面与第二迷宫极靴接触，使极靴磁化传导磁力；
10.所述轴套挡圈为软磁材料，轴套挡圈安装在隔磁套上，挡圈左端面与第一迷宫轴套安装，右端面与第二迷宫轴套安装；
11.所述的第一隔磁环为非导磁材料，形状为截面是“t”字形的圆环，大端面与第一迷宫极靴端面接触，小端面与第一轴承外环端面接触，所述第二隔磁环与第一隔磁环结构材料相同，大端面与第二迷宫极靴接触，小端面与第二轴承外环端面接触；
12.所述的隔磁套为非导磁材料，形状为空心圆筒，隔磁套安装在轴上，外表面与第一迷宫轴套、第二迷宫轴套接触，在两端位置开螺纹孔，通过螺钉配合与轴固定，随轴一起旋转；
13.所述的第一轴承挡环为非导磁材料，截面形状为“l”字形的圆环，内表面与轴接触，外表面和小端面与隔磁套接触，大端面与第一轴承内环端面接触，在外表面开螺纹孔，通过螺钉配合与轴固定，所述第二轴承挡环与第一轴承挡环结构相同，大端面与第二轴承内环端面接触，小端面与隔磁套内表面接触，在外表面开螺纹孔，通过螺钉安装固定在轴上，随轴一起旋转；
14.所述的套筒为非导磁材料，套筒内壁与第一迷宫极靴、永磁体、第二迷宫极靴接触，使各零件固定在套筒内，不会发生径向跳动，在套筒前端面四个位置开孔，可以与相应的设备配合连接；后端面开有四个螺纹孔，通过压紧螺栓与后端盖配合压紧，使内部零件不会发生轴向窜动；
15.所述的后端盖与套筒后端面接触，采用过渡配合通过压紧螺栓与套筒固定；
16.所述第一轴承外环端面分别与套筒、第一隔磁环接触，内环端面与第一轴承挡环接触。
17.进一步的，所述永磁体的材料为钕铁硼，具有强磁性，可以磁化软磁材料。
18.进一步的，所述第一迷宫极靴的极齿与第一迷宫轴套的矩形极齿相间配合，形成迷宫型密封结构，密封间隙为0.1mm，极齿两侧距离0.5mm。
19.进一步的，所述第一迷宫极靴和第二迷宫极靴的极齿一侧具有倾角，倾角大小为50
°
，此角度下，极靴形成尖端聚集，可以固定更多的磁流体，使密封性能更加优秀。
20.进一步的，所述第一迷宫极靴、第一迷宫轴套、第二迷宫极靴和第二迷宫轴套采用增材制造的形式加工，采用软磁材料逐层堆积，最后去除外部支架，形成迷宫密封结构的装配体。利用逐层堆积的原理完成制造，使其在加工制造时完成装配，避免了逐一单独加工后，不能装配的问题。
21.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：通过迷宫型密封结构的设计，以增材制造的方式加工迷宫型密封装置，利用永磁体为磁源，将迷宫极靴、迷宫轴套磁化使其具有磁性，形成磁回路，而且通过隔磁环、隔磁套的作用，使得永磁体的磁力主要在极靴和轴套间流动，增大了磁通密度，减少了漏磁，使密封间隙内的磁流体可以最大限度的稳定保持在极齿附近，形成“o”型密封圈。同时每两齿之间密封了一定量的空气，增大了密封结构的耐压差，提高了密封性能。所有零件线性排列，由后端盖的压紧螺栓固定，减少零件的轴向窜动，从而减小零件间的间隙，以防止泄露。各零件的接触处均为静密封要求，安装橡胶圈
来密封间隙。
附图说明
22.图1为本发明结构爆炸图；
23.图2为本发明径向剖视图；
24.图3为磁流体补加孔处的局部视图；
25.图4为极齿装配处的局部视图；
26.图5为第一迷宫极靴的局部剖视图和轴测图；
27.图6为第一迷宫轴套的局部剖视图和轴测图；
28.图7为极靴轴套增材制造切片效果图。
29.图8为极靴轴套增材制造切片轴测图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
31.如图1所示的基于增材制造的磁流体密封装置，包括轴1、套筒10、第一轴承12、第一轴承挡环15、第一隔磁环11、第一迷宫极靴8、第一迷宫轴套7、永磁体6、轴套挡圈5、螺钉24、第二迷宫极靴18、第二迷宫轴套17、第二隔磁环19、第二轴承挡环21、第二轴承20、隔磁套16、后端盖3、压紧螺栓4及各零件的橡胶圈。
32.如图2所示，所述轴1是一个光轴，所述轴1穿过并延伸至套筒10和后端盖3的两端外，在套筒10内部的轴1外表面开有螺纹孔，通过螺钉24与第一迷宫轴套7、第二迷宫轴套17、隔磁套16、第一轴承挡环15、第二轴承挡环21配合固定；
33.如图6所示，所述的第一迷宫轴套7的材料为软磁材料，可以被磁化并传导磁力，上端为矩形极齿7-1，极齿数量为四个；与第一迷宫极靴8同轴度配合形成迷宫型密封结构，下端两侧位置开孔与螺钉24配合，通过螺钉24安装固定在轴1上，使第一迷宫轴套7可以随轴1以同样的速度旋转，在内孔端面设置成阶梯凹槽形状，设有轴套橡胶圈13，与隔磁套16端面的间隙通过第一迷宫轴套7和轴套橡胶圈13装配进行静密封；所述第二迷宫轴套17与第一迷宫轴套7的结构相同，两端位置开有螺纹孔，通过螺钉24安装于轴1上，同时两端位置开有阶梯槽，安装轴套橡胶圈13，两个轴套相邻端面安装有轴套挡圈5；
34.所述的第一迷宫极靴8的材料也为软磁材料，可以被永磁体6磁化并传导磁力，内侧为矩形极齿8-1，极齿数量为三个；第一迷宫极靴8两极齿之间的齿槽宽度略大于第一迷宫轴套7的齿槽宽度，以便可以与第一迷宫轴套7同轴度配合，如图4所示，第一迷宫极靴8的极齿8-1与第一迷宫轴套7的矩形极齿7-1相间配合，形成迷宫型密封结构，密封间隙为0.1mm，极齿两侧距离0.5mm。如图3所示，在第一迷宫极靴8上方开磁流体补加孔25，贯穿极靴的三个极齿8-1，可以通过此孔补加磁流体，通过注射器将将磁流体补充到密封间隙内，形成液体“o”型圈，将动密封转化为静密封来完成密封。同时每两齿之间也会密封住一定量的空气，此空气圈同样可以起到密封的作用。如图5所示，在第一迷宫极靴8外圆面开凹槽，通过安装极靴橡胶圈9来密封第一迷宫极靴8与套筒10间的间隙；所述第二迷宫极靴18与第一迷宫极靴8结构相同，与第二迷宫轴套17装配，两个极靴相邻端面分别与永磁体6接触，通过永磁体6将极靴、轴套磁化。永磁体6外表面与套筒10内表面接触。所述第一迷宫极靴8和
第二迷宫极靴18的极齿一侧具有倾角，倾角大小为50
°
。如图7、8为第一迷宫极靴8、第一迷宫轴套7、第二迷宫极靴18和第二迷宫轴套17采用增材制造的方法加工的效果图，以支架22为支撑，在打印平台23上逐层堆积打印成型。打印成型后，去除外部支架22，将零件从打印平台23上取下，极靴与轴套完成装配。
35.所述的永磁体6的材料为钕铁硼(ndfeb)，是一种稀土材料，具有强磁性，可以磁化软磁材料。永磁体6左端面与第一迷宫极靴8接触，右端面与第二迷宫极靴18接触，使极靴磁化传导磁力。
36.所述轴套挡圈5的材料为软磁材料，具有被磁化传导磁力的能力。轴套挡圈5安装在隔磁套16上，挡圈左端面与第一迷宫轴套7安装，右端面与第二迷宫轴套17安装。
37.所述的第一隔磁环11的材料为非导磁材料，不能被磁化传导磁力。形状为截面是“t”字形的圆环，大端面与第一迷宫极靴8端面接触，小端面与第一轴承12外环端面接触。所述第二隔磁环19与第一隔磁环11结构材料相同，大端面与第二迷宫极靴18接触，小端面与第二轴承20外环端面接触。
38.所述的隔磁套16的材料为非导磁材料，不能被永磁体6磁化。形状为空心圆筒。隔磁套16安装在轴1上，外表面与第一迷宫轴套7、第二迷宫轴套17接触。在两端位置开螺纹孔，通过螺钉24配合与轴1固定，随轴1一起旋转。
39.所述的第一轴承挡环15的材料为非导磁材料，不能被磁化。截面形状为“l”字形的圆环，内表面与轴1接触，外表面和小端面与隔磁套16接触，大端面与第一轴承12内环端面接触。在外表面开螺纹孔，通过螺钉24配合与轴1固定。所述第二轴承挡环21与第一轴承挡环15结构相同，大端面与第二轴承20内环端面接触，小端面与隔磁套16内表面接触，在外表面开螺纹孔，通过螺钉24安装固定在轴1上，随轴1一起旋转。
40.所述的套筒10的材料为非导磁材料，不能被永磁体6磁化。套筒10内壁与第一迷宫极靴8、永磁体6、第二迷宫极靴18接触，使各零件固定在套筒内，不会发生径向跳动。在套筒10前端面四个位置开孔，可以与相应的设备配合连接；后端面开有四个螺纹孔，通过压紧螺栓4与后端盖3配合压紧，使内部零件不会发生轴向窜动。
41.所述的后端盖3与套筒10后端面接触，采用过渡配合通过压紧螺栓4与套筒10固定。
42.所述第一轴承12外环端面分别与套筒10、第一隔磁环11接触，内环端面与第一轴承挡环15接触。
43.本发明的磁流体密封装置特征在于迷宫型密封结构形式，第一迷宫极靴8与第一迷宫轴套7采用增材制造的技术进行加工，利用逐层堆积的原理完成一体化加工，使两个零件在加工时便完成装配。第二迷宫极靴18与第二迷宫轴套17同样采用增材制造的技术加工。
44.本发明的磁流体密封装置通过区分零件材料使磁力主要集中在工作零件内。本发明中第一迷宫极靴8、第一迷宫轴套7，第二迷宫极靴18、第二迷宫轴套17、轴套挡圈5采用软磁材料；第一隔磁环11、第二隔磁环19、隔磁套16、套筒10采用非导磁材料；永磁体6为磁源，形成的磁力回路为：永磁体6
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第一迷宫极靴8
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第一迷宫轴套7
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轴套挡圈6
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第二迷宫轴套17
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第二迷宫极靴18
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永磁体6。磁力主要集中在极靴的极齿处，使密封间隙内的磁流体可以稳定的保持在极齿附近，形成液体状的“o”型密封圈来完成密封。
45.轴1与隔磁套16、第一迷宫轴套7、第二迷宫轴套17、第一隔磁环11、第二隔磁环19通过螺钉24连接固定，在轴1的旋转过程中，以上零件随轴1一起转动。第一迷宫极靴8、永磁体6、第二迷宫极靴18通过轴承、后端盖3等零件压紧固定不动。