坦克周视镜磁性液体密封的设计与实验研究

陈燕，李德才

(北京交通大学机械工程系，北京100044)

军用坦克系统中的火控系统部分是坦克的重要组成部分，火控系统中的周视镜的密封问题一直是一个难题。目前，各国军用坦克周视镜转轴的密封结构都采用的是传统的密封方式，并多为各种型式的毛毡密封，在静止件上加工出梯形槽，将毛毡按标准制成环形或带形，放置在梯形槽中与轴接触，起到密封作用［1］。

毛毡密封结构简单，成本低廉，尺寸紧凑，对轴的偏心和窜动不敏感。但毛毡密封也存在很多问题，毛毡密封摩擦力矩较大［1］。所以它会损耗周视镜的能量，导致周视镜转动不灵活，影响工作质量;传统的毛毡密封对于密封圈的磨损较大，密封圈的寿命短，需要经常更换密封圈，这样工作量很大，浪费人力物力;毛毡密封的安装比较困难，若安装过紧，会使毛毡弹力降低，密封性能下降而且压力过大，摩擦阻力也会增大，毛毡会因过热而过早损坏，若安装过松则起不到密封作用;毛毡密封由于摩擦较大，对与其接触的轴的加工精度要求很高，还要进行抛光处理，加工工艺复杂，成本很高;毛毡密封可靠性较低，外界的灰尘、雨水、杂质都有可能进入周视镜，影响周视镜的工作。另外，毛毡密封在安装前，为降低摩擦，避免产生高温，失去密封能力，必须先用润滑油浸透，所以毛毡在工作过程中可能漏油，污染周视镜的工作环境。总之，传统的周视镜密封效果并不好，坦克周视镜的工作环境又比较恶劣，在实际使用过程中因密封带来的问题很多，给坦克周视镜的工作带来很多的不便。

为此，采用磁性液体密封成功地解决坦克周视镜的密封问题。磁性液体密封有如下优点:严密的密封性;不可测量的泄漏率;使用寿命长;高可靠性;完全无污染;最佳的扭矩传递，传动轴可进行100%的扭矩传动而没有功率损耗;低的摩擦;运转平稳等优点［2－5］。

1 实验过程和方法

1.1 坦克周视镜磁性液体密封的设计

1.1.1 坦克周视镜磁性液体密封结构方案

坦克周视镜的磁性液体密封结构方案如图1所示，密封套采用可导磁材料加工而成，将极靴磁铁通过螺母固定在非导磁轴套上，非导磁轴套通过螺纹结构固定在中间壳体部件上，密封套与一个空心轴连接，电机带动空心轴和密封套转动，而中间壳体部件以及固定在其上的非导磁轴套、极靴、磁铁都静止，在极靴和密封套的间隙中注入磁性液体后，磁铁、极靴、磁性液体、可导磁密封套就会构成导磁回路，磁性液体就会充满密封间隙，形成数个液态的“O”型圈，起到密封作用;另外图1中的2 个“O”型密封圈起到了静密封的作用，防止被密封介质通过配合间隙和螺纹连接结构进入周视镜。

图1 坦克周视镜密封结构方案Fig.1 Seal scheme of tank panoramic mirror

1.1.2 坦克周视镜磁性液体密封的设计

1)极齿形状的选取

采用矩形齿结构作为密封极齿，矩形齿磁性液体密封示意图如图2所示，其参数选取:Lt/Lg=3，Ls/Lg=8，Lh/Ls=1.25，其中Lt为齿宽，Lh为齿高，Ls为槽宽，当密封间隙取Lg=0.1 mm 时，Lt=0.3 mm，Lh=1 mm，Ls=0.8 mm.

图2 矩形齿磁性液体密封示意图Fig.2 Rectangular teeth of magnetic fluid seal

2)永久磁铁的设计［4］

永久磁铁轴向长Lm=2f1H0Lg/Hm，f1为磁路的磁压损失系数，一般取f1=1.05～1.55，Hm为组成磁路后永久磁铁内部的实际工作磁场强度。

永久磁铁横截面积

式中:φm为永久磁铁的磁通;Bm为永久磁铁工作点的磁感应强度;R1为永久磁铁内径;R2为永久磁铁的外径。

得出永久磁铁的最终尺寸如图3所示。

图3 永久磁铁图Fig.3 Permanent magnet

根据以上的计算分析，加工出了如图4所示的密封结构。

1.2 磁性液体密封耐压能力理论计算

1.2.1 磁性液体Bernoulli 方程

由磁性液体的运动方程［5］

和磁性液体的连续性方程［6］

并假设:

1)磁性液体的密度ρf为常数;

2)流动是有势的;

图4 磁性液体密封Fig.4 Magnetic fluid seal

3)磁性液体是内禀性的。

得出磁性液体Bernoulli 方程的一般形式

式中:C 为常数;p*=p+pm+ps，pm为液体的磁化压力MdH，ps为磁性液体的磁致伸缩压力，

对于磁化强度M 与密度ρf成正比的磁性液体，pm+ps=0 就得到更为简单的结果:

1.2.2 边界条件

由边界条件的一般表达［5］

式中:n0为边界模的法向单位矢量磁性液体的分界面两侧参数分别用下标1 和2 表示;τ为表面应力，表面张力pc=σ(1/R1+1/R2);

R1和R2是界面曲面的2 个主曲率半径;σ 为表面张力常数，用pc置换(4)式中的(τ1－τ2)，则得

若下标2 是属于一种非磁性的普通流体，下标1 是磁化强度M 正比于密度的磁性液体，则有

若下标2 表示大气环境，p2=pa，1 是表示磁化强度正比于密度的磁性液体，则p1m+p1s=0，又交界面上的表面张力pc可以忽略，则

1.2.3 磁性液体密封耐压公式假设:

1)磁性液体本身的重力和磁场力相比较，可以忽略;

2)磁力线可以近似用圆弧来代替，并且认为等磁场线与磁力线相重合;

3)忽略铁磁性液体的表面张力。

将3 个假设用(2)式并结合(6)式得

当H1达到最大值Hmax，H2达到最小值Hmin，磁性液体两侧表面的磁场力之差所能平衡的压力差是最大的，即

又近似假设，整个磁性液体密封膜均处于饱和磁化状态，则有

1.2.4 密封间隙下磁场的数值计算

由ANSIS 软件算得密封齿下的磁场分布如图5所示，在图5中，横轴为距离(mm)，纵轴为磁场强度(A/m).

根据图5分别得出三齿的最大和最小磁场强度，其中，Hmax，1=9.75 ×105A/m，Hmax，2=10.15 ×105A/m，Hmax，3=8.50 ×105A/m，Hmin，1= Hmin，2=Hmin，3=2.10 ×105A/m.

1.2.5 结构密封耐压能力的计算

图5 密封间隙下磁场分布图Fig.5 Magnetic field distribution in gap

2 实验方法及结论

1)耐压实验:在图6所示的实验台上，对坦克周视镜进行磁性液体密封的耐压实验。用干燥的氮气瓶给磁性液体密封冲压120 kPa，该值已远大于实际工作时所承受的压力，观察是否有泄漏。

图6 车长周视瞄准镜磁性液体密封实验台Fig.6 Experimental setup of MF seal

实验过程中没有发现泄漏，达到了实验要求。

2)低温实验:在图7所示的高低温实验箱上，对坦克周视镜进行磁性液体密封的低温实验。样机内腔充满干燥氮气，氮气的露点温度为－53 ℃，纯度达99.99%.超压(35 ±1)kPa，降温至－40 ℃，恒温1 h，通电工作(驱动电压DC2.5 V)，观察回转部位是否能自由转动?连续工作4 h 后恢复常温，测量样机内腔气压值为多少?样机内腔气压压降不大于5%为符合要求。

实验证明，回转部位能自由转动，样机内腔气压值为34.6 kPa，达到了实验要求。

图7 高低温实验箱Fig.7 Temperature test chamber

3)高温实验:在图7所示的高低温实验箱上，对坦克周视镜进行磁性液体密封的高温实验。样机内腔充满干燥氮气，氮气的露点温度为－53 ℃，纯度达99.99%.超压(20 ±1)kPa，卸除冲气阀，升温至+ 50 ℃，恒温 1 h，通电工作(驱动电压DC2.5 V)，观察回转部位是否能自由转动?通电连续工作4 h 后恢复常温，测量样机内空气压值为多少?样机内腔气压压降不大于5%为符合要求。

实验证明，回转部位能自由转动，样机内腔气压值为19.5 kPa，达到了实验要求。

4)湿热实验:在图8所示的湿热实验箱上，对坦克周视镜进行磁性液体密封的湿热实验。样机内腔充满干燥氮气，氮气的露点温度为－53 ℃，纯度达99.99%.超压(20 ±1)kPa，经受温度为60 ℃相对湿度为95%及30 ℃相对湿度为95%交变实验，周期为24 h，进行了10 个周期的实验。实验后恢复常温，通电工作(驱动电压DC2.5 V)，观察回转部位是否能自由转动?通电连续工作4 h 后恢复常温，测量样机内空气压值为多少?样机内腔气压压降不大于10%为符合要求。

图8 湿热实验箱Fig.8 Wet－hot test chamber

实验证明，回转部位能自由转动，样机内腔气压值为18.6 kPa，达到了实验要求。

5)盐雾实验:在图9所示的盐雾实验箱上，对坦克周视镜进行磁性液体密封的湿热实验。样机内腔充满干燥氮气，氮气的露点温度为－53 ℃，纯度达99.99%.超压(20±1)kPa，按用方标准的规定进行实验，时间为48 h，实验后恢复常温，通电工作(驱动电压DC2.5 V)，观察回转部位是否能自由转动?通电连续工作4 h 后恢复常温，测量样机内空气压值为多少?样机内腔气压压降不大于5%为符合要求。

图9 盐雾实验箱Fig.9 Salt－fog test chamber

实验证明回转部位能自由转动，样机内腔气压值为19.1 kPa，达到了实验要求。

6)淋雨实验:样机内腔充满干燥氮气，氮气的露点温度为－53 ℃，纯度达99.99%.超压(20 ±1)kPa，按用方标准的要求对产品进行淋雨实验，实验时间为30 min.实验时样机不通电工作。实验后恢复常温，通电工作(驱动电压DC2.5 V)，观察回转部位是否能自由转动?通电连续工作4 h 后恢复常温，测量样机内空气压值为多少?样机内腔气压压降不大于5%为符合要求。

实验证明，回转部位能自由转动，样机内腔气压值为19.6 kPa，达到了实验要求。

3 结论

1)通过坦克周视镜采用磁性液体密封理论分析和实验验证，说明磁性液体密封的设计理论和设计方法是正确的。

2)磁性液体密封能够满足低温工作高温工作、湿热实验、盐雾实验、淋雨实验等要求。

3)通过理论分析和实验验证表明:在坦克周视镜上采用磁性液体密封是可行的。

References)

［1］ 徐灏.密封［M］.北京:冶金工业出版社，1999:190－192.XU Hao.Seal［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1999:190－192.(in Chinese)

［2］ Radionov A V，Gurskey A N.The characteristics of magnetic fluid seal assembly for chemical production ［C］∥11th International Conference on Magnetic Fluids.Slovakia:ICMF11 Publication Committee，2007:187－188.

［3］ Radionov A V，Kosarev L V.Tests of magnetic fluid seals of mining combing turning reduction gear［C］∥11th International Conference on Magnetic Fluids.Slovakia:ICMF11 Publication Committee，2007:189－190.

［4］ Krakov M S，Nikiforov L V.Influence of the shaft rotation on the magnetic fluid seal pressure drop［C］∥11th International Conference on Magnetic Fluids.Slovakia:ICMF11 Publication Committee，2007:191－192.

［5］ 李德才.磁性液体理论及应用［M］.第2 版.北京:科学出版社，2005:454－455.LI De－cai.The application and theory of magnetic fluid［M］.2nd ed.Beijing:Science Press，2005:454－455.(in Chinese).

［6］ 池长青，王之珊，赵丕智.铁磁流体力学［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1993:181－182.CHI Chang－qing，WANG Zhi－shan，ZHAO Pi－zhi.Ferrohydrodynamics［M］.Beijing:Beihang University Press，1993:181－182.(in Chinese)