本实用新型涉及一种凹阶梯轴磁流体密封装置，属于机械工程密封领域。
背景技术：
磁流体密封是借助磁流体在磁场的作用下形成的磁流体密封环对气体、液体进行密封，由于它和密封轴之间是通过磁流体进行接触密封，因而避免了密封轴与密封件之间的直接摩擦，降低了附加载荷。在旋转轴密封中具有其它密封方式不可比拟的优点，受到国内外学者和工程技术人员的重视，在工业、国防等领域具有重要的意义。磁流体密封相对于传统的机械密封或填料密封虽有其无泄漏、低磨损等独特优点，但是磁流体密封的耐压能力并不太高，多级密封的密封级数也不能太多。因此，如何合理设计磁性流体密封结构参数，提高永磁体的利用效率，增强密封耐压能力也是目前磁流体密封技术一项有意义的研究内容。
提高大间隙下磁性流体密封耐压性能的方法之一是通过增加磁流体密封磁路中磁源的数量并改进极靴的形状，如对比文献1(公开号为CN202332310U的专利)所述的密封装置和对比文献2(公开号为 CN206600473U的专利)所述的密封装置。尽管以上文献所述的两种密封装置相对普通磁性流体密封性能得到极大的提高，但现有密封结构的密封性能仍有进一步提高的空间。
磁流体密封是利用永磁体在密封间隙内产生磁场力将磁流体牢牢固定在密封间隙内，抵抗两侧的压差，从而达到密封的效果。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种凹阶梯轴磁流体密封装置，从而解决现有单磁源磁流体密封装置和多磁源磁流体密封装置存在的耐压性能低的难题，同时减小应力集中，使得该密封技术成功应用于高速重载等领域中。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：一种凹阶梯轴磁流体密封装置，包括两端开口的外壳、密封组件和用于将密封组件压紧于外壳内的端盖；所述密封组件包括轴，所述轴通过轴承转动地安装于外壳内，所述轴包括至少一个凹阶梯部，所述凹阶梯部包括多个依次沿轴向排列的台阶，相邻台阶的外壁之间通过倒角状过渡面连接；每个过渡面外套设有与该过渡面匹配的分瓣式极靴，所述分瓣式极靴向过渡面一侧或两侧方向延伸至该过渡面侧部相应台阶所对应位置，所述分瓣式极靴的内壁与相应过渡面、台阶之间均留有间隙，所述分瓣式极靴内壁上和/或轴上与分瓣式极靴内壁相对应的部位开设有极齿；相邻分瓣式极靴之间设有永磁体。
进一步地，所述过渡面与轴的中心轴线的夹角为5-75度，优选为20-60°。相应地，所述分瓣式极靴内壁与过渡面相对应的部分倾斜角度与相应过渡面相同。
优选地，过渡面的数量为2-10个。
进一步地，所述极齿包括轴向极齿和/或过渡极齿，轴向极齿设置于台阶上和/或与台阶相对应的分瓣式极靴内壁上，过渡极齿设置于过渡面上和/或与过渡面相对应的分瓣式极靴内壁上。
优选地，所述极齿包括轴向极齿和过渡极齿，轴向极齿设置于与台阶相对应的分瓣式极靴内壁上，过渡极齿设置于与过渡面相对应的分瓣式极靴内壁上。
进一步地，单个分瓣式极靴内壁上，轴向极齿和过渡极齿的数量均为2-10个。
作为本实用新型的一种实施方式，所述凹阶梯部包括1个第一台阶、2个第二台阶和2个第三台阶，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的直径依次增大，所述2个第二台阶和2个第三台阶依次对称分布于第一台阶两侧。
进一步地，所述分瓣式极靴的数量为3个，分别为依次沿轴向分布的第一分瓣式极靴、第二分瓣式极靴和第三分瓣式极靴，所述第二分瓣式极靴套设于第一台阶外并向第一台阶两侧延伸至相应过渡面对应位置；所述第一分瓣式极靴和第三分瓣式极靴分别设置于第二分瓣式极靴的左、右两侧，所述第一分瓣式极靴套设于第一台阶左侧的第二台阶和第三台阶外，第三分瓣式极靴套设于第一台阶右侧的第二台阶和第三台阶外；所述第一分瓣式极靴、第二分瓣式极靴和第三分瓣式极靴的内壁分别与相应台阶和过渡面形状匹配。
进一步地，所述第一分瓣式极靴和第二分瓣式极靴之间、第二分瓣式极靴和第三分瓣式极靴之间分别设有第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体相邻侧的磁极相同。
进一步地，所述间隙大小为0.05-5mm。
进一步地，所述分瓣式极靴的外壁上设有环状凹槽，所述环状凹槽内设有密封圈。
进一步地，单个凹阶梯部中，最外侧的两个极靴的外侧分别设有第一隔磁环和第二隔磁环。
进一步地，所述轴承的数量为两个，分别为第一轴承和第二轴承，且分别设置于凹阶梯部的两侧。
进一步地，所述端盖可拆卸地固定于外壳右端。
本实用新型的凹阶梯轴磁流体密封装置可解决大间隙条件下密封装置耐压能力不足的难题。通过设计带有凹阶梯部的轴和对应的凸梯形式极靴结构（从分瓣式极靴的纵截面看），梯形式极靴内环面和与过渡面相对应的内壁上均布开设相对应形状的极齿，将永磁体嵌入在极靴之间，在极靴与梯形轴形成的径向和过渡面方向密封间隙内注入磁流体，从而实现一种凹阶梯轴磁流体密封。本实用新型在阶梯式磁流体密封基础上，通过设置多级磁源及改进极靴上极齿的分布形式，改进轴的结构，从而使得磁流体密封耐压能力大大增强；带有倒角的凹阶梯型密封结构可减小密封失效时磁流体的损失，减小应力集中，方便生产与加工，同时增加密封装置的二次承压能力和自修复能力；进一步提高大间隙条件下磁性流体密封的耐压能力和密封可靠性，扩大其安全工作范围。
综上，本实用新型的磁流体密封装置耐压能力强，生产加工方便；密封失效时，磁流体的损失小，二次承压能力和自我修复能力强，有效增大大间隙条件下装置的耐压能力和密封可靠性，从而扩大安全工作范围。
附图说明
图1是本实用新型第一种实施方式的磁流体密封装置的剖面结构示意图。
图2是沿图1中A-A线的剖视图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1所示，一种凹阶梯轴磁流体密封装置，包括两端开口的外壳2、密封组件和用于将密封组件压紧于外壳2内的端盖10；所述密封组件包括轴1，所述轴1通过轴承转动地安装于外壳2内，所述轴1包括一个凹阶梯部101，所述凹阶梯部101包括5个依次沿轴向排列的台阶，相邻台阶的外壁之间通过倒角状过渡面连接；每个过渡面外套设有与该过渡面匹配的分瓣式极靴，所述分瓣式极靴向过渡面一侧或两侧方向延伸至该过渡面侧部相应台阶所对应位置，所述分瓣式极靴的内壁与相应过渡面、台阶之间均留有间隙，所述分瓣式极靴内壁上开设有极齿；相邻分瓣式极靴之间设有永磁体。
其中，所述过渡面与轴的中心轴线的夹角为45度。
所述极齿包括轴向极齿和过渡极齿，轴向极齿设置于与台阶相对应的分瓣式极靴内壁上，过渡极齿设置于与过渡面相对应的分瓣式极靴内壁上。
所述凹阶梯部101包括1个第一台阶1011、2个第二台阶1012和2个第三台阶1013，所述第一台阶1011、第二台阶1012和第三台阶1013的直径依次增大，所述2个第二台阶1012和2个第三台阶1013依次对称分布于第一台阶1011两侧。
所述分瓣式极靴的数量为3个，分别为依次沿轴向分布的第一分瓣式极靴19、第二分瓣式极靴17和第三分瓣式极靴15，所述第二分瓣式极靴17套设于第一台阶1011外并向第一台阶两侧延伸至相应过渡面对应位置；所述第一分瓣式极靴19和第三分瓣式极靴15分别设置于第二分瓣式极靴17的左、右两侧，所述第一分瓣式极靴19套设于第一台阶左侧的第二台阶和第三台阶外，第三分瓣式极靴15套设于第一台阶右侧的第二台阶和第三台阶外；所述第一分瓣式极靴19、第二分瓣式极靴17和第三分瓣式极靴15的内壁分别与相应台阶和过渡面形状匹配。
所述第一分瓣式极靴19和第二分瓣式极靴17之间、第二分瓣式极靴17和第三分瓣式极靴15之间分别设有第一永磁体8和第二永磁体10，所述第一永磁体8和第二永磁体10相邻侧的磁极相同。
第一分瓣式极靴19与第二台阶和第三台阶相对应的内环面上分别设有第一极靴轴向极齿A5和第一极靴轴向极齿B7，第一分瓣式极靴19与第二台阶和第三台阶之间的过渡面对应的内壁上设有第一极靴过渡极齿6。
第二分瓣式极靴17与第一台阶及相应过渡面对应的内壁上设有第二极靴极齿9。相应地，第三分瓣式极靴15上设有第三极靴极齿11。
所述间隙大小为2.5mm。
所述分瓣式极靴的外壁上设有环状凹槽，所述环状凹槽内设有密封圈。相应地，第一分瓣式极靴19外壁的环状凹槽内设有第一密封圈20，第二分瓣式极靴17外壁的环状凹槽内设有第二密封圈18，第三分瓣式极靴15外壁的环状凹槽内设有第三密封圈16。优选地，所述分瓣式极靴包括2个子极靴，2个子极靴可相互组合形成分瓣式极靴（见图2）。
单个凹阶梯部中，第一分瓣式极靴19和第三分瓣式极靴15的外侧分别设有第一隔磁环4和第二隔磁环12。
所述轴承的数量为两个，分别为第一轴承3和第二轴承13，且分别设置于第一隔磁环4和第二隔磁环12的外侧。
所述端盖14通过螺纹固定于外壳2右端。
装配时，主要包括如下步骤：
（1）将第一分瓣式极靴19的2个子极靴从轴1上、下两侧安装到轴1上；将第一密封圈20安装在第一分瓣式极靴19外圆面上的凹槽内；
将第一永磁体8从右侧安装到轴1上；
将第二分瓣式极靴17的2个子极靴从轴1上、下两侧安装到轴1上；将第二密封圈18安装在第二分瓣式极靴17外圆面上的凹槽内；
将第二永磁体10从右侧安装到轴1上；
将第三分瓣式极靴15的2个子极靴从轴1上、下两侧安装到轴1上；将第三密封圈16安装在第二分瓣式极靴15外圆面上的凹槽内；
（2）将磁流体注入在第三分瓣式极靴15、第二分瓣式极靴17、第一分瓣式极靴19与轴1形成的密封间隙内；
（3）将第一隔磁环4、第一轴承3从轴的左侧依次安装在轴1上；
将第二隔磁环12、第二轴承13从轴的右侧依次安装在轴1上，形成密封组件；
（4）将密封组件安装在外壳2内，通过端盖14与外壳2的螺纹连接压紧右轴承13的外圈；实现一种凹阶梯轴磁流体密封。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。