磁流体密封的原理和应用 磁流体密封的原理和应用 浙江科技学院磁流体研究所 浙江 王瑞金 曹森龙 一 、 前言 磁流体 是由 一 用于磁 流体密封的磁流体为这个数值 的导磁材料 、 分散剂和 载体融合而成的胶体 , 具有许多特殊的功能 , 是 目前国 内外尖端的纳米技术之一 。 磁流体密封自 世纪 年代发明以来 , 得到了广 泛的应用 , 其主要包括动态过程密封 、 隔绝密封 、 特殊 机械密封和环境密封四个方面 , 由于这种密封具有密封 性能好 真空密封时可满足 一 的真空度的要求 , 几乎无泄漏 泄漏量最高可小于 」 ’“ ...

　　磁流体密封的原理和应用 浙江科技学院磁流体研究所 浙江 王瑞金 曹森龙 一 、 前言 磁流体 是由 一 用于磁 流体密封的磁流体为这个数值 的导磁材料 、 分散剂和 载体融合而成的胶体 , 具有许多特殊的功能 , 是 目前国 内外尖端的纳米技术之一 。 磁流体密封自 世纪 年代发明以来 , 得到了广 泛的应用 , 其主要包括动态过程密封 、 隔绝密封 、 特殊 机械密封和环境密封四个方面 , 由于这种密封具有密封 性能好 真空密封时可满足 一 的真空度的要求 , 几乎无泄漏 泄漏量最高可小于 」 ’“ · , 因密封产生 的阻尼小 效率可达 , 使用寿命长 一般可长达 年之久 , 且更换磁流体后还可继续使 用 等优点 , 我国从 年代起在动密封要求特别高的 设备上 , 如硅单晶炉 、 离子溅射 、 化学气相沉积 、 离子 镀膜 、 液晶显示等设备 , 以及计算机硬盘 、 机器人及军 工产品等环境要求较高设备或部件上也开始推广应用 。 本文就磁流体密封的原理 、 性能 、 特点 、 测试要求 和应用等几方面介绍磁流体密封技术 , 以推广磁流体密 封在通用机械方面的应用 。 二 、 磁流体密封的原理和性能 磁流体密封的原理 磁流体密封就是用永久磁铁将磁流体固定在回转轴 的周围 , 由于回转轴与周围的固定件之间的空间很小 , 且该区的磁场强度也特别大 , 从而能承受较大的沿轴线 方向的推力 即承受压力 , 达到密封的效果 。 图 可 以进一步说明磁流体密封的原理 , 一般磁流体密封装置 由无磁性座 、 轴承 、 磁极 、 永久磁铁 、 轴 或轴套 、 磁性流体等组成 。 当在磁流体装置 中加人适量的磁流 体 , 磁流体就会充满整个环形间隙 , 形成一系列 “ 形 密封圈 ” , 从而达到密封效果 。 一般地每个密封圈能产 生 一 的压差 , 整个密封装置能承受的压力 就为各级压差之和 。 一般来说磁流体密封只适合于低压 大于 一 时就比较困难 , 需进行用如压力平衡等 方法进行处理 , 对于旋转运动 、 移动和摆动等都可以 使用 。 互互互 湘湘湘湘湘湘湘湘们 ’’ 图 磁流体密封的结构原理图 、 形密封图 无磁性座 永久磁铁 环形空隙 磁性流体 轴承 极间 磁极 ‘ 内极间 泵上的应用 仁〕 电站辅机 , 孟祥俊 浅谈水泵密封填料 〔」 多民 集装式填料密封结构与特性

　　山西化工 〔」 润滑 与密封 , 刘兴旺 , 刘振全 , 王君等 自动补偿径向压紧软填 料密封结构设计 〔 石油化工设备 , 收稿日期 二蜘夔巫燮递呈塑 通用机极 磁流体密封有密封可靠 , 无泄漏 , 无力学磨损 , 寿 命长 , 工作效率高等特点 。 图 是磁流体密封装置的外 观图。 图 磁流体密封装置的外观 实心轴带冷却 空心轴不带冷却 磁流体密封的性能测试 磁流体密封的性能测试包括以下指标 极限耐压能 力 、 泄漏 、 使用寿命 、 功率损失 、 极限真空度和溅射特 性 , 其中前三个项目最为重要 。 以上指标大多可在图 所示的试验装置中测量或模拟测量 。 图 磁流体密封性能测试装置 真空泵或压力泵 截止阀 溢流阀 真空腔或压力腔 密封圈 螺纹联接 磁流体密封装置 , 电动机和带轮 真空表或压力表 截止阀 限耐压能力 起动电动机 , 使轴按要求的转速 旋转 , 同时用压力泵使压力腔内的压力增大 , 溢流阀用 以调定最大压力 , 当压力增加到一定的数值时 , 压力表 上的标值会突然降低 , 这时的压力就是所测的极限耐压 能力 。 耐压能力与磁流体性能 、 密封装置的密封级数和 密封间隙、 轴的转速 、 温度等有关 。 在试验研究中 , 可 以改变以上因素 , 并测得其极限耐压能力 , 从而得到不 同因素对耐压能力的影响。 耐压能力的单位为 。 泄漏 先将图 所示的系统以真空密封的方式 抽真空 , 真空表会显示真空度 , 当真空度到达 一 “ 时 , 用氦质谱检漏仪检验除磁流体密封以外所有地方的 密封情况 然后开起电动机和压力泵 , 把压力腔的压力 增大到试验要求 , 再关好截止阀 , 每经过一定时间后观 察和记录压力表的数值 , 最后可根据测得的压力的变化 确定泄漏情况 。 泄漏的单位为 · 。 。 当然在针 对真空密封时用 ‘’ ‘ 氦质谱检漏仪直接 测得泄漏 。 使用寿命 使用寿命的测量无法同耐压能力和 泄漏一样直接测量 , 需要把旋转速度 、 磁场强度 、 磁流 体的饱和蒸汽压等按一定比例放大或缩小 , 然后进行模 拟试验 , 测得模拟使用寿命 , 最后换算为使用寿命。 使 用寿命的单位为 功率损失 功率损失即是用磁流体密封装置进 行功率传递时输入功率与输出功率之差 , 也可用传递效 率来表示 。 其主要由轴承的效率决定 , 因为密封用磁流 体引起的功率损失很小 , 只是旋转时磁流体被剪切而转 化为热量部分 。 一般磁流体密封装置的传动效率大于 。 功率损失的单位为 。 极限真空度 极限真空度是指对于真空密封情 况下密封装置可以达到的最大的真空度 。 一般的磁流体 密封装置可以长时间稳定地达到 “ 的真空度 。 测 量真空度时必须使真空腔的体积尽量小 , 具体测量与 、 指标相同 , 真空表上显示的就是真空度 。 真 空度的单位为 。 溅射特性 溅射特性指的是液体密封圈破裂时 磁流体溅射特点和重新愈合。 如图 所示 , 在磁极二侧 压力相同时 , 磁流体的状态为图 , 当右侧的压力大于 左侧时 , 磁流体发生弯曲 图 , 当二侧的压力差大 于一定值时就有气泡穿过磁流体 图 如果二侧压力 差很大时 , 磁流体就会被击穿 如图 山 , 被击穿时 磁流体有可能只在磁流体中间产生一窄通道 , 也有可能 产生溅射 图 。 由于击穿后磁流体二侧的压力趋于 相同 , 则磁流体又会重新愈合 , 恢复耐压能力 , 这是磁 流体密封的一个很重要的特点 。 而且磁流体的破裂溅射 能使装配时磁流体分布的不均匀变得均匀 , 另外 , 一般 每个磁流体密封装置在刚加压时均会产生这个现象。 凰 群 娜 缪 夔巍舞巍 麟巍舞 尸瘫巍娜 泰潺舞 翼巍舞 图 磁流体在密封装置内的形态 磁流体密封的密封能力计算 由于影响磁流体密封装置耐压能力的因素很多 , 要 通用翻粗一一一一 一一一一一三丝互些丝塑」观触 从理论上直接推导出耐压能力的计算公式相当困难 , 目 前只有一些近似计算公式 。 目前设计中参考和使用得最为常见和简便的公式 单级密封 为 所密封的介质的混合和反应影响密封能力的。 磁流体注 人量对密封能力的影响见图 。 “立叔耀国趁 么尹“ , 立江 式 式 试验点 式 八气︸月,内、﹃︸ 立只拙图窿 式中 △ —承受的压差 , 单位 , —磁流体的饱和磁化强度 , 单位 —磁场强度 , 单位 如磁流体的饱和磁化强度为 , 间隙中的磁场 强度为 巧 , 理论上可承受 的压差 , 考虑 安全系数 , 可承受 的压差 。 但是这个公式是建立在扩展的伯努力方程的基础 上 , 只考虑磁流体在压力的作用下切割磁力线所做的功 而获得的。 没有考虑磁极极齿尺寸 、 密封间隙大小 、 磁 流体的勃度等因素 , 而且推导过程没有考虑到受压力后 磁流体的弯曲等现象 , 与试验测量有较大的偏差 。 本文 作者对以上因素进行考虑 , 得到了 △, 。。 管‘ 式中 产。 —真空中的导磁率 , 单位 二 一 —磁极极齿的宽与密封间隙之比 , 是无量纲 的量 —与间隙及磁流体弯曲程度有关的参数 。 如果考虑磁流体勃度对耐压能力的影响 , 则式 可变为 密封间隙 图 间隙对磁流体密封耐压能力的影响 饱和磁化强度 磁场强度 极齿宽度 、 「 注入量 △, 。。 ” 贵‘ , 。 一 十 口 式中 叭 —磁流体的动力私度 , 单位 根据式 计算 , 当间隙为 , 极齿宽度为 一 时 , 与式 相符 , 如间隙很小 , 如为 时 , 式 的计算值远远超过式 的计算 值 , 与试验值较为接近 , 见图 。 影响磁流体密封耐压能力的因素 影响磁流体密封耐压能力的因素很多 , 主要有磁流 体 、 磁场构型和强度 、 磁流体密封结构参数和使用条件。 磁流体 磁流体的饱和磁化强度是影响磁流体 密封的主要因素 , 这从前面的近似计算公式中可以了解 到。 影响饱和磁化强度的因素涉及到磁流体中磁性微粒 的大小和分布 、 磁性微粒的浓度 、 磁性微粒的种类等 。 磁流体的勃度也会有所影响。 磁流体的载液主要是通过 图 磁流体注人量和耐压能力的关系 饱和磁化强度 , 磁场强度 极齿宽度 转速 “ 密封间隙 。 , 磁场构型与强度 磁场强度对密封耐压能力的 影响很大 , 几乎成正比关系 。 但磁场构型的影响甚为复 杂 , 主要受磁流体密封结构等的影响 , 如密封间隙 、 极 齿形状与尺寸 、 磁铁大小 、 极齿和导磁轴材料的磁导率 等 。 另外磁场强度与磁流体的饱和磁化强度有配合要 求 , 如果磁场强度很大 , 但磁流体饱和磁化强度不够 , 密封能力也不好 , 最佳的匹配是磁场强度达到能使磁流 体刚好达到磁流体的饱和磁化强度即可 。 磁流体密封的结构参数 极齿形状与尺寸的含 义见图 。 极齿宽度度 、、、 、、 、、、、、、、、 侧侧 、、 、、 褪褪 、、 、、 匆匆 、、 、、 澎澎 图 极齿形状和参数 翌泣一丝笙笙卫鱼一 一一 一 一一一 通用机献 磁流体密封的结构参数主要指密封间隙 有时也叫 工作气隙 、 极齿形状和尺寸。 密封间隙对密封能力的影响可见图 。 各参数对密封能力的影响见图 、 图 。 其他因素 轴的转速对磁流体密封能力的影响 可见图 八‘呼几司鱼只拙图但 极齿高度 间隙 图 极齿高度与密封能力的关系 饱和磁化强度 。 磁场强度 极齿宽度 密封间隙为 骆乃加 门受只提国趁 极齿高度 密封间隙 图 极齿宽度与密封能力的关系 饱和磁化强度 磁场强度 极齿宽度 。 密封间隙为 。 一奋 一 一 卜 一 一 、 、、 二二一右沌之毖泛 招立只招日超 转速 图 转速与磁流体密封能力的关系 饱和磁化强度 极齿宽度 。 磁场强度 密封间隙分别为 , , , 三 、 磁流体技术的应用和发展 , 磁流体密封技术的应用 动态密封 是最早开发和应用的磁流体应用技 术 , 其应用领域包括半导体加工 、 光学纤维 、 激光器 、 射线装置 、 热处理设备 、 硅单晶多晶炉和航空电子技 术等。 这种密封体系的主要特点是 密封性能好 真空 密封时可满足 一 的真空度的要求 , 几乎无泄漏 泄漏量最高可小于 “ ‘ 耐 · , 因密封产生的 阻尼小 效率可达 , 使用寿命长 一般可长达 年之久 , 且更换磁流体后还可继续使用 。 但对于高压 密封 、 高速密封和高温密封则需要进行不同的处理 。 对 于高压密封 , 由于密封要靠各级密封 一般每级 可密封 一 的压力和 , 而且当密封级数超过一 定的级数 一般为 级 后 , 密封能力就不再提 高 , 所以一般采用压力平衡或组合密封的方式来达到较 高压力的密封 高速密封主要考虑磁流体的离心力和运 动中产生的热与温度 , 温度过高时需采用循环水冷却 , 离心力的限制主要与磁流体的性能和磁场强度有关 高 温密封则是磁流体密封最薄弱的 , 由于温度超过永久磁 铁和磁流体许可温度后 , 磁场强度急剧下降 , 磁流体的 饱和磁化强度也急剧下降 , 从而使密封装置失去密封能 力 。 隔绝密封 是利用磁流体来对关键元件进行保 护的密封方式 。 现已把此类密封应用于各部门各行业 , 如纺织 、 计算机 、 机械和自动化设备上 。 在纺织工业 中 , 磁流体隔绝密封用来保护电动机轴承免受纤维污 染 。 磁流体密封可保持磁盘驱动器的主轴和专用计算机 磁盘空腔的环境清洁 , 磁流体良好的导热和导电性能可 使硬盘驱动器的热及时传出和防止产生电火花 , 提高磁 盘记忆的可靠性 。 在机床中磁流体密封可在含碎屑的切 削液和轴衬润滑油之间形成可靠的隔绝层 , 从而延长轴 承寿命 。 为了保护半导体生产车间的清洁机器人不受油 污和微粒的污染 , 机器人所有的运动关节都采用磁流体 密封来保证极高的环境要求 。 特殊机械密封 是把磁流体密封应用于具有特 殊目的的密封 , 压力范围一般在 一 “ 一 “ , 如应用 最多的真空密封 、 铰孔阀和压力聚集器 、 磁流体轴承 、 水陆两用坦克动力传递轴的密封等 , 具有密封可靠 , 结 构简单 , 维修少 , 寿命长等特点。 通用机极 烈泊 卑三第 期 乞 环境密封 在环境保护中起着重要作用 。 在化 研究流体力学和动力学因素在振动 、 偏心 、 离心力与磁 工厂 、 核电厂 、 冶炼厂等排放污染环境的挥发性物质和 力竞争中的影响 , 以及在不同磁场 、 磁流体 、 极齿齿形 危险物的位置 , 除了配件 、 阀门和接头外 , 主要是泵 。 和气氛 如气体 、 流体或尘埃 等条件下的优化设计 。 采用一级机械密封和一级磁流体密封 , 可使泄漏或排放 广磁流体密封在各种设备中的使用 , 用组合密 水平降到零 。 普通的环境磁流体密封压力小于 封 、 压力平衡和某些特殊处理拓宽磁流体密封的应用范 , 温度小于 ℃ , 转速小于 , 目前已经 围 如线速度 、 温度 ℃ 、 压力 一 有使用超过 年无泄漏的报道 。 当然所选的磁流体必须 , 提高磁流体密封各项性能指标 , 加强研究机构 与环境气体相匹配 。 和生产企业的合作 , 把各种不同种类和性能的磁流体密 磁流体密封技术的发展 封推向实际应用 。 磁流体密封技术的发展方向将是 “ 深 、 广 、 新 ” , 以各种新材料 、 新工艺制作具有优异性能的磁 具体的说 流体 , 开拓新的研究领域和应用领域 , 设计出新颖的应 进一步深人研究磁流体在密封中的作用机理 , 用实例 。 附录 国内市场产品的性能指标 产 家 日本 公司① 美国 公司 杭工院磁流体研究所 杭州维科磁电技术公司 株洲维格磁流体公司② 厂 其他研究机构 东北 大学 、 湘潭大学等 耐压能力 速度范围 而 寿命 一 、 一 一 泄漏 扮 一 一 一 一 一 不详 极限真空度 一 一 一 一 一 减 一 一 不详 工作状态气氛 多种 多种 多种 多种 多种 多种 一 一 一 一 多种 ①其数据来源于公司广告文本 。 ②其数据来源于文献 仁 〕。 参 考 文 献 王瑞金 磁流体技术的现状与发展 新技术新工艺 , 温利 , 周仁魁 , 罗长洲 磁流体密封技术的发展及应用 综述 润滑与密封 , 顾红等 磁流体密封水介质的自修复研究 摩擦学学报 , 笔 沁 瓦 吐 朋 , 王瑞金等 间隙对磁流体密封能力的影响 真空 , 李德才等 干式罗茨真空泵磁流体密封的研究 真空科 学与技术 , 顾红等 旋转速度对磁流体密封能力的影响研究 流体 机械 , 收稿日期 翻晚 鱼互些狙塑一 一一一一 一一一 一一 通用机祖

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