磁流体密封设计

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摘要

本论文以对磁流体的表面张力的分析为出发点，建立了磁流体密封模型，根据磁流体密封力的最小单元——磁性微粒间的引力，结合磁性微粒在磁场下的浓度分布模型，推导出相应的磁流体密封耐压公式，并应用该磁流体密封耐压公式设计船舶艉轴磁流体密封实验装置的主要参数。依照密封装置的主要参数，设计出密封装置的动力源和传动机构。在设计的船舶艉轴磁流体密封实验装置上，对磁流体密封的主要密封参数进行了实验研究，并分析了影响磁流体密封装置的密封能力的因素,包括磁环、磁流体的性能，密封间隙与密封级数，磁极的齿型及转速。通过对实验数据的分析可知，密封能力是各因素综合影响的结果，任何一个因素的不合理，都能导致密封能力的降低。船舶艉轴密封实验装置，实现了较高的密封压差，对于实船应用具有一定的参考价值。

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第1章绪论

1.1选题的背景和意义

磁流体也叫磁液或铁流体，它是将磁性微粒掺入到载液中是一种对磁场敏感、可流动的液体磁性材料。磁流体自问世以来，在研磨、抛光、润滑、减振、冷却等领域逐步被人们所认识，磁流体在密封领域的应用也逐渐受到人们的重视。

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：无泄露、无磨损、结构简单、寿命长，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。

磁流体密封在低压气体密封中的应用较为简单，因为密封压力低，所需的密封级数较少、密封间隙也可以选的比较大，所以容易实现。同时由于密封级数少，故密封装置的轴向尺寸限制较少，密封间隙大，其他诸如转速、磁极齿型等因素对密封装置的密封能力影响也较小，往往可以采用模糊的理论公式或经验公式对密封装置进行设计，就能满足使用的需要。随着密封压力的升高，磁流体密封耐压公式在磁流体密封装置的设计中越来越重要，它的理论水平直接决定了密封装置的性能。传统密封理论公式存在一些缺陷，比如密封力的来源不明确，计算复杂，适用范围小等等，这就不能很好的满足磁流体高压密封设计的需要。因此，应用新的、合理的密封耐压公式对旋转轴高压密封装置的设计是很必要的。

磁流体在气体密封中的应用已经很多，但是在液体密封中的应用较少，本文将磁流体密封技术应用于船舶艉轴密封中，并采用新的耐压公式，计算出密封装置的参数，设计出密封实验装置，进行了具体实验，取得了大量的数据。最后利用实验数据，分析对船舶艉轴磁流体密封的主要影响因素，可为今后进行磁流体密封装置的设计提供一定的帮助。

1.2国内外磁流体密封技术的发展现状

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1.2.1磁流体简介

磁流体是由超微细磁粉在液体（载体）中稳定分散而形成的能流动、有超顺磁性的胶体，它无剩磁和矫顽力，可通过磁进行控制，在磁场作用下形成具有磁性的流体，其密封膜承压能力与磁场强度成正比。因此磁流体是阻塞密封比较理想的工作流体。

磁流体在密封间隙中受磁场作用，形成强韧的流体膜，阻止泄露。膜层内的超细磁性微粒被分散剂及基液分离，悬浮于基液中，不凝结成胶体，仍保持液体特性，对轴无固体摩擦，只有粘滞阻力。

磁流体在静态时不具备磁性，仅在外加磁场作用时，才表现出磁性，磁性微粒和基液形成一体，使磁流体既具有普通磁性材料的特性，同时又具有液体的流动性，因此磁流体具有以下特点:①在磁场的作用下，磁化强度随外加磁场的增加而增加，直至饱和，而外磁场去除以后又无任何磁滞现象，磁场对磁流体的作用力表现为体积力。②与一般纳米粒子相同，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。③具有液体的流动性，在通常的离心力和磁场的作用下，既不沉降，也不凝集。

1.2.2磁流体的分类

在相同磁化饱和强度下，磁流体的质量主要由磁流体的稳定性决定。磁流体的稳定性包括:不易挥发;在强磁场、电场、重力场下不容易产生沉淀、分离或凝聚:不与接触的介质发生化学反映等等。因此，为了适应不同场合的需要，在磁流体质量不断提高的同时，磁流体的种类也在不断增加。

磁流体的种类可按磁性微粒的种类和载液的种类进行分类。 按磁性微粒的种类分有:①铁盐酸系Fe 3O 4 ， MeFe 2O 4, (Me = Co, Mn, Ni)等;②金

属系Ni, Co, Fe 等金属微粒及其合金(Fe -Co, Ni-Fe);③氮化铁系等。

按基液种类分有:①水;②有机溶剂(如二甲苯);③碳氢化合物;④合成脂;⑤聚二醇;⑥聚苯醚;⑦卤化烃;⑧苯乙烯等等。

在本文中，对多种类型的磁流体进行了实验，用来分析选择

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适合于水（海水）密封的基液的磁流体，在设计中是以油基Fe 3O 4纳米磁流体

基准来计算，在以下章节中不再重复，其性能指标如下:

磁性微粒的体积浓度是30%，饱和磁化强度是200 Gs ，粘度为500 CP (270

C) ,蒸发量<10-6(g/cm 2. h) , Fe 3O 4微粒的范围10- 50 nm 。

1.2.3船舶艉轴磁流体密封基本原理

磁流体密封以旋转动密封为主，磁流体旋转动密封技术是在磁流体的基础上发展起来的，是一种非接触式密封(即动件和静件没有直接接触)，船舶艉轴的密封即适用该密封方式。

磁流体旋转密封装置的功能是把旋转运动传递到被密封的容器内。装置通常由轴承、磁极、永久磁铁、导磁密封轴、磁流体等组成，其工作原理是:由环状永磁铁、磁极和具有导磁性的转轴构成闭合磁回路，利用永磁体中的磁能，在密封轴与磁极齿端的间隙内产生强磁场，将磁流体紧紧吸在密封间隙内，形成磁性液体 “O ”型密封环，把间隙锁住，从而实现密封，如图1.1

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图1.1 磁流体密封原理

磁流体密封用于隔离两个腔体时，如果两腔之间的压强相同，不存在压力差，则磁流体密封可以相当可靠地工作，这种类型主要用于防尘密封;如果两腔间有压差，则处在间隙中的磁流体就要承受这一压差，这种密封随着压差的提高而逐渐变得困难。

1.2.4磁流体密封的优点

(1)密封性能好:目前采用的酷基磁流体可对介质进行严密的高度稳定的动密封或静密封，几乎无泄漏，甚至使用质谱仪也未必能检出泄漏，真空密封时的真空度可达10-11 Pa。

(2)密封结构寿命长:用于真空场合密封的磁流体的载液是一种惰性、稳定、低蒸汽压的二酩基有机物，挥发量极低，可长期使用，10年无需维修。

(3)可靠性高:磁流体密封件在正常情况下产生瞬时过压击穿时，一旦压力降低至密封可以承受的程度时，密封效果依然能够保持。用于真空场合的磁流体密封件一般要求其耐压能力超过0.2MPa。

(4)传输效率高:磁流体密封装置在旋转状态下，摩擦力极小，无机械磨损，发热低，功率损耗极小，传输效率几乎达100 %，功率损耗仅仅考虑轴承的损失。

(5)传递速度高:磁流体密封装置具有高速运转的潜力，可传递30000r/min的旋转运动

(6)无污染:磁流体密封件本身不存在机械磨损，没有微粒产生，磁液饱和蒸汽压极低，即使在真空状态下使用也不会产生污染。

(7)良好的修复性:磁流体密封装置在使用过程中，如果因某些原因造成密封失效，只要内部元件功能正常，一般可在现场用较短的时间就能修复。

(8)无方向性密封:如果需要改变承压方向，对于磁流体密封而言，无需增加任何元件就能实现。

1.2.5国内外磁流体密封研究状况

20世纪60年代中期,美国首先成功用于解决宇航服可动部分的真空密封

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