磁流体动密封试验台研究.doc

1 磁流体综述 1.1 概述 磁流体(Magnetic Fluid)也叫磁性流体或铁磁流体,是一种对磁场敏感、可流动的超 顺磁液体磁性材料。磁性液体是由纳米级铁氧体、铁磁性氮化铁颗粒借助表面活性剂高 度、均匀分散于载液（有机溶剂、油或水）中而形成的稳定胶体溶液。它是一种新型的 液体功能材料，具有很特殊的理化性质。磁流体自问世后短短几年就走出实验室，开始 应用于科学实验和工业装置中。目前其应用范围已扩展到航天、电子、化工、机械、冶 金、仪表、环保、医疗等各个领域，随着研究开发的深入，其应用领域也在不断扩展。 国外一些国家对磁流体有很多的研究和应用，像美国、日本、英国等已经进入工业化生 产阶段。我国也于 70 年代末开始了磁流体及其应用技术的研究.本章系统地介绍了磁流 体的组成及其特性。 1.2 磁流体的组成 磁流体是一种固液相混的二相流体，是一种胶体溶液。它由三部分组成：磁性微粒； 基液（也叫载液）；表面活性剂。如 图 11 基液 磁性微粒 活性剂 图 11 磁流体的组成 磁性微粒通常为铁磁矿，即四氧化三铁、赤铁矿、铁氧体及稀土合金等固体微粒， 磁性微粒不是分子，是粒度很小的颗粒，由于直径很小，磁性微粒在基液中作布朗运动， 获得动能，悬浮于基液中。目前常用的磁性微粒是四氧化三铁粉末。 基液，也叫载液或母液。基液是否导电等性能决定着磁性流体的应用。基液一般为 非导电性液体，如水、煤油、硅油、烷烃等，也可以是导电的液态金属，如水银。基液 不同，磁性流体的特性也不同。 表面活性剂，也叫分散剂、稳定剂或表面涂层。表面活性剂的主要作用是防止磁性 微粒发生凝聚而沉淀。由于磁性微粒为无机类固体微粒，不能溶解或不易分散在基液中， 因此，在磁性微粒和基液的两相（即固相和液相）之间应加入第三者，即表面活性剂。 常用的表面活性剂有油酸、亚油酸等。选择表面活性剂时，不仅要考虑是否能是相应的 磁性微粒稳定地分散在基载液中，而且要考虑表面活性剂与基载液的适应性，即是否有 较强的亲水性或亲油性，基液不同，则所需的表面活性剂也不同。 1.3 磁性流体的稳定性 由于磁流体不是真正的溶液，而是一种胶体溶液，因而制备磁性流体的关键是如何 使磁性微粒稳定的悬浮于基液中。磁性流体的稳定性可以从动力稳定性和聚集稳定性两 方面考虑。所谓动力稳定性就是磁性微粒作面朗运动，克服重力和磁场力的作用，长时 间保持分散的悬浮状态，不发生沉淀。磁性微粒的粒度越小，则动力稳定性越好。聚集 稳定是指胶体粒子克服由其表面能引起的粒子之间相互吸引的能力。粒子的粒度减小， 则比表面积增大，表面能增大，粒子间相互吸引发生聚集的势能增大，因而聚集稳定性 差。提高磁性流体动力稳定性的措施是减少磁性微粒的粒度；提高聚集稳定性的措施则 是在磁性微粒的表面包覆分散剂。 磁性微粒之间存在两种相互作用力，即微粒之间的静磁相互作用力和范德瓦尔斯 力。VanderWaals 由于磁矩的存在，磁性微粒之间存在静磁相互作用力，因而微粒之间存在势能。变 种势能与微粒直径的三次方成正比，与微粒之间距离的三次方成反比。另一方面，磁性 微粒在基液中作布朗运动。当微粒的热能与势能相等时就可以阻止因静磁作用引起的粒 子之间的聚集。根据表面活性剂的厚度，可以推出微粒直径的大小。一般地，微粒 34 Fe O 表面活性剂的厚度为微粒直径的，当微粒直径为时，热能与势能基本相等。所1 5100 A 以，磁性微粒的直径一般控制在左右。在磁性流体的制备方法中，机械粉碎法是将100 A 大颗粒的粒子经长时间的研磨粉碎，减小粒子的直径。而湿式化学共沉法则是把分子或 离子大小的粒子增加到左右。100 A 偶极子之间存在着相互手用的色散力，称为范德瓦尔斯力。这种力与粒子的大小无 关，只要粒子相接近，就产生负势能，降低聚集稳定性。热运动不能阻止范德瓦斯力引 起的聚集。分析表明，范德瓦尔斯力与微粒间距离的六次方成反比。因此，为了克服这 种力的作用，在磁性微粒的表面包覆一层长链子的表面活性剂，增加微粒之间的距离， 克服相互间的吸引力，使热运动能保持颗粒处于分散状态，从而提高聚集稳定性。 存在重力或磁场力的作用时，磁性流体内磁性微粒的悬浮状态会发生变化。在重力 的作用下，磁性流体中的微粒发生沉降，微粒的浓度按上稀下浓分布。同时，在扩散力 的作用下又使微粒由浓度高的下方向浓度低的上方扩散。因此，磁性微粒受到重力与扩 散力的共同作用。在平衡状态下，向上与向下移动的微粒数相等。重力与浮力叠加作用 于每一个微粒的沉降力为 3 6 c fdg 式中 沉降力；f 微粒的直径；d 胶体粒子的密度； 基液的密度； c 重力加速度。g 拇个粒子爱到的扩散力为 kT dn f n dz 式中 扩散力； f 玻耳兹曼常数；k 绝对温度；T 单位体积内的微粒数；n 高度。z 由于在平衡状态下沉降力与扩散力相等，所以 3 1 1 6 c dnd gn dzkT 式为在重力作用下磁性微粒稳定悬浮的条件。可以看出，微粒的直径越小，浓度越1 1 低；温度越高，则稳定性越好。 在非均匀磁场作用下，磁性微粒向磁场较强的区域运动动，发生与重力作用相似的 过程。设磁场在方向的变化率为，而磁性微粒的磁化强度为，则单位体积磁性zdB dzI 微粒所受磁场力为 3 6 dB fd I dz 每个磁性微粒所受磁场力为 3 0 6 d ndB fI kTdz 式中 磁感应强度。B 不计重力作用时，磁性微粒在扩散力与磁场力作用下处于稳定平衡状态的条件是 3 12 6 dnd ndB I dzkTdz 式为磁性流体稳定条件，若要使磁性流体在重力和梯并磁场的作用1 112和式 下保持较好的稳定悬浮状态，则式中的等号应改为大于号。 1.4 磁流体的特性 1.4.11.4.1 磁化特性磁化特性 磁性流体的磁性来源于其中所含的磁性微粒。磁性微粒不是分子，而是由分子组成 的颗粒，其特性与铁磁物质相似。组成磁性微粒的分子或原子中的电子都绕原子核运动 或本身进行自转运动。这两种运动都产生磁效应。如果没有外磁场的作用，那么由于热 运动，分子电流的磁矩任意取向，磁性微粒中分子的合成磁矩为零，因而对外不显示出 磁效应。当磁性微粒置于磁场中时，分子电流磁矩的排列比较整齐，微粒中各磁矩的矢 量和不为零，这时显示出磁性。 实验表明，磁性微粒在一定磁场强度下的磁化强度与微粒的直径有关。单位体积内 磁性微粒的质量一定时，磁性微粒的数量越多，即磁性微粒的直径越小，磁性微粒的磁 化强度越大。如图 1-2 所示： 图 1-2 磁性微粒的磁化强度与微粒直径的关系 磁性微粒属于超顺磁性物质。一旦有外磁场的作用，则分子磁矩立刻就会定向排列， 并对外显示出磁性。随着外磁场强度的增加，刚开始时，磁化强度随外磁场成正比增加， 然后增加逐渐变慢，最后达到饱和状态。磁化饱和之后，所有分子磁矩均按外磁场的方 向排列，当磁场继续增强时，磁性微粒的磁性不再增加。当外磁场消失后，磁性微粒马 上退磁，基本没有磁滞现象。如图 1-3： 图 1-3 磁性微粒的磁化曲线 磁性微粒悬浮在基液中使磁性流体具有磁性，一般将磁性流体视为连续介质，以磁 化强度 M 表示其磁化特性。与磁性微粒的磁化特性相似。磁性流体也表现出超顺磁特性， 随着外磁场强度的增加，开始时，磁化强度成正比增加，然后逐步趋于饱和。磁性流体 的磁化曲线如图 1-4。 图 1-4 磁性流体的磁化曲线 1.4.21.4.2 粘度特性粘度特性 在磁性流体的应用中，粘度是一个重要的参数。磁性流体的粘度由基液的粘度和磁 性微粒的含量而决定，此外还与外磁场有关。 当没有外磁场作用时，磁性流体具有牛顿流体的特性。对于磁性微粒含量体积比小 于 1%的较稀薄磁性流体，其粘度可用爱因斯坦公式计算： /0 =1+5 . 2 式中，0-基液的动力粘度，-磁性流体动力粘度，-微粒的体积百分比。 这种稀薄的磁性流体应用很少，为了获得高磁化强度的磁性流体，磁性微粒的含量 都较高，这时粘度的表达式为 式中的系数 a ,b 可由不同粘度时 的取值决定。 由于磁性微粒的存在，磁性流体的粘度要比其基液的粘度大很多。因为磁性流体的 磁化强度随磁性微粒浓度的增加而增加，因此，当基液一定时，磁性流体的粘度随饱和 磁化强度的增加而增加。对磁性流体，当饱和磁化强度不大于 600Gs 时，其粘度与 饱和磁化强度几乎是线性关系，当饱和磁化强度继续增强时，粘度非线性地急速增加， 如图 1-5 所示。所以，磁性流体饱和磁化强度的提高受到粘度的限制。 图 1-5 磁性流体的粘度与饱和磁化强度的关系 此外，磁性流体的粘度还会受到温度的影响，温度升高时，其粘度将会减小，如图 1-6 所示。 图 1-6 磁性流体的粘度与温度的关系 在外磁场的作用下，磁性流体的粘度将发生变化，磁场的作用使磁性流体的粘度显 著增加。在磁场作用下，磁性流体的粘度公式为： = = +F(, ) H S 2 3 0 b 2 sin 式中， -无磁场作用时的粘度，-磁性流体在磁场作用下的粘度，-磁 S H 性流体的回转角速度，-磁性微粒回转布朗运动的缓和时间；=MH/k T； 为磁 场 b 与运动方向的夹角；H 为磁场强度，M 为磁化强度。 由上式可知，磁性流体的粘度除了受磁场强度大小的影响外，还会受到磁场方向的 影响。图 1-7 表明了磁场方向对粘度的影响。 图 1-7 磁场方向对粘度的影响 1.4.31.4.3 温度特性温度特性 磁性流体的饱和磁化强度随温度的升高而减少，至居里点时，磁场完全消失。如图 1-8 所示。 图 1-8 磁性流体的饱和磁化强度与温度的关系 1.4.41.4.4 蒸发特性蒸发特性 磁性流体和其他流体一样也会蒸发。我们通常用蒸发率来表示蒸发的速度。当压强 一定时，温度越高，则蒸发量就越大。磁性流体的寿命主要取决于基液和分散剂的蒸发 率或饱和蒸气压的大小。为获得寿命长的磁性流体，就要选择蒸发率低的基液和分散剂。 1.4.51.4.5 光学特性光学特性 通常的磁性流体为黑色不透明的液体。如果将磁流体制成微米级的薄膜状时就能透 光。在外加磁场的作用下，磁矩定向排列，在磁场方向和与之垂直的方向上，介电常数 就出现差异。由于物质的折射率 与其介电常数 之间的关系为 ，因此，在 磁场的作用下，磁性流体薄膜会出现与单轴性光学晶体类似的现象。 1.4.1.4. 6 6 界面现象界面现象 此性流体的表面在磁场力的作用下会产生特殊的变形，发生有趣的界面现象。如图 1-9 所示，在容器中装入磁性流体，并沿垂直于表面的方向加磁场，磁性流体的表面就发 生微小的扰动，扰动随着磁场的增大而增大。由于表面的微小扰动使磁场的针尖状的突 起部增强，磁场力使表面变形增大。当磁场力与重力和表面张力相平衡时，表面针状停 止上升。 图 1-9 界面不稳定现象 1.5 磁流体的应用 1.5.1.5.1 1 磁性流体轴承磁性流体轴承 利用磁性流体可以被磁场所控制并可以作为润滑剂这两种特性，可制成磁性流体轴承。 图 1-10 即为磁性流体轴承的一种，磁性流体起到了润滑和将心轴浮起的作用。磁性流体 轴承还有其他方式，如图 1-11 是由磁场力将磁性流体固定于极尖位置，从而将液体或空 气密封在环形密封腔内，形成液体或气体支撑轴承。 非磁性心轴 磁流体 被支撑件 底板 空气 磁流体 图 1-10、1-11 磁流体轴承 1.5.21.5.2 磁性流体研磨磁性流体研磨 磁性流体研磨如图 1-12 所示。研磨装置是由 NS 交替排列的永久磁铁、磁流体及液 体槽、磨粒、被加工件和旋转驱动设备等组成。磨粒加入磁性流体中，在磁场的作用下， 磁流体受到向下的吸力，研磨颗粒则受到向上的浮力，浮在磁流体上部。在被加工件旋 转时，研磨颗粒对工件存在一定的压力，并进行研磨。这种研磨方法的特点是加工精度 高，并且可以研磨自由表面。 图 1-12 磁性流体研磨原理 1.5.31.5.3 磁性流体扬声器磁性流体扬声器 在普通扬声器音圈的气隙中注入少量的磁性流体，便可改善扬声器的性能。由于磁性 流体的热导率远大于空气的热导率，因而扬声器的散热效果大大改善，磁性流体吸附于 磁极上，对音圈产生了自动定心的作用，防止音圈与磁极的摩擦，使扬声器振膜平滑振 动。另外，由于磁性流体可使扬声器的功率增加，因而可以在不减小输出功率的情况下 扩大低音频率范围。因此，磁性流体扬声器具有效率高、功率大、失真小、低频特性好 的优点。 1.5.41.5.4 金属分选金属分选 将磁性流体置于梯度磁场中，在磁场力的作用下磁性流体内部压强随着磁场强度的 增大而增大，表现在磁性流体的视在比重增大。改变磁场的大小，可以改变磁性流体的 视在比重。我们利用这一原理进行金属分选。将准备分选的非磁性金属放入磁性流体中， 之后加上外磁场，当磁性流体的视在比重大于待分选金属的比重时，这时待分选金属就 会漂浮在磁性流体的表面。磁场由弱至强逐渐增加，就会依次将待分选物料中的金属按 比重不同从小至大分离出来。这种方法对稀有的贵重金属的分离很有意义。运用磁性流 体进行金属分选的方法在中国、美国等国家已有应用。 1.5.51.5.5 磁性染料磁性染料 把染料做成磁性流体即得到磁性染料。将需要染色的布料置于强磁场中，如通过由 强磁铁制成的滚子上，按照图案加入相应的磁性染料，磁场将染料吸附在布料上，烘干 后再用强磁场将铁粉除去。由计算机控制染色工艺可染出各种图案和花色的布料。 1.5.61.5.6 油水分离油水分离 以碳氢化合物作为载液的磁性流体具有疏水亲油的特性。若将漂浮在水面上的油喷 洒上这类磁性流体，则磁性流体便会与油相混合。如果将一磁场较强的永久磁铁加到水 面上，此时油与磁性流体的混合物被磁铁吸收，从而实现了油水分离。该方法可以用来 回收泄露在海面上的石油，也可以用来处理含油的废水。 1.5.71.5.7 磁性流体印刷磁性流体印刷 把墨水制成磁性流体，可以用来进行磁性墨水印刷。图 1-13 为磁性流体射流印刷原 理图。印刷系统由液滴形成器（喷嘴）、电磁选择器、偏转器、液槽以及印刷纸组成。 由喷嘴喷出的磁性流体经过选择器选择后进入到偏转器中，在梯度磁场的使用下按一定 方向从偏转器偏转到印刷纸上，并使墨水按照一定形状排列，从而实现射流印刷。多余 的墨水则回到槽中。 液滴形成器 电磁选择器 偏转器液槽 纸 图 1-13 磁性流体射流印刷 1.6 磁性流体的发展 磁性流体是产生于 60 年代末，70 年代初的一种液体磁性材料，具有与普通磁性材料 所不同的特性，在许多领域中有其特殊用途。 自磁性流体问世以来，在磁性液体的制备方法，磁性流体的种类，特性及应用方面 都在不断发展。在制备方法上，最初是采用机械粉碎法，费时，颗粒不均匀，为了改善 磁性流体的特性及制备新的磁性流体。人们又研究出新的方法与工艺，如解胶法，离子 交换树脂法、热分解法、还原法、电解法等。 在磁性流体的种类方面，根据用途不同，研制出多种基液的磁性流体。磁性微粒由 四氧化三铁、赤铁矿发展到铁氧体、纯铁及镍、钴等合金，近年来又研制出了高磁性能 的氮化铁磁粉。 在磁性流体的特性上，首先人们从磁性流体的制备工艺各种类方面不断提高和改善 磁性流体的特性，如四氧化三铁磁性流体的饱和磁化强度从 左右，另外，人们还对磁性流体所表现出的各种特殊0.02200TGs 发展到0. 06T 600G s 性质进行了研究，如粘度特性、光学特性、及温度特性等等。 在磁性流体的应用方面，最初是用于密封，这是磁性流体最成功的应用之一。美国 磁性流体公司的第一批产品之一就是磁性流体真空无泄漏装置。随着人们对磁性流体特 性的认识，新的应用不断出现，如润滑、轴承、阻尼、选矿、能量转换、印刷、传感器、 医疗等等。 磁流体技术是一项不断发展并逐步走向成熟和完善的技术。只要用户有更高的应用 要求,在生产厂家和用户的密切配合下,这项技术的应用领域将不断拓宽,同时也将给生产 厂家和用户带来可观的经济效益。 2 磁流体密封 2.1 磁性流体密封概述 磁流体密封是 60 年代末产生的一种新型的密封技术，经过 20 多年的发展现已达到 较高的技术水平，并已在工业中得到应用。目前磁流体密封气体，其承压能力可达 ，密封真空真空度可达，主要用于动态密封和隔绝密封。磁流体Mpa43 . 3 Pa 6 10332 . 1 密封是磁性流体最成功，最主要的应用之一，具有传统方式所不能比拟的优点。本章将 介绍磁性流体密封的基本原理，形式，密封的特点及应用。 2.2 磁性流体密封的产生 在许多旋转机械中，要求机器内部介质不得外泄，或外部流体不得进入机器内部， 因此必须在原动机与旋转机械的联接处设置密封装置，这就是旋转轴密封问题。传统的 密封方式有多种，但大多存在以下两方面的问题：第一是密封件与旋转轴的接触，产生 摩擦和密封件的磨损，磨损降低了密封装置的使用寿命。摩擦的存在对原动机产生阻力 矩，产生了功率损耗。在高速旋转轴密封中，磨损与功率损耗问题更加严重。第二个问 题是无泄漏密封比较困难，尤其在高转速高压差密封中更加困难。 60 年代出现的磁性流体密封技术弥补了传统密封方式的不足，在旋转轴无泄露密封 中显示出独特的优点。早在上世纪 40 年代，就有人提出了用流体磁性材料进行密封的设 想，但是，由于不能生产出这种材料，这一设想一直没能付诸实践。直到上世纪 60 年代， 在美国工作的成功地制备出具有实用意义的磁性流体后，真正的磁性流NANAPapellSS 体密封装置在美国诞生。美国航空公司的研究人员对磁流体进行了改进，并探讨了许多 新的用途。但由于当时磁性流体的磁性较弱，因而密封能力很低。而多级密封克服了密 封能力低的问题，并且人们还发现压差可以在各密封级自动分布。1969 年， 和离开建立了基于磁性流体技术的公司，该公司的第一批RosensweigMoskowituAVCO 产品之一就是用于直径转轴的真空密封的装置。随着磁性流体技术的发展，磁性流体密 封技术向实用化方向发展，并越来越多地在不同领域受到人们的重视。目前，在美国、 俄罗斯、英国、日本等发达国家，磁性流体密封已经在许多领域得到应用。 2.3 磁性流体密封的基本原理 磁流体密封自问世以来之所以发展迅速，是因为它具有很多独特的性能，优于传统密 封。我们知道传统密封可以分为接触式和非接触式两大类，它们都存在一定的缺陷。接 触式密封比如填料密封和机械密封等，虽然它们能保证绝对无泄漏，但是这种密封由于 接触元件之间磨擦磨损较大，功率损耗较大，转速受到限制，使用寿命短而且需经常维 护；非接触式密封如迷宫密封和浮动环密封等，迷宫密封因动件与静件有间隙，没有磨 擦，但却存在泄漏通径，不适合用于低速场合，且静止时不能起到密封作用。 磁场中磁性流体受到磁场力的作用，在无外力作用时，磁流体将会保持在磁场最强 的区域内。在外力的作用下，磁性流体的位置和形状将发生变化，从而引起磁场力的变 化，磁场力与外力相平衡，使磁性流体处于新的平衡状态。磁流体 (a) (b) 1 永久磁铁 2. 磁极 3.磁力线 4. 磁性轴 5. 磁流体 6. 非磁性轴 图 磁流体动轴密封结构示意图12 密封就是利用了这一原理，如图 所示。密封装置由永久磁铁、磁极、磁回路、 a12 磁性流体和转轴等等组成，其中永久磁铁是硬磁材料，如磁性很强的钕铁硼稀土永磁材 料，磁极、磁回路、转轴为软磁材料，导磁性好。磁极与转轴之间的间隙称为密封间隙， 密封间隙内充入磁性流体。永久磁铁产生的磁场经过密封间隙。又由于极尖下磁场最强， 所以磁流体集中于极尖处，在密封间隙内形成液体“”形密封环。当没有外加压差时，O 磁流体所受到的磁场力为零，如图 所示。当存在外加压差时，磁性流体将发生 a22 位移和变形而产生磁场力，磁场力与外加压差相互平衡，如图 所示：磁场力的大 b22 小取决 图 2-2 磁性流体承压过程 于磁性流体的位置和形状。当外加压差达到一定数值后，此时磁场力不能与外力相平衡， 磁性流体不再处于稳定的平衡状态，被外力“推出”密封间隙，从而导致密封失效，如 图所示。 c22 当转轴为非磁性材料，则不能作为磁通的路径，此时，密封的结构如图 2-1（b）所 示，磁力线经永久磁铁和两个磁极闭合，在两极之间的间隙中形成强磁场，把磁性流体 保持在两极之间的间隙内，当磁流体量较多时，同样可以在密封间隙内形成液体密封环。 但这种密封结构的密封能力比图 所示结构的密封能力低，因此应用不多。在非磁 a12 性转轴的局部套上磁性衬套，就可以采用图 2-1所示的密封结构形式。为了提高密封 a 能力，磁极一般会制成尖角形状，这样能够增加极尖下的磁场强度和磁场梯度。同理， 密封间隙应取得尽量小些。磁场通常由永久磁铁产生，其优点是结构简单。也可采用电 磁线圈产生磁场，其优点是可根据需要对磁场进行调节，不工作时可以去掉磁场，但电 磁线圈需励磁电源，消耗能量并发热，同时密封装置的结构也复杂很多，因而一般不宜 采用。 用于密封的磁流体多数采用酯或精制油作为基液，其特点是工作温度范围大，变化 蒸汽压低，稳定性好；磁化强度高，粘度也合适。当然，根据被密封介质的不同，选用 的磁流体当然也有所不同，尤其是液体介质的密封，磁流体的选择起到成功与否的关键 作用。 2.4 磁性流体密封的形式 磁性流体密封有多种形式，分类方法也不同，一般有以下几种分类方式： （1）根据密封的结构形式： 单级密封 只有一个密封环 多级密封 有多个密封环 多级多级密封 有多个磁极，每极有多个密封环 （2）根据密封机理： 磁性流体密封 只靠磁场力密封 磁性流体离心密封 低速时靠磁场力密封，高速时靠离心力密封 混合式密封 磁性流体密封与其他机械密封方法相结合 （3）根据密封件的运动形式： 旋转轴密封 运动部件做旋转运动 往复式密封 运动部件做直线往复运动 带密封 一种静止密封 （4）根据用途不同： 防尘密封 基本上无压差 真空密封 压差为 1 个大气压，且为负压 压差密封 压差范围大 下面仅对其中某些密封形式进行具体介绍： 2.4.12.4.1 单级密封单级密封 图 即为单级密封结构，单级是指只有一个密封环。单级密封磁极的形状有多种。12 在压差较小的情况下采用单级密封，如防尘密封，其特点是结构简单，体积小，密封压 差在 左右。如图 所示为单级密封的几种不同磁极。MPa04 . 0 01 . 0 32 图 单级密封磁极的形状32 单边斜角磁极；双边斜角磁极；矩形磁极；双极尖磁极。 a b c d 2.4.22.4.2 多级密封多级密封 密封压差较高时，一般采用多级密封，密封结构如图 所示，磁极呈齿槽形状。42 因为齿下磁场较槽下磁场强，磁性流体充入后便分布于各个齿下，从而形成多个密封环； 这时每一个齿为一个密封级，总密封压差为各级密封压差之和。因而密封压差高，可达 图 多级密封24 图 多级密封的其它结构形式25 尖角磁极； 矩形磁极； 多块磁铁排列 a b c 左右。通过实验可以看出，多级密封的压差可沿各级进行自动分布，多级密MPa7 . 05 . 0 封的结构形式有多种，除图 所示的齿槽形磁极外，还可以将多个单级密封组合起来42 构成多级密封；或者将多块永久磁铁排列起来形成多级密封，如图 所示。52 2.4.32.4.3 多极多极 多级密封多级密封 将几个多级密封组合起来就可以构成多极 多级密封，如图 所示。密封装置26 由几个磁极构成，每个磁极又都是多级密封的齿槽结构。由于密封的级数较多，因而可 以实现高压差密封，密封压差可达 甚至达到更高的水平。2.5 3.0MPa 2.4.42.4.4 往复式密封往复式密封 运动部件做直线往复运动时，其密封为往复式密封，也叫直线式密封，如图所示。27 这种密封与旋转轴密封基本相同，也可以采用单级密封、多级密封以及多极 多级密 封。直线运动速度不太高时，可以看作是转速为零的静止密封。 图 多极 多极密封 26 图 往复式密封27 2.5 磁性流体密封的特点 磁流体密封没有动件和静件的直接接触，属于非接触式密封，但其间隙处被磁场吸附 的磁流体形成的“”形环又似接触密封，因此它兼有接触式密封和非接触式密封的优O 点。概括如下： （1）密封性能好，只要是在允许的压差范围内，它可以实现无泄露； （2）因为是非接触式密封，不存在摩擦磨损等问题，因而使用寿命长； （3）转速对承压能力的影响小于传统密封； （4）没有因轴回转时固体间的接触而产生的噪声和振动； （5）密封的左右两侧都可以受压，没有方向性； 没有轴在回转中因与密封件摩擦而产生的碎屑，磁流体本身在磁场中也不会脱 6 落； 适用于高真空、高速，不需要停车密封。 7 磁流体在密封也存在一些局限性，如：与其它密封方式比，其承载能力低；密封界 面容易受到外部磁场影响，密封稳定性有待进一步提高；而且必须严格保证磁流体与被 密封液体不相溶等。 2.6 磁性流体密封的应用现状 磁性流体可以用于防尘、真空和压差密封。密封介质主要是气体，只要气体介质对磁 性流体的基液和表面活性剂没有化学腐蚀作用即可以采用磁性流体密封。液体介质的密 封比较复杂，不但要求液体介质对磁性流体的基液和表面活性剂没有化学腐蚀作用，同 时要求介质与基液和表面洗性剂不发生亲合作用，否则，可引起磁性流体的流失。因而 液体介质的密封对磁性流体的要求更为苛刻，目前磁性流体办能适用于少部分液体介质 的密封，如水等。在密封压差方面，磁性流体密封比较适合于压差不太高的密封，如压 差小于的密封结构非常简单。压差较高时，密封结构较复杂。可以说磁性流体密0.5MPa 封在很多领域有所应用，如国防、航天、电子、机械、仪表、农业、化工、原子能、制 药、食品等领域，较典型的应用如下。 1. 防尘密封 磁盘存储器 防尘与防油雾密封； 1 原子能 放射性气体的密封； 2 超导发电机 防止氮气进入氧气等气体的密封； 3 发酵罐的搅拌 防止细菌等混入的密封； 4 半导体制作 防尘密封。 5 2. 真空密封 X 射线电极； 1 真空蒸发； 2 真空加热炉； 3 质谱仪； 4 储能飞轮的真空密封； 5 单晶炉。 6 3. 压差密封 反应釜； 1 风机； 2 气泵。 3 尽管如此，磁流体密封仍然有许多需要继续研究的地方，距离磁流体密封的普遍推 广应用还有一定的距离。 本毕业设计为磁流体密封试验台，致力于找到磁流体的密封能力和转轴转速，密封 间隙，磁流体的饱和强度等因素的关系，并给出比较准确的数据。 3.密封结构设计 3.1 密封结构总述 本次密封设计包括了三种结构：单极密封结构，多极密封结构，离心式密封结构。 磁流体在高速密封时表现突出，设计的三种密封结构转速都可以达到 7000 转的高速度。 其中单极密封结构侧重于研究磁流体性质对密封能力的影响，多极密封结构侧重于研究 极数度密封能力的影响，而离心式主要研究结构对密封能力的影响。试验还可以测量出 实际密封压力与理论值的差距，观察不同情况下的密封压力随时间的变化情况。 3.2 单极密封机构设计 3.2.13.2.1 永久磁铁的设计永久磁铁的设计 本设计中采用直径为 30mm 的旋转轴。 在密封装置中永久磁铁的作用是由永久磁铁在磁路中产生强磁场，将磁性液体保持 在密封间隙内形成液体“O”行环，使磁场力与外加压差相平衡。 一.永磁材料的选择 目前常用的永磁材料主要有铁氧体、铝镍钴、稀土钴和钕铁硼稀土永磁材料。各种 材料的特性如下： 1.铁氧体永磁材料 铁氧体永磁材料主要有钡铁氧体（BaO6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO6Fe2O3）两类。 其性能为 矫顽力 Hc=1.281052.8105A/m 剩 磁 Br=0.20.42T 磁 能 积 （BH）m=6.430.4kJ/m3 磁 导 率 m=（11.3）0 温度系数 =（-0.18%-2.0%）/0C 铁氧体永磁材料的主要优点是： （1）矫顽力 Hc 较大； （2）去磁曲线近似为一直线，不易发生不可逆去磁现象； （3）原料容易得到，价格低廉，制造工艺简单，成本低。 主要缺点为： （1）剩磁小，但可以通过磁路的合理设计加以弥补。 （2）磁性能受温度影响较大，一般在-4080温度范围内使用。 2.稀土钴永磁材料 稀土钴（RCo5或 R2Co17，R 为稀土元素）是稀土族元素构成的金属化合物；是磁性 很强的永磁材料。磁性能为 矫 顽 力 Hc =41058105A/m 剩 磁 Br =0.61.06T 磁 能 积 （BH）m =88204kJ/m3 稀土钴永磁材料的主要优点是： 矫顽力很高，磁能积很大。在满足一定的磁性指标时，可以减小体积。 去磁曲线基本为一直线，不易发生不可逆去磁。 温度稳定性好。 缺点主要是价格高。 3.铝镍钴永磁材料 铝镍钴（AlNiCo）分浇铸、粉末烧结、粉末粘结三种类型，其性能为 矫 顽 力 Hc =5.610410.8104A/m 剩 磁 Br =0.81.35T 磁 能 积 （BH）m =32104kJ/m3 铝镍钴永磁材料的主要优点为： （1）剩磁高，磁能积大； （2）温度稳定性好。 主要缺点是： （1）矫顽力低。为了弥补这一缺点，应当加大磁化方向的长度。 (2)去磁曲线为非线性。加工维修中可能会出现不可逆去磁。 （3）价格较高。 4.铷铁硼稀土永磁材料 铷铁硼稀土永磁材料的主要成分为 Nd2Fe14B，现已发展生产生出磁性不同的 RFeB 系 列永磁材料。铷铁硼稀土永磁材料诞生于上世纪 80 年代，是目前磁性能最强永磁材料， 具有“磁王”之称。其性能为 矫 顽 力 Hc =3.21058105A/m 剩 磁 Br =0.61.15T 磁 能 积 （BH）m=96288kJ/m3 磁 导 率 m =（1.051.1）0 温度系数 =（-0.09%-0.13%）/0C 铷铁硼稀土永磁材料的优点为： （1）矫顽力高，剩磁大，磁能积高； （2）去磁曲线基本为一直线，不易去磁； （3）价格比较适中。 缺点主要是温度稳定性稍差，高温时会发生不可逆去磁。一般在低于 130150温 度下使用。 在磁性流体密封设计中，可以从以下几方面考虑选择永磁材料。 （1）当密封能力不需要很大的情况下，对密封装置的体积要求不高，使用温度也 不高时，可以选用价格较低的铁氧体永磁材料。 （2）当密封压差较大，温度又不是特别高时，常常选用铷铁硼稀土永磁材料。该 材料磁性强，价格适中，是磁性流体密封中最常用的材料。因为磁性流体的性能随温度 的升高而变差，在温度高的情况下，常常采取冷却措施；如设计水冷系统，这时也可以 选用铷铁硼稀土永磁材料。 (3)如果温度较高，而且磁性流体可以正常工作时，可以考虑选用铝镍钴或者稀土钴 永磁材料。 综合所述，根据工作环境在常温下工作和永久磁铁的用量少且价格适中，所以选用 磁能最强的钕铁硼稀土永磁材料，材料牌号为：N35。 二永久磁铁尺寸的确定 设计永久磁铁的尺寸时，从两个方面进行考虑，首先是永磁材料的能够最佳利用； 其次是提高密封装置的密封能力，且减小体积。 (1)永磁材料的最佳利用 当不考虑铁磁材料的磁阻时，永久磁铁对外磁路产生的磁势应当为两个密封间隙的 磁压降之和，即 Fm =Fg1 + Fg2 （3-1） 由磁通的连续性有： m=g+=g （3-2） 其中 m永久磁铁产生的磁通； g 密封间隙磁通； 漏磁通； 漏磁导数。 设永久磁铁磁化方向的长度为 Lm，截面积为 Sm，则 Fm = Hm*Lm；m=Bm*Sm。Hm、Bm分别为永久磁铁的磁场强度和磁感应强度。由式 （3-1）和（3-2）有： Lm= （Fg1 + Fg2）/Hm，Sm=g/Bm 当磁路其它尺寸一定时，密封间隙的磁阻也一定，且有 g=g1 Fg1=g2 Fg2，从而，永 久磁铁的体积 （3-3） 12 11 122 (1) () g gg gggg mmm mmmm F FF VL S H BH B 当两极尺寸相同时，Fg1=Fg2，所以 （3-4） 2 2 gg m mm F V H B 由于密封间隙的磁导和磁势决定于磁极和密封间隙的尺寸及磁场分布。式（3-3） 和（3-4）表明，当 Fg和 g一定时，即磁路的其它尺寸和磁场一定时，只有当 BmHm值最 大时，这时永磁材料的体积最小。 对于去磁曲线为直线的永磁材料，当 Bm=Br/2，Hm=Hc/2 时，磁能积最大，（BmHm） max=BrHc/4，此时永久磁铁的最佳尺寸为： Lmopt=4Fg/Hc Smopt=2Fgg/Br Vmopt=8Fg2g/ （BrHc） 磁铁的形状及参数如图 3-1 所示 外径-D；内径-d；长度-L。 图 3-1 永久磁铁示意图 根据轴径选取轴承为深沟球轴承 6206，=30mm, D=62mm,B=16mm, 而永久磁铁的d 外径与轴承的外径相近，所以参考最佳尺寸的计算，磁铁的尺寸选：永久磁铁的内径 =40mm；外径 D=60mm；长度 L=29mm。把两个轴承并列放在动力输入端，可以更好的 d 对轴承进行润滑。 3.2.23.2.2 磁极的设计磁极的设计 1.磁极的分类 密封的磁极形状有矩形、单侧斜角形、双侧斜角形三种，密封间隙的磁导是极尖下磁 导与边缘磁导之和。在求磁导时假设极尖下的磁力线为穿过间隙的直线，边缘处的磁力 线是圆弧与直线的结合。可以设转轴的直径为 D，其余尺寸如图 3-2 所示。以单级密封为 例，计算各种磁极密封间隙的磁导。 图 3-2 单级密封磁极形状 （a）矩形；(b)单侧斜角形；(c)双侧斜角形。 （1）矩形磁极。在极尖下，假设磁力线为直线，对应的磁导为： g=0Db/g （3-5） 在磁极侧面，可以认为磁力线由圆弧和直线组成。由于转轴直径远大于密封间隙， Dd，这时可以忽略磁场沿径向的变化。在极侧面 x 处取一面积微元 ds 如图 3-3（a）所 示： ds=Ddx 相应的磁力线长度为： l=g+x/4 在 x 处对应面积 ds 和长度 l 的磁导为： dg”= 0Ddx/(g+x/4) 一般情况下，磁场在磁极侧面沿轴线方向衰减的很快，可以认为在 x=（58）g 处 衰减为零。因此，磁极一个侧面的磁导可以按下面的积分求出： g”= = 40Dln(g+2g)/g =5.680D （3-6） g xg 8 0 0 4/ Ddx 由式（3-5）和式（3-6）可以计算出密封间隙的磁导为： g =g+2g” =0Db/g+11.360D （3-7） （2）单侧斜角磁极。可以假设单侧斜角形磁极下的磁力线形状如图 3-3（b）所示。 磁导的求法与矩形磁极相似。在斜角侧，可以取积分上限为 x=a-b，则： dg” =0Ddx/(g+x) g”= = ln（） （3-8） )( 0 0 ba xg Ddx D 0 g bag)( 根据式（3-5）、式（3-6）、式（3-8），密封间隙的磁导为： g =g+g”+g” =+5.680D + ln（） （3-9） g Db0 D 0 g bag)( （3）双侧斜角磁极。如图 3-3（c）所示双侧斜角形磁极，密封间隙的磁导为： g =g+2g” =+ ln（） （3-10） g Db0 D 0 2 g bag)( 在多极密封中的磁极的磁导的求法和单级密封中的求法是一样的，所不同的是槽下 磁导的求法。本设计选取多级矩形磁极 。磁极的尺寸参见装配图。 图 3-3 多级密封的磁极形状 增加磁场梯度，磁极的槽深度一般设计的较深，槽内磁力线的分布如图 3-4（a）所 示。假如用圆弧与直线代替磁力线，那么磁力线的分布如图 3-4（b）所示，相当于减小 磁路的截面积。为了补偿这一误差，可以用一条倾角为 的直线来代替实际槽的侧面边 界，如图 3-4（c）所示，相当于在缩小了磁路面积的同时，同时也人为的缩短了磁路长 度。槽较深时，可取 =11.1，这种方法叫代角法。 图 3-4 用代角法求槽下磁导 按照代角法，半个槽距下的磁导为 ，（3-11） /2 000 0 1 2 lnln 1 22 s gs s g DdxDDs gxgg 以和分别表示齿下磁导和磁极侧面磁导，那么对于密封级数为 N 的多级密封， gt ge 密封间隙的总磁导为 （3-12） (1)2 ggtgsge NN 式中 （3-13） 0 gt Dt g （3-14） 0 5.68 ge D 式中 t齿宽；s槽宽；D 转轴直径。 如果忽略边缘齿的差别，则可以近似的认为 （3-15）() ggtgs N 磁流体液体密封装置的结构详见密封件装配图。 2齿槽尺寸的确定 齿槽尺寸是指密封间隙 g、齿宽 t、槽宽 s、齿高 ht等。如图 3-7 所示，永久磁铁和密 封级数确定后，磁场和密封能力取决于齿层尺寸。 （1）密封间隙的确定 密封间隙的大小直接决定了磁流体的密封效果。 磁流体的密封能力对密封间隙的尺寸特别敏感，特别是当间隙小于 0.150.1mm 时， 耐压能力随密封间隙的减小而急剧增强。在一定范围内，减小间隙是提高密封能力最有 效的方法，但密封间隙过小时，密封耐压能力的增加并不明显，甚至在密封间隙特别小 的时候，出现密封能力反而减小的情况，密封间隙过小，将会引起密封轴与齿顶的磨擦。 所以基于以上考虑，密封间隙一般选在 0.050.20 之间。本例取 g=0.20mm。 图 3-5 磁极尺寸示意图 （2）齿宽的确定 确定齿宽时主要考虑齿部的饱和程度及边缘效应对磁场的影响。若齿宽 t 太小，则齿 部饱和，磁场的边缘效应也会增大，两种情况均导致齿下磁场最大值 Bmax 减小，因而 B= Bmax-Bmin也减小，密封压差下降。反之，如果齿宽 t 过大，则密封间隙磁导很大。由 于永久磁铁产生的总磁通接近 r=BmSm，对于给定的级数，穿过一个齿距内的磁通也接 近极限值。所以磁导的增加将使齿层磁压降减小，从而将使 Bmax下降，同样使密封压差 下降。如图 3-6 所示为不同齿宽时磁场的分布情况和密封压差随齿宽的变化。 (a)t/g=2 (b)t/g=4 图 3-6 齿宽不同时的磁场分布 从图 3-6 可以看出，当齿宽 t 较小时，磁场边缘效应较大，按尖顶形曲线分布，因而 Bmax较小。当齿宽 t 增大到一定值时，磁场开始呈平顶形曲线分布，因而 Bmax较大。齿 宽继续增大，则磁场的平顶部分增大，但 Bmax却减小。平顶部分的磁通是无用磁通。无 用磁通的增加，降低了总磁通的利用率，因而密封能力下降。 图 3-7 齿宽对密封压差的影响 一般情况下，取齿宽间隙比 t/g=48 较为合理。所以本设计选取 t/g=5。因此， t=5g=50.2=1mm t 取 1mm。 （3）槽宽的确定 槽宽主要影响磁感应强度最小值 Bmin。槽宽不同时的磁场分布如图 3-8 所示。槽宽 s 较小时，槽下磁场 Bmin较大，B 减小。槽宽 s 较大时， Bmin较小，B 增加。当槽宽增 大到一定数值后，Bmin变化很小。但当 s 过大时，槽内磁场将出现平底分布区域，产生无 用磁通，同样会降低总磁通的利用率，使密封压差下降。由于槽下磁场较弱，无用磁通 的比例较小，所以槽宽对密封能力的影响较齿宽的影响要小，密封能力随槽宽变化的曲 线如图 3-9 所示。可以发现，槽宽可以在较大的范围内选取，密封能力变化不大。一般地， 取槽宽齿宽比 s/t=1.53 较为合理。在本次设计中选取 s/t=3。因此，槽宽 。33 13stmm 图 3-8 槽宽不同时的磁场分布 （a）s/t=0.5;（b）s/t=2. 图 3-9 槽宽对密封压差的影响 （4）齿高的确定 齿高主要是影响槽中磁场的大小和分布。齿高 ht较小时，槽下 Bmax磁场较大，特殊 情况，ht=0，则 Bmax=Bmin，p=0。ht增加，那么 Bmin下降。但当齿高 ht增加到一定数值 后，Bmin主要由齿的边缘效应来确定，这时 ht的影响就不大了。一般地，取齿高齿宽比 ht /t 大于 1.5 即可。但如果 ht过大，则齿部磁压降增加，将导致磁场减弱，密封能力减小， 若齿部饱和，则影响更明显。在本次设计中选取 ht /t=3。因此，齿高 。33 13 t htmm 磁流体真空密封的结构与液体组合密封结构基本相同，所不同的是，液体密封中，为 预防磁流体与密封液体界面不稳定发生混合使密封失效可以采用的方法是在磁极旁边加 一个铝制的非导磁套，密封效果大有提高。此设计中，真空密封结构参见液体组合密封 结构图。 （5）整体尺寸 根据以上计算可得 磁极整体长 l=29mm 内径1 =30.4mm 外径2=62mm。 3.2.33.2.3 密封压力的计算密封压力的计算 磁流体密封结构设计的关键问题是保证密封件具有足够的抗压能力。磁流体密封破坏 机理的研究表明，因磁流体材料蒸发、沉淀等而造成密封失效的情祝较少，最主要的破 坏机理是由于被密封物质的内外压差过高，而密封件本身不能提供足够的总耐压能力， 从而使披密封物质冲破各磁流体密封环，而形成磁流体的喷射状泄漏，同时携带走大量 磁流体。使之无法自动恢复耐压能力，造成磁流体密封的彻底失效。因此，精确计算磁 流体密封结构的实际耐压能力，是保证密封件可靠工作的最基本条件。 由磁流体材料所遵从的扩充伯努利方程，我们可以推导出人们熟知的磁流体密封耐 压计算公式。在进一步研究转轴偏心、极靴齿型结构等诸多影响因素的基础上，经过数 学处理，磁流体密封结构的实际许用耐压能力p 可由下式给出： p=MB0Nn （3-16） 式中 M磁流体平均磁化强度（A/m）； B0最大工作磁感应强度