（安全技术及工程专业论文）磁性液体往复轴密封的实验研究.pdf

匕!童堑厶芏熊! ：笠：也硷塞 堡墨! 曼：i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h em a g n e t i cl i q u i di san e wk i n do faf u n c t i o n a lm a t e r i a l ； i th a st h e f l u i d i t ya st h ef l u i d 勰w e l la st h em a g n e t i s mo ft h et r a d i t i o n a lm a g n e t i cm a t e r i a l f o r t h es p e c i a lf u n c t i o no ft h em a g n e t i cl i q u i d ，i tp o s s e s s e st h ef u n c t i o n st h a tt h eo t h e r m a t e r i a l sc a n tb ea c h i e v e di ns o m ea p p l y i n gf i e l ds h a f th a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l y t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r k st oa p p l yt h em a g n e t i cf l u i ds e a lw i t ht h e r e c i p r o c a t i n gs h ma r es t i l la tt h ee x p l o r i n gs t a g e t h ep r i m a r yt a s ko ft h i st h e s i si st o d i s c u s st h eb a s i ct h e o r yo f t h ea p p l i c a t i o no f t h em a g n e t i s ml i q u i di nt h em o v eb a c ka n d f o r t hc l o s ed o m a i n i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mi nt h em a g n e t i cl i q u i ds e a lw i t ht h er e c i p r o c a t i n g s h a f t 1 ：t h ed e s i g na n de s t a b l i s h m e n to f t h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t a lr i go f m a g n e t i c l i q u i ds e a lo f ar e c i p r o c a t i n gs h a f ta r ec o m p l e t e d 2 ：t h ee x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u ta n dt h ed a t a ，p h e n o m e n o na r en o t e d 。a n dt h e m a g n e t i cl i q u i df l o wi nt h es e a lg a pw i t hd i f f e r e n tf a c t o r si n c l u d ev e l o c i t y 、s t r o k e 、g a p 、 i n j e c t i o na n dk i n da r es t u d i e d 3 ：t h er e s u l t st og i v eac o n c l u s i o na b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h em a i np a r a m e t e r s t o w a r dt h em a g n e t i cf l u i d s c h a n g ea n ds e a l sc h a r a c t e r i s t i c a r ea n a l y z e d a n dt h e r e g u l a rp a t t e r no ft h ef l o wa n dt h el o s sq u a n t i t yo fm a g n e t i cl i q u i dc a u s e db yt h e r e c i p r o c a t i n gm o t i o ns h ma l es t u d i e d k e y w o r d s ：m a g n e t i cl i q u i ds e a l ；r e c i p r o c a t i n gs h a f t ； m a g n e t i cl i q u i d ； m i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t a lr i g c l a s s n o ：t j 4 3 0 t 汁6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 局名群 f 签字日期： 1 年户月7 伽 导师签名： 签字日期：0 7 年阴j 归 些丛生迪厶! ：丝! ：二；三位监皇丝剑挂! 型 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究工作和取得的研 究成粜，除了文中特别加以标? e 和致谢之处外，论叟中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乃菇群签字日期： 司年，2 月争同 致谢 本论文的工作是在我的导师李德爿。教授的悉心指导下完成的，导师严谨的治 学念度和科学的 作方法给了我极大的帮助和影响。在两年多的学习和工作生活 中，给了我悉心的指导和严格的要求，使我不仅学到了宝贵的科学文化知识，更 重要的是我懂得了从事科学研究的作风和由此而产生的兴趣。由于我是个回民， 李老师在生活中，尤其是当我和李老师一起出差的时候，他时刻考虑着我的饮食 习惯，对此我感谢我的老师。 李德才教授两年多来，对我倾注了大量的心血和宝贵时间，使得论文工作得 以顺利的完成。在此向李德爿镦授表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期自j ，孙明礼师兄、白博海师兄、吕健强师兄、方 杨对我论文中的实验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外还要感谢洪建萍老师对我的实验台的操作和运用的热情无私的帮助。 感谢我的家人，我的女友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 些 ! 笙地 厶：羔 亟 ： ：竺位迨垒绪盈 l绪论 1 1论文的提出 在现在的机械设备中，零件的连接处难免会产生i 日j 隙。机械设备中的工作介 质会通过1 日j 隙而发生泄漏或渗透现象，因此将会造成能源浪费，环境污染甚至机 械失效。密封件是机械设备中的通用基本部件，主要作用就是用来防止流体或固 体微粒从机械连接处泄漏以及外界杂质如空气、灰尘等侵入机械设备内部，以保 障机械设备正常工作。密封的原理就是把不同压力或介质的空日j 互相分隔丌，在 机器、设备或容器中的连接处和壁面之l b j 没有气体、液体或固体微粒的泄漏现象。 密封装置是机器的主要部件，其应用也最为广泛，整个机组的可靠性很大程 度上取决于密封装置的性能，同时，由于腐蚀、热损失和摩擦等原因，密封又是 机组中最薄弱的环节之一。据有关资料统计，在火箭上与发动机有关的故障中， 有一半以上是由密封失效造成的【l 】。 往复轴运动是机械中主要运动形式之一，由此也引出了往复运动密封的问题。 目前，往复运动密封的主要方式有隔膜密封、波纹管密封、活塞环密封等。其中， 隔膜密封和波纹管密封用于小振幅( 2 5 c m ) 和低速( 不超过o 1 m s ) 的往复运动 时，其效果较好，不适用于较大振幅和高速往复运动，而且由于往复运动引起摩 擦磨损和材料疲劳破坏，导致使用寿命较短。活塞环密封是依靠阻塞和节流作用 进行工作的自紧式接触型动密封，其密封性能由它们与表面接触的微小间隙决定， 这就取决于表面接触压力和接触材料的技术性能指标。当接触压力低时，密封间 隙不能保证其良好的密封性；而在高的接触压力下，又将导致密封材料迅速磨损 而减少其使用寿命【l ”。 在机械、电子、化工等行业中，由于往复运动密封效果不理想而引起机械设 备发生泄漏现象、摩擦磨损以及机械失效现象一直都很严重。因此，设计制造出 先进可靠的密封件，这对节约能源和材料、减少环境污染有着十分重要的意义， 同时，随着对密封性能的要求不断的提高，传统意义的密封材料和密封技术由于 其自身固有的缺点而难以达到较高的密封要求，因此需要一种全新概念的密封材 料和密封技术以及与其相对应的密封件来完成较高要求或特殊要求的密封任务。 在此背景下，利用磁性液体对往复轴进行密封的技术构想被提出来 1 2磁性液体及往复轴磁性液体密封 磁性材料科学是材料科学的一个分支，和整个科学一样，磁性材料近几年也 有很大的发展。磁性材料从晶体结构来看可分为晶态材料和非晶态材料。晶态材 e瘟 釜埋厶二i 兰亟堂垃淦塞箩 淦 料又可细分为巾艏材料和多晶材料。从化。成分束看又分为仑槿材料( 合命或会属 | 日j 化合物jt j 氧化物材科，从形体柬再义可分为块状与膜状。似是所有返些材科 都是固体材料，而磁性液体却是液态的磁性材料，是将众多微小的铁磁r e 或亚铁 磁性微粒高度弥散于液态载液中而构成的一种具有很高稳定件的胶体溶液。微粒 与载液通过界面活性剂浑成的这种磁液，即使在重力场、电场、磁场的作用下也 能长期稳定地存在，不产生沉淀与分离，因此具有很高的实用性。如图1 1 所示1 2 j 图l ，l 磁性液体组成不恿图 f i 9 1 1c o m p o s i t i o no fm i c r o s t r u c t u r ef l u i d 磁性液体有许多优越的物理性质。由于磁性液体是一种两相混合物，它的基 本组成部分是液体载体和悬浮着的固相颗粒，因此在研究磁性液体的物理性质时， 总是假定它是一种均匀的两相混合物，和普通的两相流体一样，其密度和粘度受 两相间的混合物控制。但不同的地方在于磁性液体的粘度还受外磁场的影响，由 于磁性液体是一种可以受磁场控制的流体，所以它的磁化性能特别重要。下面简 要介绍其几个主要的物理特性： 由于磁性液体具有这些特殊的物理特性，其在生产、生活、科研等各个领域 拥有广泛的应用前景。下面是磁性液体的一些应用及原理1 2 1 ： ( i ) 磁性液体在磁场作用下，在磁性液体内产生体积力，并可使磁液流动到 任何位置。利用这些作用可作磁液陀螺，加速度表，光纤连接装置，机器人筋肉， 工业用机械手，水下低频声波发生器，显示磁带磁迹，检查磁头缝隙，检查磁头 加工变质层及残余应力分布，观察磁畴及泡畴，产生磁液泡并用于移位寄存器的 显示，磁性显影剂，软磁路，改进变压器及电感器，密封，磁液轴承，磁液研磨， 磁液水平仪，厚度仪，各钟传感器，磁墨水及磁印刷，磁液驱动装置，医疗方面 2 e!笠适 厶鲎噬! ；三位垒童 缝监 的应用如作磁力导航药物的载体外科手术川“磁州”，放射治疗的显影剂等。 ( 2 ) 浸没在磁性液体中的无磁性物体要受到一个除浮力之外的磁性力的作 用，磁件力的方向指向最低场强k 掘此可作物体沉浮分离广泛丌展资源回收， 选矿，制作无摩擦丌关，继电器，比重计，自由升降装置，废水处理等。 ( 3 ) 通过加热，冷却磁性液体并在磁场作用下就可产生磁热循坏，掘此可以 实现热能转换装置，加热泵等。 ( 4 ) 磁液粘度随磁场增加而增加，从而阻尼作用也增大，据此可作新型场声 器，各种惯性阻尼器，减震器、缓冲器，联轴器，制动器，阀门等。 ( 5 ) 有的磁性液体，其磁化强度随温度升高而线性下降，掘此可作温度传感 器，热交换机等装置。 ( 6 ) 磁液热导率化空气大，据此可用于音响装置及热交换机中。 ( 7 ) 磁液具有光双折射，二向色性及法拉弟旋转等特点。据此可作光传感器， 电流计磁强计，光快门，激光稳定器，光计算机，光增幅器等。 ( 8 ) 有的磁液，其磁化强度随温度升高而线性下降，据此可作温度传感器， 热交换机等装置。 ( 9 ) 利用磁性液体制成磁液泡，可用作移位寄存器的显示，开关选择器等， 若与液晶相结合，即制成液晶磁液，则更有发展前途。 ( 1 0 ) 利用磁液的表面在磁场的作用下产生的特殊变形可作新型印刷。 ( 1 1 ) 利用它具有的润滑性可作磁性润滑，磁性轴承，拉拔加工装置等。 在应用时，单独地利用这些原理的情况较少，而兼用的情况较多。其中，磁 性液体在密封领域中的应用则是发展的比较早。磁性液体旋转密封己经在许多方 面得到广泛应用，是- - n 比较成熟的技术。但人们对磁性液体往复密封的研究发 展的比较晚，而且往复密封的情况复杂，影响密封效果的因素多，所以目前磁性 液体往复密封是各国磁性液体密封技术研究的重点。 磁性液体密封技术就是利用磁性液体的超顺磁特性，把它作为介质用在轴的 动密封中，其成功解决了一般的动密封技术所存在摩擦磨损等问题f 5 1 。随着人们对 这一技术的进一步研究、发展和应用，磁性液体动密封技术得到了迅速地发展。 动密封的形式日益繁多，例如：磁性液体转轴动密封、磁性液体端面密封、磁性 液体组合式密封以及磁性液体往复轴动密封等等。其中，磁性液体转轴动密封以 其泄漏率为零，寿命长，磨损低，能耗小，维修方便等优点受到人们广泛的重视【6 】。 而往复轴磁性液体密封技术则逐渐开始成为密封问题研究的前沿课题。往复 轴磁性液体密封按结构可分为两种类型：一种( 图1 2 ) 为极靴齿固定，轴往复运 动。其所形成的磁力线回路由永磁铁、极靴、导磁轴和磁性液体组成。此时固定 轴套应选用非导磁材料。 女；鱼垣 厶主丝：兰：位丝堑 丛丝 ”种( 图1 3 ) 勾极靴齿- j l lj - d 时作往复运动，奠所彤成的磁j 线回路水磁 铁、极靴、导磁轴套和磁性液体构成，此时轴应该选用i i 导磁材料。 l 博o i h - 吾 f门 p jal ， l ， 1 ：导磁往复轴：2 ：极靴；3 ：磁性液体 4 ：永磁铁：5 ：固定轴套 图1 2 密封结构一 f i 9 1 2s e a l i n gs t r u c t u r el 工23 墨，8 l ：轴套：2 - 楔形块；3 ：磁性液体；4 永磁铁； 5 ：极靴；6 ：固定环；7 ：轴承；8 ：往复轴 图1 3 密封结构二 f i 9 1 3s e a l i n gs t r u c t u r e2 这两种结构均是由永磁铁、极靴和磁性液体加上导磁轴或导磁轴套构成磁力 线回路，在密封间隙产生束缚磁场，磁性液体在磁场力作用下被束缚在密封间隙 中，在往复轴以小振幅、低速运动时，磁性液体虽有变形，但仍被束缚在间隙中， 形成液体“o ”形圈，实现密封功用。密封结构中的永磁铁是密封件内生成磁场的 物质基础，在有些场合也可以对电磁线圈通以电流来代替永磁铁来产生磁场，这 种方法与永磁铁所产生磁场的结构密封功效基本相同。 根据往复轴磁性液体密封的结构特点和工作原理，我们可以看出，这种密封 形式克服了传统的靠隔膜密封、波纹管密封、硬填料密封、活性环密封等密封形 式的缺点，如：隔膜密封和波纹管密封用于小振幅( 2 - 5 c m ) 和低速( 不超过0 1 m s ) 的往复运动时，其效果较好，不适用于较大振幅和高速往复运动，而且由于往复 4 e塑 盆丝厶堂熊l 士位监 塞络垒 运动引起摩擦麝捌和材料疲劳破崩、导敏他用寿命较短：硬填 ： 衙封和活摩h 、密 封是依靠阻塞和订流作用进行工 1 。的f 紧，接触型动密封，通常能够用于任f u j 振 幅和速度的密封其密封性能由它们弓衷嘶接触的微小问隙决定这又取决于表 面接触压力和接触材料的技术性能指杯。1 接触压力低时，密封m 隙不能保证其 良好的密封性；面在高的接触压力下。又将导致密封材料迅速磨损而缩短其使用 寿命：这两种密封方式均需要复杂的供油设备柬实现密封部位的润滑，对于硬填料 密封无论是主密封面还是辅助密封面，均要求在加工方面保证有足够的精度、平 直度、平行度和半日糙度。对于活塞环密封，其对活塞环的翘曲度、圆度、外配合 公差等级、各个密封面的表面粗糙度等也都有严格的要求1 1 】。 与传统固件相比的优势： ( 1 ) 摩擦功耗小。温度低。 ( 2 ) 消除了磨粒污染，无磨损，便于净化密封室，提高轴速。 ( 3 ) 对接触面光洁度要求降低，易于加工，降低生产成本。 ( 4 ) 长时日j 工作后液体更换操作简洁，只需对空注入。 ( 5 ) 能够改装成旋转轴式密封，效果相同。 由于技术还不完善，还存在许多缺陷： ( 1 ) 磁性液体易于漏泄。在轴往复运动中，部分液体会发生黏附，形成液体 膜。 ( 2 ) 当磁场力不足以束缚这层膜时，磁性液体便会在压差作用下进入密室， 造成污染。 ( 3 ) 工作温度范围较小。因为高温下液体粘度下降，耐压性下降，所以应配 合制冷措施。 ( 4 ) 由泄漏造成耐压能力降低。 总的来看，该项技术优点是独有的，并且随着人们对其进一步的探讨研究， 这些弊端能够得以解决。因此磁性液体往复轴密封技术具有很高的利用价值和较 广阔的发展前景。 1 3国内外发展现状 由于磁性液体具有如此的特性，它得到了全世界科技工作者和生产厂商的重 视，世界各发达国家自本世纪七十年代初期争相进行磁性液体技术的研究实验和 开发应用，其中研究和应用比较突出的国家是美国、日本和前苏联。到目前为止， 英国、法国、罗马尼亚以及印度等许多国家也均已经开展了磁性液体的技术研究 和应用开发工作。从1 9 7 9 年至今已经先后举行了八届磁性液体国际会议，并在会 中宣读了大量的磁性液体理论和应用方面的研究论文。 e巫尘垫厶= i 三鲤l= ；兰位硷 幺缝途 1 9 9 8 年6 月，西罗马尼亚举行了第八屉； d 际磁性液体会议，从会议的整体情 况上看，呲界一k 各发达国家都非常重视磁性液体科学研究和丌发应刖，并n 都相 应地投入了，很大的人力和物力进行丌发研究j 作，尤其是美国，f 本、法国、德 国等技术较发达国家，即使是经济状况不十分景气的俄罗斯，其政府也尽其所能 地给予支持参加本次会议的人数比例也反映了这一点，在这次会议的参加者中， 来自美国的有1 2 人，来自r 本的有2 6 人，德国有1 3 人，法国有1 4 人。另外， 从会议期问的交流和会议论文内容所反映的情况来看，发达国家在本学科的研究 上，无论从研究的广度上还是从研究的深度，都较以前有了很大的发展，研究条 件也有了极大的提高。我学院李德彳博士作为参加会议的唯一的一名中国大陆代 表，在会议上宣读了往复轴磁性液体密封的理论及实验研究一文，这说明在 磁性液体的研究和应用方面我国虽然起步较晚，但发展较快，已经得到世界各国 专家学者的认可。 从1 9 6 5 年至今世界各国己经发表了大量的磁性液体研究方面的论文和与此相 关的科技材料，并同时出现了一些利用磁性液体开发的专利值得注意的是，通过 检索发现，无论是其相关专利还是科技论文每年都以平均3 0 的速度增长。虽然 我国在这方面的工作起步相对来说比较晚，但已有一些理论和应用成果出现，为 了使我国在磁性液体理论和应用这一高科技领域中占有一席之地，我们需要抓紧 时间进行研究工作。 往复轴磁性液体密封技术又称磁性液体直线密封技术，起源于本实际八十年 代出，从查阅的国内外文献可以总结出【3 1 ，自1 9 8 0 年美国的m c o l d o w s k y 最早发表 了磁性液体用于密封的实验及实验结果，到目前为止对磁性液体往复轴动密封的 研究大多只限于实验研究和分析，研究结果归纳如下： ( 1 ) 密封失效的定义及其原因 定义：磁性液体从密封极上完全泄漏【2 7 】。 ( 2 ) 运动参数对磁性液体往复轴密封的影响 1 9 8 5 年，日本的s h o j i r om i g a k 和s a d a ot a k a h a s i 对磁性液体的线性直线密 封特性进行了研究，指出影响磁性液体密封的主要因素有：在轴往复运动中，由 于磁性液体会不断逃逸，量减少，当密封环断开造成密封的泄漏时，便造成了密 封的失效。为解决此问题，选取适当粘度的磁流体，或提高磁场强度的方法是可 以提高密封性能的。【8 l 实验表明，磁性液体密封性能也与轴作往复运动的速度和行程有关，如图1 4 所示，随着轴速提高，被托甩出的磁性液体增多，密封性下降，同样，如果增大 轴的行程，由于粘性而黏附在轴上的磁性液体增多，而用于密封区域的磁性液体 量降低，因而减弱了磁性液体直线密封的性能。 6 e!堑 厶 ：羔 ! l !l：王位熊幺 绪盈 p 嘲伊蕊夏彳 。 1 i 。l 一一 声四声蹰面彳 o j 性藩体t l 艟帕g 粥 盛t i i 体 、i - ，鬈嚣黧5 j 051 0 翻 转谜v 钾州畸 图1 4 磁性液体与轴速的关系 f i 9 1 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n e t i cl i q u i da n ds p e e do ft h es h a f t 该实验还得出了密封间隙和磁性液体的供应量对密封性能的影响，如图1 5 所 示。图1 5 ( a ) 说明了磁性液体密封性能与间隙的关系，随间隙的增大，间隙中作 用在磁性液体上的磁场强度减弱，对磁性液体的束缚减少，因而被拖甩出的磁性 液体增多。图1 5 ( b ) 表明了磁性液体密封能力与供应量之间的关系，由于磁性液 体的供应量很充分，使得间隙对密封性能的影响大为降低。另外，实验还表明轴 的表面状态对密封性能也有一定的影响，由于磁性液体被破坏的原因是密封环上 的磁性液体被轴拖甩出，并造成密封的失效，则为了减少粘附在轴表面上的磁性 液体的数量，对轴表面采取一系列措施，可将轴表面上镀一层氟塑料膜或对表面 进行抛光处理，但表面镀膜的效果不大，如果能将非导磁轴改成导磁轴，那么轴 承和极靴都将能约束磁性液体的流动，从而大大地降低了磁性液体泄漏量，提高 了直线密封装置的密封性能，同样，也可采用降低磁性液体本身的粘性的方法， 来减少粘附在轴表面上的磁性液体的数量。图1 5 ( c ) 反映了密封间隙的大小与磁 性液体供应量对密封间隙中磁性液体剩余量的共同影响，而密封间隙中磁性液体 剩余量的多少直接影响磁性液体密封的能力。 7 出；玺堑厶彭上刖沮- g a p t 。t h e p 。向懈n c e 瞰恤。心豁嚣露舞黧筘恤p r o p e r 刖f ：i e盛垒堡厶：i ：亟 ：；三 !睦塞络盈 ( 4 ) 理论分析的成果 直线运动的密封t _ 况较为复杂，因而磁r 液体动密封的动力分析i e 较困难。 磁性液体被拖甩出这现象是瞬时的，同时迓要需要考虑到永磁铁产乍的磁场强 度的作用，因此还未建、z 合适的数学物理模型对直线型密封作出于确的理论分析。 实验导出拖甩力与粘膜状态的关系可以表示如f ： r = ：t v d ( 1 1 ) 式中f 拖甩力；磁性液体粘度；v 是轴速：d 是轴的直径。 由此可见，随着轴速的增加，拖甩力随着增大，磁性液体泄漏量增多。1 9 9 0 年， 前苏联学者s i e v s i n 等人对他们的往复轴磁性液体密封的研究进行了系统地总 结，指出往复轴磁性液体密封失效是由于密封间隙中磁性液体的变形以及磁性液 体被带走而引起的，这两个因素是引起磁性液体l 临界耐压能力下降和引起密封微 漏的主要原因【4 】。他们在实验基础上提出了磁性液体带定量的公式： h 2 e x p ( 一4 f r 4 ) 4 v v n ，f = v 2 b , ( 1 2 ) 其中，u 是磁性液体的动力粘度；a 是磁性液体在磁场中运动的加速度；6 为 磁性液体的宽度；f 和善是由实验确定的无量纲系数；其数学模型如图1 7 所示“。 图1 7 磁液变形和携带量研究模型 f i 9 1 7t h em o d e lo f t h em a g n e t i cl i q u i dd i s t o r t i o na n dc a r r y o v e r 该研究还分析了磁性液体变形时耐压情况【4 1 ，数学模型如图1 8 所示得出如下 公式： 卸口= m ，( 一h 2 ) ( 1 3 ) 卸：= t o m ，( 口一h 2 ) ( 1 4 ) 卸。：= t o m ，( 一以) ( 1 5 ) 9 e!芏垣厶竺女女!：；兰i 论尘缝丝 止触 莓的方向远功 与6 p 啦豹方 幽1 8 密封齿r 密封的位置和磁场强度h 的分布 f i 9 1 8t h es t a t i o no ft h es e a la tt h es e a li n gt o o t ha n dt h ed i s t r i b u t i n go ft h e m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h 1 9 9 6 年，李德才对密封间隙中磁性液体的流动状态进行了显微镜下的观察p j ， 其微观实验台如图1 9 所示，发现即使往复轴运动的速度再低，磁性液体膜与齿的 接触点，磁性液体膜与往复轴的接触点都是变化的，在一定的往复轴运动速度下、 磁性液体膜的形状以及静止位置是一定的，在不同的速度下限的变形形状以及静 止位置是不同的，而且磁性液体膜在往复轴的速度作用下，静止到某一确定位置， 不会因振幅的不同而不同。实验表明，当磁性液体量比较充足且往复轴运动速度 不大时，磁性液体膜在往复运动速度为零后，仍可以回到往复轴静止位置。当往 复轴运动速度很高时，磁性液体脱离密封齿的束缚，而被带到与运动速度方向一 致的最前端齿区及其附近，而往复轴的速度不是常数时，磁性液体膜随着往复轴 速度的变化而发生振动。这使我们很可能只根据轴速便可确定磁性液体密封性能 和使用寿命，并选择实现最佳密封效果的轴速。经初步观察和研究发现，磁性液 体膜的形状与密封齿下磁力线的形状在离密封也较远时，并不完全复合，磁性液 体量的变化也可以引起磁性液体膜厚和形状的变化，然后在相应速度下决定出膜 变形后的形状。另外，磁性液体在往复轴上粘附的膜厚度很薄，与磁性液体密封 间隙等特征尺寸相比，在进行磁性液体动力学的理论分析时可以忽略不计。 圈曰 图1 9 磁性液体微观状态实验台示意图 f i 9 1 9t h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t a lr i go fm a g n e t i cl i q u i d 在文献中，作者在建立上述微观实验的基础上。结合如图1 1 0 所示的数学模 0 ：止巫窒堑 厶：；兰丝l：! j 皇l 亟 途堑绪上 型图，得了往复轴磁性液体的俐j i j 公式： 只一只刈( 引一h ( x 。) , u o m , + r 6 v 焘r 丽丽满。e 1 6 式中只一高压侧的压力：只一大气压力；x ，一c 点的坐标x b 点的坐标； ( z ) 一，点的磁场强度；h ( x 。) 一彳口点的磁场强度； 一空气中的磁导率； m 一磁性液体的饱和磁化强度：叩一磁性液体的动力祜度：v 一往复轴的速度： ( j ) 一工，点对应的磁性液体的膜厚；d 一密封齿问往复轴的j b j 隙； 仃一磁性液体 的表面张力 屋 氛l 图1 1 0 推导耐压公式的图形 f i 9 1 1 0t h em a t h e m a t i cm o d e lf o ra n a l y s i st h em a g n e t i cf l u i dr e c i p r o c a t i n gs e a l 图1 1 0 中实线为轴静止时磁性液体的位置。虚线为磁性液体在一定轴速作用 下的位置。由此公式即可确定密封耐压能力的情况，并定性地判定往复轴运动对 耐压能力的影响吼 1 4 本文的工作任务 本论文主要是进行往复轴磁性液体密封微观实验台的设计与建立，研究不同 的往复轴运动速度和移动位移所对应的密封间隙内磁性液体膜的变化情况，并要 求在微观实验台上对此实现显微镜下的观测，得出磁性液体密封膜的变化与往复 运动速度和移动位移的定量关系，并在此基础上分析往复轴的主要运动参数速度、 位移，还有间隙大小、注入量以及不同性能的磁性液体对磁性液体膜的变化以及 密封性能的影响。同时，对实验中产生的误差进行分析。并对今后的实验提出改 进意见。 ：世壅塞堡厶竺丝土鲎垃瞻望塞墅f 的建 i 2 实验台的建立 2 1研究概述 在前面已经介绍过，旋转轴磁性液体密封已经发展到了较成熟的应用阶段， 国内外己出现较成熟的产品。随着对往复轴运动件密封性能要求和环境保护要求 的进一步提高，往复轴磁性液体密封丌始成为密封问题研究的前沿课题。往复轴 磁性液体密封虽然有很高的利用价值和较广阔的发展的景，但该密封技术在理论 和实验研究上、尤其是在实际应用上都很不成熟，均处于刚刚起步阶段，磁性液 体往复运动密封无论从理论研究上还是在实际应用中都有大量的工作要做。e 1 酊， 世界上开展磁性液体理论与应用研究工作较旱的美国、日本、俄罗斯等国在往复 轴磁性液体密封方面也都处于理论与实验研究的初级阶段，他们在实际上的应用 也不成熟。国内也有很少的一部分学者进行往复轴磁性液体密封的研究工作，但 主要是集中在一些基础性的实验研究方面。 往复轴磁性液体密封有许多深入的问题有待于进一步研究，这些深层的问题 主要有：准确得出往复轴运动参数和密封件结构参数与密封耐压能力以及密封寿 命的定量化关系：进行密封间隙内磁性液体流动机理的分析以及对往复轴运动时 磁性液体运动状态的准确刻画，得到不同的往复轴运动速度和位移所对应的密封 间隙内磁性液体的流动状态，并实现磁性液体膜的变形情况与往复轴运动速度和 移动位移的关系定量化；得到往复轴运动所带走的磁性液体沿往复轴的分布规律： 得出磁性液体膜形态变化与磁性液体内部的流动状态与密封件内磁力线分布的关 系；完整得出往复轴磁性液体动密封的耐压计算公式和往复轴运动携带磁性液体 量的度量公式；全面、准确地分析往复轴磁性液体密封失效的机理：有效地解决磁 性液体在往复运动密封间隙内的运动变形对密封性能产生的负面影响，有效地解 决往复轴运动携带所造成的磁性液体流失的问题；在解决上述问题的基础上设计 出往复轴磁性液体密封结构和实用的密封件【。 解决上述问题必须要建立能准确、迅速、可靠地改变密封件所受压力、密封 件内磁场强度、密封齿齿数，以及精确控制磁性液体的注入量和磁性液体粘度， 并能同时通过调速电机控制往复轴运动速度、通过改变实验台主体中的曲柄长度 或其它装置来控制往复轴行程的宏观实验台：还需要建立既能准确测量往复轴速 ：世巫尘地厶：；三缝l兰：i 星丝生筮熊鱼的建i 度，位移等运动参数，义能清晰i a l ：密封件内磁性液体界面分佃和变形令过程， 片适合存显微镜卜进行观察的微观实验台。 在往复轴磁性液体密封技术的研究中，准确掌握密封问隙内山f 往复轴运动 引起的磁性液体密封膜变形量和其吸附作用引起的磁性液体流失量，对于分析密 封性能、确定密封寿命、选取合适的往复轴运动速度和行程等技术性问题有重要 指导作用。而上述微观量在显微镜下通过微观实验测试d 能准确得到，往复轴磁 性液体密封微观实验台的设计与建立是本论文工作的核心任务之一。 密封微观实验台就是为实现磁性液体界面变形的微观测试对实际密封件的平 面微缩模拟。本次微观实验要求实现显微镜下观测不同的往复轴速度和位移以及 不同的磁性液体注入量所对应的密封白j 隙内磁性液体膜的变化状态的定量关系， 并由此分析它们对磁性液体密封性能的影晌。还要验证在实验中观察的磁性液体 界面形状中，往复轴静止或运动时磁性液体膜形态变化与密封件内磁力线分布是 否存在必然关系。 实验台的总体设计本课题中的微观实验台应该达到的研究要求是： ( 1 ) 能够准确测量往复轴速度、位移等运动参数，实现往复轴运动速度和位 移的准确调节，同时要能够清晰显示在此运动状况下密封间隙内磁性液体界面变 形的全过程，并适合在显微镜下进行观察。 ( 2 ) 能够观察分析密封间隙内磁性液体变形与往复轴运动速度和行程的关 系，准确记录往复轴由于运动所携带磁性液体膜厚在往复轴上的分布情况，能在 实验结果的基础上进行往复轴磁性液体密封失效原因的初步分析。 在满足达到上述实验要求的基础上，设计本次微观实验系统的总体流程结构。 考虑到基本的往复轴结构是无法观测磁性液体流动状态的。其设计出发点是将基 本的往复轴结构如图1 2 所示。将其进行剖视。选取断面作为观测面，将其放大。 形成平面结构。在显微镜下进行实验和观测。如图2 1 所示。 图2 1 微观试验台原理图 f i 9 2 1t h es k e t c hm a po f t h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t a lr i g e ! 幺迪厶：! ：熊!望i i 丝生塞丝e 的毽! ! 本次微观实验台的整体结构改计如图2 ，2 所示。 1 ：载物台；2 ：定位块；3 ：运动平台；4 ：极靴；5 ：永磁铁； 6 ：显微镜；7 ：照相机：8 ：往复轴；9 ：定位孔；l o ：驱动卡尺： 1 1 ：滚柱丝杠；1 2 ：电动机；1 3 ：显微镜控制平台；1 4 ：驱动电源 图2 2 整体结构设计示意图 f i 9 2 2t h es t r u c t u r es k e t c hm a po f t h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t a lr i g 2 2 密封件模型的设计 2 2 1 总体结构的选用 往复轴磁性液体微型密封件是本次微观实验研究的核心，一般来说，往复轴 磁性液体密封件内的磁场可以由电磁线圈通以电流生成，也可以由装置内附加的 永磁铁生成，由线圈电流生成磁场的装置体积大，结构复杂，但磁场强度可以调 节，而由永磁铁来产生磁场的装置与之正相反：其装置体积小，结构较简单，磁场 强度却不可以调节。本次微观实验首先就要求实验装置的体积小，结构简单，因 此选择永磁铁来产生磁场的结构。在前面所述的往复轴磁性液体密封的两种结构 中，如第一章中图1 2 和图1 3 所示，第一种结构的密封面较小，易于密封，但极 靴齿形难于加工；第二种结构的密封面大，难于密封，并且由于极靴随着往复轴 一同运动，使磁性液体的补充比较困难，但它的极靴齿形加工相对比较容易。 本论文研究的微观实验台中，密封结构选用上述两种结构中的第一种结构， 由永磁铁、极靴、往复轴和磁性液体构成磁力线回路，其中的往复轴要求具有导 磁性。永磁铁在极靴或密封齿和往复运动的导磁轴之间产生束缚磁场，磁性液体 1 4 e 巫垒鲤厶翌鲤! ：堂位迨苤塞鉴f 的丝 ! ! 在磁场力作川f 被束缚在i 日j 隙。n 并以此为鹾础，埘结构j ! f 行剖观，进行_ f 1 j 部放 大，建电微观实验台。 2 2 2永久磁铁的设计 微观实验装置中密封件永磁铁的设计是影响磁流体密封结构的设计的主要斟 素尺寸合适的永磁体能够提供足够高的密封能力以满足密封性能的要求i 删。 永久磁铁材料的选择的原则为： ( a ) 应能保证密封气隙中有足够大的气隙磁场和规定的性能指标。 ( b ) 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。 ( c ) 有良好的机械性能，以方便加工和装配。 ( d ) 经济性要好，价格适宜。 根据现有永磁材料的性能和密封的性能要求，由于设计的微观试验台的永磁 铁对于性能要求一般，体积质量限制不严，价格是考虑的主要因素，优先采用价 格低廉的铁氧体永磁。尺寸设计为长为2 0 m m 、宽为1 5 r a m 、厚度为6 r a m 。 2 2 3极靴的设计 密封件内极靴的材料为电工纯铁d t 4 ，对于极靴极齿的结构设计，工作要集中 在确定极靴顶端的合理齿型方面，在文献“磁流体动密封装置中磁路的设计及磁 性材料的应用”( 严文亮在1 9 8 3 年7 月内部资料发行) 中，也给出了最佳齿型范围， 并指出极齿结构一般采用矩形磁和梯形齿，矩形齿耐压能力大，两面的耐压相同， 加工工艺简单，性能容易保证，故选用矩形齿极靴，根据国内外的实践经验，极 靴的尺寸选定为间隙是4 m m ，极齿宽2 m m ，槽是5 m m 。如图2 3 所示 图2 3 极齿结构参数 f i g2 3t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f t h et o o t h e 瘟窒堑厶主熊! ：羔垃硷塞生熊鱼啦建! ! 二 2 2 4试验台的尺寸设计 微观密封实验装置中的往复轴的材料也为 t i 工纯铁d t 4 。，e 复轴、永久磁体、 极靴是本次微观实验台中密封件模型的主要组成部分，构成了基本磁坏路。其余 与这三件接触的辅助材料必须为非导磁材料，且具有一定强度，此次实验中其余 部件材料均选用黄铜。除了连接作用所选用的m 6 螺栓标准件。 首先确定底板的尺寸，考虑到载物台的尺寸范围及物镜高度和其焦距，各部 件尺寸定义如附录图纸中所示，三维模型示意图如图2 4 n 示。 图2 4 实验台三维模型示意图 f i 9 2 4 t h es k e t c hm a po f t h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t a lr i g3 d 2 2 5特点 本次模型架构采用了模块化的思想，独立出了个个单元，全部连接只靠m 6 螺 栓来完成，无粘贴焊接等一次性连接。由于具备了以上设计思想，使得此模型具 有许多显著的优势特点。 ( 1 ) 拆装简洁，易于操作。 ( 2 ) 部件模块独立化后，更换维修方便，更重要的是，可以对关键部 件进行成组化的生产，达到多参数的测量( 在此主要是可以加装 不同的极靴实现不同的齿数，齿型结构的测量；更换相应的永磁 来加载不同的磁场强度。) e 巫至堕厶竺亟坐位迨童塞鉴e 盟丝垒 ( 3 ) 极靴与往复轴轴板f 日j 隙u n 嗣青。 2 3实验设备的选用和说明 本次实验研究所用的微观实验台主要由r 卜- 列设备组成： 微缩密封件模型 微型电机及其驱动电源 运动平台及直线驱动卡尺 显微镜及其控制设备 照相机 本节中对本次微观实验中仪器设备的选型和使用分别进行说明 2 3 1照相机及显微镜的使用说明 本次实验中的照相机为c a n o n 一6 4 0 数码照相机，像素达到一千万像素。安装在 显微镜的上镜筒上，用来获取微观实验测试中密封间隙内磁性液体运动状态的图 象。 实验选用的显微镜型号为l 2 0 2 0 型双色显微镜，其相关的放大技术指标如下： 照相目镜放大倍数6 3 x 观察目镜放大倍数l o x 物镜放大倍数4 xl o x2 5 x4 0 x 显微镜的控制装置为t p x 一1 d 型铁谱显微镜读数器，由该控制装置控制显微镜 的上光源箱和下光源箱，以实现对显微镜落射光和透射光开关和光强度的调节。 图2 5 光源控制台 f i 醇5l a m p - h o u s ec o n s o l e e 噩窑迪厶主亟 翌位监量 塞监鱼曲生i 2 3 2载物台与运动平台的选用 显微镜载物台的移动一般包括纵向移动、横向移动和垂直移动( 礁直移动也称 物镜调焦移动) ，本次实验所用的显微镜载物台经过特殊设计加1 只能实现其纵向 移动和垂直移动，横向则保持显微镜载物台的静止，而另外设计制造一个运动平 台附加在显微镜载物台上，该运动平台下部有一个直线导轨，其通过直线导轨与 载物台相联接，要求运动平台与载物台之问保持良好的相对运动，并保证二者之 间的相对运动轨迹为直线，这是以后进行微观实验观察和测试的基础。 图2 6 运动平台 f i 9 2 6f l a tr o o f 在运动平台上加工两个定位孔，用来安装与固定直线驱动卡尺，运动平台由 电动机驱动，通过直线导轨保证运动平台的运动轨迹为直线，并由此来保证驱动 卡尺及往复轴的运动轨迹为一条直线。磁性液体微型密封件中的往复轴通过驱动 卡尺由运动平台来带动，极靴、永磁铁和定位块形成的密封装置固定在显微镜载 物台上，保持绝对静止，当驱动器通过驱动卡尺使往复轴作直线运动时，这就形 成了往复轴与密封齿之间的相对运动。 2 3 3关于传动机构的说明 本次实验中，运动平台与驱动器之间的传动机构可靠性要求很高，要求运动 返程误差接近零，传动灵活，运动轻便。经过试验证明与理论分析，采用齿轮齿 条传动由于存在齿间啮合间隙，传动滞后现象比较严重，返程误差较大；而如果 采用高精度滚柱丝杠传动，可以将传动间隙调整为零，使传动返程误差接近于零， e 丞至堑厶芏：丝上：位盈幺塞熊! 丝建亟 从而提高了运动平台或律复轴的重复定位精度，嗣时还保证了传动的疋活性和平 稳性。本次实验选用滚托丝杠进行电动机与运动平台之叫的动力传动和运动转换， 以保证微观实验的准确性。 2 3 4驱动器的选型及使用 实验中往复轴的运动需要由一定的驱动器来实现，所谓驱动器是指能对任何 物体产生机械动作( 即产生驱动作用) 的器件或装置，也就是指| 日j 接动作或控制机 器的气体、液体、电气的机构，其中，利用电磁力的驱动器称为电动机。 本次实验装置的设计中驱动器的选用比较关键，对于微观实验，首先要求驱 动器的体积小，重量轻：而且选用的驱动器应该满足微观装置运动平台或往复轴移 动频繁、定位精度高的要求，能够实现优良的定位控制，起动、制动、f 反转控 制灵活，变速调节、变行程调节控制方便。 图2 7 驱动控制台 f i 9 2 7d r i v ec o