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机械毕业设计全套
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JX03-207@真空泵的磁性液体密封设计,机械毕业设计全套
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* * nts nts nts $ nts合金钢 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。 合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体 ；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。 合金钢种类很多，通常按合金元素含量多少分为低合金钢（含量 5），中合金钢（含量 5 10），高合金钢（含量 10）；按质量分为优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢（如软磁钢、永磁钢、无磁钢）等。 在钢中除含铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷、硫元素以外，还含有一定量的合金元素，钢中的合金元素有硅、锰、钼、镍、硌、矾、钛、铌、硼、铅、稀土 等其中的一种或几种，这种钢叫合金钢 各的合金钢系统，随各自的资源情况、生产和使用条件不同而不同，国外以往曾发展镍、硌钢系统，我国则发现以硅、锰、钒、钛、铌、硼、铅、稀土为主的合金钢系统 合金钢在钢的总产量中约占百分之十几，一般是在电炉中冶炼的按用途可以把合金钢分为 8 大类，它们是：合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热不起皮钢，电工用硅钢。 合金工具钢 合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造模具、量具和其它工具。 1、低合金工具钢 低合金工 具钢是在碳素工具钢的基础上，加入少量的合金元素 Cr、 Mn、 Si、 W、 V 等 ，提高钢的淬透性和回火稳定性，因而提高钢的强度、耐磨性和热硬性。在 230 260回火后硬度仍保持 HRC60 以上，从而保证一定的热硬性。常用的低合金工具钢有 9SiCr、 CrWMn等。 低合金工具钢的热处理为球化退火、淬火和低温回火。最后组织为回火马氏体、合金碳化物和少量残余奥氏体。 nts2、高速钢 高速钢是一种高碳合金工具钢，用高速钢制的刀具，可以进行高速切削，具有良好的热硬性。当切削温度高达 600左右时硬度仍无明显下降。 高速钢中 含有大量的合金元素 W、 Mo、 Cr、 V 等，使钢具有高的硬度和耐磨性，较高的热硬性，足够的强度和韧性等。这些性能当然也要通过适当的热处理才能保证。 高速钢的铸态组织中有粗大的鱼骨状合金碳化物，使钢的机械性能降低，但不能用热处理来消除，只有采用反复锻击的办法将其击碎，并均匀分布在基体上。高速钢锻造之后，要进行退火，以消除应力，降低硬度，为以后的淬火作组织上的准备。 高速钢只有通过正确的淬火和回火才能使性能充分发挥出来。 W18Cr4V 钢的最终热处理工艺曲线如图所示。淬火温度较高的目的是使大量的合金碳化物溶入奥氏体中 ，以得到良好的红硬性。高速钢淬火后，还保留一部分残余奥氏体，一次回火难以全部消除，影响钢的硬度和耐磨性，故必须经多次回火使其全部转变，一般常采用 560三次回火，每次保温 1 小时。 3、硬质合金 硬质合金是将特制的高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合，压制成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。 硬质合金的性能特点是：硬度高 HRA(86 93)，相当于 HRC(69 81)。热硬性好 (可达900 1100 )，耐磨性优良。因此硬质合金主要用做切削工具。其刀具的切削速度比高速钢可提高 4 7 倍，寿命提高 5 80 倍，制造模具、量具寿命可提高 20 150 倍。有的金属材料如奥氏体耐热钢和不锈钢等用高速钢无法切削加工，若用含 WC 的硬质合金就可以切削加工。 合金模具钢 用于制作冷、热模具的钢种为模具钢 1.冷模具钢 包括冷镦模、拉丝模、滚丝模 等，属于接近室温状态下对金属进行变形加工的一种模具。要求有高的硬度和良好的耐磨性，以及足够的强度和韧性，热处理变形要小。小模具用 CrWMn来制造，大型模具采用淬透性高、抗磨性高的 Cr12 钢来制造。 这类钢热处理过程是球化退火，淬火，低温回火。回火后组织是回火马氏体，合金碳化物和少量的 残余奥氏体。 2.热模具钢 nts在高温下工作的模具钢如热锻模。要求在高温下有高的强度及足够的耐磨性和韧性，良好的抗热疲劳性，为使整体性能一致，还需有良好的淬透性。 合金量具钢 合金量具钢用于制造各种测量工具，如 千分尺、量规、块规等。 常用量具 为了保证量具的精确度，制造量具的钢应具有良好的尺寸稳定性、较高的硬度及耐磨性。 量具钢没有专用钢。尺寸小、形状简单、精度较低的量具，用高碳钢制造；复杂的精密量具用低合金刃具钢制造。 ntsalloy steel In the ordinary carbon steel on the basis of adding some one or more alloying elements which constitute the iron-carbon alloy. According to the different elements added, and take appropriate processing technology.Will be high-intensity, high toughness, wear resistance, corrosion resistance, low temperature resistance, high temperature, non-magnetic, and other special properties. Steel is the main alloying elements silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, titanium, niobium, zirconium, cobalt, aluminum, copper, boron, such as rare earth. Including vanadium, titanium, niobium, zirconium, such as in steel is strong carbide forming elements. As long as there is sufficient carbon, under appropriate conditions, will be able to form their own carbide; When carbon or missing in the high-temperature conditions, while atomic enter solid solution. Manganese, chromium, tungsten, molybdenum carbide formation of the elements. Atomic part of the state to enter solid solution, another part of a replacement alloy cementite; Aluminum, copper, nickel, cobalt, silicon carbide forming elements is not, to the general state of atoms in solid solution in existence. There are many kinds of steel, normally divided into the number of alloy elements in low alloy steel (content 10%);By mass into high-quality steel, alloy steel qualities; According to characteristics and uses are divided into alloy structural steel, stainless steel, acid-proof steel, wear-resistant steel, heat-resistant steel, alloy tool steel, rolling bearing steel, spring steel and special alloy steel performance (such as soft magnets, permanent magnet steel, non-magnetic Steel). In steel, in addition to iron, carbon and a small amount of the inevitable silicon, manganese, phosphorus, sulfur, also contain a certain amount of alloying elements. Alloy elements in steel with silicon, manganese, molybdenum, nickel, Ge, alumina, titanium, niobium, boron, lead, rare earth, and so one or several of them,Steel is the steel that the steel system.With their resources, the production and use of different conditions and different. Foreign previous development nickel, steel Ge system, China was found to silicon, manganese, vanadium, titanium, niobium, boron, lead, rare earth-based steel alloy steel in the steel system in the total output of about 10 per cent. Generally in the smelting furnace by the use of the steel can be divided into eight major categories.They are: alloy structural steel, spring steel, bearing steel, alloy tool steel, high speed tool steel, stainless steel, heat-resistant skin can not afford steel, silicon steel electrician. Alloy tool steel The alloy tool steel has a higher degree of hardness, the resistance to wear, better hardenability, hot rigidity and tempering stable and so on. Thus may make the mold, the measuring instrument and other tools. 1st, low-alloy tool steel The low-alloy tool steel is in the ordinary tool steel foundation, joins few alloying element Cr, Mn, Si, W, V and so on, enhances the steel the hardenability and the ntstempering stability, thus enhances the steel the intensity, the resistance to wear and the hot rigidity. Degree of hardness still maintained above HRC60 after 230 260 tempering, thus guaranteed the certain hot rigidity. The commonly used low-alloy tool steel has 9SiCr, CrWMn and so on. Low-alloy tool steel heat treatment for , quenching and low tempering. Finally organizes for the tempered martensite, the alloy carbide and the few remaining austenite. 2nd, high-speed steel The high-speed steel is one kind of high carbon alloy tool steel, with the high-speed steel system cutting tool, may carry on the high-speed cutting, has the good hot rigidity. When the cutting temperature reached as high as 600 about degree of hardness still not obviously to drop. In the high-speed steel includes massive alloying element W, Mo, Cr, V and so on, enable the steel to have the high degree of hardness and the resistance to wear, higher hot rigidity, enough intensity and tough and so on. These performance certainly also must be able to guarantee through the suitable heat treatment. In the high-speed steel casting condition organization has the thick fish bones shape alloy carbide, causes the steel the machine capability to reduce, but cannot use the heat treatment to eliminate, only has the means which uses repeatedly hammers strikes it to crush, and evenly distributes in the substrate. After high-speed steel forging, must carry on , the stress-relieving, reduces degree of hardness, will be the later quenching makes in the organization the preparation. The high-speed steel only through correct quenching and the tempering can enable the performance fully to display. The W18Cr4V steel final heat treatment craft curve like chart shows. A hardening temperature higher goal is causes the massive alloy carbide to dissolve into in the austenite, by obtains the good red hardness. After high-speed steel quenching, but also retains part of remaining austenite, a tempering completely eliminates with difficulty, affects the steel degree of hardness and the resistance to wear, therefore must pass through the multiple tempering to cause it completely to transform, generally often uses 560 three tempering, each time keeps warm for 1 hour. 3rd, hard alloy ntsThe hard alloy is high mp, the high degree of hardness metal carbide powder and the cementing agent mix which specially makes, suppresses takes shape, again passes through one kind of powder metallurgy material which agglutinates becomes. The hard alloy performance characteristic is: Degree of hardness high HRA (86 93), is equal to HRC (69 81). The hot rigidity good (may reach 900 1,100 ), the resistance to wear is fine. Therefore the hard alloy mainly with makes the cutting tool. Its cutting tool cutting speed may enhance 4 7 times compared to the high-speed steel, the life enhances 5 80 times, makes the mold, the measuring instrument life may enhance 20 150 times. Some metal material like austenite high-temperature steel and the stainless steel urgently need the high-speed steel to be unable the machining, if with contains WC the hard alloy to be allowed the machining. Alloy molding tool steel Uses in coldly to manufacture, the hot mold aluminum is the molding tool steel 1. Cold molding tool steel Including Leng Duimu, the wiredrawing mold, roll the silk mold and so on, belongs approaches under the room temperature condition to carry on the distortion processing to the metal one kind of mold. The request has the high degree of hardness and the good resistance to wear, as well as the enough intensity and toughness, the heat treatment distorts must be small. The small mold makes with CrWMn, the large-scale mold uses the hardenability to be high, the abrasion resistant high Cr12 steel makes. This kind of steel heat treatment process is quenching, low tempering. After the tempering the organization is the tempered martensite, the alloy carbide and the few remaining austenite. 2. Hot molding tool steel The molding tool steel like hot forging die works which under the high temperature. The request has the high intensity and the enough resistance to wear and toughness under the high temperature, good resists heat weariness, for causes the overall performance to be consistent, but also must have the good hardenability. Alloy measuring instrument steel The alloy measuring instrument steel uses in to make each kind of measuring tool, like ntsmicrometer, gauge, slip gauge and so on. Commonly used measuring instrument In order to guarantee the measuring instrument the precision, makes the measuring instrument the steel to be supposed to have the good size stability, a higher degree of hardness and the resistance to wear. Measuring instrument steel not special-purpose steel. The size small, the shape is simple, a precision lower measuring instrument, makes with the high-carbon steel; The complex precision measuring instrument makes with the low-alloy Blades steel. nts 机械技术学院 毕 业 设 计 论 文 真空泵的磁性液体密封设计 学生姓名： 孙国亮 指导教师姓名： 宋佳娜 助教 所在班级 材料 10532 所在专业 机械设计制造及自动化 论文提交日期 2008年 4月 10日 论文答辩日期 2007年 4 月 20日 答辩委员会主任 主答辩人 马海波 机 械 技 术 系 2008 年 4月 16日nts nts机 械 技 术 学 院 毕 业 设 计 任 务 书 2008 年 2 月 19 日 毕业设计题目 真空泵的磁性液体密封设计 指导教师 宋佳娜 职称 助教 专业名称 材料成型及控制技术 班级 材料 10532 学生姓名 孙国亮 学号 1040053227 设计要求 1. 完成 英文资料翻译 2. 搜集毕业论文（设计）资料 3. 完成毕业论文（设计）一篇 4. 导磁套 零件图纸一张 ，磁铁零件图纸一张，密封装配图一张。 5. 完成毕业设计小结一份 完成毕业课题 的计划安排： 序号 内容 时间安排 1 英文资料翻译 2.20 3.1 2 搜集毕业设计资料，思考论文框架 3.2 3.12 3 进行毕业论文（设计）撰写 3.13 3.27 4 递交毕业论文（设计）初稿 3.27 4.3 5 进行毕业论文（设计）修改、最终定稿 4.3 4.10 答辩提交资料 4.11 计划答辩时间 4.15 机械技术学院 2008 年 2 月 19 日 nts毕业设计小结 紧张而又辛苦的毕业设计结束了，它是我们基础理论知识、专业理论知识等知识综合应用的实践训练，为我们即将到来的正式工作奠定了一定的理论基础。 此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工作重要的一步。从最初的 选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次毕业设计，深深体会到做任何事都必须耐心而细致。在设计过程中，许多计算、查表及工艺参数的确定，曾一度使我遇到许多的难题，但经过知道老师的耐心指导，我学到了很多，通过这次毕业设计，把以前淡忘的一些知识，和设计方法又逐渐的回想起来，并且进一步的加深了印象。 通过这次毕业设计，不禁时刻提醒自己，一定要养成一种高度负责，一丝不苟的良好习惯。这次毕业设计使我在工作作风，团 队精神等方面得到了一次难得的锻炼。通过这次课程设计我发现了自身的许多缺点和不足，并让我可以在以后的工作和学习中取改进 nts目录 序 1 1 磁流体密封的原理 2 1.1 磁流体 2 1.2 磁性液体的组成 3 1.3 密封原理 5 2 磁性液体密封的优点 6 2.1 严密的密封性 6 2.2 不可测量的泄露率 6 2.3 长寿命 6 2.4 可靠性高 6 2.5 没有污染 6 2.6 能承受高转速 7 2.7 最佳的扭拒传递 7 2.8 低的黏性摩檫 7 2.9 磁性液体密封 7 2.10 其他性能 7 3 真空泵的磁性液体密封设计 7 3.1 设计真空泵的磁性液体密封背景 7 3.2 设计真空泵的磁性液体密封目的 8 3.3 真空 泵的密封装置主要部件 8 3.4 磁流体密封的结构 9 nts3.5 导磁套的结构 10 3.5.1 导磁套的结构对磁流体密封能力的影响 10 3.5.2 导磁套 基本结构参数的确定方法 12 3.5.3 齿的参数设计 13 3.6 永久磁铁的设计 14 4 材料 选择 15 4.1 永磁体材料选择 15 4.2 静密封圈的选择 17 4.3 极靴材料的选择 19 4.4 导磁套选材 20 4.5 壳体材料的选择 20 5 总结 21 6 致谢信 22 参考文献 23 nts 1 真空泵的磁性液体密封设计 摘要 :文章介绍了磁流体密封的原理、磁流体密封的结构，通过对磁流体密封的主要元件 导磁套的结构形式的研究， 分析了导磁套的结构和 永磁体的 结构对密封性能的影响，给出了磁流体密封合理参数，及对磁流体密封各部件的材料选用。 关键词 : 磁流体 密封 极靴结构 永磁体 密封能力 影响 引 言 随着科技的发展和人们环境意识的日益提高，密封问题被提到很高的位置。 现在一般的真空泵泵使用的是橡胶密封圈和 机械密封 ，进行轴的密封。 1、 橡胶普遍存在 耐磨性问题 由于旋转轴的转速较高 ， 密封制品要承受很大 的摩擦扭矩 ， 尤其是在润滑效果不良的情况下 ， 密封区域的生热较大 ， 会导致胶料发粘或与金属粘合性能提高 ， 使密封件破坏 ， 进而导致密封失效。 从而需要定期维修、更换橡胶圈是其恢复正常工作。 2、其他密封存在的一些问题 目前，国内外采用的密封措施有许多种，大致有机械密封、石棉盘密封、碗形密封和反螺旋密封等。机械密封结构复杂、成本高；带加强环的碗形密封，密封消耗功率稍大一些；石棉盘根密封需要冷却润滑，否则由于摩擦发热产生的高温使轴烧损；反螺旋密封结构要求在轴达到一定转速时，才能显示出它的密封作用，而在静止时将完全不起作用， 因此，对静止状态时也要求密封的地方，这种方法不宜采用。 因而寻求一种工作寿命长、密封性能好并且和运动轴之间摩檫系数小的密封件是生产厂家和用户的一种期望。 磁流体密封作为一种新型密封方式。具有无泄漏、无摩擦、结构简单、易维修和符合现代倡导的绿色生产、清洁生产等特点，已受到越来越多的关注。 nts 2 20 世纪 60 年代中期出现了一种新型的功能材料 -磁性液体 ,到现在只不过 30余年的历史，但它一经问世，就得到许多专家学者的重视。 1977 年在意大利召开了磁性液体的第一届国际学术会议，以后每三年举行一次。 磁性液体是一种新型的 功能材料 ,诞生于 20 世纪 60 年代。它是将纳米尺度的磁性固体颗粒均匀的分散在液体介质中而形成的稳定的胶体溶液。它将液体的流动性和磁性材料的磁性统一在一种物质中，使之具备了很多新的物理机能和特性，也正因如此，它的制备和理论研究都有着很重要的科学意义。它的应用是走高端产业，特别是在军事方面的应用有着广阔的前景。 1磁流体密封的原理 1.1 磁流体 磁流体顾名思义便是可以流动的磁性液体，它是由粒径小于 10nm 铁磁性微粒、载液及表面活性剂三部分组成，既有固体磁性材料的强磁性，又有液体的流动性。 它是将掺入 到载液中的铁 磁性微粒 ( l0nm)用分散剂均匀地分散，使之成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体。这种液体具有在通常的离心力和磁场作用下既不沉降和凝集，又能使其本身承受磁性并可被磁铁所吸引的特性。 1.2 磁性液体的组成 液态铁磁性是可能实现的 ,然而今日人们还不知道存在这样的事实 :在液态状态下 ,原子的磁矩按铁磁性排列从而产生内在的液态铁磁性。现在还只能制作这样的磁性液体 ,即单畴铁磁性颗粒的高稳定胶状悬浮液这样的双相系统具有较高的磁化强度 ,也能很快对施加磁场作出反应。这里所说的磁性液体是将众多的铁磁性或亚铁磁性微粒高度弥散 于液态中而构成的一种高稳定性的胶体溶液。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作用下也能长期稳定的存在 ,不产生沉淀与分离 ,因此具有实用性。如图（ 1） nts 3 稳定剂 磁性粒子 基础液 图（ 1） 磁性液体的组成 可供选择用于制备磁性液体的磁性材料通常有以下形式： 23Fe O ,24 ( , , )M F e O M C o M n N i 等,34FeO,Co,Ni,Fe,FeCo 和 NiFe合金等 , 目前常用的为34FeO粉。 作为磁性液体的基载液应满足这样一些条件 :低蒸发率 ,低黏度和高度化学稳定性以及具有耐高温和抗辐射特性等。 如表 1 表 1供磁性液体制备用的载液 载液名称 所制磁液特点及用途举例。 水 PH 值可在较宽范围内改变 ,价格低廉 ,制备工艺简单 ,适用于医疗、磁性分离、选矿显示及磁带、磁泡检验。 酯及二酯 蒸汽压较低，适用于真空及高速密封，润滑好的磁液特别适用于要求摩擦低的装置并可用于阻尼装置。 精制合成油 类似于酯及二 酯所制磁液，它的蒸汽压很低。 硅酸盐类 黏度低、耐寒性好适用于低温场合。 碳氢化合物 适用于高速密封，各种碳氢化合物载液可互相混合。 nts 4 氟碳基化合物 具有不易燃、宽温、不溶于其它液体，在活泼性环境，如含臭氧 氯 气等环境特别适用。 聚苯基醚 蒸汽压低，度低适用于高真空强辐射场合，辐射阻抗大于 610Gy 。 水银 可作 Fe、 Co 、 Fe-Co 、 Ni磁性微粒的载液，所制磁液饱和磁化强度大、导热性好。 酯及二酯、精制合成油和聚苯基醚的蒸汽压较低自然不能使用，氟 碳基化合物 、硅酸盐类 及 水 都不适用于高速泵的密封场合。 水银是重金属，有毒，既不便安装也不便维修。可见只有碳氢化合物宜使用。 适用于碳氢化合物为载液的界面活性剂如：油酸、亚油酸、亚麻酸以及其它非离子型界面活性剂。 油酸几乎存在于所有的脂肪食物中 ， 是最普遍存在的不饱和脂肪酸成分 。由此在价格与购买方面都比较便利，因此选用油酸碳氢化合物为载液的界面活性剂 。 因此图（ 1） 中的稳定剂是油酸，磁性粒子是34FeO，基础液是碳氢化合物。 1.3 密封原理 磁流体密封就是利用磁流体在 外加磁场作用下具有承受压力差的能力而实现的，其原理如图（ 2）所示。 nts 5 图（ 2）磁流体密封结构 圆环形永久磁铁 1、极靴 2、和旋转轴 3 构成磁性回路；在永久磁铁 1 产生的磁场作用下。把放置在旋转轴 3与极靴 2顶端缝隙间的磁性流体 4加以集中，使其形成一个所谓的“ 0”形环，将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体 (图 2a所示 )和非磁性体 (图 2b所示 )两种场合。前者磁束集中于间隙处并通过转轴而构成磁回路，后者磁束并不通过转轴，只是通过密封间隙中的磁性流体而构成磁回路。 由于磁流体是一种既具有磁特性又 具有液体特性的特殊材料，磁流体密封技术具有零泄漏、无固体摩擦、能耗小、无机械磨损、寿命长、适于传递高转速 (最高可达120000r min)、可用于 100M Pa 以上真空度的真空设备 (用低蒸气压的磁性流体 )等一系列优良性质。目前该技术已在密封、润滑等技术领域中得到了非常成功的应用。并已广泛应用于食品、医疗、医药、农业、化工、精密仪器等行业。其中磁流体真空密封和计算机的硬盘密封业已实现了标准化。但需注意的是，由于磁性流体在高温下性能不稳定，所以磁性流体密封装置的通常工作温度范围为一 3O 120 摄氏度。采用磁流 体密封，若转轴在过高或过低的温度下工作，就必须采取冷却或升温措施，这样将导致密封装置结构的复杂化。 nts 6 2 磁性液体密封的优点 2.1 严密的密封性 包围着轴的磁性液体能够对气体、蒸汽、雾和其它污染物产生严密的密封。 2.2 不可测量的泄露率 在静态和动态实验下 ,被密封介质的泄漏率在极限为 311101 cm 标准氦气每秒的质谱测量法下未能检测出 ,通常人们称磁性液体的密封泄漏率为零。 2.3 长寿命 磁性液体密封是使用惰性、稳定、低蒸汽压的磁性液体所形成的 ,在些情况下 ,密封件能够工作 10 年以上 ,而不需要维护。 2.4 可靠性高 磁性液体密封件包括一块简单的永久磁铁、极靴和数量很少的磁性液体 (通常少于 5ml),唯一遭受机械磨损的部件为轴承 ,因而可靠性高。 2.5 没有污染 因为没有机械磨损 ,液体环密封不产生污染系统的粒子 ,除此以外低蒸压的磁性液体即使在 610 以上的高真空下仍能维持密封的完整性。 2.6 能承受高转速 磁性液体密封功率损耗低 ,耐高速能力强 ,目前磁性液体密封技术能够在轴的转速超过 3000r/min下 ,其工作性能良好。 2.7 最佳的扭拒传 递 对穿的轴可进行 00100 扭拒传动 ,并能不间断的提供同相的旋转。 2.8 低的黏性摩檫 磁性液体低黏度的摩檫不依耐于通过密封所加的压力 ,因而运转很平稳。 2.9 磁性液体密封 nts 7 磁性液体密封即使在中断运行时 ,也不像弹性密封在停机期间 ,受增塑和弛豫的影响。 2.10 其他性能 1） 在磁场的作用下，磁化强度随外加磁场的增加而增加，直止饱和，而外磁场去除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，只有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。是动态密封理想材料。 3） 磁流体密封具有能承受高转速，即使在中断运行时，也不像弹性密封在停机期间受增塑和弛豫的影响。 3 真空泵的磁性液体密封设计 3.1 设计真空泵的磁性液体密封背景 因为现在的真空泵的转动主轴均采用传统的机械密封结构，由于高速转动轴的作用，这种以橡胶密封圈为代表的密封主机构，由于不耐磨，使用寿命短，泵体故障率比较高，从而影响整个机械系统的工作效率。因此，改进其密封结构，提高使用寿命，是生产厂家和用户的一种期望。 3.2 设计真空泵的磁性液体密封目的 文章设计 真空泵磁性密封 的 目的：主要是提供一种适用于真空泵的轴的磁性液体密封机构，使它不仅能有效的实现高速转动主轴的密封，而且还能克服现有常规轴密封泵存在的机械轴密封缺陷。 3.3 真空 泵的密封装置主要部件 真空泵的密封装置主要考虑三个部件： nts 8 如图（ 3） 所示： 图（ 3）真空 真空 泵密封的原结构 其一是传动轴轴头部分通过真空泵盖处的动密封； 其二是齿轮箱盖与端盖、端盖与真空泵体之间的静密封； 其三是传动轴头外伸部分通过真空泵盖处即轴保护套内的密封。其中，真空泵体端面与端盖和端盖与齿轮箱盖的静密封无论采用真空耐油橡胶圈密封，还是采用有机硅室温硫化橡胶薄膜密封，都可以得到很好的密封。轴保护套与轴的密封，由于轴保护套与轴一起旋转，没有相对运动，就形成了相似于静密封的状态。一般在保护套内壁切一至三个环形槽，装上“ 0”型密封圈即可密封。传动轴轴头外伸部分通过真空泵盖处的动密封很重要，如果密封不严，发生泄露，就会严重地影响真空真空泵的抽气性能。 3.4 磁流体密封的结构 磁流体密封的整体结构如图（ 4）所示。磁性流体位于两个支撑轴承的一侧，轴承可以采取润滑措施。磁流体密封部位通常采用如图（ 5）所示的几种结构形式。由于图（ 2）所示的磁流体单级极靴密封结 构耐压能力小，不能承受一个大气压的压差，所以用于真空转轴密封可以采用多级极靴结构。图（ 5） (a)所示的磁流体密封采用多nts 9 个永久磁铁，每个永久磁铁与其对应的一对极靴构成各自独立的磁回路。各回路间采用不导磁的隔垫隔开；图（ 5） (b)则没有使用不导磁的隔垫；图（ 5） (c)只使用一个磁铁，是一种单磁路多级磁流体密封结构，这种结构性能完善，结构简单，适用广泛，是实践中大量采用的结构形式。 由于我们的真空度要求不高，所以我们选用图（ 5）（ c） ,即使用一个磁铁。这样会使我们的结构简单，而且容易制造和广用。 图（ 4）磁流体 密封装置的整体结构 1- 旋转轴 2-轴承 3-箱体 4-密封件 5-挡圈 6-极靴 7-磁性流体 8-永久磁铁 nts 10 图（ 5）磁流体密封结构 1-永久磁铁 2-极靴 3-磁性流体 4-旋转轴 5-隔垫 3.5 导磁套的结构 3.5.1 导磁套的结构对磁流体密封能力的影响 影响磁流体密封能力的因素有以下几个方面：导磁套 (齿形和级数 )；永久磁体 (体积和材料 )；密封间隙；轴的转速；磁极材料；工作温度；磁流体 (饱和磁化强度和用量 )等。其中导磁套对密封结构起决定性的影响。 1） 密封间隙是磁回路磁阻 的主要来源，它决定永磁体工作点和装置的聚磁能力，理论上密封间隙越小越好。但实际应用中，间隙受到转轴径向跳动的约束，密封间隙太小，在高速动密封中，可能发生 导磁套 “抱轴” 现象。因此该参数由工艺能力及轴承支承系统的性能来决定，可选用 0 1mm 的密封间隙。 2)极齿厚度是对密封能力有着显著影响的一个设计基本量，在合理的密封结构设计过程中，需要从永磁体工作点的合理设计、减小装置漏磁和提高设计参数稳定性三个方面综合分析，一般将极齿厚度设计在 0.5 2mm范围内。 3)极齿高度主要影响密封间隙两侧漏磁磁路中的磁阻，从而 影响聚磁效果，当极齿高度大于一定值后，对密封能力的影响很小，一般取在 0 5 2mm范围内。 nts 11 4)齿槽宽度主要影响齿间漏磁场的叠加效应，太小则降低密封能力，太大则增大密封装置的轴向尺寸，在设计中需要与齿高相匹配，一般取在 0 5 2mm之间。 5)选取较小的永磁体内径，可以保证密封结构的紧凑性，一般取永磁体内径比极靴内径大 2 4mm左右。 因此在选定密封间隙、齿数及以上其它结构参数的基础上，考虑密封中结构参数的匹配关系，合理设计永磁体外径，才能得到一个既可以满足设计的压力要求，又可以保证装置周围漏磁场很弱的密封 装置。永磁体外径的决定应遵循磁路中磁通“所供即所需”的原则，即永磁体所提供的磁通可使密封达到所要求的密封压力，且不会使极靴达到过饱和磁化状态，有效的保证密封装置的低漏磁特性。为了准确设计装置的压力冗余量，可根据有限差分法所建立的密封压力和结构参数间的关系对永磁体外径进行优化设计，这是一个单变量优化问题。 目前，磁流体单级密封导磁套的齿形主要有如图（ 6）所示的几种，其中图（ 6）(c)的结构最佳。实际上，矩形角比锐角具有较大的磁场梯度，而结构 (c)左侧倒角能起到聚集齿端磁通的作用，所以其性能优于结构 (a)。当密封要求较高时可以采用多级密封， 即在磁铁的两侧有间隙地多放几块极靴，这样总的密封能力就是各级密封压值的总和。 图（ 6）单级密封极靴的齿形 nts 12 对于多级密封，一般都采用矩形齿结构，因为它耐压能力大，两侧耐压相同，且加工工艺简单，性能容易保证。但考虑到液体在工作时要受到重力的作用，所以通常把导磁套齿型设计成梯形结构。这种结构的磁场梯度大，磁流体界面稳定性好，密封能力较强。 但考虑使用的真空泵的真空度不大和制造方面的问题，所以优先选用图（ 6）（ a） 。 3.5.2导磁套 基本结构参数的确定方法 磁流体密封结构 设计主要就是 导磁套 齿形的结构和永磁铁的设计。如图（ 7）所示， 导磁套 齿形的设计，主要是确定 导磁套 齿形参数槽宽tL、齿宽sL、槽深hL、间隙gL的最佳取值范围，使其具有好的综合性能，磁场强度差值大，以便获得最大的密封能力。 图（ 7） 导磁套 的基本参数 3.5.3 齿的参数设计 1)极齿厚度是对密封能力有着显著影响的一个设 计基本量，在合理的密封结构设计过程中，需要从永磁体工作点的合理设计、减小装置漏磁和提高设计参数稳定性三个方面综合分析，一般将极齿厚度设计在tL=0.5-2mm范围内。 2)极齿高度主要影响密封间隙两侧漏磁磁路中的磁阻，从而影响聚磁效果，当极齿高度大于一定值后，对密封能力的影响很小，一般取在hL=0 5 2mm范围内。 3)齿槽宽度主要影响齿间漏磁场的叠加效应，太小则降低密封能力，太大则增大nts 13 密封装置的轴向尺寸， 在设计中需要与齿高相匹配，一般取在sL=0.5 2.5mm之间。 根据tL/gL=8，sL/gL=2，hL/sL=3.5，因为间隙取 1mm,从而得出tL=0.8mm，gL=0.1mm，sL=0.2，hL=0.7，因为轴的直径是 28mm，所以导磁套的内径为 28mm。由于轴承是标准件，结合导磁套内径 28mm，选择内径为 35mm的轴承，所以导磁套外径为62mm。 3.6 永久磁铁的设计 永久磁铁的设计包括三个基本要求 : 第一 永磁体厚度主要影响密封装置中永磁体的工作点。永磁体工作点接近永磁材料的剩磁点时，增加永磁体厚度对密封能力的贡献很小。由于磁流体密封中磁回路磁阻较小，永磁体工作点很容易达到一个较高的位置。若按照永磁体体积最小来决定永磁体的工作点，则所设计的密封装置中的永磁体只能是一个很薄的薄片，一般不能符合机械零件的强度设计要求，因此对永磁体厚度的设计主要从机械强度出发进行考虑，对于齿数为 1 4的密封装置一般可以取永磁体厚度为 4mm。 第二是要保证密封工作间隙中磁场强度符合已选定的数值 ,即不过高也不过低 ; 第三是要求永久磁铁 内部的磁场强度mH和磁感应强度mB工作在材料的最大磁能积点之处 ,这样才能最有效的利用它内部的磁能 ,这就要求永久磁铁的轴向长度mL和横截面积mS有一适当的比例 . 根据磁路定律 ,永久磁铁自身产生的磁压m m mU H L应等于外磁路的磁压降 ,从而有 12mmH L f u(7-30) 式中 ,1f为磁路的磁压损失系数 ,等于永久磁铁产生的磁压与作用在工作间隙上的有用磁压之比 .它包含了导磁极靴和转轴上的磁压损失 ,磁铁与极靴接触面处的气隙磁压损失 ,磁力线在工作间隙中曲线效应的磁压损失等因素 .一般取1f1.051.55,nts 14 式 (7-30)右侧 2表示磁路中有两个间隙 .工作间隙上的磁压 u 可由最大工作场强0H的表达式求得 ,矩形时有 0 gu H L(7-31) 带入式 (7-30)可解出永磁铁计算式 102/m g mL f H L H2永久磁铁产生的磁感应通量 m m mBS应等于 外磁路中的总磁通量 2mmB S f(7-32) 式中 ,2f为磁路的磁流损失系数 ,等于永久磁铁产生的总 磁感应通量与通过极齿有用磁感应通量之比。它考虑的影响因素有极靴转轴侧面的漏磁通 ,永久磁铁侧面的漏磁通极齿边缘效应的漏磁通等。由于它不仅与和磁路的结构形状有关 ,而且和磁路的材料周围环境的材料以及加工工艺等因素有关。需要结合实际 情况 ,按磁路的设计经验选取。 每个极靴上有0N个矩形齿的结构中 ,齿型区流过的有用磁感应通亮可由下式求得 : 00N (7-33) 式中 ,0为通过一个齿的磁通量大小。 因为导磁套与极靴的间隙为 0.1 毫米，所以极靴的内径为 35.2 毫米。根据轴承的外径为 62 毫米 ，所以 极靴的外径为 62 毫米。 因为磁铁的外径要比极靴小 1 2 毫米，内径比极大 5 7 毫米 。 磁铁的 最终永久磁铁的方案是厚度为 7 毫米，直径 60毫米。内径为 41毫米。 4 材料选择 磁流体密封装置中的材料优选主要指对永磁体、磁极靴、磁流体和隔磁材料的优化选择。为实现设计目标，永磁体需要选择剩磁大、矫顽力高、磁能积大的材料。这nts 15 样，一个体积较 小的永磁环可以给系统带来足够大的磁能。磁极靴和旋转轴构成聚磁结构，为了减小磁极靴和旋转轴中所产生的磁压降，一般选用导磁性能好的电工纯铁或低碳钢 (10号钢 )作为导磁材料。磁流体是密封装置中的功能性液体，它是密封失效的一个薄弱点，设计时选择稳定性好、挥发率低、饱和磁化强度高的磁流体。隔磁材料一般取磁导率接近真空磁导率且强度较高的材料，如铜、硬铝等。 4.1 永磁体材料选择 为实现设计目标，永磁体需要选择剩磁大、矫顽力高、磁能积大的材料。这样，一个体积较小的永磁环可以给系统带来足够大的磁能。 从表（ 4）中可以看出 ,在剩磁rB磁通密度矫顽力CBH内禀矫顽力cjH最大磁能积max()BH可逆磁导率r等五个参数方面 ,钕铁硼永磁材料具有最优值。对于rB温度系数铝镍钴磁铁最好 ,其值最小 ,而永磁铁氧体最差稀土永磁居中间状态。在比重方面 ,永 磁铁氧体最小 ,钕铁硼尺寸也不算最大。 但钕铁硼也有不足之处：一是热稳定性较差 ,例如居里温度偏低 ( 0312cTC)温度系量偏高 ( 00 .1 2 % / C ), 矫顽力温度系数也偏高 (约 0.70%/ 0C )。二是抗氧化和耐腐蚀性较差 ,在潮湿环境下生产或使用容易生锈 ,在不同介质中容易被腐蚀。因此要做好磁铁的维护。 表（ 2） 各种永磁材料特性的比较 Nd-Fe-B 2 170SmC 铁氧体 AlNiCo 磁 特 性 剩磁 /rBT1.25 （ 12.5） 1.12 （ 11.2） 0.44 （ 4.4） 1.15 （ 11.5） 磁通密度 矫顽力CBH915.4 （ 11.5） 533.32 （ 6.7） 222.88 （ 2.8） 127.36 （ 1.6） nts 16 /(KA/m)(kOe) 内禀矫顽力cjH/(KA/m)(kOe) 1098.48 （ 13.8） 543.24 （ 6.9） 230.84 （ 2.9） 127.36 （ 1.6） 最大磁能积max()BH/(KJ/ 3m /)(MGOe) 286.65 (36) 246.76 (31) 36.62 （ 4.6） 87.65 （ 11） rB温度系数 /(%/ 0C ) -0.126 -0.03 -0.18 -0.02 可逆磁导率r1.05 1.03 1.1 1.3 居里温度 0/Tc C 312 880 450 890 物 理 特 性 比重 d/(g/ 3Cm ) 7.4 8.4 5.0 7.3 电阻率 ( .cm ) 144 85 410 45 硬度 /HV 600 550 530 650 抗弯强度 /MPa kgf/ 2mm 245 (25) 117.6 (12) 127.4 (13) 抗压强度 /MPa kgf/ 735 (75) 509.6 (52) 热膨胀系数 /( 6010 /c ) 3.4(平行度 ) 4.8(垂直度 ) 13 13(平行度 ) 8(垂直度 ) 11 nts 17 总之 ,从综合性能评价 , 钕铁硼永磁材料的性能是较优异的。所以为了提高密封件的质量标准 ,选择钕铁硼作为材料的磁铁， 并且要求磁铁冲磁后的磁积能达到 45。 4.2 静密封圈的选择 静密封是指连接件不能做相对运动的密封。对于低真空和高真空 ,可拆静密封一般采用弹性很大的橡胶做密封材料。 真空密封用橡胶 用于真空密封的橡胶材料 ,除要求具有光洁表面 ,无划伤、无裂纹外还要有低的出气率、挥发率、透气率良好的耐热性耐油性抗老化和适宜的耐压缩变形值及压力松弛系数。最常用于真空密封的橡胶有下列几种： 1） 天然橡胶 天然橡胶是最早使用的一种真空用密封材料，但它的透气率很大，耐油性抗老化性能都很差，一般只用于粗真空，低真空密封。 2）丁基橡胶 丁基橡胶的透气率很小，可用于的密封。但在超真空环境下材料出现升华现象，其重量损失可达，因此不适用于的超高真空。 3）丁橡胶 是耐油性和其它性能都较好的一种橡胶，在高真空范围内广泛应用于烘烤温度以下的各类真空密封。 4）氟橡胶 是一种具有耐高温、各种介质的密封材料。各种气体在维通 (Viton)型氟橡胶中有较小的扩散速度和较大的溶解度 ,透气率很小 ,与丁基橡胶相当。在高温、真空 中放气率很低 ,可用于 571 0 1 0 Pa的真空密封 ;采用双 “ O” 圈密封结构 ,烘烤 200 Co ,并加上冷却措施 ,可达到 810Pa 超高真空。缺点是价格昂贵 ,通常只限于需要烘烤的高nts 18 真空及超高真空系统中。 5）硅橡胶 是一种耐热橡胶。在各种橡胶中它的工作温度范围最宽，即使在高温下长期使用。缺点是气体渗透率较普通橡胶大数十至数百倍，线膨胀系数也
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