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哈尔滨工程大学本科生毕业论文1摘 要船舶艉轴密封是一类特殊密封，主要特点是轴管直径较大，存在较大的横向和轴向振动。随着舰船的大型化和高速化，我国六十年代初开始实船应用的“油润滑橡胶环艉轴密封装置”在实船使用中损坏漏油情况较为严重。而磁流体密封技术是一种新的密封技术，具有寿命长、泄露量低、磨损少、结构简单、适合旋转轴的密封等特点，是解决船舶艉轴防水防油密封较为理想的方法。在水箱中输入 2MPa 压力的海水，模拟船舶艉轴带动螺旋桨在水箱中旋转。水箱壁和壳体分别安装压力表，对实验中不同部位的压力进行测量，得到各磁极处密封压力，分析磁流体密封装置密封能力的影响因素。利用不同基液的磁流体分别进行测试，分析不同基液的磁流体的密封性能。 对实验结果进行分析得出，密封装置的密封能力受磁环性能、磁极齿型、密封间隙、磁流体性能、密封级数和艉轴转速等因素影响。设计高性能磁环、合理的齿型，选择较小的密封间隙、烷烃基的磁流体及合适的密封级数和转速，能够使模拟船舶艉轴密封装置实现较好密封。关键词：磁流体密封；耐压公式；密封装置AbstractShipping Tailshaft Seal is a kind of special seal，the main characteristic is that it has a big shaft tube diameter, and there is more lateral and axial vibration.In our country，the shipping application of the oil-lubricated stern rubber ring shaft seal started to be used on the ship in the early 1960s.Along with the appearance of a larger and high-speed ships, it has been damaged more and more seriously. The technology of Magnetic Fluid Seal is a new method of seal，and it has a lot of advantages，such as a long life, low reveal quantity, little wear and tear, simple structure,suitable for the sealing high speed revolve an so on. Therefore its a ideal method for Shipping tailshaft seal.Accordingly,an imitative equipment of magnetic fluid seal of Shipping Tailshaft is designed on the basic achievements of former studies.It will be used to carry on sounding out research on the Shipping Tailshaft Seal 哈尔滨工程大学本科生毕业论文1with magnetic fluid. The mainly research and relative results as following:1.Certain the total project of the shipping tailshaft seal with magnetic fluid. 2.Design the imitate equipment of magnetic fluid seal of Shipping tailshaft according to the pressure of seal.3.Analyse and compute the device of equipment for sealing,and deduce the equation of anti-pressure of the magnetic fluid seal.4.Make use of an experiment data to analysis the impact factor of the ability of Shipping tailshaft seal.5.Draw a assemble diagram and spare parts diagrams of the imitate equipment of magnetic fluid seal of Shipping tailshaft.Keywords: Magnetic fluid seal ; Equation of anti-pressure ;The equipment for sealing 目 录第 1 章 绪论11 选题的背景和意义12 国内外磁流体密封技术的发展现状121 磁流体简介122 磁流体的分类1. 2. 3 船舶艉轴磁流体密封基本原理124 磁流体密封的优点125 国内外磁流体密封研究状况126 国内外磁流体密封应用状况13 本文研究的主要内容14 本章小结第 2 章 船舶艉轴磁流体密封实验装置的设计21 船舶艉轴磁流体密封实验装置的总体方案设计211 磁流体密封实验装置的设计基本原则212 磁流体密封实验装置的具体方案22 船舶艉轴磁流体密封实验装置的主要参数设计221 密封实验装置的设计目标及材料选择哈尔滨工程大学本科生毕业论文1222 密封实验装置模拟艉轴的磁通量计算223 密封实验装置的磁极的设计224 密封实验装置的磁环设计225 密封实验装置的轴承间距计算23 船舶艉轴磁流体密封实验装置的动力源及传动装置的设计231 密封实验装置电动机的选择232 密封实验装置传动机构的设计24 本章小结第三章 密封实验装置的磁场分析与耐压公式的推导31 密封实验装置磁场分析与计算32 常用耐压公式推导33 本文采用的耐压公式推导过程331 关于磁流体表面张力的研究332 磁力线上两相邻磁性微粒的引力分析333 饱和浓度分布模型下的密封耐压公式34 本章小结第四章 影响船舶艉轴磁流体密封能力的因素分析41 磁环性能及尺寸对磁流体密封能力的影响42 密封间隙对磁流体的密封能力的影响43 磁极齿型的选择对磁流体密封能力的影响44 密封级数对磁流体密封能力的影响45 磁流体性能对磁流体密封能力的影响46 模拟艉轴的转速对磁流体密封能力的影响47 本章小结结论参考文献 致谢哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论11 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，哈尔滨工程大学高级工程师孙荣华、副教授赵长发、工程师边培荣等将磁流体密封技术应用于船舶艉轴密封中，并设计出实际实验装置，进行了具体实验，取得了大量的数据。本文采用新的耐压公式，参照孙老师的密封装置对磁流体密封装置进行设计，并利用孙老师的实验数据和前人的实验数据进行分析，以期对磁流体对船舶艉轴的密封有所益处。哈尔滨工程大学本科生毕业论文112 国内外磁流体密封技术的发展现状121 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: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。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。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。122 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:铁盐酸系 Fe3O4 ， MeFe2O4, (Me = Co, Mn, Ni)等;金属系 Ni, Co, Fe 等金属微粒及其合金(Fe -Co, Ni-Fe);氮化铁系等。按基液种类分有:水;有机溶剂(如二甲苯);碳氢化合物;合成脂;聚二醇;聚苯醚;卤化烃;苯乙烯等等。在本文中，对多种类型的磁流体进行了实验，用来分析选择哈尔滨工程大学本科生毕业论文1适合于水（海水）密封的基液的磁流体，在设计中是以油基 Fe3O4纳米磁流体基准来计算，在以下章节中不再重累述，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0.030 0.0254）套筒、转轴、及磁极材料的选择：由磁流体密封原理可以知道，磁力线经过磁环、磁极、转轴形成一个磁回路，为了避免磁力线经过套筒的损耗，因此套筒的材料，应该选择非导磁材料，本文所采用的是青铜材料，它是非导磁材料，而且加工性能较好。转轴及磁极选择 45#钢，这种材料的导磁率相对较高，在磁感应强度为 2T 时接近磁化饱和。磁极也可以选择纯铁，纯铁的磁导率比 45#钢更高，但是纯铁的加工性能极差，不易加工，因此本文选用 45#钢。5）磁极齿型及密封间隙：通过磁极两种齿型的磁导率分析，可以得出梯形齿型的磁导率比矩形齿型的高，因此，本文选择梯形齿型。为了提高密封能力，或减小磁环的体积，密封间隙应该尽可能的小，一般在 0.05-0.15mm 之间，在轴径较小时，间隙可以取得小些，因此本文取密封间隙的值为 0.1mm。哈尔滨工程大学本科生毕业论文1222 密封实验装置模拟艉轴的磁通量计算1）安全系数:安全系数选择 1.5，即设计密封压力为实际需要密封压力的 1. 5 倍，需要的密封压力为 2MPa，所以设计的密封压力为21.5=3.0MPa.2)选择密封间隙及确定磁极和磁环的组合方式：根据密封轴径和设计密封压力等选择密封间隙，确定密封间隙为 0.1mm。组合方式为一个磁环配合两个磁极使用，两个磁极分别放置在磁环两端，相邻磁环同极性相对放置。3)设计轴的磁通:对照 45#钢的磁化曲线表，选择 B=1. 6T(此时的相对磁导率约为 200 )作为模拟轴上的设计磁感应强度，而轴的横截面积为 S,S= 42而通过轴上的设计磁通为 ,6.12SB=5.0210-4Wb4)设计磁环磁通 :漏磁系数 Kf采用 1. 3 设计值，总需要磁通m 0Kf0考虑到主磁回路在密封间隙处的磁漏，总需要磁通和磁环磁通按 1: 1. 2 的比例选择磁环磁通 m=1.2 =1.21.35.0210-4Wb0=7.8310-4Wb5)密封间隙处的设计磁感应强度:为了保证密封间隙处的磁感应强度 B3000Gs，按 1. 2: 1 的比例设计密封间隙中磁感应强度，即密封间隙处的设计磁感应强度为 1. 2B。223 密封实验装置的磁极的设计1)单磁极的最大密封级数 n:密封间隙中的有效磁通面积为 SqSq=1.510-3哈尔滨工程大学本科生毕业论文1每齿密封需要的磁通 ）331025.1()02.(5.12.412.1 SqBSqB= -5Wb.454102.n92)单齿的密封能力:单个磁回路由两个小磁极和一个磁环组成。根据单磁极的最大密封级数和单齿的密封能力计算单磁极的最大密封能力，而由根据总的设计密封压力、单齿的密封能力得到需要总的密封级数。由总的密封级数和单磁极的最大密封级数，得到需要的磁回路个数。 2max1/3TLP其中是磁极的齿宽， 模拟艉轴的直径， 4.210 -axgAHB12Nd 为微粒直径， 为间隙将值代入得 3291231 0.1054%. ）（P=45360Pa3)单个磁回路的最大密封能力 max=2n P=21245360axP=10890004)需要的磁回路个数即磁极对数 m: 75.2108936m取磁极对数 m=3224 密封实验装置的磁环设计哈尔滨工程大学本科生毕业论文1根据磁环的材料性能，由单个磁回路的特点确定磁环的尺寸。在磁环的尺寸参数中，磁环的内径可根据密封轴的直径确定，磁环的内径要比密封轴稍大(比如大 10 mm)。为了减小轴向尺寸和磁回路的长度，磁环的厚度最好是在 5-10 mm 的范围内。再根据磁环磁通量、磁环的最大剩余磁感应强度确定等磁环的外径。1）磁环的轴向横截面积 S： 18.0374B=6.7510-4m22）磁环的内、外直径：由 （R 为磁环外径，r 为磁环内径，内径依据模拟艉2214S轴的直径为 20mm,选择 r 为 30mm）得R= =2234)10(1075.6=41.410 m3由此可取大概值 R=48mm，即确定磁极的外径为 48mm，同时由磁极与套筒的配合关系可以得知套筒的直径为 48mm。225 密封实验装置的轴承间距计算1）密封磁极的长度 L1L = 2nh=2121.510-3=3610-3m其中，h 是密封齿的厚度。2）轴承的间距 L2为了保证密封轴在转动时的同轴性，按 2. 5: 1 的比例选择磁极总长度和轴承间距比，故轴承的间距 L2L2= L / 2.5=3610 一 3/ 2.5=14.410-3m 13）密封套筒的长度 LL=6 L + L2 +3L3+L4=636+14.4+320+51哈尔滨工程大学本科生毕业论文1=295.4mm 其中是 L3磁环的厚度，L 4是密封轴与轴承的隔离距离。23 船舶艉轴磁流体密封实验装置的动力源及传动装置的设计231 密封实验装置电动机的选择螺旋桨的设计旋转速度 n=600r/min（这个转速是水面舰船主推常规转速） ，为了便于换样试验的拆装方便，及价格因素的考虑，采用 550W、同步转速 1500r/min 的 Y801-4 的 Y 系列三相异步电动机。确定传动比 i：i= = =2.521n605即经过 V 带传动的传动减速比为 2.5。232 密封实验装置传动机构的设计1）确定计算功率 PcPc=1.1 P=1.1AK5.01=0.6655kW式中 P传递的名义功率，kW;K 工况系数，由于实验装置的载荷变动较小，选择工况系数为A1.1。2）选择带型由 Pc=0.6655kW n=1500r/min 可以查普通 V 带选型图，得出应该选择的带型为 A 系列。3）选取带轮基准直径 d 和 ,验算带速 V12由于 d 小，则带传动外廓尺寸小，d 但过小，弯曲应力 过大，故带1 1 1b轮直径应予以限制，设计时满足 d ，并符合基准直径系列。d =751min则 =id (1- =2.5750.98521）=184.7mmV= d n=3.140.0752.51=5.89m/min由于 ，即 V 带转速在要求的范围内，可以选用。sm/2589.哈尔滨工程大学本科生毕业论文14）确定中心距 a 和 V 带的基准长度 Ld带传动的中心距过大，将引起带的抖动，中心距过小，单位时间内带绕过带轮的次数增多，使带的寿命降低。由 0.7 计算得)(2)21021ad（178.5 5a 取 250 即可满足要求。024 本章小结第三章 密封实验装置的磁场分析与耐压公式的推导31 密封实验装置磁场分析与计算1密封实验装置的磁场特点。磁流体密封装置中，采用聚磁结构，使得密封间隙内磁场强度远高于间隙外磁场，这样，在密封间隙中注人磁流体后，磁流体被吸附在密封间隙中并将其充满，并且处于对称的位置。当密封间隙两侧压力不等时，磁流体在磁场中发生转移，被挤向压力较低的一侧，从而使高压侧的磁流体表面处于较高的磁场位置，而低压侧磁流体表面处于较低的磁场位置，由于两表面间磁场强度差而产生磁压，此磁压与外部压差平衡，从而实现了密封目的。其磁场由于装置自身结构的特点，具有如下特征:(1)磁场的对称性本文的磁流体密封是一个轴对称结构，结构的对称性导致了磁场具有轴对称。(2)介质边界的复杂性磁流体密封中的多级结构以及不同的齿型使得磁流体密封的介质边界比较复杂。(3)稳态非线性强磁场由于磁流体密封以永磁体作为磁源，密封件间装配关系固定，且没有其哈尔滨工程大学本科生毕业论文1它干扰因素，因此磁流体密封的磁场是一个稳态磁场此外密封间隙中的磁场很强，往往接近导磁材料的饱和磁化点，这使得部分磁介质总要上作在介质磁导率变化很大的非线性阶段。2.梯形齿型密封间隙处的磁导率 Pq设密封角为 ，密封间隙为 ，齿厚为 L，齿距为 h，齿槽的磁导为Pc，齿尖的磁导为 Pa，齿尖到密封轴所包含间隙的磁导为 Pb， 是密封轴直径。(1)齿槽的磁导 Pc:设齿边到轴的距离为 y )(tg对应于沿轴向的微小单元 x，如图 5-2 中的(b)，齿边的有效磁通作用面积)2(yS所以对应于 X，齿边的有效微小单元磁导 PcyxyPc)(00其中， 为真空磁导率。0故齿槽的磁导 Pc dxyPcdxchh )2(220/0 求解得: 哈尔滨工程大学本科生毕业论文1 ln2)(ln)(2)(10 htgtghtPc本文的参数如下，b =0.2 mm; =600;L=l.5 mm;h=1.5 mm; =20mm;代入后得到Pc =15. 5(2)求齿尖的磁导率 Pa:磁力线通过的有效长度 LaLa 2)(htg磁力线通过的有效面积 Sa )()(21ltSa因此得到以下公式：将参代入公式得 Pa=1156，(3)齿尖到轴所包含间隙的磁导 Pb: 0)2(LPb将各参数代入，求得:Pb=15.3 =48.1由一个齿槽和一个齿尖及到其到轴的空隙所组成的单元，其磁阻为Rabc，Rabc= Pa1bc将 Pa=1156,Pb=48.1,Pc=15.5 代入得Rabc=0.0158，故密封间隙的磁阻 RR= =(abcN1abcRLh)2/再将各参数代入上式子得R= =0.003160.哈尔滨工程大学本科生毕业论文1Pq= =316.50316.R由此可以看出，梯形齿型的磁导率较高，有很强的导磁效果，且具有较大的磁场梯度，适用于磁流体密封实验装置。32 常用耐压公式推导在真空密封、防尘密封等低压密封时，由于密封压力较低，以模糊的密封耐压公式或经验公式作为设计指导，设计的密封装置也比较容易满足密封的需要。（1）邹继斌在磁性流体密封原理与设计中，提出以磁路计算方法对磁路进行求解，计算出密封间隙的磁通 和磁压降 Fg，既而求出间隙内的磁感应强度 0gFB其中 是极下的间隙，该间隙是沿轴向变化的，从而磁场也是变化的。g正是由于磁场的变化，形成了磁场梯度，才产生磁场力，实现了密封。在单级密封中，齿极极尖处的间隙最小，磁场强度却是最强的，此处的磁场强度为 maxB=maxBgF0磁极两侧的磁场随距离的增加很快减弱。当磁流体量较多时，可以认为在极限状态下，磁性流体密封环高压侧的边界上的次感应强度为 ，而在maxB低压侧（即距离密封轴的间隙较大处）的磁感应强度远小于 ，可以将其忽略，则单级密封的极限密封压差 maxPaxBMs若考虑低压侧磁场的影响，则可以取一个系数，以上公式就修正为： maxmax8.0s对于本文中的多级密封，齿尖处的磁场最强哈尔滨工程大学本科生毕业论文1gFB0max而齿槽处的磁场最弱 sg210min其中 g 为密封间隙，s 为槽宽，忽略末级齿下磁场的差别，则任意一级极限密封压差为 )(minaxmax1BMPsN 级密封级数的极限密封压差则为 )(inaxaxNs这个公式的推倒过程明确，但是该公式中的最大和最小磁压降的计算很复杂，需要通过试探法或者图解法求解，下面简单介绍minaxB、一下试探法的求解过程。试探法是先假定一个密封间隙的磁通 ，计算各部的磁感应强度，并g由铁磁材料的磁化曲线查得相应的磁场强度值，从而得到磁极的磁导率，计算出磁阻。然后根据磁路定律计算各部的磁压降，最后计算出磁场回路的磁压降之和 。如果 与永久磁环的等效磁势 相等或者相差很小，则假0cF0c cF定的初值就是正确的或者比较接近实际值。否则，就要重新给顶初始值，重新进行计算，直到两者的数值比较接近，这时的磁压降 Fg 才是有效值。（2）1995 年，方先清在研究磁流体密封压力时，提出了在不考虑转速的影响下，磁流体的密封压力计算公式: )(10)(47maxinaxmax MPaHMsP其中，Ms:磁流体的饱和磁化强度; :分别是密封间隙中的最大、minax,H最小磁场强度。如果在磁齿部分的尺寸满足下列条件时:bz=(4-20)g h b0 b0g4.2哈尔滨工程大学本科生毕业论文1式中 g:密封间隙; b 0:齿宽; bz:齿槽宽; h:齿槽深则在密封间隙处存在以下关系: 2maxin)/(1gbHo此公式没有揭露磁流体密封力的具体来源，虽然计算简单，但是对磁极的尺寸做了很多限制，只适合于符合给定条件的磁流体密封装置的设计，而无法为磁流体密封设计提供更广泛的指导。33 本文采用的耐压公式推导过程上一节给出的两种常用耐压公式，对于低压密封而言，是可以满足密封装置的设计要求的，但是随着密封压力的升高，磁流体密封变得越来越困难，对单齿的密封效率也有越来越高的要求，单纯靠增加密封级数、减小密封间隙的简单设计已经满足不了大压力密封的需要。为了设计出能在固定小轴向尺寸上实现大密封压力的高性能密封装置，有必要对磁流体的密封耐压公式做进一步的推导。以磁流体的表面张力的分析为出发点，先建立磁流体密封模型，再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可能存在的浓度分布模型，推导出相应的磁流体密封耐压公式。331 关于磁流体表面张力的研究（1）2000 年，顾建明等人从液体与固体界面之间的关系，以及它们之间存在的表面张力入手，从另一个角度探讨了磁流体密封的机理。通过分析和试验，得出了磁流体密封能力与磁流体表面张力间的定性关系。在把磁性力作为附加的范德瓦引力的新思路基础上，提出了磁表面张力新概念，为研究磁流体密封能力作了一些基础性的工作。
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