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哈尔滨工程大学本科生毕业论文1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哈尔滨工程大学本科生毕业论文21.2.1 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: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。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: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3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0.030 0.025(4)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。2.3.2 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#钢的磁化饱和曲线表，表 2.2 45#钢的磁化饱和曲线表B（Gs) H (A/cm) 相对磁导率哈尔滨工程大学本科生毕业论文125250 5 83610100 10 80012550 25 40514550 50 23316200 70 20017500 100 14018400 150 97磁环的磁感应强度可知，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 SS= 42而通过轴上的设计磁通为 6.12SB=5.0210-4Wb(4)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=7.8310-4Wb(5)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。2.3.3 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 Sq哈尔滨工程大学本科生毕业论文13Sq=1.5 310每齿密封需要的磁通 ）331025.()2.(5.2.142.1 SqBSqB= Wb610.4542.n19(2)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。(2.1)2max1/3TLP其中 L 是磁极的齿宽， 模拟艉轴的直径， 4.210 -2maxgAHBT12Nd 为微粒直径， 为间隙将值代入式(2.1)得 3291231 0.1054%. ）（P=45360Pa(3)单个磁回路的最大密封能力 max=2n P=21245360ax=1089000(4)需要的磁回路个数即磁极对数 m: 75.2108936m哈尔滨工程大学本科生毕业论文14由于磁极对数不可能取小数，因此取磁极对数 m=3。2.3.4 密封实验装置的磁环设计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= =2S234)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。2.3.5 密封实验装置的轴承间距计算1）密封磁极的长度 L1L = 2nh=2121.5 310=36 m3其中，h 是密封齿的厚度。2）轴承的间距 L2哈尔滨工程大学本科生毕业论文15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=14.410-3m13）密封套筒的长度 LL=6 L + L2 +3L3+L4=636+14.4+320+51=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。2.4 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2.4.1 密封实验装置电动机的选择螺旋桨的设计旋转速度 n=750r/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= = =221n750即经过 V 带传动的传动减速比为 2，即通过一级 V 带传动将电动机的转动速度降到密封装置中模拟艉轴的预定转速。2.3.2 密封实验装置传动机构的设计在传动机构中，主要考虑了齿轮传动和带传动两种传动方式，两种传动方式各有其特点，需要综合考虑本文密封装置的需要。齿轮传动的主要特点有：效率高；在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。节构紧凑，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般比较小。工作可靠、寿命长；设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可达一、二十年，这是其他机构所不能比拟的。传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵带传动的特点：哈尔滨工程大学本科生毕业论文16结构简单，传动平稳，造价低廉及能够缓冲吸振，这种方案较易实现。其缺点是由于存在弹性滑动和打滑现象，不能保持稳定的平均传动比并不很精确，对于研究船舶艉轴转速与船舶艉轴磁流体密封耐压能力的定量关系有影响，但是，最终的实验结果对于实现定性分析没有明显影响，证明这种传动方式还是较为成功的。此外，由于 V 带传动能传递较大的功率，所以在传递相同功率的情况下，V 带传动的结构比较紧凑。因此，本文实验装置选用 V 带传动，并依据V 带传动的设计步骤进行以下设计：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- =2750.98521）=147.75mm 48V= 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/2589.4）确定中心距 a 和 V 带的基准长度 Ld哈尔滨工程大学本科生毕业论文17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)21021dad（156.1 46a 取 250 即可满足要求。0V 带的基准长度 Ld maLd 2.5784)()(202110 25 本章小结本章确定了磁流体密封实验装置的总体方案，并且设计出了磁流体密封实验装置的具体结构，如壳体、磁环、磁极、电机和传动机构等。接着进行了各部件的材料选择及参数设计，主要是单级磁通、单级密封能力、密封装置所需磁极对数、电机及传动机构的设计。第 3 章 密封实验装置的磁场分析与耐压公式推导3.1 密封实验装置磁场分析与计算3.1.1 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:哈尔滨工程大学本科生毕业论文18(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。3.1.2.梯形齿型密封间隙处的磁导率 Pq,梯形齿型的磁阻分析如下图：图 3.1 梯形齿型的磁阻分析设密封角为 ，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(3.1)(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哈尔滨工程大学本科生毕业论文19(3.2)2(yxS所以对应于 X，齿边的有效微小单元磁导 Pc(3.3)yyPc)(00其中， 为真空磁导率。0故齿槽的磁导 Pc(3.4)dxyPcdxchh )2(220/0 求解得: (3.5)ln2)(ln)(2)(10 htgtghtc本文的参数如下，b =0.2 mm； =600；L=l.5 mm；h=1.5 mm； =20mm；代入式（3.5）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 (3.6)2)(htg磁力线通过的有效面积 Sa(3.7)()(1lhtSa因此得到以下公式：(3.8)htgLhtgLPa )()22)()(21 200 将参数代入公式（3.8）得 Pa=1156，(3)齿尖到轴所包含间隙的磁导 Pb:哈尔滨工程大学本科生毕业论文200)2(LbP(3.9）将各参数代入式(3.9)，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= (3.10) 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= =( (3.11)abcN1abcLh)2/再将各参数代入式（3.11）得R= =0.003160.磁导率 Pq Pq= =316.5316.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。3.2 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(3.12) 0gFB哈尔滨工程大学本科生毕业论文21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= (3.13) 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 maxP(3.14)axBMs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：(3.15)maxmax8.0s对于本文中的多级密封，齿尖处的磁场最强(3.16)gFB0max而齿槽处的磁场最弱(3.17)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(3.18)(minaxmax1BMPsN 级密封级数的极限密封压差则为(3.19) )(inaxaxNs哈尔滨工程大学本科生毕业论文22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:(3.20)(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in,大、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:(3.21)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。3.3 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，哈尔滨工程大学本科生毕业论文23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。3.3.1 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。他们的结论认为密封的压差与表面张力和管径有关。随着管径的减小，磁流体表面张力的增大，密封能力逐渐增强。并且，他们把表面张力的增大认为是磁场使液固界面的分子吸引力加大而造成的。(2)但是也另外一种观点。这种观点认为，表面张力的增大，可能是因为磁性微粒在均匀磁场下的规则排布，形成比较致密的立体网状结构，使得表面张力的作用线急剧加长，整体表面张力明显增加。磁性微粒在磁场作用下、沿磁力线方向顺序排布形成的链状结构叫磁性链；在同一受压平面上由所有平行排列的磁性链组成的平面结构叫磁流体密封网。磁性微粒在磁场的作用下，沿磁力线紧密排布，形成坚固的磁性链，链之间在受压前后都相互平行;磁性链之间，通过包裹在磁性微粒上的分散剂与基液、分散剂与分散剂之间的结合力而紧密依靠在一起;随着磁性链数目的增多，磁流体密封网上的磁性链也越来越紧密，逐渐形成一个对密封有很大贡献的密封网。形成密封网的数目和磁流体中磁性微粒的体积浓度有关，哈尔滨工程大学本科生毕业论文24体积浓度越大，形成密封网的数目就会越多。但单靠密封网还是不能提供密封力，只有当密封网上的网孔被堵上了，密封力才得以形成，而位于网孔上的油膜就是起了这样的作用。在磁流体沿轴向的两个密封端面上，存在着油膜的表面张力，因为网孔的面积很小，油膜的表面张力可以承受巨大密封压力。密封网和网孔上的油膜，这两者的共同作用，才使得密封力最终得以形成。(1)在无磁场作用，已知温度在 27 度时，水的表面张力系数;在实验中，水在细管中的上升高度是 5.2mm，而磁流体mN/107230在细管中上升的高度是 8mm.由此得到:磁流体的表面张力 301072.582. =121.4 mN/(2)在有固定磁场作用的条件下，去掉溶液池，直接往细管中滴加磁液进行测量。测得结果如下，在磁场作用下磁流体的表面张力可以维持磁流体的高度Ha =310-3.5=306.5 mm单个表面张力所能维持的最大高度 Hb 为 3. 5mm则 6.87baH可以得出在磁场作用下磁流体的表面张力系数 a=87.60=10512 N/ma310但从实验过程发现，这个值并不是一个固定值，它可能随着磁场强度、磁极厚度、细管内径(即密封间隙)的变化而改变。 6.84.1205a实验结果表明，磁流体表面在有磁场和无磁场作用时，所受的表面张力哈尔滨工程大学本科生毕业论文25有明显的不同。在有磁场的作用下，磁流体的表面张力系数比无磁场作用时强很多，在以上数据中，有磁场作用的磁流体表面张力系数是无磁场作用时的 86.6 倍。因此，磁流体在磁场作用下的较大表面作用力，能承受较大的密封压力。3.3.2 磁力线上两相邻磁性微粒的引力分析磁力线上两相邻磁性微粒的引力是磁流体密封力的最小单元，是分析磁流体密封能力的关键，它与磁场、磁性微粒的属性有关，更与磁性微粒在磁场中的分布状态有关。 假设:在均匀磁场的作用下，磁性微粒会首先选择与别的磁性微粒组合成磁性链，可以认为在一条磁性链没有排满之前，不会产生第二条磁性链。根据这样的假设，可以认为，在同一条磁力线上的磁性微粒在变形前都是紧密相连的，而随着磁性链的增多，磁性链间的距离也会逐渐减小，这完全决定于磁流体中磁性微粒所占的体积浓度。当磁性链增多到一定程度，便可把磁性链在垂直于磁力线的平面上零乱的分布认为是间距都相同的均匀分布。结合前面的假设，根据磁流体的不同浓度，可将在受压变形前，磁性微粒在均匀磁场中的分布分为两种模型:饱和模型与不饱和模型，分别如图(3-1)图 3-2 磁性微粒分布模型及最小密封单元在本文设计的磁流体密封装置中，由于磁环的磁场的较大，磁流体在强磁场的作用下，磁流体微粒是饱和模型状态。 磁流体在受压变形后，磁性微粒可能存在以下三种浓度分布模型:最大浓度分布模型、半饱和浓度分布模型和最小浓度分布模型。最大浓度分布模型:变形前处在饱和模型下，在变形过程中，有新的哈尔滨工程大学本科生毕业论文26磁性微粒补充，变形前后，磁性链上微粒的间距仍等于粒径且在磁性链上均匀排布，而变形前后，磁性链之间的距离都等于粒径。半饱和浓度分布模型:变形前处在饱和模型下，变形过程中，没有新的磁性微粒来补充，变形后，磁性链上微粒的间距大于粒径且在磁性链上匀排布，而变形前后，磁性链之间的距离都等于粒径。最小浓度分布模型:变形前处在不饱和模型下，变形过程中没有新的磁性微粒来补充，变形后，磁性链上微粒的间距大于粒径且在磁性链上均匀排布，而变形前后，磁性链之间的距离都大于粒径。以上各模型，在变形前，磁性链上微粒的间距等于粒径;变形前后，磁性链之间的距离在各个方向上都相等。 在图 3-1 中，(c), (d), (e)分别是最大浓度分布模型、半饱和浓度分布模型、最小浓度分布模型三种分布模型对应的最小密封单元，阴影部分是磁流体受压变形后最小密封单元的受压面积，微粒截面圆周在阴影内的部分为磁流体表面张力作用线。在磁场中，两磁性微粒间的引力为 T:(3.22)2ggAHBT其中， 是两磁性微粒间的气隙面积； 是磁性微粒内的磁感应强度；gAgB是气隙内的磁场强度。gH磁流体的一般饱和磁化强度为 0.01-0.03 T，小间隙时，在 0.3T 以上的磁场下就可以使磁流体接近磁化饱和，在实验中，磁场强度都在 0. 3T 以上，所以都把磁流体当作磁化饱和状态。由 (3.23)Mg即磁流体的磁化强度 :正比于它所含的固相磁性微粒的体积浓度和固体微粒本身的磁化强度 ，所以固体微粒本身的磁化强度(3.24)g哈尔滨工程大学本科生毕业论文27将参数代入式(3.24) (3.25)6720M由 (3.26)Bmg0将参数代入以上式子得，即 0.3667 T，其中 是外加磁场的磁GsBg367300mB感应强度；而磁场强度 gHH (3.27)0g磁性微粒的相互作用面积 gA(3.28)42D其中 D 是磁性微粒的内核直径，D=10 m910由此得磁性链可以承受的最大拉力 axT=3.432maxggAHBTN12此时磁性微粒已经达到磁化饱和，再加大磁场强度，拉力都不能再有太大的增大。这是推导密封力来源的基础，是对密封能力进行分析的主要依据。由上述分析得，对同一种磁流体，在可使磁流体磁化饱和的磁场下，沿磁力线方向上相邻两磁性微粒间的引力应有个相应的最大值，而且这个最大值不随外界条件的改变而改变，这可以用来指导密封装置的设计。3.3.3 半饱和浓度分布模型下的密封耐压公式理论分析前作如下假设:1.磁场均匀且无磁漏; 2.磁性链上微粒的间距相等 3.磁性链与磁力线平行;4. Fe 3O4 微粒的平均粒径为 10 nm, 分散剂: 包裹后平均粒径为 50nm;5.当磁性链受压变形成半圆时，密封压力到达最大值。哈尔滨工程大学本科生毕业论文28根据假设，当磁性链受压变形成半圆，即密封间隙等于半圆的直径时，密封压力到达最大值。现就半饱和浓度分布模型对磁链( 圆弧) 上任意节点 A 进行受力分析( 如图 3-2 )其中，T 1、T 2 分别是相邻节点 C、B 对节点 A 的拉力， Fp 是 A 点受到压力的作用力，C 1 C2 , C3 分别是 T1, T2, Fp 与水平轴 x 的夹角， 是 ，B对应的圆周角，有:A图 3.3 磁性微粒的受力分析/12列出平衡方程: x 轴: )cos()cos()cos( 1122CTTCFP Y 轴: 21因 很小，所以 ，由以上两式解得sinT=T1=T2=Fp/(2sin( ) Fp/(2 ) (3.29)此结果说明，在磁性链变形成曲率相等的圆弧时，磁力线上相邻两微粒间的拉力 T 大小处处相等，从而验证了当磁性链受压变形成半圆时密封装置达到最大密封压力的假设。上述分析说明，A 点可承受压力的最大作用力 Fp 与变形后相邻两磁性微粒所占圆弧对应的圆心角 2a 成正比。根据密封间隙中磁流体浓度的不同，在有些场合，在密封间隙中磁流体哈尔滨工程大学本科生毕业论文29的浓度要比使用前要高，所以还要根据使用状况采用相应的耐压公式计算。本文中实验采用的多种型号磁流体的磁性微粒浓度都很大，均达到了半饱和浓度，因此适用于半饱和模型进行分析。 半饱和浓度分布模型的主要特点是:在变形过程中没有新的磁性微粒补充，变形后，磁性链上微粒的间距大于粒径且在磁性链上均匀分布，而变形前后，磁性链之间的距离都等于粒径。磁性链上微粒的间距 h:(3.30)2dNh最小密封单元上压力的作用面积 S:(3.31)S最小密封单元上压力的作用力 Fp:(3.32)pF网层数 Lm:(3.33)dLlxm/令 ，当 时，会达到最大密封压力，故)2/(maxSPTpaTp单层网的密封压力 ：(3.34)SP/2max总的最大密封压力 maxbhTdLSTdLP )/(2)()(maxaxmax 化简得 (3.35) 2axmaxP在此模型中，微粒的间距较大，最小密封单元受到的压力大，但微粒间引力合力的角度小，形成的合力也较大，密封压力与磁性链上微粒的间距无关。哈尔滨工程大学本科生毕业论文30以上得出了半饱和浓度磁流体在饱和磁化强度下的最大密封耐压公式，密封耐压能力与密封齿厚、磁性微粒间的最大引力成正比，与磁性微粒粒径的平方、密封间隙成反比。3.3.4 最小密封单元内油膜的最大密封能力磁流体最小密封单元内油膜的密封能力跟磁流体中磁性微粒的分布模型有关，不同磁性微粒的分布模型有着不同的油膜密封面积和不同的表面张力作用线。本文只讨论与实验选用的磁流体即半饱和浓度的磁流体的油膜所能承受的最大压力。(3.36) dSdPoil 2)(将数值代入上式得=4.8931052dPoilaP610在本装置中，所需要承受的密封压力为 2MPa，小于 4.8MPa，因此在密封装置的参数设计中，可以不考虑密封压力超过最小密封单元内油膜的最大密封能力。3.4 本章小结本章主要对本文中密封装置的磁场进行了分析，并对设计所采用的新的磁流体密封耐压公式进行了推导。新的磁流体密封耐压公式是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一磁性微粒间的引力，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。同时，在推导之前，对两种常见的磁流体密封耐压公式作了简要介绍，但是这两种公式，都没有揭露磁流体密封力的具体来源。而且第一种推导过程虽然简单，但是计算比较复杂。第二种推导公式对磁极的尺寸做了很多限制，无法为磁流体密封设计提供更广泛的指导。哈尔滨工程大学本科生毕业论文31第四章 影响船舶艉轴磁流体密封能力的因素分析4.1 磁环性能及尺寸对磁流体密封能力的影响4.1.1 磁环性能对磁流体密封能力的影响本文实验装置中磁环采用哈尔滨工程大学本科生毕业论文32的永久磁铁，是铁磁材料。铁磁材料根据磁滞回线的不同，可分为软磁材料和硬磁材料。永久磁铁即属于硬磁材料，相对与软磁材料，其磁滞回线宽，剩磁 Br，矫顽力 Hc 均很大。对于永久磁铁而言，Br、Hc 越大，表明其性能越好，因此， 在选用磁环的材料时，应选择剩磁 Br、矫顽力 Hc 都比较大的永久磁铁。永久磁铁工作区间是第饿、二象限，在任意一点上，都可以有一个对应的值 BH，单位体积所存储的能量为 BH/2，这就是永久磁铁的磁能积。永久磁铁的工作区间，即其退磁曲线如 4.1 退磁曲线 4.1 所示。对于一般退磁曲线， （BH/2）max 多生在 B=Br/2 处，此时就能最大的发挥永久磁铁的性能。4.1.2 磁环尺寸对磁流体密封能力的影响由公式 Vm=26 可以看出，当 一定时，HmBm 达到)/(2HmBFggF最大，永久磁铁的体积最小，这时，工作点处在最大磁能积处。当截面积一定时，长度的增加，可以增强磁流体密封装置的密封能力，但是当长度增加到一定数值后，密封耐压能力的变化很小，并趋于极限值，其原因在于磁路的总磁通变化较小并趋于恒值。 因此，经过准确计算，合理经济的设计对密封实验装置的设计是很有必要的。42 密封间隙对磁流体的密封能力的影响密封间隙内的磁场强度与间隙大小有关，因而密封能力也与间隙的大小有关，密封压差随间隙的变化如图 4.2 所示。可以看出，密封压差总体上随密封间隙的变小哈尔滨工程大学本科生毕业论文33而增大，减小密封间隙可以使磁场增大，从而可以提高密封耐压能力，密封耐压能力对 4.2 密封压差随密封间隙的变化密封间隙很敏感，特别是当间隙小于 0.1 时，耐压能力急剧增强。为了提高密封压差，或减小永久磁铁的体积，密封间隙应尽可能取得小些，一般在0.05-0.15mm 的范围内。但同时应该考虑机械加工精度的限制，间隙过小时，则加工费用较高，且易导致机械磨损。轴径较小时，间隙可以取得小些；轴径较大时，间隙可以取得大些。43 磁极齿型的选择对磁流体密封能力的影响齿型的选择原则，是在不使磁回路的磁阻增加太多的情况下，使密封间隙内的磁流体形成坚实的磁液环，达到较好的密封效果。密封装置的磁极的齿型结构，主要有以下三种如图 4.3： (a)为矩形齿型，(b) 为单侧斜角齿型，(c) 为双侧斜角齿型，在多极密封中，一般都只应用矩形和双侧斜角齿型，因此本文只讨论分析这两种齿型的优劣。实际上，矩形齿型比双侧斜角齿型具有更大的磁场梯度，理论上应该具有更强的密封能力，但是双侧斜角齿型的两侧倒角能起到聚集齿端磁通的作用，所以其性能优于结构矩形齿型。哈尔滨工程大学本科生毕业论文344.3 三种不同的磁极齿型结构在密封装置中，磁极的主要作用是形成磁回路，使磁力线穿过磁流体进而形成密封，因此需要较高的磁导率，即磁极的磁阻尽可能的小，做以下实验进行比较。实验条件：室温 27 C，磁极材料 为 45#钢，采用一个磁极（7 级精度）o，两端吸附 NS 相对的磁环，密封间隙为 g=0.2mm。实验结果：表 4.1 矩形齿型的实验数据表n(r/min) 0 1500)MPa（0.122 0.137表 4.2 双侧斜角齿型实验数据表n(r/min) 0 1500)a（0.130 0.144实验数据分析： %120137.20哈尔滨工程大学本科生毕业论文35这表明矩形齿型的动密封能力比静密封能力强。 %10130.4可以看出，双侧斜角齿型与矩形齿型一样，其动密封能力也比静密封能力强一些。 6.102.537014以上两式说明，在密封条件及转速相同的情况下，无论是在动密封还是静密封情况下，双侧斜角齿型的密封能力比矩形齿型要好。 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。但液体在工作时要受到重力的作用，而双侧斜角齿型的磁场梯度大，两侧倒角能起到聚集齿端磁通的作用，磁流体界面稳定性好，密封能力较强，本实验的实验结果也证明了双侧斜角齿型的密封能力比矩形齿型要好。因此本文的实验装置选用双侧斜角齿型，下面对双侧斜角齿型的磁极结构的相关参数进行分析。双侧斜角齿型结构的密封能力主要受磁极极尖宽度 b，斜角 A 的影响。双侧斜角齿型的形状如图 4.4 所示：极尖宽度 b 的大小，主要影响磁极间隙内磁场的大小和分布。b 太小，则极尖饱和，磁阻增大，这时磁场的边缘效应较强，导致极尖下的磁场减弱。反过来，b 过大，则在极尖下存在磁场均匀的区域，由于磁流体在均匀磁场中发生位移时不受磁场力的作用，因而存在无用磁通，磁 4.4 双侧斜角齿型结构哈尔滨工程大学本科生毕业论文36场的利用率降低。所以极尖宽度 b 需要取适当的尺寸，根据磁场计算的结果，极尖宽度取 b=(48)g 较为合理。双侧斜角齿型的斜角 A 主要对磁场的磁聚效应的影响比较大。当斜角小时，磁路的等效面积增大，磁场的聚集效应小，磁场的大小和梯度均减小。斜角过大，则磁路的磁阻增大，极尖达到饱和，也会使磁场下降。图 4.5 是经过实验绘出的曲线：由曲线可以看出，在其他条件相同的情况下，密封压差与磁极斜角并不成正比，而是与上面的分析一致，既不能过大，也不能过小。曲线表明，密封能力在4060左右比较强，在这个区间内，磁场的大小和梯度较强，而且磁场的聚集效应比较大，因而在设计过程中，应尽量将磁极斜角定在 4060左右。 4.5 密封压差与磁极斜角的关系 因此，在多级密封中，磁极可以选用双侧斜角齿型结构，磁极宽度 b 及磁极斜角A 均在指定的区间内选择。4.4 密封级数对磁流体密封能力的影响本文中设计的密封装置采用多极多级密封，在多级密封中，磁流体分布在各个齿下，形成多个密封环，每个密封环都承受一定的压差。可以肯定的是，多级密封压差大于单级密封的压差，多级密封所承受的密封压差为各级所承受的密封压差之和。但是多级密封总的极限密封压差并不等于每一级的极限密封压差之和。经实验，绘制出以下曲线图哈尔滨工程大学本科生毕业论文37图 4.6 多级密封压差的计算与实验结果由图 4.6 可知，实际密封压差P 小于计算密封压差，主要是由于在临界情况下，各齿下的磁流体量不同，不是每级密封都能达到极限压差。而且在多级密封中，各级的密封压差并不相等，下面实验可以说明多级密封的压差分配情况。实验装置示意图如图 4.7 所示：将 5 个不同的斜角磁极组合成一个大磁极，构成多级密封。将各斜角磁极自高压侧向低压侧依次编号为1，2，3，4，5。首先，在不同的极尖下，填加磁流体，测得在多级密封结构下 4.7 多级密封与单级密封压差实验简图哈尔滨工程大学本科生毕业论文38各单级的密封压差。表 4.3 单级密封压差磁极序号 1 2 3 4 5密封压差（kPa）0.51 0.55 0.55 0.55 1.04然后，再按不同的组合，在多个极尖下添加磁流体，测得多级密封压差，数据如下：表 4.4 多级组合密封压差磁极序号 1+2+3+4+5 2+3+4+5 3+4+5 4+5密封压差（kPa）3.0 2.69 2.14 1.59将表各级密封压差相加，得多级密封压差，如下表：表 4.5 表（4.3）中单级密封压差理论组合密封压差磁极序号 1+2+3+4+5 2+3+4+5 3+4+5 4+5密封压差（kPa）3.20 2.69 2.14 1.59从表 4.4 和表 4.5 的对比可以看出，在多级密封中，实际密封能力小于单级密封能力之和，原因分析如下：在多级密封中，随着外加压差的增加，被密封介质必须经过前级才能对后级加压，介质须依次穿过前级磁流体（除最后一个齿外）才能对后级加压。在介质穿过前级磁流体对后级加压的过程中，前级齿下的磁流体将被带到下一级，使得磁流体量减少。密封级数越多，前级齿下流过的介质量越大，越是靠近高压侧的齿下流过的介质量越大，被带走的磁流体越多。由于各齿下的磁流体量减少，多级密封的密封压差也减小，而且这种情况随着级数的增加而增加。因此，在密封装置的设计中，可以考虑，在外加压差的过程中，设法保持各齿下磁流体的流量不变，比如定时补充磁流体等等。4.5 磁流体性能对磁流体密封能力的影响哈尔滨工程大学本科生毕业论文39由于本文是船舶艉轴的磁流体密封实验，因此考虑到密封对象是海水，所以进行了不同磁流体的梳海水性能的测试。首先将各型号的磁流体分别滴入海水中搅动，观察其状态的变化，然后将磁铁放入海水中，观察海水中的磁流体是否可以被吸收；然后，再用磁铁分别吸附不同类的磁流体，分别放入海水中搅动，观察其磁流体是否扩散流失。实验结果如下表：表 4.6 不同基液磁流体的密封性能实验表磁流体类型实验方法海水基 脂基 烷烃基（油基）将磁流体滴入海水中与海水溶解、混合分散于海水中 不扩散、不溶解、不混合用磁铁回收海水中磁流体不能回收 不能回收，但能回收部分磁性微粒能回收磁流体被磁铁吸附后放入海水中搅拌分散于海水中 分散于海水中 不分散对表进行分析，将烷烃基磁流体滴入海水中不扩散，不溶解，不混合，用磁铁能够回收海水中烷烃基磁流体，烷烃基磁流体在密封过程中能保持磁流体本身的存在，因而能实现密封。烷烃基磁流体被磁铁吸附后放入海水中搅拌，并不分散，说明烷烃基磁流体在海水中不流失，能实现磁流体密封的长寿命。从理论上说，磁流体的分散剂，是磁性微粒与基液两相之间的第三相，它能吸附于固体微粒表面，将微粒表面包裹起来，悬
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