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密封间隙对磁流体密封能力的影响

密封间隙对磁流体密封能力的影响 2011： 摘 要：本文对磁流体密封的一般规律进行了概述，重点进行了密封间隙在不同转速、零件加工质量情况下，磁流体密封装置的密封能力的研究。得出了密封间隙过小，不但不能提高密封能力，反而会有所下降的结论。关键词：间隙；磁流体；密封能力磁流体（或叫磁性流体，英文名：Magneticfluid 或 Ferrofluid）是由0.1~100nm（纳米）导磁微粒、分散剂和载体融合而成的胶体，具有许多特殊的功能，是目前国内外尖端的纳米技术之一。由于磁流体有二大特点：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。磁流体密封的基本原理是：当磁流体注入磁场间隙，可以充满整个间隙，成了一系?quot;液体O型密封圈"，从而达到密封效果。磁流体密封装置由无磁性座、磁极、永磁铁、导磁轴和磁流体组成（见图1）。磁流体动态密封主要有以下特点：①密封性能好，几乎无泄漏（<10-11Pa·m3/s），真空密封时的真空度可达10-5Pa。②可靠性好，因为钕铁硼材料的磁损小于5%/100年，又几乎没有机械磨损。③机械传输效率很高，可达99%，几乎无功率损失。目前磁流体密封装置已在许多设备上使用，例如在单晶硅炉、真空热处理炉、离子溅射、物理化学气相沉积、离子镀膜、液晶在生、电子指示器等设备的密封，以及计算机硬盘、机器人及军工产品等环境要求较高的设备的环境密封，获得了很好的经济效益。

由于密封机理和磁流体本身的复杂性，影响密封能力的因素较多，主要有磁流体的性能（如磁饱和强度、粘度等物理化学磁学性能）、磁极极齿的结构参数、磁场大小及分布、工作条件（如温度、载荷等）、密封间隙等。对于间隙的影响，有薣1，2，3]曾经做过研究，一般认为间隙越小，密封能力越强，但没有考虑转速、零件加工误差和装配误差等因素。1．磁流体密封能力的理论计算磁流体在磁场中的行为遵循扩展的贝努利方程：

其中u为流速；ρK为外力；p*为压力；ηs 为磁流体的粘度；H为磁场强度。

根据图2可知，气体把磁流体从11'推到22'，同时从22'到44'位置所做的功，等于磁流体从磁场强度为B1处移到B2处的能量，由此可推得在静态时每级磁流体密封圈能受的压力为：

式中μ0为真空中的导磁率；B2，B1为磁流体二侧的磁感应强度；M为磁流体的磁化强度；Mt2，Mt1为磁流体二侧的磁化强度的切向分量。考虑到间隙处的磁场强度相当高，比磁流体的饱和磁化强度Ms高得多，所以2）式可以简化为：

很明显从（3）式可以看出，磁流体密封能力只与饱和磁化强度和磁感应强度有关，而与工作间隙无关。这与实验结果及实际情况不符合。

下面从另一方面来考虑磁流体的密封能力：假设有一级磁流体密封，承受 p的压差后磁流体的形状产生弯曲（见图3），再假设磁力线是平行于磁流体曲面的；如果压差增加，将对磁流体做功，在数量上应该等于磁力线被拉长所需做的功。拉长磁力线所做的功dW为

M，B意义上同上，另外符号的意思奸徒3。压力所做的功为：

由此可以得到磁流体密封所能承受的压差，为

从此式可知，磁流体密封能力不但与磁极极齿参数有关，而且关系密切，式3）和式6）之所以有差别，主要是（3）式没有考虑磁流体的变形。 但是这里还没有考虑到磁流体内部剪切应力在弯曲变形方向做的功，如考虑进去这部分能量，则须在4）式加上一项

则（6）式变成

由（8）式可知，耐压能力还与磁流体粘度有关。2．间隙对磁流体密封能力影响的实验及其结果实验用的磁流体密封装置见图4，耐压值可从真空表读得。实验条件为：磁极尺寸（见图5）；磁流体密封间隙0.02~0.5mm；转速0 r/min、980 r/min、1450 r/min、2900 r/min；粗糙度Ra0.4~6.3μm。实验结果见图6~7。

从图6可知：① 由式（3）理论式所计算的耐压能力为0.17MPa，与间隙无关，由式（8）所计算的图示于图6中的理论计算耐压值在间隙为0.02mm时可达0.41 MPa，当间隙大于0.25mm以上时，对耐压能力影响极小，且与式（3）结果基本符合。② 间隙对密封能力很敏感，特别是当间隙小于0.15~0.1mm，密封能力急剧增强。③ 在间隙小于0.15mm时，转速对密封能力几乎没有影响，当间隙大于0.25mm时，随着转速的增大反而有利于密封能力。而在转速小于1450r/min时对密封能力的影响不大。

从图7可知：① 粗糙度对密封能力具有一定的影响，特别是在密封间隙小于0.05mm以下时，当粗糙度大于Ra12. 5μm时，将会使密封能力下降。② 密封间隙小于0.15mm，粗糙度小于Ra12.5μm时，密封能力将随着间隙的减小而增加，当间隙大于0.15mm时，粗糙度对密封能力的影响较小。3 结论① 理论上推出了间隙对密封能力的影响的表达式，与实验比较，较目前使用的计算式更符合实际，且是偏于安全。② 粗糙度大于Ra12.5μm时，间隙过小反而会使密封能力降低。③ 转速对密封能力的影响不是太大，只是在间隙较大转速较小时才有些下降。参考文献 ：[1] 许孙曲，第七届磁流体国际会议学术论文综述[J].磁性材料及器件，1996（2）：25~30[2] 芮菁等，磁流体密封的实验研究[J].真空与低温，1997，3（2）：84~87[3] 顾建明，等。磁流体密封间隙对密封性能的影响[J]. 上海交通大学学报，1999，33（3）[4] NAKATANI I. Production and Characterization of Ferrofluid [J]. Journal of Magnetism and magnetic Material，1993，22：1~5[5] 伊藤博辛，磁性流体の应用动向エ展望[J].工业材料（日文），1981，30（7）：22~26 (end)

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