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

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。

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