磁力密封裝置的研究與應用

金 浩，曲家惠，岳明凱

（沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159）

0 引言

在機械傳動產品中需要使用密封組件，用來消除產品輸出軸處腔體內外因為流體介質的壓力差所引起的泄漏，如圖1所示。常用的此類密封組件分為：橡膠皮碗組件、端面密封裝置（使用波形彈簧的密封裝置）和磁力密封裝置等。

橡膠皮碗組件的長期運行綜合費用高，且使用壽命短，易磨損軸頸。端面密封裝置壽命較短，波形彈簧加工難度大，彈力衰減快且不可修復，使用成本高。而磁力密封裝置則結構簡單，占用空間小，而且密封效果好，因此部分較為先進的傳動產品，選擇使用了磁力密封裝置，尤其是航空傳動產品。

圖1 輸出軸密封結構

1 結構、特性及工作原理

1.1 結構介紹

磁力密封裝置主要由三部分組成，具體結構如圖2所示。第一部分為磁性靜環，它表面光滑，熱穩定性好，耐磨能力強，有較強的磁力；第二部分為動密封環，主要材料為耐磨及潤滑性良好的石墨，它環嵌在具有磁性的金屬座里；第三部分為O型圈，其作用是對徑向配合面進行密封，防止泄露。

圖2 磁力密封裝置

1.2 特性

磁力密封裝置有較好的密封效果，較長的使用壽命，消耗很低的摩擦功率，而且基本不會損壞旋轉軸外表面。此外，對旋轉軸在工作工程中產生的振動、偏擺、偏斜等不敏感，密封效果不會受到明顯的影響。

磁性靜環是一個具有一定磁力磁性的合金件，常由高剩磁鋁鎳鈷合金制成，對碳動環配合的工作表面有非常高的平面度及粗糙度的要求。動密封環是將耐磨、潤滑性能非常好的石墨環，嵌在一個磁性的不銹鋼合金座里，對石墨環的工作表面也有非常高的平面度及粗糙度要求。動密封環與旋轉輸出軸之間依靠膠圈傳動，使動密封環保持浮動狀態，獲得良好的隨動性，以便能夠與磁性靜環保持良好的貼合。

1.3 工作原理

通過磁性靜環與動密封環間的磁性吸力保證密封端面的貼合，二者產生摩擦運動，依靠密封端面很高的平面度及粗糙度要求，用來保證密封端面的接觸面積，從而實現轉、靜子間的密封。

動密封環和旋轉軸之間的O型橡膠圈能夠通過自身的彈性、扭轉和角向浮動自動補償密封端面的磨損，并適應旋轉軸的攢動。工作時密封端面間維持一個極薄的油膜可以避免端面間的干摩擦，能夠有效的降低密封端面的磨損程度、延長使用壽命。

2 應用與研究

2.1 應用

磁力密封裝置在設計理念上繼承了機械密封的設計原理并簡化了結構、完善了功能，具有較高的可靠性、較長的壽命。在先進的發動機傳動機匣、減速器及其它旋轉設備上都有較為廣泛的應用。

如果要獲得良好的密封性能，應該注意以下事項。

磁力密封裝置應適用于直徑在80mm以下的旋轉軸；旋轉速度不宜過高，密封端面的速度不能超過30m/s；工作溫度一般在-30℃～200℃范圍內；旋轉軸處腔體內外介質的壓力差一般不宜大于0.7Mpa；另外，旋轉輸出軸不能有強烈的振動、猛烈的沖擊和大幅的偏擺。

目前，市場上部分機電產品使用了磁力密封裝置，在實際的應用過程中暴露出了存在的問題，具體介紹如下。

2.1.1 密封端面磨損

在實際使用過程中，磁性靜環的密封表面常常會沿圓周方向受振動而發生輕微的磨損、清潔度等因素的影響，導致泄漏。

2.1.2 磁性靜環磁力衰退

在使用過程中，發現有很多可能導致磁性靜環磁力衰減的因素，具體分析如下：

1）磁環與碳動環頻繁拆卸的分離，可能會導致磁性能衰減；

2）在外界磁場的影響下，可能導致磁性靜環磁力衰退或消失，例如其它的強磁性材料產生的磁場，也包括其它的磁性靜環；

3）當磁性靜環與易被充磁的鐵、鋼制零件距離適合時，可能產生相互感應而誘發磁場，進而導致磁性靜環磁力衰減。

2.1.3 石墨表面劃傷

雖然動密封環上的石墨具有較好的耐磨性，同時也具有較強的脆性，工作過程中石墨環邊角處可能出現石墨顆粒剝落的現象。當剝落的顆粒進入磁性靜環與動密封環之間密封端面之后，經過長時間工作后會很容易劃傷動密封環石墨密封端表面，造成泄漏，降低壽命。

2.2 研究

為了獲得更好的使用性能，因此對磁力密封裝置進行了研究，并采取了一些改進的措施。很多應用過程中暴露出來的問題，通過努力得到了很好的解決，提高了磁力密封裝置的綜合性能。

2.2.1 改善磁性靜環耐磨性能

目前，國內噴涂技術發展迅速，在各行各業均有較為廣泛的應用。在對磁性靜環的材料進行了認真研究之后，我們認為可以在其密封表面噴涂涂層。經過對比分析，選擇在其密封端面上噴涂一層0.05mm～0.5mm厚的碳化鎢涂層。研究及試驗表明，磁性靜環的耐磨性得到了很大的提高，抗沖擊性也得到了改善。

2.2.2 穩定磁性靜環磁力

磁力密封裝置主要是依靠磁力實現密封面的彼此貼合，因此穩定磁力的工作就顯得尤為重要。根據鋁鎳鈷永磁合金本身的特點，我們采用徑向飽和充磁的方法，來提高零件的磁力。為了把磁力穩定在一定的范圍內，我們對充磁后的零件進行了穩磁處理。雖然這種方法導致磁力數值下降了3%～5%，但是磁力的穩定性卻得到了提高，完全可以滿足使用的要求。

2.2.3 改進動密封環組件

為了降低動密封環石墨出現局部剝落顆粒的現象，我們對動密封環進行了一些改進。將石墨環與金屬座之間的配合過盈量由0.05mm～0.12mm更改為0.03mm～0.07mm，降低了石墨環承受的應力。還對石墨環密封端面周圍的尖邊給出了圓滑處理要求。采取了這些措施之后，基本克服了石墨環局部剝落的問題，避免了密封端面被劃傷的情況。

2.2.4 其他改進措施

研究表明，O型橡膠圈與旋轉軸及動密封環之間的壓縮率過大，會影響動密封環與旋轉軸的隨動性，在旋轉軸竄動量較大的時候使磁性靜環與動密封環分離，發生漏油現象。因此我們減小了O型橡膠圈的壓縮率同時提高了拉伸率，在密封性、隨動性方面取得了較為滿意的效果。

3 結束語

磁力密封裝置擁有獨特的設計結構，占用極少的安裝空間，密封效果極佳，可以有效的防止泄漏，并能減少能源的損失，提高了運轉設備功效，即節能降耗又能確保設備的安全運行。隨著當代科學技術與工業基礎的日益發展，磁力密封裝置將以其優良的密封效果和可靠性贏得更多高端機械產品的青睞，其應用范圍也將越來越廣泛，同時使用者對其的要求也會越來越高。

根據磁力密封工作原理可知，通過改進密封面結構能夠避免密封面產生過大的摩擦和磨損，進一步提高壽命。目前，國際上較為先進的方法是采用激光加工多孔密封端面。采用激光技術可在密封端面上加工出各種流槽、直線槽、微孔。激光加工端面的微孔可產生明顯的動壓效應，轉速、微孔密度對摩擦扭矩和端面溫升有很大影響，可顯著改善密封環的摩擦性能。

未來研究發展具有較大矯頑力的新型磁性材料能夠獲得更為穩定的磁力，改善磁力衰退的情況，可大大提高磁性靜環的磁性能和壽命，磁力密封裝置也將會得到更好的發展，必將被機械領域的各種產品所廣泛應用。

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