往復運動軸磁性液體密封實驗裝置的研制與應用

孫維民 石明浩 趙 騫 國安邦 趙麗軍 史桂梅

（沈陽工業大學理學院，遼寧 沈陽 110870）

1 引言

磁性液體密封是磁性液體的產業化過程中最早出現的技術，也是磁性液體技術應用最為廣泛的一個方面.磁性液體密封是一種非接觸式密封，其工作原理是：由環狀永磁鐵、極靴、磁性液體和導磁軸構成閉合磁回路，利用永磁體中的磁能，在密封軸與極靴齒端的間隙內產生強磁場，將磁流體緊緊吸在密封間隙內，形成磁性液體“O”型密封環，把間隙封住，從而實現密封.目前主要用于精密儀器、機械等的真空靜態密封和旋轉軸密封［1～6］.而關于往復運動軸的磁性液體密封研究的相對較少［7～10］，原因是往復運動軸磁性液體密封不同于真空靜態密封和旋轉軸密封，至今，在應用上有很多問題需要解決，尤其是密封間隙內磁性液體的流動和密封間隙內的磁性液體由于往復軸的運動而引起損失，并最終導致密封失敗.所以研究往復運動軸的磁性液體密封實驗裝置具有重要的現實意義.本文設計了一種往復運動軸磁性液體密封實驗裝置，該實驗裝置的特點是可隨時補充運動過程中流失的磁性液體，以達到延長有效密封時間.將研制的往復運動軸磁性液體密封實驗裝置應用于油井井口密封，試驗結果表明，有效密封時間比原密封結構提高50%以上.

2 實驗裝置

置示意圖.實驗裝置主要由磁性液體密封體（圖中兩個陰影部分的磁性液體密封結構是相同的）、密封腔（密封腔中可注氣或注水）和氣泵系統組成.實驗中氣泵系統用來為軸的往復運動提供動力.

圖1給出了往復運動軸磁性液體密封實驗裝

圖1 往復運動軸磁性液體密封實驗裝置示意圖

在往復運動軸的磁性液體密封中，由于磁性液體會不斷地逃逸磁場的束縛而流出密封域之外，使密封域中的磁性液體數量逐漸減少，當密封環斷開造成密封泄漏時，便造成了密封的失敗.為了解決這個問題，本文采用了兩項措施：一是針對往復運動軸的軸速一般比較小，所以磁性液體的溫升較小，可采用高粘度磁性液體［11，12］；二是設計了補償磁流體的結構，就是在極靴中設計了能儲存磁流體的環形槽，并且能通過極靴不斷補充磁性液體.圖2給出了往復運動軸的磁性液體密封結構示意圖，主要密封件是環形磁環和環形極靴，磁環材料是釹鐵硼，磁環寬度是10mm、厚度是12.5mm（內徑因軸徑而變）.極靴材料是純鐵，極靴寬度15.4mm，齒形是梯形，齒厚1.5mm、齒高1.5mm、齒數10個.磁環和極靴間隔放置，相鄰磁環同性相對.磁力線由磁環的N極出發經過極靴、間隙（其中充滿磁性液體）、往復軸后進入磁環的S極而構成閉合回路.

圖2 往復運動軸磁性液體密封結構示意圖

3 實驗結果

表1、表2和表3分別給出了在密封腔內水壓為1.0×105Pa、軸往復運動速率為1m／s時，密封腔內水壓為1.5×105Pa、軸往復運動速率為2m／s時和密封腔內水壓為2.0×105Pa、軸往復運動速率為3m／s時所獲得的密封腔內水壓與軸運動時間的關系.實驗結果表明，當密封腔內水壓小于1.5×105Pa、軸往復運動速率小于2m／s時，該磁性液體密封實驗裝置具有良好的液體密封性.但隨著密封腔內水壓升高、軸往復運動速率增大，該磁性液體密封實驗裝置的液體密封性能下降.

表1 密封腔內壓力與時間的關系（密封腔內水壓為1.0×105Pa、軸往復運動速率為1m／s）

表2 密封腔內壓力與時間的關系（密封腔內水壓為1.5×105Pa、軸往復運動速率為2m／s）

表3 密封腔內壓力與時間的關系（密封腔內水壓為2.0×105Pa、軸往復運動速率為3m／s）

4 磁性液體密封裝置在油井井口密封中的應用

將磁性液體密封材料和密封技術應用于油井井口的間隙密封，以減少漏油.油井井口的間隙密封是利用磁場，在泵桿與井口壁的間隙內形成磁性液體密封環來阻塞油液的一種密封.從密封介質講是液體密封，從運動形式上講是往復軸密封.油井的情況復雜，對不同的油井，原油中含水、含沙、酸堿性、粘度等情況都不同，而且泵桿的滑動行程達2～3m，這些情況都增加了應用磁性液體密封技術的難度.

圖3給出了油井井口的間隙密封裝置結構示意圖（只畫出了一個磁環和兩個極靴），密封裝置安裝在圓形井口壁的內壁上.磁力線由磁環的N極出發經過極靴、間隙（其中充滿磁性液體）、泵桿壁后進入磁環的S極而構成閉合回路.當抽油泵工作時，泵桿和井口壁間隙處的磁性液體在極齒磁場的作用下形成密封環.

圖3 油井井口的間隙密封裝置結構示意圖

將磁性液體密封材料和密封技術應用于油井井口的間隙密封是磁性液體密封技術的一種新的嘗試.試驗結果表明，油井井口磁性液體密封裝置的有效密封時間比原密封結構提高50%以上，但存在的問題是油井井口磁性液體密封裝置的成本偏高，使推廣應用遇到了困難，后續研究的重點是如何降低油井井口磁性液體密封裝置的成本.

5 結論

設計了往復運動軸磁性液體密封實驗裝置，該實驗裝置的特點是可隨時補充運動過程中流失的磁性液體，延長了有效密封時間.將研制的往復運動軸磁性液體密封實驗裝置應用于油井井口密封，試驗結果表明，有效密封時間比原密封結構提高50%以上.

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