大間隙多級磁源磁性液體密封的實驗研究

楊小龍，李德才，邢斐斐

(北京交通大學 機械電子與控制工程學院，北京100044)

0 引言

磁性液體密封具有結構簡單、零泄漏、長壽命等優點，因此被廣泛應用于壓力、真空等多種密封形式領域中[1]。對于磁性液體密封的應用領域而言，磁性液體密封的大間隙是指磁性液體密封中的極齒與轉軸之間的距離大于0.25 mm 的間隙[2－3]。對于軍工領域中船舶等大直徑主軸密封而言，由于軸的較大徑向跳動導致軸與極靴的摩擦磨損而破壞磁性液體密封性能，因此要求磁性液體密封的轉軸與極靴上的極齒之間的密封間隙較大。但在大間隙條件下，由于傳統的密封無法滿足長壽命和零泄漏要求，而單級磁源磁性液體的密封耐壓能力盡管能滿足上述要求但耐壓能力較小，因此提高大間隙磁性液體密封的耐壓能力與自愈合能力具有重要的意義[4]。李德才等[2]、何新智等[5]實驗研究了大直徑大間隙磁性液體密封的性能，但其采用的密封結構方式為單級磁源磁性液體密封結構。為了提高及驗證大間隙磁性液體密封性能，本文從增加磁源數的角度出發設計了一種多級磁源磁性液體密封結構，并通過實驗驗證了0.4 ～0.7 mm 密封間隙下其耐壓性能及自愈合性能。

1 磁性液體密封耐壓公式

當轉軸以200 r/min 運轉時，速度對磁性液體密封的影響可以忽略，故磁性液體靜密封的耐壓公式[1，6]為

式中:Himin和Himax分別為第i 齒下最小和最大的磁場強度;Bimin和Bimax分別為第i 齒下最小和最大的磁通量密度;μ0為真空磁導率;M 和MS分別為磁性液體密封極齒下磁性液體的磁化強度和飽和磁化強度;N 為極齒的數量。可看出，在磁性液體密封結構參數確定的情況下，磁性液體的耐壓能力與磁性液體的飽和磁化強度，磁源數和極齒數有關。

2 實驗裝置與實驗方法

如圖1 所示設計的多級磁源磁性液體密封結構。

圖1 磁性液體密封結構Fig.1 Structure of magnetic liquid seal

多級磁源指2 個及2 個以上的為磁性液體密封的磁路提供磁能的永磁體。文中多級磁源數量為5 個。其中:極靴的內徑30.2 mm、外徑52 mm、軸向長6 mm、極靴上極齒夾角90°;永磁體內徑34 mm、外徑50 mm、軸向長5 mm;轉軸初始直徑29.4 mm.本實驗使用飽和磁化強度為41.4 kA/m 酯基磁性液體，研究的密封間隙大小分別為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm，其對應主軸直徑分別為29.4 mm、29.2 mm、29.0 mm、28.8 mm.

如圖2 所示磁性液體動密封實驗臺。

圖2 實驗臺Fig.2 Experimental stand

電機帶動密封裝置的轉軸旋轉，氮氣瓶通過閥門給密封腔加壓，壓力表檢測相應的腔內壓力值。根據上述參數加工完磁性液體密封結構的零件后進行裝配，并在0.4 mm 密封間隙內注入5 mL 的酯基磁性液體。為了精確地檢測到氣體泄漏，使用可檢測到氣體最小泄漏率1 ×10－11(Pa·m3)/s 氦質譜檢漏儀。實驗時，通過變頻器將轉速調到200 r/min 運轉30 min 后，使用氮氣瓶每隔2 min 給密封腔加壓0.02 MPa，并觀察2 min，直到氦質譜檢漏儀檢測到泄漏并記錄此時的耐壓能力。當密封腔內的氣體泄漏一段時間后，壓力值趨于穩定，記錄此間隙下的多級磁源磁性液體的自愈合耐壓值，保持12 h，再次記錄壓力表顯示的數值。

3 結果分析與討論

在研究磁性液體密封時，要求磁性液具有良好的耐壓能力和自愈合能力以保證磁性液體密封的可靠性。

3.1 大間隙條件下多級磁源磁性液體密封性能的規律

如圖3 所示密封間隙高從0.4 ～0.7 mm 時單級磁源磁性液體密封的理論耐壓曲線與多級磁源磁性液體密封的實驗曲線。

圖3 不同間隙下單級磁源磁性液體密封能力的理論值與多級磁源磁性液體密封能力實驗值的比較Fig.3 Comparison of the theoretical values of magnetic liquid seal with single magnetic source and the experimental values of magnetic liquid seal with multiple magnetic source for different gap heights

由圖3 可看出，當密封間隙高從0.40 mm 增至0.70 mm 時，多級磁源磁性液體密封的耐壓能力分別為單級磁源磁性液體密封耐壓能力的4.8 倍、3.8 倍、2.8 倍和2.5 倍，表明增加磁源數量是提高大間隙磁性液體密封耐壓能力的一種有效方法。原因在于多級磁源的磁性液體密封而言，其中間密封間隙內的磁場是由極靴兩側的永磁體提供的，明顯大于單級磁源提供的磁場強度。由磁性液體密封的理論耐壓公式可知，在飽和磁化強度一定的情況下，磁性液體密封的耐壓能力與密封間隙內的磁場強度以及密封級數有關，因此多級磁源磁性液體密封的耐壓能力大于單級磁源磁性液體密封的耐壓值。

由圖3 不難發現:當間隙高從0.4 mm 增至0.7 mm時，多級磁源磁性液體密封耐壓能力的衰減值約為單級磁源磁性液體密封耐壓能力衰減值的8.8 倍，原因在于多級磁源磁性液體密封結構由5 個磁源提供磁能，當密封間隙增大時，多級磁源磁性液體密封耐壓能力的損失應為5 個磁源減少的磁壓之和;還可看出，單級磁源與多級磁源磁性液體密封的耐壓能力隨著密封間隙的增大而減小，原因在于當密封間隙增大時，磁性液體密封磁路中的總磁阻增加。根據磁路定律，在磁能不變的情況下總磁阻的增加導致磁路中磁通量的減少從而導致磁通密度的減少。由磁性液體密封的理論耐壓公式可知，當多級磁源磁性液體密封的極靴極齒下的磁通量密度減少時，磁性液體密封的總耐壓能力也隨之減少。

為了研究在大間隙條件下磁性液體密封中所有磁源是否完全發揮了作用，在密封間隙為0.7 mm不同數量的遠離密封腔極靴下均注入1 mL 磁性液體以研究磁源數量對密封耐壓能力的影響，結果如圖4 所示。

圖4 磁源數量對密封性能的影響Fig.4 Effect of the amount of magnets on sealing property

由圖4 可看出，當用于提供磁能的磁源數量從3 個增至5 個時，磁性液體的耐壓能力不變，表明密封間隙為0.7 mm 時多級磁源磁性液體密封中部分磁源沒有發揮作用，且存在1 個最佳磁源數。但由于在反復安裝過程中對密封件外殼的磨損導致無法繼續進行進一步的實驗驗證。

從理論角度出發，采用有限元方法模擬了間隙為0.7 mm 時極齒下的磁場分布如圖5 所示。

圖5 0.7 mm 間隙內的磁場分布Fig.5 Magnetic field distribution in 0.7 mm gap

根據磁性液體密封的理論耐壓公式(1)式及圖5 中的磁場分布計算出磁源數為3 個和4 個時的磁性液體密封的理論耐壓能力分別為0.13 MPa 和0.17 MPa.實驗值0.16 MPa 與磁源數為4 時的理論值更接近，表明間隙為0.7 mm 多級磁源磁性液體密封的最佳磁源數為4.磁源數為3 個時，理論上磁性液體密封的理論耐壓值應大于實驗值，結果卻相反，原因在于實驗研究磁源數對多級磁源磁性液體密封的影響時，只是在遠離密封腔的4 個極靴上注入了磁性液體，而靠近密封腔的2 個極靴和磁源既未注入磁液也沒有去除，導致靠近密封腔的磁源對遠離密封腔端的注有磁性液體的極靴下的磁場會有干擾，從而增加了靠近密封腔端注有磁性液體的極靴下的磁場強度，因此發生理論值大于實驗值的現象。當磁源數超過4 個時，由于大間隙磁性液體密封的總耐壓能力不再增加，因此增加磁源數量將會導致磁性液體密封的軸向長及密封成本的增加。因此，在設計密封間隙為0.7 mm 的多級磁源磁性液體密封時，應根據被密封介質的壓力大小合理選擇磁源數量，最多不超過4 個。

3.2 大間隙對多級磁源磁性液體密封自愈合能力的影響

如圖6 所示密封間隙高由0.4 mm 增至0.7 mm時，單級磁源磁性液體密封的理論耐壓曲線與多級磁源磁性液體密封自愈合能力的實驗曲線。

圖6 單級磁源磁性液體密封的理論耐壓值與多級磁源磁性液體密封自愈合能力的比較Fig.6 Comparison of the theoretical values of magnetic liquid seal with single magnetic source and the selfhealing capabilities of the magnetic liquid seal with multiple magnetic sources for different gap heights

可看出:與單級磁源磁性液體密封的理論耐壓曲線相同，多級磁源磁性液體密封自愈合能力隨著間隙高度的增加而減小;隨著間隙的增加，多級磁源磁性液體密封的自愈合能力明顯大于單級磁源磁性液體密封的理論耐壓能力，表明多級磁源磁性液體密封具有良好的二次密封性，有利于提高大間隙磁性液體密封的可靠性，同時也表明多級磁源磁性液體密封較單級磁源磁性液體密封具有明顯的優勢，原因在于多級磁源密封結構密封間隙內的磁場強度大于單級磁源結構密封間隙內的磁場強度，導致多級磁源磁性液體密封第1 次失效時其損失的磁性液體量少于單級磁源的密封失效時磁性液體的損失量。同時，多級磁源密封結構密封間隙內的磁場強度依然大于單級磁源密封結構密封間隙內的磁場強度，因此多級磁源磁性液體密封的自愈合能力即多級磁源密封結構的二次密封性能大于單級磁源密封結構的理論密封耐壓能力。

當密封間隙由0.4 mm 增至0.5 mm 時，多級磁源磁性液體密封減少的自愈合能力占其總壓降的88%，表明當密封間隙高大于0.4 mm 時，磁性液體密封自愈合能力顯著降低，導致多級磁源磁性液體二次密封的可靠性降低。因此，當密封間隙在滿足旋轉軸徑向跳動而不導致極齒與轉軸摩擦磨損的情況下，為了保證大間隙多級磁源磁性液體密封的可靠性，應盡量選擇較小的密封間隙。

4 結論

1)當密封間隙高度分別為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm 時，多級磁源磁性液體密封的耐壓能力分別為單級磁源磁性液體密封耐壓能力的4.8 倍、3.8 倍、2.8 倍、2.5 倍;

2)密封間隙高0.7 mm 時，大間隙多級磁源磁性液體密封的最佳磁源數為4 個;

3)與單級磁源磁性液體密封的耐壓能力相比，采用多級磁源磁性液體密封結構是一種提高大間隙磁性液體密封的有效方法，且多級磁源磁性液體密封的耐壓能力與自愈合能力隨著密封間隙的增加減小;

4)大間隙多級磁源磁性液體密封具有良好的自愈合能力，有利于提高二次密封的可靠性。

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