國外磁性液體在往復軸密封中的應用

摘 要：磁性液體往復軸密封是一種新型的動密封技術。由于磁性液體往復軸密封既可以實現往復軸密封，又可以實現往復加旋轉復合密封，因而引起廣泛關注。文章著重介紹國外磁性液體往復軸密封的研究及應用情況。

關鍵詞：磁性液體；密封；往復軸

1 磁性液體

磁性液體作為目前為止工業應用中唯一的一種液體磁性材料，既具有液體的流動性，又具有磁性材料的磁性，以及許多固體磁性材料和液體材料所不具有的特性。自從上世紀中期被研制出來以后，就受到了科技工作者的廣泛關注。

2 國外磁性液體在往復軸中的應用

磁性液體往復密封技術是一種新的動密封技術。由于磁流體往復密封裝置本身不僅能完成往復運動的密封，且能夠代替旋轉軸密封，實現往復加旋轉復合運動的密封，因而此密封技術引起人們的高度關注。以下著重介紹磁性液體往復密封技術的發展概況及今后研究重點。

磁性液體往復軸密封技術起源于80年代初期。M·Coldowsky[1]最早為心臟機研制而建立的單級磁性液體線性密封，并發表了磁性液體用于往復軸密封的實驗及實驗結果。分析指出，密封的動力過程很復雜，不考慮磁場的影響時，分析往復軸攜帶出磁性液體膜的動力現象是非常困難的，沒有滿意的數學模型來預測實驗結果。

1981年和1982年，美國Michel A·Pierrat和Andover， Mass等人先后申請了兩項專利[2～3]這兩項專利的核心都是為了避免磁性液體在往復軸密封中泄露而導致密封失效的問題。

由于磁性液體用于旋轉密封時沒有磁性液體被軸攜帶的問題，專利[2]將磁性液體的往復軸密封轉化為旋轉密封，輸入軸的一端和往復軸驅動裝置相連，另一端是平定式螺桿，該螺桿與圓柱體一端的內螺紋孔相配合。同樣的，在圓柱體的另一端，也有一個內螺紋孔，它與孔都是盲孔。孔與輸出軸（也就是被密封隔離的部分）的螺紋部分相連。圓柱體通過空腔來密封。在中包括了永久磁鐵和極靴等部件。軸兩端都包括一個擋塊，以防止超程，并在軸上設計有槽和定位孔相配合來阻止軸的轉動。

專利[3]在密封件的兩端加裝了壓力環及有銳角邊的刮環等裝置，使磁性液體保持在密封間隙內。軸即可作往復運動，又可作往復加旋轉運動，采用磁性液體多極密封。密封裝置包括環狀永久磁鐵、一對可導磁的極靴。極靴與軸保持微小間隙，磁性液體受到間隙中磁場力的作用而保持其中。為了防止磁性液體的外泄，在極靴兩端裝有壓力環，壓力環內徑表面有較小椎度。為了達到更好的密封效果，在壓力環與極靴接觸的表面裝有防滑O形圈，金屬刮環又逐漸變細的外錐面，且有很尖的刮邊，和壓力環的錐面配合使用，內表面與往復軸靠得很近，可將外泄的磁性液體刮回密封間隙內。為了使刮環在軸向產生更大壓力，本專利中還設計了一個彈簧墊圈和一個止推墊圈，這樣就可以有效地阻止磁性液體從密封間隙泄漏出來。

1985年，Hanumaiah L Gowda等人申請了往復軸磁性液體密封的專利[4]。有效地防止磁性液體從密封間隙中流失的問題仍然是他們的專利出發點。當往復軸往復運動時，該專利提出了在密封的殼體中保持和儲存磁性液體的一些方法以免磁性液體流失。

圖1 殼體內表面開有溝槽的往復軸磁性液體密封專利

如圖1所示，軸48的一端與驅動電機相連，另一端延伸到真空區域，在殼體32內作往復運動或往復加旋轉運動。往復軸受殼體兩端的塑料或抗摩擦滾珠襯套直線軸承36支撐。在軸上有軸向極化的永久磁鐵38和可導磁的極靴40及42，極靴與軸之間通過靜密封固定。在極靴的外表面上有一系列的凸起和刃面，它們與殼體的內表面在徑向形成了若干個很小的間隙。在間隙中的磁性液體44受磁場力作用形成了若干個空間上獨立的“O”形圈磁性液體密封。圖中的往復軸是非磁性的，并且在外圍固定有非磁性軸套50。為了儲存和保留軸上攜帶的磁性液體，本專利中在殼體的內表面上獨立分布著若干個槽52，在軸做往復運動時收集磁性液體。在密封裝置中靠進真空區域一側與軸承相鄰設計了環狀的收集磁塊54，來收集往復軸運動過程中攜帶到真空區域一側的磁性液體。與收集磁塊相鄰在其外側固定一有刃面的能清理磁性液體的聚四氟乙烯環，其作用是阻止磁性液體沿軸向直線移動并與軸承內的潤滑物接觸進而將磁性液體保留在密封空間內。永久磁鐵、極靴和殼體組成的磁路。如圖中點劃線所示。極靴外徑表面和殼體內徑表面所形成的狹小的間隙內密集地分布著若干磁力線。磁場很強，形成了多個磁性液體“O”形密封圈來進行往復軸密封。

1985年，日本的shojiro Migake和Sadao Takahashi[5]對磁性液體的線性真空密封特性進行了實驗研究，指出影響磁性液體密封的主要因素為：為了解決軸的往復運動中磁性液體會不斷地逃逸磁場的束縛而流出密封區域之外這個問題，選取適當粘度的磁性流體或者提高磁場強度的方法來提高磁性液體密封性能。實驗表明，軸往復運動的速度和行程也與密封性能有著密切的關系，軸速提高導致被拖甩出的磁性液體增多，密封性能下降。同樣，軸的行程增大也會減弱了磁性流體往復密封的性能。該實驗還得出了：隨著間隙的增大，間隙中磁場強度減弱，對磁性液體的束縛減少，導致被拖甩出的磁流體增多。另外，磁性液體的供應量充分可使得密封間隙對密封性能的影響降低。

前蘇聯學者S I Evsin[6]等人于1990年對的往復軸磁性液體密封研究進行了系統的總結，指出密封間隙中磁性液體的變形及磁性液體被帶走是引起的往復軸磁性液體密封失效的主要原因。這兩個因素可以引起磁性液體臨界耐壓能力下降及引起密封微漏。此外，該研究還分析了密封間隙內磁性液體變形時的密封耐壓情況。

1992年，日本Akihiko Koba[7]等申請了磁性液體往復密封專利，其專利中設計的密封形式如圖2所示。

圖2中永久磁鐵22、極靴26和28都通過孔安裝在外殼內表面上，極靴26的圓柱形內表面30和軸12是同軸的。內表面30在軸向上的長度與往復軸的行程相等甚至更長。而極靴28軸向上的距離較短。用可導磁材料制成的環32被壓裝在往復軸12的外表面上，位于往復軸運動到達中間位置時軸的終點處。環32的軸向長度與極靴26相比較小。環32的外徑和極靴內徑之間間隙很小，密封裝置中的閉合磁路如圖一中的點劃線所示。磁性液體38停留在極靴26和環32之間的間隙中形成密封。由于軸的往復運動，磁性液體會流向極靴的內表面，并形成連續的磁性液體膜，覆蓋整個極靴26的內表面。當軸12與環一起做水平往復運動時，內部的磁性液體40由于其密度較高，與環一起做直線運動，而極靴26內表面上的磁性液體膜42保持相對靜止。內部的磁性液體40和磁性液體膜42始終結合在一起。同時，磁性液體40又沿著磁性液體膜42在滑動。由于極靴長度大于等于往復軸的行程，所以，磁性液體40始終與磁性液體膜42相接觸。也就是說在整個往復軸運動過程中，磁性液體密封始終在工作并起作用。由于在整個往復運動過程中磁性液體始終保持在磁性間隙內，與往復軸和外殼均未接觸，所以避免了磁性液體被攜帶或沿著軸和外殼泄露。

2004年，日本Hiroshi Anzai等人[8]申請了一項磁性液體密封專利。此專利為了減少永久磁鐵附近磁性液體的泄露，將兩個極靴上靠近永久磁鐵的兩個極齒間的軸向距離縮短，并且在這兩個極齒間加裝密封塊，這樣，密封塊、兩個極齒及、往復軸圍起來的空間變小，也就減少了磁性液體在此空間的泄露。永久磁鐵、極靴及往復軸共同組成磁路。在兩個極靴側面，可增加兩個圓錐面（和水平面成5-30度角），這樣在錐面和往復軸之間形成了毛細管作用下的引力，減少了磁性液體的泄露，耐壓能力增強，可用于往復運動速度較快的場合。

3 結束語

以上的往復軸磁性液體密封無論在理論還是在實驗研究尤其是在實際應用上均不成熟。如何準確得出往復軸運動參數和密封件結構參數與耐壓能力以及密封壽命的定量化關系；如何進行密封間隙內磁性流體流動機理的分析以及對往復軸運動時磁性液體運動狀態的準確刻畫等問題[9]需要以后的進一步研究。

參考文獻

[1]M Goldowsky.NewMethodforSealing.Flitering and Lubrication with Magnetic Fluids.IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，VoI.MAG.16，No.2，MARCH，1980.

[2]MiehelAPierra， AndoverMass. Linear Drive Shaft Seal.US Paten，4.284，605，1981.

[3]MiehelAPierra， AndoverMass. Linear Seal APParatus.US Paten，4.209，060，1980.

[4]Hanumaiah L Gowda. Ferrofiuid Linear Seal APParatus.US Paten， 4.502，700，1985.

[5]ShojiroMigake， Sadao Takahashi. Characteristics of Ferromagnetic Linear Vacuum Seal. ASLE TRANSACTI0NS，Volume28，3，358-363.

[6]S I Evsion，N A Sokolov.DeveloPment of Magnetic Fluid Reciprocating Motion Seals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，85（1990）253-256.

[7] Akihiko Koba，Kitakyushu.MAGNETIC FLUID SEAL APPARATUS.US PATEN，5，165，701，1992.

[8]Hiroshi Anzai，Fujisawa. MAGNETIC FLUID SEAL .US PATEN，6，672，592，2004.

[9]李德才.磁性液體的理論與應用研究[J].北方交通大學學報，1996，5.