密封間隙對磁流體密封能力的影響

摘 要：本文對磁流體密封的一般規律進行了概述，重點進行了密封間隙在不同轉速、零件加工質量情況下，磁流體密封裝置的密封能力的研究。得出了密封間隙過小，不但不能提高密封能力，反而會有所下降的結論。
關鍵詞：間隙；磁流體；密封能力

磁流體（或叫磁性流體，英文名：Magneticfluid 或 Ferrofluid）是由0.1~100nm（納米）導磁微粒、分散劑和載體融合而成的膠體，具有許多特殊的功能，是目前國內外尖端的納米技術之一。

由于磁流體有二大特點：①在磁場的作用下，磁化強度隨外加磁場的增加而增加，直止飽和，而外磁場去除后又無任何磁滯現象，磁場對磁流體的作用力表現為體積力。②與一般納米粒子相同，只有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。是動態密封理想材料。

磁流體密封的基本原理是：當磁流體注入磁場間隙，可以充滿整個間隙，成了一系?quot;液體O型密封圈"，從而達到密封效果。磁流體密封裝置由無磁性座、磁極、永磁鐵、導磁軸和磁流體組成（見圖1）。

磁流體動態密封主要有以下特點：①密封性能好，幾乎無泄漏（<10-11Pa·m3/s），真空密封時的真空度可達10-5Pa。②可靠性好，因為釹鐵硼材料的磁損小于5%/100年，又幾乎沒有機械磨損。③機械傳輸效率很高，可達99%，幾乎無功率損失。

目前磁流體密封裝置已在許多設備上使用，例如在單晶硅爐、真空熱處理爐、離子濺射、物理化學氣相沉積、離子鍍膜、液晶在生、電子指示器等設備的密封，以及計算機硬盤、機器人及軍工產品等環境要求較高的設備的環境密封，獲得了很好的經濟效益。

由于密封機理和磁流體本身的復雜性，影響密封能力的因素較多，主要有磁流體的性能（如磁飽和強度、粘度等物理化學磁學性能）、磁極極齒的結構參數、磁場大小及分布、工作條件（如溫度、載荷等）、密封間隙等。對于間隙的影響，有薣1，2，3]曾經做過研究，一般認為間隙越小，密封能力越強，但沒有考慮轉速、零件加工誤差和裝配誤差等因素。

1．磁流體密封能力的理論計算

磁流體在磁場中的行為遵循擴展的貝努利方程：

其中u為流速；ρK為外力；p*為壓力；ηs 為磁流體的粘度；H為磁場強度。

根據圖2可知，氣體把磁流體從11'推到22'，同時從22'到44'位置所做的功，等于磁流體從磁場強度為B1處移到B2處的能量，由此可推得在靜態時每級磁流體密封圈能受的壓力為：

式中μ0為真空中的導磁率；B2，B1為磁流體二側的磁感應強度；M為磁流體的磁化強度；Mt2，Mt1為磁流體二側的磁化強度的切向分量。

考慮到間隙處的磁場強度相當高，比磁流體的飽和磁化強度Ms高得多，所以2）式可以簡化為：

很明顯從（3）式可以看出，磁流體密封能力只與飽和磁化強度和磁感應強度有關，而與工作間隙無關。這與實驗結果及實際情況不符合。

下面從另一方面來考慮磁流體的密封能力：假設有一級磁流體密封，承受 p的壓差后磁流體的形狀產生彎曲（見圖3），再假設磁力線是平行于磁流體曲面的；如果壓差增加，將對磁流體做功，在數量上應該等于磁力線被拉長所需做的功。拉長磁力線所做的功dW為

M，B意義上同上，另外符號的意思奸徒3。壓力所做的功為：

由此可以得到磁流體密封所能承受的壓差，為

從此式可知，磁流體密封能力不但與磁極極齒參數有關，而且關系密切，式3）和式6）之所以有差別，主要是（3）式沒有考慮磁流體的變形。

但是這里還沒有考慮到磁流體內部剪切應力在彎曲變形方向做的功，如考慮進去這部分能量，則須在4）式加上一項

則（6）式變成

由（8）式可知，耐壓能力還與磁流體粘度有關。

2．間隙對磁流體密封能力影響的實驗及其結果

實驗用的磁流體密封裝置見圖4，耐壓值可從真空表讀得。實驗條件為：磁極尺寸（見圖5）；磁流體密封間隙0.02~0.5mm；轉速0 r/min、980 r/min、1450 r/min、2900 r/min；粗糙度Ra0.4~6.3μm。實驗結果見圖6~7。

從圖6可知：

① 由式（3）理論式所計算的耐壓能力為0.17MPa，與間隙無關，由式（8）所計算的圖示于圖6中的理論計算耐壓值在間隙為0.02mm時可達0.41 MPa，當間隙大于0.25mm以上時，對耐壓能力影響極小，且與式（3）結果基本符合。
② 間隙對密封能力很敏感，特別是當間隙小于0.15~0.1mm，密封能力急劇增強。
③ 在間隙小于0.15mm時，轉速對密封能力幾乎沒有影響，當間隙大于0.25mm時，隨著轉速的增大反而有利于密封能力。而在轉速小于1450r/min時對密封能力的影響不大。

從圖7可知：

① 粗糙度對密封能力具有一定的影響，特別是在密封間隙小于0.05mm以下時，當粗糙度大于Ra12. 5μm時，將會使密封能力下降。
② 密封間隙小于0.15mm，粗糙度小于Ra12.5μm時，密封能力將隨著間隙的減小而增加，當間隙大于0.15mm時，粗糙度對密封能力的影響較小。

3 結論

① 理論上推出了間隙對密封能力的影響的表達式，與實驗比較，較目前使用的計算式更符合實際，且是偏于安全。
② 粗糙度大于Ra12.5μm時，間隙過小反而會使密封能力降低。
③ 轉速對密封能力的影響不是太大，只是在間隙較大轉速較小時才有些下降。

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