目前對(duì)磁流體密封的研究主要有3 個(gè)方面:

1. 密封件和密封體系的設(shè)計(jì)與制作

　　密封體系的設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)態(tài)過(guò)程密封、隔絕密封、特殊機(jī)械密封和環(huán)境密封4 個(gè)方面。

　　1) 動(dòng)態(tài)過(guò)程密封，是磁流體應(yīng)用中最早開(kāi)發(fā)的, 應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、光學(xué)纖維、激光器、X 射線裝置、熱處理設(shè)備、硅單晶多晶爐和航空電子設(shè)備等需要特殊密封的場(chǎng)合。這種密封體系的密封性能好(可滿足10^-7Pa 的真空度要求) , 幾乎無(wú)泄漏(最少泄漏量小于10^{- 12}m³/Pa·s) , 密封所產(chǎn)生的阻尼小(效率可達(dá)99% ) , 使用壽命長(zhǎng)(可長(zhǎng)達(dá)10 年之久, 且更換磁流體后可繼續(xù)使用)。但這種密封體系用于高壓密封、高速密封和高溫密封時(shí), 需進(jìn)行不同處理。

　　用于高壓密封時(shí), 由于密封能力是靠各級(jí)密封(一般每級(jí)密封為20～ 80kPa) 的壓力和, 而且當(dāng)密封級(jí)數(shù)超過(guò)一定的級(jí)數(shù)(一般為70～80級(jí)) 后, 密封能力就不再提高。若要進(jìn)一步提高密封壓力, 一般要采用壓力平衡或組合密封的方式來(lái)達(dá)到對(duì)較高壓力的密封。用于高速密封時(shí), 要考慮磁流體的離心力和運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的熱與溫度, 溫度過(guò)高時(shí)需采用循環(huán)水冷卻, 受離心力的限制主要與磁流體的性能和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。用于高溫密封, 是磁流體密封最薄弱的環(huán)節(jié)。當(dāng)溫度超過(guò)永久磁鐵和磁流體許可溫度后, 磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇下降, 磁流體的飽和磁化強(qiáng)度也急劇下降,從而使密封裝置失去密封能力。

　　2) 隔絕密封，是利用磁流體對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行保護(hù)的一種密封方式。如在紡織工業(yè)中, 磁流體隔絕密封用來(lái)保護(hù)電動(dòng)機(jī)軸承免受纖維污染; 如采用磁流體密封保持磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸和專用計(jì)算機(jī)磁盤空腔的環(huán)境清潔, 且因磁流體良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性使硬盤驅(qū)動(dòng)器的熱量及時(shí)傳出和防止產(chǎn)生電火花, 提高其可靠性; 在機(jī)床業(yè)中, 磁流體密封將含碎屑的切削液和軸襯潤(rùn)滑油隔絕, 從而延長(zhǎng)軸承壽命; 為了保護(hù)清潔機(jī)器人不受油污和微粒的污染, 機(jī)器人所有的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都采用磁流體密封來(lái)保證其清潔要求。

　　3) 特殊機(jī)械密封是把磁流體密封應(yīng)用于具有特殊目的的密封, 壓力范圍一般在10^{- 6}～ 10⁶Pa,如應(yīng)用最多的真空密封、鉸孔閥和壓力聚集器、磁流體軸承、水陸二用坦克動(dòng)力傳遞軸的密封等, 具有密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修少、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

　　4) 環(huán)境密封在化工廠、核電廠、冶煉廠等排放污染物, 如揮發(fā)性物質(zhì)和危險(xiǎn)物品的排放, 除了配件、閥門和接頭外, 主要是泵。采用一級(jí)機(jī)械密封和一級(jí)磁流體密封, 可使泄漏降到零。普通的環(huán)境磁流體密封壓力小于5×10⁵Pa, 溫度小于80℃, 轉(zhuǎn)速小于5 000 r/min, 目前已經(jīng)有使用超過(guò)8 年無(wú)泄漏的報(bào)道。當(dāng)然所選的磁流體必須與環(huán)境氣體相匹配。

2. 磁流體密封的性能測(cè)試

　　磁流體密封的性能測(cè)試有極限耐壓能力、泄漏、使用壽命、功率損失、極限真空度和濺射特性等項(xiàng),其中前3 個(gè)項(xiàng)目最為重要。以上多數(shù)項(xiàng)目指標(biāo)可在圖1所示的試驗(yàn)裝置中測(cè)量或模擬測(cè)量。

圖1　密封性能測(cè)試裝置示意圖

　　1) 極限耐壓能力測(cè)量，啟動(dòng)電機(jī), 使軸按規(guī)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn), 同時(shí)用壓力泵使壓力腔內(nèi)的壓力增大, 用溢流閥調(diào)定最大壓力, 當(dāng)壓力增加到一定值時(shí), 壓力表上的標(biāo)值會(huì)突然降低, 這時(shí)的壓力就是所測(cè)的極限耐壓能力。耐壓能力與磁流體性能、密封裝置的密封級(jí)數(shù)和密封間隙、軸的轉(zhuǎn)速、溫度等有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)研究中, 可以改變以上因素, 并測(cè)得其極限耐壓能力, 從而得到不同因素對(duì)耐壓能力的影響。

　　2) 泄漏，先將圖2 所示的系統(tǒng)以真空密封的方式抽真空, 當(dāng)真空度到達(dá)10^-6Pa 時(shí), 用1×10^-11std·cc/s He 氦質(zhì)譜檢漏儀直接測(cè)得除磁流體密封以外所有部位的密封; 然后開(kāi)啟電機(jī)和壓力泵, 把壓力腔的壓力增大到試驗(yàn)要求, 再關(guān)好截止閥, 每經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后觀察和記錄壓力表的數(shù)值, 最后根據(jù)測(cè)得的壓力變化確定泄漏情況(單位:m³/Pa·s)。

　　3) 使用壽命，使用壽命無(wú)法直接測(cè)量, 需要把旋轉(zhuǎn)速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁流體的飽和蒸汽壓等按一定比例放大或縮小, 然后進(jìn)行模擬試驗(yàn), 測(cè)得模擬使用壽命, 最后換算為使用壽命。

　　4) 功率損失，是用磁流體密封裝置進(jìn)行功率傳遞時(shí)的輸入功率與輸出功率之差, 也可用傳遞效率來(lái)表示。其主要由軸承的效率決定, 因?yàn)槊芊庥么帕黧w引起的功率損失很小, 只是旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流體被剪切而轉(zhuǎn)化為熱量的部分。一般磁流體密封裝置的傳動(dòng)效率大于99%。

　　5) 極限真空度，是指真空密封情況下密封裝置可以達(dá)到的最大的真空度。一般磁流體密封裝置可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地達(dá)到10^-6Pa 的真空度。測(cè)量真空度時(shí)必須使真空腔的體積盡量小, 具體測(cè)量與1)、2) 指標(biāo)相同, 真空表上顯示的就是真空度。

　　6) 濺射特性，是指液體密封圈破裂時(shí)磁流體濺射特點(diǎn)和重新愈合。如圖2 所示, 在磁極兩側(cè)壓力相同時(shí), 磁流體的狀態(tài)為圖2a, 當(dāng)右側(cè)的壓力大于左側(cè)時(shí), 磁流體發(fā)生彎曲(見(jiàn)圖2b) , 當(dāng)兩側(cè)的壓力差大于一定值時(shí)就有氣泡穿過(guò)磁流體(見(jiàn)圖2c) , 若兩側(cè)壓力差很大時(shí), 磁流體就會(huì)被擊穿, 被擊穿時(shí)磁流體可能只在磁流體中間產(chǎn)生一窄通道(如圖3d) ,也可能產(chǎn)生濺射(見(jiàn)圖2e)。由于擊穿后磁流體兩側(cè)的壓力趨于相同, 磁流體又會(huì)重新愈合, 恢復(fù)耐壓能力, 這是磁流體密封的特點(diǎn)。而且磁流體的破裂濺射能使裝配時(shí)磁流體分布的不均勻變得均勻, 一般每個(gè)磁流體密封裝置在剛加壓時(shí)均會(huì)有此種現(xiàn)象。

圖2　磁流體在密封裝置內(nèi)的形態(tài)

3. 磁流體密封能力的理論數(shù)值計(jì)算

　　影響磁流體密封裝置耐壓能力的因素很多, 要從理論上直接推導(dǎo)出耐壓能力的計(jì)算公式相當(dāng)困難, 目前只有一些近似計(jì)算公式和數(shù)值計(jì)算方法。

　　1) 近似計(jì)算公式

　　目前設(shè)計(jì)中使用的最為常見(jiàn)的簡(jiǎn)便公式(單級(jí)密封) 為:

　　式中: Dp ——承受的壓差, Pa;M s——磁流體的飽和磁化強(qiáng)度, Gs;H ——磁場(chǎng)強(qiáng)度,Oe。

　　如磁流體的飽和磁化強(qiáng)度為500Gs, 間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為15 000Oe, 理論上可承受60 kPa 的壓差, 考慮安全系數(shù)1. 8, 可承受33 kPa 的壓差。但這個(gè)公式是建立在擴(kuò)展的貝努力方程基礎(chǔ)上的, 只考慮磁流體在壓力作用下切割磁力線所做的功而獲得的。沒(méi)有考慮磁極極齒尺寸、密封間隙大小、磁流體粘度等因素, 且推導(dǎo)過(guò)程沒(méi)有考慮到受壓力后磁流體彎曲等現(xiàn)象, 與試驗(yàn)測(cè)量有較大的偏差。本文中考慮了以上因素進(jìn)行計(jì)算, 得到了:

　　式中: L0——真空中的導(dǎo)磁率, 4P×10^{- 7} H/m ;w/h ——磁極極齒的寬與密封間隙之比;A——與間隙及磁流體彎曲程度有關(guān)的參數(shù)。

　　若考慮磁流體粘度對(duì)耐壓能力的影響, 則式(2)可變?yōu)?

　　式中: Gs——磁流體粘度, cP。

　　根據(jù)式(2) 計(jì)算, 當(dāng)間隙為0.3mm , 極齒寬度為0.3～ 0.5mm 時(shí), 與式(1) 相符, 如間隙很小, 如為0.05mm 時(shí), 式(2) 的計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)式(1) 的計(jì)算值, 與試驗(yàn)值較為接近, 見(jiàn)圖3。

圖3　間隙對(duì)密封耐壓性能的影響

2) 數(shù)值計(jì)算

　　磁流體密封的數(shù)值計(jì)算所涉及的范圍與近似計(jì)算公式相差很大, 其主要涉及磁場(chǎng)構(gòu)型、磁流體注入量和流體動(dòng)力學(xué)對(duì)密封能力的影響。許永興等采用任意三角形網(wǎng)格劃分的有限元法求解描述永磁軟鐵系統(tǒng)性質(zhì)的非線性Poisson 方程, 以矢量磁位為計(jì)算量得到磁流體密封裝置中間隙內(nèi)的磁場(chǎng)分布情況, 得到極齒參數(shù)與密封耐壓能力的關(guān)系。Ferfman. V. E 等從數(shù)值上研究了一級(jí)磁流體密封的流體動(dòng)力學(xué), 討了磁場(chǎng)構(gòu)型對(duì)磁力與離心力競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的對(duì)密封能力的影響, 獲得了最佳磁流體注入量。Rakhuba. V. K 等進(jìn)行了2 個(gè)復(fù)雜形狀同軸旋轉(zhuǎn)的固體間隙(模擬磁流體密封間隙) 中的磁流體有限環(huán)形薄層的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)和能力耗散的數(shù)值研究, 得到了橫向流動(dòng)對(duì)能量耗散的影響隨轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大而增大, 為高速旋轉(zhuǎn)的磁流體密封的設(shè)計(jì)和研究提供了分析依據(jù)。