磁流體黏度可隨外部磁場強度發(fā)生變化，故可將其作為非接觸式機械密封端面的潤滑介質(zhì)，通過改變外部磁場強度來實現(xiàn)磁流體膜動壓性能的控制。為提高磁流體動壓機械密封的密封性能，設(shè)計一種磁場發(fā)生器，該磁場發(fā)生器可通過改變電流來調(diào)節(jié)磁流體膜的黏度，從而產(chǎn)生不同的動壓，實現(xiàn)對流體膜動壓效應(yīng)的控制。采用數(shù)值分析的方法，對由動環(huán)、靜環(huán)、磁流體膜及磁場發(fā)生器組成的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的磁場進行分析，獲得導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)中磁力線、磁場強度、磁感應(yīng)強度分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)中的磁力線幾乎全部穿過密封環(huán)端面，該處的磁場強度達到最高水平; 磁力線在垂直于密封端面方向上有一定的磁場梯度，且磁流體膜中的磁場強度與磁場發(fā)生器的電流強度成正比。

　　磁流體密封是近年來迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)，具有摩擦功耗小、密封嚴密零泄漏、長壽命、高可靠性、無污染、可以在高速下運行等諸多優(yōu)點。機械密封是目前應(yīng)用最普遍的動密封，其中非接觸式機械密封利用潤滑膜的動壓效應(yīng)使密封環(huán)端面保持非接觸，在減小摩擦功耗的同時實現(xiàn)對介質(zhì)的密封。許多研究人員對磁流體密封結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，得到了不同磁流體密封結(jié)構(gòu)中的磁場分布規(guī)律，并對磁流體密封結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。然而，在傳統(tǒng)的磁流體密封當中，磁場是由永磁體提供的，永磁體的電流密度J 為固定值，欲增強密封性能需要通過增加密封級數(shù)或者增加極靴的尺寸和級齒數(shù)目來實現(xiàn)，但是在多級密封中隨著級數(shù)的增加帶來了軸向尺寸過長，密封結(jié)構(gòu)精度要求高等缺點。

　　基于電流強度I決定磁場強度H 的原理，結(jié)合非接觸式機械密封和磁流體密封的特點，本文作者提出了磁流體膜黏度的控制方案，并設(shè)計了用于流體動壓機械密封的磁場發(fā)生器，實現(xiàn)了通過增加電流強度I來增加密封間隙的磁場強度H，并在整個導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很強的磁場，使導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)飽和磁化，導(dǎo)磁性能達到最強，從而在尺寸不變的情況下大大減少了漏磁，增強了密封性能�？紤]到狹窄密封間隙中磁場強度的精確測量十分困難，利用ANSYS 軟件建立了密封環(huán)和磁場發(fā)生器的整體模型，分析了整個密封結(jié)構(gòu)以及密封間隙的磁場分布規(guī)律，獲得了電流強度I 與密封間隙處的磁場強度H 的關(guān)系，通過對照外磁場和黏度的關(guān)系可確定磁流體膜的黏度，為分析磁流體膜的動壓效應(yīng)以及非接觸式磁流體密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1、磁流體動壓密封原理及磁場發(fā)生器的設(shè)計

　　1.1、磁流體動壓密封原理

　　磁流體作為動壓型機械密封的潤滑介質(zhì)，對密封環(huán)和動壓槽的結(jié)構(gòu)并無特殊要求，但密封環(huán)必須采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，以便磁力線穿過密封環(huán)到達密封端面。研究發(fā)現(xiàn)，黏度對潤滑膜的動壓效應(yīng)影響顯著，對于螺旋槽機械密封，液膜的承載力與黏度成正比關(guān)系。

　　靜止狀態(tài)下，磁流體內(nèi)部的納米磁性顆粒將沿磁場方向形成顆粒鏈，顆粒鏈可抵抗剪切作用力，相當于增大了流體黏度。當外加磁場強度較強時，此時外加磁場強度比粒子間磁偶極子作用勢強度大很多，外加磁場作用勢占主導(dǎo)地位，絕大多數(shù)粒子沿外加磁場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，增加外加磁場強度可以增大垂直于磁場方向磁流體的黏度。為獲得對磁流體黏度控制的效果，設(shè)定外磁場方向垂直于密封環(huán)端面，即垂直于磁流體膜的剪切方向，如圖1 所示。調(diào)節(jié)外磁場強度，即可改變磁流體膜的黏度。

圖1 外磁場的方向

2、結(jié)論

　　(1) 針對非接觸式磁流體機械密封的外磁場發(fā)生要求，設(shè)計了磁場發(fā)生器并對密封環(huán)、極靴、導(dǎo)磁環(huán)、磁流體膜組成的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，結(jié)果表明，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)中磁力線形成了完整的“O”形回路，并且漏磁極少，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的選擇是合理的。

　　(2) 分析了整個系統(tǒng)的磁場強度H 和磁通量密度B 的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)密封間隙處磁場強度H 顯著高于其他位置，磁力線垂直于密封環(huán)端面且成一定的梯度分布，因此可以形成一定的密封壓差，同時滿足對磁流體黏度控制的要求。

　　(3) 通過調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器的電流可以調(diào)節(jié)磁流體膜的黏度，從而產(chǎn)生不同的動壓，實現(xiàn)對流體膜動壓效應(yīng)的控制。