磁流體黏度可隨外部磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，故可將其作為非接觸式機(jī)械密封端面的潤(rùn)滑介質(zhì)，通過(guò)改變外部磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)磁流體膜動(dòng)壓性能的控制。為提高磁流體動(dòng)壓機(jī)械密封的密封性能，設(shè)計(jì)一種磁場(chǎng)發(fā)生器，該磁場(chǎng)發(fā)生器可通過(guò)改變電流來(lái)調(diào)節(jié)磁流體膜的黏度，從而產(chǎn)生不同的動(dòng)壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體膜動(dòng)壓效應(yīng)的控制。采用數(shù)值分析的方法，對(duì)由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、磁流體膜及磁場(chǎng)發(fā)生器組成的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)進(jìn)行分析，獲得導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)中磁力線、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)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(guò)密封環(huán)端面，該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)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(chǎng)梯度，且磁流體膜中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)發(fā)生器的電流強(qiáng)度成正比。

　　磁流體密封是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，具有摩擦功耗小、密封嚴(yán)密零泄漏、長(zhǎng)壽命、高可靠性、無(wú)污染、可以在高速下運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械密封是目前應(yīng)用最普遍的動(dòng)密封，其中非接觸式機(jī)械密封利用潤(rùn)滑膜的動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的密封。許多研究人員對(duì)磁流體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎng)分布規(guī)律，并對(duì)磁流體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而，在傳統(tǒng)的磁流體密封當(dāng)中，磁場(chǎng)是由永磁體提供的，永磁體的電流密度J 為固定值，欲增強(qiáng)密封性能需要通過(guò)增加密封級(jí)數(shù)或者增加極靴的尺寸和級(jí)齒數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在多級(jí)密封中隨著級(jí)數(shù)的增加帶來(lái)了軸向尺寸過(guò)長(zhǎng)，密封結(jié)構(gòu)精度要求高等缺點(diǎn)。

　　基于電流強(qiáng)度I決定磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的原理，結(jié)合非接觸式機(jī)械密封和磁流體密封的特點(diǎn)，本文作者提出了磁流體膜黏度的控制方案，并設(shè)計(jì)了用于流體動(dòng)壓機(jī)械密封的磁場(chǎng)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)增加電流強(qiáng)度I來(lái)增加密封間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，并在整個(gè)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，使導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)飽和磁化，導(dǎo)磁性能達(dá)到最強(qiáng)，從而在尺寸不變的情況下大大減少了漏磁，增強(qiáng)了密封性能。考慮到狹窄密封間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確測(cè)量十分困難，利用ANSYS 軟件建立了密封環(huán)和磁場(chǎng)發(fā)生器的整體模型，分析了整個(gè)密封結(jié)構(gòu)以及密封間隙的磁場(chǎng)分布規(guī)律，獲得了電流強(qiáng)度I 與密封間隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的關(guān)系，通過(guò)對(duì)照外磁場(chǎng)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(dòng)壓效應(yīng)以及非接觸式磁流體密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1、磁流體動(dòng)壓密封原理及磁場(chǎng)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

　　1.1、磁流體動(dòng)壓密封原理

　　磁流體作為動(dòng)壓型機(jī)械密封的潤(rùn)滑介質(zhì)，對(duì)密封環(huán)和動(dòng)壓槽的結(jié)構(gòu)并無(wú)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(guò)密封環(huán)到達(dá)密封端面。研究發(fā)現(xiàn)，黏度對(duì)潤(rùn)滑膜的動(dòng)壓效應(yīng)影響顯著，對(duì)于螺旋槽機(jī)械密封，液膜的承載力與黏度成正比關(guān)系。

　　靜止?fàn)顟B(tài)下，磁流體內(nèi)部的納米磁性顆粒將沿磁場(chǎng)方向形成顆粒鏈，顆粒鏈可抵抗剪切作用力，相當(dāng)于增大了流體黏度。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，此時(shí)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度比粒子間磁偶極子作用勢(shì)強(qiáng)度大很多，外加磁場(chǎng)作用勢(shì)占主導(dǎo)地位，絕大多數(shù)粒子沿外加磁場(chǎng)方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，增加外加磁場(chǎng)強(qiáng)度可以增大垂直于磁場(chǎng)方向磁流體的黏度。為獲得對(duì)磁流體黏度控制的效果，設(shè)定外磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度，即可改變磁流體膜的黏度。

圖1 外磁場(chǎng)的方向

2、結(jié)論

　　(1) 針對(duì)非接觸式磁流體機(jī)械密封的外磁場(chǎng)發(fā)生要求，設(shè)計(jì)了磁場(chǎng)發(fā)生器并對(duì)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(jìn)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(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇是合理的。

　　(2) 分析了整個(gè)系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)滿足對(duì)磁流體黏度控制的要求。

　　(3) 通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)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(dòng)壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體膜動(dòng)壓效應(yīng)的控制。