目前對磁流體密封的研究主要有3 個方面:

1. 密封件和密封體系的設(shè)計與制作

　　密封體系的設(shè)計主要包括動態(tài)過程密封、隔絕密封、特殊機械密封和環(huán)境密封4 個方面。

　　1) 動態(tài)過程密封，是磁流體應(yīng)用中最早開發(fā)的, 應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、光學纖維、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99% ) , 使用壽命長(可長達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, 需進行不同處理。

　　用于高壓密封時, 由于密封能力是靠各級密封(一般每級密封為20～ 80kPa) 的壓力和, 而且當密封級數(shù)超過一定的級數(shù)(一般為70～80級) 后, 密封能力就不再提高。若要進一步提高密封壓力, 一般要采用壓力平衡或組合密封的方式來達到對較高壓力的密封。用于高速密封時, 要考慮磁流體的離心力和運動中產(chǎn)生的熱與溫度, 溫度過高時需采用循環(huán)水冷卻, 受離心力的限制主要與磁流體的性能和磁場強度有關(guān)。用于高溫密封, 是磁流體密封最薄弱的環(huán)節(jié)。當溫度超過永久磁鐵和磁流體許可溫度后, 磁場強度急劇下降, 磁流體的飽和磁化強度也急劇下降,從而使密封裝置失去密封能力。

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

　　3) 特殊機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、水陸二用坦克動力傳遞軸的密封等, 具有密封可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修少、壽命長等特點。

　　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)和危險物品的排放, 除了配件、閥門和接頭外, 主要是泵。采用一級機械密封和一級磁流體密封, 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8 年無泄漏的報道。當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試

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

圖1　密封性能測試裝置示意圖

　　1) 極限耐壓能力測量，啟動電機, 使軸按規(guī)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn), 同時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, 當壓力增加到一定值時, 壓力表上的標值會突然降低, 這時的壓力就是所測的極限耐壓能力。耐壓能力與磁流體性能、密封裝置的密封級數(shù)和密封間隙、軸的轉(zhuǎn)速、溫度等有關(guān)。在實驗研究中, 可以改變以上因素, 并測得其極限耐壓能力, 從而得到不同因素對耐壓能力的影響。

　　2) 泄漏，先將圖2 所示的系統(tǒng)以真空密封的方式抽真空, 當真空度到達10^-6Pa 時, 用1×10^-11std·cc/s He 氦質(zhì)譜檢漏儀直接測得除磁流體密封以外所有部位的密封; 然后開啟電機和壓力泵, 把壓力腔的壓力增大到試驗要求, 再關(guān)好截止閥, 每經(jīng)過一定時間后觀察和記錄壓力表的數(shù)值, 最后根據(jù)測得的壓力變化確定泄漏情況(單位:m³/Pa·s)。

　　3) 使用壽命，使用壽命無法直接測量, 需要把旋轉(zhuǎn)速度、磁場強度、磁流體的飽和蒸汽壓等按一定比例放大或縮小, 然后進行模擬試驗, 測得模擬使用壽命, 最后換算為使用壽命。

　　4) 功率損失，是用磁流體密封裝置進行功率傳遞時的輸入功率與輸出功率之差, 也可用傳遞效率來表示。其主要由軸承的效率決定, 因為密封用磁流體引起的功率損失很小, 只是旋轉(zhuǎn)時磁流體被剪切而轉(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到的最大的真空度。一般磁流體密封裝置可以長時間穩(wěn)定地達到10^-6Pa 的真空度。測量真空度時必須使真空腔的體積盡量小, 具體測量與1)、2) 指標相同, 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磁流體濺射特點和重新愈合。如圖2 所示, 在磁極兩側(cè)壓力相同時, 磁流體的狀態(tài)為圖2a, 當右側(cè)的壓力大于左側(cè)時, 磁流體發(fā)生彎曲(見圖2b) , 當兩側(cè)的壓力差大于一定值時就有氣泡穿過磁流體(見圖2c) , 若兩側(cè)壓力差很大時, 磁流體就會被擊穿, 被擊穿時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, 磁流體又會重新愈合, 恢復(fù)耐壓能力, 這是磁流體密封的特點。而且磁流體的破裂濺射能使裝配時磁流體分布的不均勻變得均勻, 一般每個磁流體密封裝置在剛加壓時均會有此種現(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)出耐壓能力的計算公式相當困難, 目前只有一些近似計算公式和數(shù)值計算方法。

　　1) 近似計算公式

　　目前設(shè)計中使用的最為常見的簡便公式(單級密封) 為:

　　式中: Dp ——承受的壓差, Pa;M s——磁流體的飽和磁化強度, Gs;H ——磁場強度,Oe。

　　如磁流體的飽和磁化強度為500Gs, 間隙中的磁場強度為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。但這個公式是建立在擴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)過程沒有考慮到受壓力后磁流體彎曲等現(xiàn)象, 與試驗測量有較大的偏差。本文中考慮了以上因素進行計算, 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) 計算, 當間隙為0.3mm , 極齒寬度為0.3～ 0.5mm 時, 與式(1) 相符, 如間隙很小, 如為0.05mm 時, 式(2) 的計算值遠遠超過式(1) 的計算值, 與試驗值較為接近, 見圖3。

圖3　間隙對密封耐壓性能的影響

2) 數(shù)值計算

　　磁流體密封的數(shù)值計算所涉及的范圍與近似計算公式相差很大, 其主要涉及磁場構(gòu)型、磁流體注入量和流體動力學對密封能力的影響。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, 以矢量磁位為計算量得到磁流體密封裝置中間隙內(nèi)的磁場分布情況, 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)值上研究了一級磁流體密封的流體動力學, 討了磁場構(gòu)型對磁力與離心力競爭而產(chǎn)生的對密封能力的影響, 獲得了最佳磁流體注入量。Rakhuba. V. K 等進行了2 個復(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)形薄層的三維流動結(jié)構(gòu)和能力耗散的數(shù)值研究, 得到了橫向流動對能量耗散的影響隨轉(zhuǎn)動速度增大而增大, 為高速旋轉(zhuǎn)的磁流體密封的設(shè)計和研究提供了分析依據(jù)。