真空磁流体密封的结构设计与工作原理(1)

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       1965年美国papell发明一种磁流体是把磁铁矿等强磁性的细微粉末(约0.1nm~10nm)放入水、油类、脂类、醚类等液体中形成稳定分散的一种胶态液体。这种液体在通常离心力和磁场作用下,既不下沉、凝聚又具有磁性,可被磁铁吸引。把这种液态磁性体用于真空转轴密封,称为真空磁流体密封。它与其它密封技术相比有下列优点:

     (1)磁流体密封真空转轴的摩擦力很小,可减少功耗和提高轴的最高转速(可达120000r/min)。采用低蒸气压磁流体密封,可使真空度维持在10-7Pa以上。

     (2)磁流体密封结构简单、维护方便,轴与极靴间的间隙较大,制造精度要求低。

     (3)磁流体在密封空隙中是靠磁铁产生的磁场固定的,因此转轴的启动和停止比较方便.

     磁流体密封装置在高温下不稳定,工作温度一般在-30oC~100oC之间。轴在过高或过低温度下工作时,需采取冷却或升温措施,从而使密封结构复杂化。

1. 磁流体密封原理

       磁流体密封原理如图1所示。圆环形永久磁铁1、极靴2和旋转轴3构成磁回路。磁铁产生的磁场使磁流体4集中在轴与极靴顶端缝隙中,形成一个所谓的磁流体密封O形环,从而实现密封。转轴材料可以是磁性体(图1(a))和非磁性体(图1(b));前者磁束集中于间隙处并通过转轴构成磁回路,后者磁束不通过转轴,而是通过密封间隙中的磁流体构成磁回路。

图1  磁流体的密封原理及密封方式

1--永久磁铁;2--极靴;3--旋转轴;4--磁流体

磁流体的密封原理及密封方式

2. 磁流体的承压能力

       磁流两侧承受的压力差Δp与磁流体两侧面的场强有关,也就是与磁流体在轴向上的厚度有关,而轴向厚度取决于磁流体注入量。磁流体耐压与注入量之间的实验曲线,如图2所示。可以看出,开始时增大磁流体注入量,耐压线性增加;但注入量达到一定值以后,耐压不再增加,而是稳定在某一恒定状态。图中注入量6倍以后,单极靴的耐压值平衡在0.02MPa

图2  磁流体注入量与耐压的关系

磁流体注入量与耐压的关系 

       图1的斜面齿型极靴的耐压值,当磁铁的场强很大时可按计算

       增加Bi可封住较大的压力差Δp。由于Bi的大小取决于磁流体种类,因此,在一定磁场下,密封装置的磁流体种类选定后,其单极靴的最大耐压能力也就确定了。表1给出了常用的磁流体的物理性质。

表1  常用的磁流体的物理性质

常用的磁流体的物理性质 

3. 磁流体密封转轴转数对耐压的影响

      密封轴转数增大(磁流体接触表面速度增大),高速旋转摩擦耗功增加而使磁流体温度升高,导致磁流体载液的蒸发和表面活化剂的脱离而恶化密封性能,耐压能力也将随磁流体温升而下降。图3给出耐压与温度的关系曲线。设计时应将转轴表面线速度控制在20m/s以下,或者对磁流体进行冷却,控制磁流体温度,防止温度过高。

      磁流体油封的摩擦功耗,可用下式表示:

图3  磁流体密封耐压与温度关系

磁流体密封耐压与温度关系

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