密封间隙对磁流体密封能力的影响(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)杭州应用工程技术学院 作者:

  磁流体(或叫磁性流体,英文名:Magneticfluid 或 Ferrofluid)是由0.1~100nm(纳米)导磁微粒、分散剂和载体融合而成的胶体,具有许多特殊的功能,是目前国内外尖端的纳米技术之一。

  由于磁流体有二大特点:①在磁场的作用下,磁化强度随外加磁场的增加而增加,直止饱和,而外磁场去除后又无任何磁滞现象,磁场对磁流体的作用力表现为体积力。②与一般纳米粒子相同,只有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。是动态密封理想材料。

  磁流体密封的基本原理是:当磁流体注入磁场间隙,可以充满整个间隙,成了一系液体“O型密封圈",从而达到密封效果。磁流体密封装置由无磁性座、磁极、永磁铁、导磁轴和磁流体组成(见图1)。

  磁流体动态密封主要有以下特点:

  ①密封性能好,几乎无泄漏(<10-11Pa·m3/s),真空密封时的真空度可达10-5Pa。

  ②可靠性好,因为钕铁硼材料的磁损小于5%/100年,又几乎没有机械磨损。

  ③机械传输效率很高,可达99%,几乎无功率损失。

  目前磁流体密封装置已在许多设备上使用,例如在单晶硅炉、真空热处理炉、离子溅射、物理化学气相沉积、离子镀膜、液晶在生、电子指示器等设备的密封,以及计算机硬盘、机器人及军工产品等环境要求较高的设备的环境密封,获得了很好的经济效益。

  由于密封机理和磁流体本身的复杂性,影响密封能力的因素较多,主要有磁流体的性能(如磁饱和强度、粘度等物理化学磁学性能)、磁极极齿的结构参数、磁场大小及分布、工作条件(如温度、载荷等)、密封间隙等。对于间隙的影响,有人曾经做过研究,一般认为间隙越小,密封能力越强,但没有考虑转速、零件加工误差和装配误差等因素。

1.磁流体密封能力的理论计算

  磁流体在磁场中的行为遵循扩展的贝努利方程:

  其中u为流速;ρK为外力;p*为压力;ηs 为磁流体的粘度;H为磁场强度。

  根据图2可知,气体把磁流体从11'推到22',同时从22'到44'位置所做的功,等于磁流体从磁场强度为B1处移到B2处的能量,由此可推得在静态时每级磁流体密封圈能受的压力为:

  式中μ0为真空中的导磁率;B2,B1为磁流体二侧的磁感应强度;M为磁流体的磁化强度;Mt2,Mt1为磁流体二侧的磁化强度的切向分量。


  考虑到间隙处的磁场强度相当高,比磁流体的饱和磁化强度Ms高得多,所以2)式可以简化为:

 

  很明显从(3)式可以看出,磁流体密封能力只与饱和磁化强度和磁感应强度有关,而与工作间隙无关。这与实验结果及实际情况不符合。

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