一種零泄漏密封技術(shù)—納米磁性流體密封研究的進(jìn)展

　　納米磁性流體密封是一種新型密封技術(shù), 它具有零泄漏、無污染、無磨損、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等其他密封方式所無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。介紹了納米磁性流體密封的原理、磁場(chǎng)和密封壓差的計(jì)算設(shè)計(jì)方法、密封能力的影響因素等問題的研究現(xiàn)狀。對(duì)納米磁性流體密封的市場(chǎng)前景作了展望, 對(duì)其中存在的問題作了簡(jiǎn)要評(píng)述, 并指出了它的發(fā)展方向。

　　納米磁性流體是一種新型的液體功能材料, 它是一種納米鐵磁性微粒(直徑在0.1～10nm 之間) 在表面活性劑的包覆下, 穩(wěn)定地分散在載液中而形成的一種膠體 。納米鐵磁性微粒在載液中作布朗運(yùn)動(dòng), 獲得動(dòng)能, 懸浮于載液中, 從而保持流體的穩(wěn)定性。這種特殊的液態(tài)磁性材料在機(jī)械、動(dòng)力、航空航天和醫(yī)學(xué)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于它的獨(dú)特的超順磁性, 流體密封是它的一個(gè)重要用途。

　　納米磁性流體密封以其零泄漏、長(zhǎng)壽命、無污染、高可靠性、低損耗性、無方向性及良好的自修復(fù)性在各種密封產(chǎn)品中獨(dú)占鰲頭, 其可應(yīng)用的范圍是很完美的密封技術(shù)之一�？蓪�(shí)現(xiàn)的特殊密封領(lǐng)域有: 計(jì)算機(jī)磁盤存儲(chǔ)器的密封; X射線管和X 射線機(jī)的旋轉(zhuǎn)靶密封; 單晶真空旋轉(zhuǎn)軸的密封; 在半導(dǎo)體工業(yè)中各種薄膜和光刻腐蝕等裝置和半導(dǎo)體生產(chǎn)的清潔機(jī)器人的連接處密封; 在紡織和機(jī)械加工中的隔絕密封; 氣體激光器, 真空加熱爐, 發(fā)酵罐, 超導(dǎo)電機(jī)的密封;船舶的螺旋推進(jìn)器的密封; 宇宙飛船上望遠(yuǎn)鏡軸端部的密封, 以及人造心臟的線性運(yùn)動(dòng)密封等。

1、納米磁性流體的密封原理

　　納米磁性流體的密封原理如圖1所示, 是由非磁性外殼、環(huán)形永久磁鐵、環(huán)形磁極、導(dǎo)磁軸和納米磁性流體組成, 磁極與外殼的靜密封用O 形圈密封, 在轉(zhuǎn)軸的表面或磁極的內(nèi)表面開有若干齒槽聚焦結(jié)構(gòu),組成多級(jí)密封。這樣, 由永久磁鐵、兩個(gè)環(huán)形磁極、納米磁性流體和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成閉合磁回路, 在磁極與轉(zhuǎn)軸的間隙中產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng), 納米磁性流體被約束在間隙中。在磁場(chǎng)的作用下, 納米磁性流體產(chǎn)生體積力,沿齒槽聚焦結(jié)構(gòu)的極尖處形成液體“O”形密封圈。轉(zhuǎn)軸可在該液體的“O”形圈中自由轉(zhuǎn)動(dòng)�？吭撘后w“O”形密封圈的承壓能力起到旋轉(zhuǎn)密封的作用。

1轉(zhuǎn)軸; 2環(huán)形磁極; 3外殼;4靜密封圈; 5永久磁鐵; 6極尖及納米磁性流體珠

圖1 　納米磁性流體密封原理

　　它的承壓過程和失效機(jī)理如下: 當(dāng)無外加壓差時(shí), 納米磁性流體穩(wěn)定于極尖下, 納米磁性流體所受磁場(chǎng)力為零。當(dāng)存在外加壓差時(shí), 納米磁性流體發(fā)生位移和變形, 因而產(chǎn)生磁場(chǎng)力, 磁場(chǎng)力與外加壓差相平衡, 磁場(chǎng)力的大小取決于納米磁性流體的位置和形狀。當(dāng)外加壓差達(dá)到一定數(shù)值后, 磁場(chǎng)力不能與外力相平衡, 納米磁性流體不再處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài), 被外力“推出”密封間隙, 從而密封失效。納米磁性流體密封失效后, 壓差降低, 納米磁性流體會(huì)自動(dòng)恢復(fù)其密封性能。多級(jí)密封中, 第一級(jí)密封失效時(shí), 可由第二級(jí)密封承壓, 第一級(jí)密封由于壓差降低而恢復(fù),從而形成聯(lián)合承壓�？倝翰畈怀�過各級(jí)壓差之和時(shí)納米磁性流體密封就不會(huì)失效。

2、納米磁性流體密封承壓能力的計(jì)算方法

(1) 靜止密封分析

　　從不同的角度出發(fā), 納米磁性流體密封承壓能力有不同的計(jì)算方法, 比較有代表性的有如下幾種。

1) Bernoulli方程法

　　因流體有粘性, 在液體運(yùn)動(dòng)時(shí), 因粘性阻力使能量逸散. 在緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí), 粘性所致能量損失小到可以不計(jì), 液體近似“無粘性液體”, 此時(shí)可以利用修正的Bernoulli 方程描述其狀態(tài)。在不計(jì)重力的前提下,納米磁性流體密封壓差的表達(dá)式為:

　　式中: P2 - P1 —密封壓差, M( H) —磁性流體的磁化強(qiáng)度, H —外磁場(chǎng)強(qiáng)度, 下標(biāo)1 和2 分別表示磁性流體的低壓和高壓側(cè)表面。在使用Bernoulli 方程時(shí)要作以下三個(gè)假設(shè) : ①納米磁性流體本身的重力和磁場(chǎng)力相比可以忽略; ②磁力線可以近似用圓弧代替, 并且認(rèn)為等磁場(chǎng)線與磁力線重合; ③忽略納米磁性流體的表面張力。而當(dāng)上述情況與理想條件差別較大時(shí), 必然會(huì)帶來誤差。

2) 虛位移原理法

　　這種方法假設(shè)磁力線是平行于納米磁性流體曲面的, 如圖2 所示。如果壓差增加, 將對(duì)納米磁性流體做功, 在數(shù)量上應(yīng)該等于磁力線被拉長(zhǎng)所需做的功 。磁力線被拉伸所做的功為:

圖2 　納米磁性流體假想形狀和計(jì)算磁力線長(zhǎng)的幾何圖

3) 應(yīng)力分析法

　　應(yīng)力分析法認(rèn)為納米磁性流體內(nèi)壓強(qiáng)為常數(shù), 根據(jù)流體介質(zhì)中的Maxwell 應(yīng)力張量推導(dǎo)出密封壓差公式為:

　　式中: Ms —飽和磁化強(qiáng)度。

4) 納米磁性流體靜力學(xué)分析法

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄒繼斌等根據(jù)磁性流體的連續(xù)介質(zhì)模型, 推導(dǎo)出納米磁性流體的內(nèi)部壓強(qiáng), 并且通過應(yīng)力分析得出納米磁性流體表面的邊界壓差,進(jìn)而推導(dǎo)出密封壓差公式為:

　　式中: Mt —磁化強(qiáng)度的切向分量, ρ—納米磁性流體的密度, g —重力加速度, h —納米磁性流體的深度。

(2) 旋轉(zhuǎn)密封分析

　　在旋轉(zhuǎn)密封中, 離心力的作用使納米磁性流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。日本學(xué)者神山新一和武富荒都曾假設(shè)納米磁性流體的運(yùn)動(dòng)速度是沿著徑向按照線性規(guī)律變化的, 并且對(duì)旋轉(zhuǎn)軸密封進(jìn)行了理論分析。通過求解Navier - Stokes 方程, 得出特定磁極形狀時(shí)旋轉(zhuǎn)密封的壓差公式為:

　　在理論上, 納米磁性流體密封的靜力分析已經(jīng)比較成熟, 基本能夠滿足工程計(jì)算分析的要求, 但對(duì)任意磁極形狀的旋轉(zhuǎn)軸密封中離心力的作用卻還有待進(jìn)行深入的研究, 由于納米磁性流體的特性受溫度和磁場(chǎng)的影響, 結(jié)合電磁學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)和流變對(duì)納米磁性流體密封的理論進(jìn)行系統(tǒng)的研究是非常必要的。