李書文

（BUCT流體密封技術(shù)研究中心）

一、研究背景

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對密封裝置提出了更嚴(yán)格的要求。采用高黏度非牛頓流體作為載液,加入磁性微粒制備的磁性流體稱為磁脂，運(yùn)用于大直徑旋轉(zhuǎn)軸密封具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：無泄漏、磨損少、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長，更強(qiáng)的自修復(fù)能力。高黏度大直徑高性能磁脂密封作為流體密封技術(shù)研究中心開發(fā)的新型密封方式，與磁流體密封相比，具有更高的單級(jí)密封能力，更大的轉(zhuǎn)軸直徑和密封間隙，允許的徑向偏移和軸向偏移也更大，不僅可用于真空及氣相密封，還可用于以海水為典型代表的液相密封。

磁脂密封由永磁鐵、磁極、極靴、磁脂、導(dǎo)磁軸（或?qū)Т泡S套）組成，并形成封閉的磁回路。密封間隙的磁場梯度將磁脂吸附于極齒端部形成抵抗兩側(cè)壓差的密封能力。

二、密封特點(diǎn)

1.轉(zhuǎn)子和定子不接觸，不會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑，磁脂在磁場力作用下被吸附在極齒下方，阻止外部空氣或水進(jìn)入密封腔。

2.支持0.5mm以上密封間隙，較高黏度的磁脂在安裝時(shí)就可以吸附于極齒下方，充滿密封間隙即可形成密封作用。

3.磁脂的飽和磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通磁性液體，承壓能力更高，只要極齒兩側(cè)壓差小于磁場力，密封就不會(huì)產(chǎn)生任何泄漏。

4.高黏度的磁脂可以抵抗液相介質(zhì)的沖刷，將密封條件拓展到了海水或者其他液相環(huán)境。

三、研究現(xiàn)狀

流體密封技術(shù)研究中心針對磁脂密封的磁脂制備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封能力分析和試驗(yàn)進(jìn)行了一系列研究，主要研究技術(shù)總結(jié)為以下三類：

01　特種磁脂制備工藝

研究中心自主研發(fā)了特種磁脂，對影響磁脂性能的各種因素進(jìn)行了基于響應(yīng)面法的實(shí)驗(yàn)研究，得到了Z佳實(shí)驗(yàn)條件。對磁性顆粒實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，形成了特種磁脂制備工藝，保證了磁脂性能的穩(wěn)定性。本研究中心制備的磁性顆粒電鏡照片及尺寸分布如下圖所示。

02　磁脂密封承壓能力與溫度特性數(shù)值研究

采用ANSYS軟件，根據(jù)非線性磁場有限元法，建立了磁脂密封承壓能力數(shù)值模型，預(yù)測了磁脂密封的磁場分布，根據(jù)承壓能力與磁脂的飽和磁化強(qiáng)度、磁場梯度的公式，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)（齒高、齒寬、槽寬）對其承壓能力的影響規(guī)律，直接指導(dǎo)磁脂密封的設(shè)計(jì)。

根據(jù)磁脂的對流傳熱方程，建立了磁脂瞬態(tài)溫度場數(shù)值模型，預(yù)測了磁脂密封的溫度場分布，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)（齒高、齒寬、槽寬）、工況參數(shù)（冷卻方式、轉(zhuǎn)速）和磁脂粘度等對磁脂失效條件的影響規(guī)律，反向指導(dǎo)磁脂密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)兩相流及水平集方法，耦合磁場力，建立了基于層流假設(shè)的磁脂密封兩相流動(dòng)數(shù)值模型，預(yù)測了密封條件下磁脂與密封介質(zhì)界面動(dòng)態(tài)變化過程，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)（齒高、齒寬、槽寬）、工況參數(shù)（壓差、轉(zhuǎn)速）和磁脂粘度等對磁脂密封動(dòng)態(tài)過程的影響，對磁脂密封的作用機(jī)理做出了具體化和形象化的解釋。

03　磁脂密封試驗(yàn)研究

根據(jù)高黏度高性能磁脂密封工況參數(shù)，設(shè)計(jì)并搭建磁脂密封密封件試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)研究主要包括磁脂密封耐壓能力實(shí)驗(yàn)、磁脂密封壽命測量實(shí)驗(yàn)、磁脂密封摩擦生熱實(shí)驗(yàn)、磁脂密封海水因素作用試驗(yàn)。

四、典型應(yīng)用

01　艦船電機(jī)系統(tǒng)主軸密封

高黏度大直徑高性能磁脂密封解決了某海水環(huán)境工作條件下電機(jī)系統(tǒng)主軸密封的難題，該項(xiàng)目涉及以下難點(diǎn)：介質(zhì)為氟利昂，其氣態(tài)時(shí)滲透性強(qiáng)；軸徑達(dá)到600mm，軸向傳動(dòng)量1.5~2mm，徑向跳動(dòng)量0.5mm，轉(zhuǎn)軸精度低，工作線速度較高，密封條件較為惡劣；密封要適應(yīng)船用條件下傾斜、搖擺、振動(dòng)和沖擊等苛刻要求，并滿足船用條件下的“三防”要求，即密封要適應(yīng)潮濕、鹽霧和霉菌條件下的工作性能；密封使用壽命高于3年。

02　海水環(huán)境下電機(jī)旋轉(zhuǎn)密封

高黏度磁脂密封解決了某船舶研究所電機(jī)軸端密封的難題，該項(xiàng)目涉及以下難題：介質(zhì)為海水，沖刷作用較強(qiáng)；軸端焊接法蘭盤，密封結(jié)構(gòu)必須采用分半式；有鹽霧、油霧、霉菌的影響。

五　結(jié)語

基于高黏度大直徑高性能磁脂密封技術(shù)的相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)室共發(fā)表相關(guān)核心論文六篇，EI會(huì)議論文一篇，申請發(fā)明專利三項(xiàng)，成功解決實(shí)際密封難題兩項(xiàng)，形成了成熟的高黏度大直徑高性能磁脂密封技術(shù)。