一种零泄漏密封技术—纳米磁性流体密封研究的进展
纳米磁性流体密封是一种新型密封技术, 它具有零泄漏、无污染、无磨损、寿命长、结构简单等其他密封方式所无可比拟的优点。介绍了纳米磁性流体密封的原理、磁场和密封压差的计算设计方法、密封能力的影响因素等问题的研究现状。对纳米磁性流体密封的市场前景作了展望, 对其中存在的问题作了简要评述, 并指出了它的发展方向。
纳米磁性流体是一种新型的液体功能材料, 它是一种纳米铁磁性微粒(直径在0.1～10nm 之间) 在表面活性剂的包覆下, 稳定地分散在载液中而形成的一种胶体 。纳米铁磁性微粒在载液中作布朗运动, 获得动能, 悬浮于载液中, 从而保持流体的稳定性。这种特殊的液态磁性材料在机械、动力、航空航天和医学等方面有着广阔的应用前景。由于它的独特的超顺磁性, 流体密封是它的一个重要用途。
纳米磁性流体密封以其零泄漏、长寿命、无污染、高可靠性、低损耗性、无方向性及良好的自修复性在各种密封产品中独占鳌头, 其可应用的范围是很完美的密封技术之一。可实现的特殊密封领域有: 计算机磁盘存储器的密封; X射线管和X 射线机的旋转靶密封; 单晶真空旋转轴的密封; 在半导体工业中各种薄膜和光刻腐蚀等装置和半导体生产的清洁机器人的连接处密封; 在纺织和机械加工中的隔绝密封; 气体激光器, 真空加热炉, 发酵罐, 超导电机的密封;船舶的螺旋推进器的密封; 宇宙飞船上望远镜轴端部的密封, 以及人造心脏的线性运动密封等。
1、纳米磁性流体的密封原理
纳米磁性流体的密封原理如图1所示, 是由非磁性外壳、环形永久磁铁、环形磁极、导磁轴和纳米磁性流体组成, 磁极与外壳的静密封用O 形圈密封, 在转轴的表面或磁极的内表面开有若干齿槽聚焦结构,组成多级密封。这样, 由永久磁铁、两个环形磁极、纳米磁性流体和转轴构成闭合磁回路, 在磁极与转轴的间隙中产生强磁场, 纳米磁性流体被约束在间隙中。在磁场的作用下, 纳米磁性流体产生体积力,沿齿槽聚焦结构的极尖处形成液体“O”形密封圈。转轴可在该液体的“O”形圈中自由转动。靠该液体“O”形密封圈的承压能力起到旋转密封的作用。
1转轴; 2环形磁极; 3外壳;4静密封圈; 5永久磁铁; 6极尖及纳米磁性流体珠
图1 纳米磁性流体密封原理
它的承压过程和失效机理如下: 当无外加压差时, 纳米磁性流体稳定于极尖下, 纳米磁性流体所受磁场力为零。当存在外加压差时, 纳米磁性流体发生位移和变形, 因而产生磁场力, 磁场力与外加压差相平衡, 磁场力的大小取决于纳米磁性流体的位置和形状。当外加压差达到一定数值后, 磁场力不能与外力相平衡, 纳米磁性流体不再处于稳定的平衡状态, 被外力“推出”密封间隙, 从而密封失效。纳米磁性流体密封失效后, 压差降低, 纳米磁性流体会自动恢复其密封性能。多级密封中, 第一级密封失效时, 可由第二级密封承压, 第一级密封由于压差降低而恢复,从而形成联合承压。总压差不超过各级压差之和时纳米磁性流体密封就不会失效。
2、纳米磁性流体密封承压能力的计算方法
(1) 静止密封分析
从不同的角度出发, 纳米磁性流体密封承压能力有不同的计算方法, 比较有代表性的有如下几种。
1) Bernoulli方程法
因流体有粘性, 在液体运动时, 因粘性阻力使能量逸散. 在缓慢运动时, 粘性所致能量损失小到可以不计, 液体近似“无粘性液体”, 此时可以利用修正的Bernoulli 方程描述其状态。在不计重力的前提下,纳米磁性流体密封压差的表达式为:
式中: P2 - P1 —密封压差, M( H) —磁性流体的磁化强度, H —外磁场强度, 下标1 和2 分别表示磁性流体的低压和高压侧表面。在使用Bernoulli 方程时要作以下三个假设 : ①纳米磁性流体本身的重力和磁场力相比可以忽略; ②磁力线可以近似用圆弧代替, 并且认为等磁场线与磁力线重合; ③忽略纳米磁性流体的表面张力。而当上述情况与理想条件差别较大时, 必然会带来误差。
2) 虚位移原理法
这种方法假设磁力线是平行于纳米磁性流体曲面的, 如图2 所示。如果压差增加, 将对纳米磁性流体做功, 在数量上应该等于磁力线被拉长所需做的功 。磁力线被拉伸所做的功为:
图2 纳米磁性流体假想形状和计算磁力线长的几何图
3) 应力分析法
应力分析法认为纳米磁性流体内压强为常数, 根据流体介质中的Maxwell 应力张量推导出密封压差公式为:
式中: Ms —饱和磁化强度。
4) 纳米磁性流体静力学分析法
哈尔滨工业大学的邹继斌等根据磁性流体的连续介质模型, 推导出纳米磁性流体的内部压强, 并且通过应力分析得出纳米磁性流体表面的边界压差,进而推导出密封压差公式为:
式中: Mt —磁化强度的切向分量, ρ—纳米磁性流体的密度, g —重力加速度, h —纳米磁性流体的深度。
(2) 旋转密封分析
在旋转密封中, 离心力的作用使纳米磁性流体的运动状态发生变化。日本学者神山新一和武富荒都曾假设纳米磁性流体的运动速度是沿着径向按照线性规律变化的, 并且对旋转轴密封进行了理论分析。通过求解Navier - Stokes 方程, 得出特定磁极形状时旋转密封的压差公式为:
在理论上, 纳米磁性流体密封的静力分析已经比较成熟, 基本能够满足工程计算分析的要求, 但对任意磁极形状的旋转轴密封中离心力的作用却还有待进行深入的研究, 由于纳米磁性流体的特性受温度和磁场的影响, 结合电磁学、流体力学、热力学和流变对纳米磁性流体密封的理论进行系统的研究是非常必要的。
