磁流体密封技术的发展及应用综述
1、磁流体
磁流体也称磁液或铁磁流体( 英文为Magnetic Fluid 或Ferrofluid) , 它是将铁磁性纳米微粒掺入到载液中, 并用表面活性分散剂使其均匀地分散到载液中, 从而形成的一种固液相混的悬浮状的胶体。磁流体具有以下特点: ①在磁场的作用下, 磁化强度随外加磁场的增加而增加, 直至饱和, 而外磁场去除以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, 具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。③具有液体的流动性, 在通常的离心力和磁场的作用下, 既不沉降, 也不凝集。
表1 磁流体组分材料概况
磁流体是一种在工程技术甚至生物医学领域具有广泛用途的高科技材料。20 世纪60 年代中期, 美国首先成功用于解决宇航服可动部分的真空密封以及在失重状态下宇宙飞船液体燃料的固定问题。此后磁流体技术逐渐被人们所认识, 其研究应用一直是世界各国十分关注的前沿课题, 我国科研工作者经过数年的潜心研究, 于1997 年生产出首批产品。目前国际上仅美、中、俄、日等少数国家能够生产。磁流体结构模型及实物图如图1 所示, 磁流体组分材料概况如表1 所示。
1 - 载液 2 - 磁性微粒 3 - 分散剂实物图
图1 磁流体结构模型及实物图
2、磁流体密封
磁流体密封是利用在外加磁场作用下磁流体具有承受压力差的能力而实现的密封。其基本原理如图2所示, 磁性回路由永久磁铁、极靴和转轴组成。放置在导磁性良好的转轴与极靴顶部之间的制作精良的磁流体在高性能的永久磁铁产生的磁场作用下高度集中, 形成一个液体o型密封圈, 当磁流体受到压力差作用时, 磁流体在非均匀磁场中略微移动, 产生了对抗压力差的磁力, 从而达到新的平衡, 进而将转轴与极靴间的缝隙堵死而达到密封的目的。
1 - 永久磁铁 2 - 极靴 3 - 旋转轴 4 - 磁流体
图2 磁流体密封的基本原理
磁流体密封中的转轴可以是磁性体, 也可以是非磁性体。前者的磁束集中于转轴与极靴间的缝隙处,通过转轴构成磁性回路; 后者的磁束并不通过转轴,而是通过缝隙中的磁流体构成磁性回路。图2 所示的磁流体单磁铁双极靴密封结构的耐压能力差(小于0.1MPa) , 所以实践中大量采用的是多磁铁多极靴结构, 如图3 所示。图3 (a) 中磁流体密封采用多块磁铁, 每块磁铁与其对应的一对极靴构成各自独立的磁性回路, 各回路间采用绝磁材料隔开。图3 (b) 中只使用了一块磁铁, 这是一种单磁路多级磁流体密封结构。在理想情况下, 所有磁流体密封在每一级中充入的磁流体保证在转轴和极靴之间的每一级建立起一系列液体o型密封圈, 每一级需可以承受的压力差为0.015～0.02MPa , 整个区域的承压能力为各级密封圈承压能力的总和。
1 - 永久磁铁 2 - 导磁极靴 3 - 磁流体 4 - 转轴 5 - 隔环
图3 多级磁流体密封结构示意图
3、磁流体密封的特点
磁流体密封结构具有以下特点:
(1) 密封性能好: 目前采用的酯基磁流体可对介质进行严密的高度稳定的动密封或静密封, 几乎无泄漏( < 10- 11Pa·m3/s) , 甚至使用质谱仪也未必能检出泄漏, 真空密封时的真空度可达10 - 5 Pa 。
(2) 密封结构寿命长: 用于真空场合密封的磁流体的载液是一种惰性、稳定、低蒸汽压的二酯基有机物, 挥发量极低, 可长期使用, 10 年无需维修。
(3) 可靠性高: 磁流体密封件在正常情况下产生瞬时过压击穿时, 一旦压力降低至密封可以承受的程度时, 密封效果依然能够保持。用于真空场合的磁流体密封件一般要求其耐压能力超过0.2MPa 。
(4) 传输效率高: 磁流体密封装置在旋转状态下, 摩擦力极小, 无机械磨损, 发热低, 功率损耗极小, 传输效率几乎达100 % , 功率损耗仅仅考虑轴承的损失。
(5) 传递速度高: 磁流体密封装置具有高速运转的潜力, 可传递30000r/ min 的旋转运动。
(6) 无污染: 磁流体密封件本身不存在机械磨损, 没有微粒产生, 磁液饱和蒸汽压极低, 即使在真空状态下使用也不会产生污染。
(7) 良好的修复性: 磁流体密封装置在使用过程中, 如果因某些原因造成密封失效, 只要内部元件功能正常, 一般可在现场用较短的时间就能修复。
(8) 无方向性密封: 如果需要改变承压方向, 对于磁流体密封而言, 无需增加任何元件就能实现。
4、磁流体密封技术的应用
(1) 磁流体密封技术应用于真空密封
应用磁流体密封技术最早、最多、最成功的设备是各种真空设备。其中转轴或摆动杆的真空动密封目前已经达到标准化、通用化的程度。因为将旋转运动从大气侧传递到真空室时, 采用这种液体○型密封圈式动密封装置不但可以克服固体密封中易磨损、功耗大、寿命低、易污染等弊病, 而且由于液态的磁流体可以充满整个被密封的空间, 从而堵塞了一切可以漏气的通道, 实现了运转和停车两个过程中的零泄漏。另外, 节能效果明显, 不受轴偏心振动的影响, 密封结构简单不需维修。
(2) 磁流体密封技术应用于气体密封
磁流体密封技术作为真空容器抽空后充入工作气体或防止容器内有毒气体或贵重气体的泄漏时还可以用于密封气体。这种密封不但可以有效地防止杂质对真空室的侵入, 还可以保护工作气体的纯度, 而且也不存在磁流体对密封介质的侵蚀。
(3) 磁流体密封技术应用于液体密封
磁流体应用于密封液体目前虽然尚未达到实用化的阶段, 但是由于这种密封所具有的零泄漏特性, 在防止固体和液体的阻隔密封中, 有极大的应用价值。这类密封存在被密封的液体介质易与磁流体接触而引起乳化、变质从而导致密封失效的缺点。在磁流体材料品种少、稳定性差的初期, 研究较早较多的是采用辅助手段将密封液体与磁流体分隔开来, 阻止二者直接接触以避免对磁流体的侵害, 从而将问题转化为各种各样的组合密封结构, 例如磁流体密封与螺旋密封组合, 利用螺旋密封有效地将被密封液体与磁流体隔开, 保证磁流体密封正常工作, 防止向内泄漏和停车泄漏, 另外还有磁流体密封与离心密封、端面密封等多种组合形式, 一般都是为了充分利用磁流体密封的零泄漏、低摩擦、低功耗等特性, 但密封结构偏于复杂。另一条有效的技术途径是选用能与被密封液体接触但不受侵害的磁流体, 这依赖于开发出专门针对某种特定被密封液体的高稳定性的磁流体。最早应用的报道是使用油基磁流体密封深水泵内部电机的旋转轴, 取得了令人满意的效果; 将磁流体密封用于舰船螺旋推进器的主轴密封, 代替传统的盘根密封, 可使主轴功率损耗降低10～40 % , 明显提高了船的航行速度。
