CN103438222A - 一种通过加入微米级非磁性固体颗粒以提高磁性液体密封耐压能力的方法 - Google Patents

Abstract

磁性液体密封的基本原理是：把磁性液体注入至高性能的永磁体、导磁良好的极靴和轴所构成的导磁回路的间隙中，会形成数个液体“O”型圈。当磁性液体受压差作用时，会在非均匀磁场中移动，这时不均匀的磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力进而达到新的平衡，这样就起到了密封的作用。然而，当密封间隙大于0.5mm（一般小于1mm）时，磁性液体内的纳米级的铁磁性固体颗粒会在非均匀磁场的作用下向磁场强度高的区域偏聚，从而降低装置的耐压能力。本发明提供一种方法，通过向磁性液体中加入1μm至10μm之间的微米级的非磁性固体颗粒，如耐磨、耐腐蚀的氧化硅或氧化铝陶瓷粉末，在不降低整体密封能力的前提下，缓解因磁性液体固体颗粒偏聚造成的密封能力失效问题，延长了装置的使用寿命，并且可以降低成本。

Description

一种通过加入微米级非磁性固体颗粒以提高磁性液体密封耐压能力的方法

技术领域

本发明属于机械工程密封技术领域，特别适用于磁性液体密封，具体地说，本发明涉及一种提高磁性液体密封装置耐压能力的方法。 

背景技术

在磁性液体密封装置中，通常情况下，极靴与轴所构成的密封间隙在0.1mm至0.2mm之间。在磁场作用下，磁性液体填充在密封间隙内。此时，磁性液体内的纳米量级的铁磁性颗粒可长期稳定悬浮，并均匀的分散在基载液中，使得密封装置具有良好的耐压能力。但当密封间隙大于0.5mm（一般小于1mm）时，磁性液体内的颗粒在非均匀磁场的作用下，随着磁场梯度的变化在磁场强度高的区域产生聚集。即单位体积内磁场强度高的区域内的固体颗粒数量大于磁场强度低的区域内的固体颗粒数量，导致磁性液体内部固体颗粒分布不均匀，磁性液体整体耐压能力下降，从而影响密封装置的工作性能。 

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，磁性液体密封装置中，极靴与轴的密封间隙大于0.5mm（一般小于1mm）时，磁性液体内的纳米量级的铁磁性固体颗粒在非均匀磁场作用下偏聚所造成的固体颗粒分布不均匀，导致磁性液体耐压能力下降。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

在磁性液体的制备过程中，向磁性液体中加入1μm至10μm之间的非磁性固体颗粒，在外加磁场作用下，只要存在一定的磁场梯度，外加的非磁性固体颗粒可长期稳定悬浮于磁性液体中。稳定悬浮的微米级的固体颗粒均匀分布在磁性液体的中，阻碍纳米固体颗粒由非均匀磁场作用而导致的运动，减少了纳 米固体颗粒的偏聚，有效改善磁性液体中固体颗粒的分布。因此，在影响磁性液体密封性能的前提之下，加入1μm至10μm之间的非磁性固体颗粒，如硬度较高、耐磨、耐腐蚀、化学性质稳定的陶瓷粉末，可以防止磁性液体偏聚造成耐压能力下降而导致的装置失效问题。 

另外由于一些微米级的非磁性固体颗粒与磁性液体相比，制备工艺相对简单，而且成本低廉。因此，向磁性液体中加入1μm至10μm之间的非磁性固体颗粒既可延长磁性液体的使用寿命，保证耐压能力长期稳定不变，又可以降低装置在使用过程中的成本。 

本发明的理论基础是静止非磁性淹没的物体受磁性液体的作用力与悬浮原理。由边界条件得出，淹没于磁性液体的非磁性的物体的表面反压是p，将磁性液体对淹没物体的作用力表示为： 

    式中S是物体的表面积 

利用流体流动为定常情况下的Bernoulli方程 

$p^{*}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_f{V}^2+{\mathrm{\ρ}}_f\mathrm{gh}-{\mathrm{\μ}}_0{\∫}_0^H\mathrm{MdH}=C$

和边界条件p＝p^*+p_n，且定义式

有     $p^{*}=C-{\mathrm{\ρ}}_f\mathrm{gh}+{\mathrm{\μ}}_0{\∫}_0^H\mathrm{MdH}$

于是有    

使用散度公式：    

则     $F=-{\∫}_{V_0}\▿[C-{\mathrm{\ρ}}_f\mathrm{gh}+{\mathrm{\μ}}_0{\∫}_0^H\mathrm{MdH}+\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2}{M}_n^2]{\mathrm{dV}}_0$     式中V₀是S所包围的体积 

因为C是常数，所以

由于 $\▿{\∫}_0^H\mathrm{MdH}=M\▿H$ 以及 $\▿\frac{1}{2}{M}_n^2=M_n{\▿M}_n$

代入上面的关系式得 $F={\∫}_{V_0}({\mathrm{\ρ}}_{f}g\▿h-{\mathrm{\μ}}_{0}M\▿H-{\mathrm{\μ}}_0{M}_n{\▿M}_n){\mathrm{dV}}_0$

若

和

均与体积V₀无关，且定义平均值

和

为 

$\stackrel{\‾}{M}=\frac{1}{V_0}{\∫}_{V_0}M{\mathrm{dV}}_0$     和     $\stackrel{\‾}{M_n}=\frac{1}{V_0}{\∫}_{V_0}{M}_n{\mathrm{dV}}_0$

则有磁性液体作用于非磁性的物体上的力： 

$F=({\mathrm{\ρ}}_{f}g\▿h-{\mathrm{\μ}}_0\stackrel{\‾}{M}\▿H-{\mathrm{\μ}}_0\stackrel{\‾}{M_n}{\▿M}_n)V_0$

仅考虑垂直于液面方向的力，它就是浮力F_z，若h和z轴平行，则F_z就成为 

$F_z=({\mathrm{\ρ}}_{f}g-{\mathrm{\μ}}_0\stackrel{\‾}{M}\frac{\∂H}{\∂z}-{\mathrm{\μ}}_0\stackrel{\‾}{M_n}\frac{{\∂H}_n}{\∂z})V_0$

所以，改变外加磁场梯度，总可以使密度大于磁性液体的物体漂浮于磁性液体中，或者使密度小于磁性液体的物体沉入磁性液体底部。 

本发明和已有技术相比所具有的有益效果： 

首先分析现有技术极靴上单个极齿两侧（如图2和图3所示）的耐压情况： 

假设：①磁性液体本身的重力和磁场力相比较可以忽略； 

②磁力线可以近似用圆弧来代替，并且认为等磁场线与磁力线相重合； 

③忽略磁性液体的表面张力。 

用于Bernoulli方程，有 

$p_1^{*}-{\mathrm{\μ}}_0{\∫}_0^{H_1}\mathrm{MdH}=p_2^{*}-{\mathrm{\μ}}_0{\∫}_0^{H_2}\mathrm{MdH}$

因为已假设等磁场线与磁力线相重合，所以磁性液体的内、外侧表面是沿磁力线的。又因为磁性液体的磁化强度矢量M和磁场强度矢量H是平行的，所以M也是沿着圆弧的磁力线。因此，在磁性液体两侧表面的磁化强度的法线方向M_n不存在。 

于是，边界条件给出 $p_1^{*}=p_1$ 和 $p_2^{*}=p_2$

代入得     $\mathrm{\Δp}=p_1-p_2={\mathrm{\μ}}_0{\∫}_{H_2}^{H_1}\mathrm{MdH}$

当磁性液体两侧的压力相等时，Δp=0，这时磁性液体密封膜处于自由状态。 

当一侧压力升高，两侧表面的磁场力之差所平衡的压力差达到最大时，即Δp_max，称为密封能力：     $\mathrm{\Δp}={\mathrm{\μ}}_0{\∫}_{H_{\min }}^{H_{\max }}\mathrm{MdH}$

若整个密封间隙的磁场强度都很高，整个磁性液体密封膜处于饱和磁化状态 下，则有： 

Δp=μ₀M_s(H₁-H₂)式中M_s为磁性液体的饱和磁化强度 

由此可知，磁性液体密封装置的密封能力取决于极靴和轴之间的密封间隙的磁场梯度。 

通过分析可知，控制好密封间隙的磁场梯度，就可以保证外加入磁性液体的1μm至10μm之间的具有非磁性的固体颗粒稳定悬浮，并通过稳定悬浮提高磁性液体中整体固体颗粒分布的均匀性，提高磁性液体密封装置的密封能力。减少在大间隙条件下，磁性液体中的纳米颗粒由于非均匀磁场的影响下的偏聚所引起的密封失效。 

附图说明

图1一种新型的密封耐压结构设计 

图2极靴上磁性液体的分布情况。 

图3单个极齿两侧的耐压情况。 

具体实施方式

本发明提供一种方法，通过向磁性液体中加入1μm至10μm之间的微米级的非磁性固体颗粒，如耐磨、耐腐蚀的氧化硅或氧化铝陶瓷粉末，在不降低整体密封能力的前提下，缓解因磁性液体固体颗粒偏聚造成的密封能力失效问题，延长了装置的使用寿命，并且可以降低成本。 

所述方法适用于采用煤油基、机油基和二酯基磁性液体密封的磁性液体密封装置。所采用的1μm至10μm之间的非磁性颗粒包括氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅粉末。 

Claims (1)

1.一种磁性液体旋转密封装置。该装置包括：套、轴承、橡胶密封圈、永磁铁、极靴、磁性液体、螺钉、调节垫片、法兰盘。把磁性液体注入至高性能的永磁体、导磁良好的极靴和轴所构成的导磁回路的间隙中，会形成数个液体“O”型圈。当磁性液体受压差作用时，会在非均匀磁场中移动，这时不均匀的磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力进而达到新的平衡，这样就起到了密封的作用。

其特征在于：

本发明提供一种方法，通过向磁性液体中加入1μm至10μm之间的微米级的非磁性固体颗粒，如耐磨、耐腐蚀的氧化硅或氧化铝陶瓷粉末，在不降低整体密封能力的前提下，缓解因磁性液体固体颗粒偏聚造成的密封能力失效问题，延长了装置的使用寿命，并且可以降低成本。

所述方法适用于采用煤油基、机油基和二酯基磁性液体密封的磁性液体密封装置。所采用的1μm至10μm之间的非磁性颗粒包括氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅粉末。

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