CN111981134B - 一种磁性流体动密封装置及磁性流体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁性流体动密封装置及磁性流体的制备方法,涉及一种动密封装置及磁性流体的制备方法。本发明解决了现有磁性流体密封装置无法同时满足高线速度、长寿命和大间隙的问题。本发明的下层极靴、一个钕铁硼磁铁、中层极靴、另一个钕铁硼磁铁和上层极靴安装在壳体的内侧壁与空心导磁座的外侧壁之间,磁性流体为高斯饱和强度低粘度磁性流体,磁性流体注入到上层极靴、中层极靴和下层极靴与空心导磁座的外侧壁之间。将50g的Fe3O4磁粉和5g的Fe3O4/石墨烯复合材料放入混合辛癸酸甘油单酯中搅拌;加入表面活性剂继续搅拌;再将3g聚异丁烯放入上述混合液中继续搅拌,升温到150℃;加入脂肪胺聚氧乙烯醚搅拌,得到低粘度高稳定磁性流体。本发明用于磁性流体动密封。
Description
技术领域
本发明涉及一种动密封装置及磁性流体的制备方法,具体涉及一种磁性流体动密封装置及磁性流体的制备方法。
背景技术
磁性流体密封装置可以应用在轴传动密封的设备上,如单晶炉、镀膜机、离心机等领域。磁性流体既具有磁性材料和液体的特性,又具有利用磁场控制流变性。材环形磁场条件下可产生O形密封圈牢固附着在被磁力线环绕的轴表面,在正压或负压条件下依靠磁吸引力来抵抗外界压力。但是目前的磁性流体密封装置只能实现、小的间隙、小尺寸、低转速短寿命的条件下才能运行。
目前很多大型设备中需要大间隙、大尺寸、高转速和长短寿命的磁性流体密封装置。发明中国专利《一种大直径大间隙磁性液体静密封结构》(公开号:CN101776146A)用齿宽1mm、齿高3mm、槽深3mm的极靴完成了300mm以上轴径和1mm以上间隙的静密封要求,但是由于高速旋转产生的离心力使磁性流体中的磁粉沉淀,磁场产生的吸引力无法抵抗离心力,因此无法达到高转速长寿命的要求。中国专利《高速旋转用磁性流体密封装置》(公开号:CN107076309A)利用冷却、绝热、导热和散热结构达到了4600rpm动密封的要求,但是其轴径和间隙小、寿命短等缺点。中国专利《使用于大间隙磁性液体密封用磁性液体》(公开号:CN102136334A)在二酯基磁性液体中加入了微米级铁颗粒完成大间隙密封要求,但是没有达到大直径高转速的要求,由于微米级颗粒在磁场条件下很容易产生矫顽力而沉淀会导致密封件寿命变短。
综上所述,现有的磁性流体密封装置存在无法同时满足高线速度、长寿命和大间隙的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的磁性流体密封装置存在无法同时满足高线速度、长寿命和大间隙的问题。进而提供了一种磁性流体动密封装置及磁性流体的制备方法。
本发明的技术方案是一种磁性流体动密封装置包括壳体、压盖、空心导磁座、空心底座和多个密封圈,空心导磁座安装在空心底座上,壳体套装在空心导磁座外侧并安装在空心底座上,壳体的内侧壁与空心导磁座的外侧壁之间留有间距,它还包括上层极靴、中层极靴、下层极靴、磁性流体、轴承座和两个钕铁硼磁铁,空心底座安装在轴承座上,下层极靴、两个钕铁硼磁铁中的一个钕铁硼磁铁、中层极靴、两个钕铁硼磁铁中的另外一个钕铁硼磁铁和上层极靴按照由下至上的顺序安装在壳体的内侧壁与空心导磁座的外侧壁之间,且上层极靴、中层极靴和下层极靴与壳体的内侧壁之间安装有多个密封圈,磁性流体为高斯饱和强度低粘度磁性流体,磁性流体注入到上层极靴、中层极靴和下层极靴与空心导磁座的外侧壁之间,压盖盖装在上层极靴和壳体上,空心导磁座外侧壁与上层极靴、中层极靴和下层极靴之间的间隙为0.5mm-2.2mm。
本发明还提供了一种磁性流体的制备方法,它包括以下步骤:
步骤一:将50g的Fe3O4磁粉和5g的Fe3O4/石墨烯复合材料放入30ml混合辛癸酸甘油单酯中100℃条件下搅拌60分钟;
步骤二:加入2g的氟化物非离子表面活性剂继续搅拌30分钟;
步骤三:再将3g聚异丁烯放入上述混合液中继续搅拌30分钟,升温到150℃;加入10ml脂肪胺聚氧乙烯醚,搅拌240分钟,得到低粘度高稳定磁性流体。
本发明与现有技术相比具有以下改进效果:
一、首先,本发明的极靴与导磁座之间的间隙达到了0.5mm-2.2mm,符合大间隙磁性流体动密封的标准。
二、其次,为了保证在大间隙磁性流体的动密封稳定性和可靠性,本发明采用了多极+多级的密封方式,也就是采用了三层极靴和双层磁铁,可产生四部分有效密封的区域,可达到高真空度密封。其中,钕铁硼磁铁,有效保证了磁吸引力,与磁性流体和导磁套形成强有力的磁性吸附,可有效抵抗外界压力。三组导磁极靴可吸收磁力线95%的分布,提高了密封能力的同时也防止了磁场外漏。
三、再次,本发明采用的磁性流体为高斯饱和强度低粘度磁性流体,磁性流体中Fe3O4/石墨烯复合材料,在磁场条件磁粉梯度分布时,靠石墨烯的悬浮力将磁粉固定在远离磁场的位置保证大间隙密封能力。同时对磁性流体的散热、磁性流体润滑和老化也起到提高作用。本发明中的磁性流体中加入了表面张力改进剂,可以提高载液中的磁粉含量,达到低粘度高磁饱和强度。在大间隙高线速度密封工况条件下依然能保证密封能力。本发明中的磁性流体中加入了粘度指数改进剂,使磁性流体在温度变化范围内粘度变化变小,有利于粘度降低引起的密封能力下降。
四、基于上述内容,本发明能够同时实现:在大间隙的前提下,采用多种方式来保证密封效果,能够将本发明的动密封装置使用寿命延长到5年以上,同时,还能够实现20m/s的高线速度旋转。满足大型军工设备和民用离心机等领域的使用需求。
五、本发明采用了空心导磁座和底座,安装、更换和维修方便快捷。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。图2是图1在A出的局部放大图。图3是其中一个极齿的结构示意图。图4是高磁饱和强度磁性流体的用Fe3O4透射电镜图。图5是高磁饱和强度磁性流体的稳定性分析图。图6是导磁套和极齿间隙内高磁饱和强度磁性流体图示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1至图3说明本实施方式,一种磁性流体动密封装置包括壳体1、压盖2、空心导磁座4、空心底座8和多个密封圈9,外壳1为非磁性不锈钢材料制成,空心导磁座4安装在空心底座8上,空心底座8为非磁性材料或弱磁性材料制成,壳体1套装在空心导磁座4外侧并安装在空心底座8上,壳体1的内侧壁与空心导磁座4的外侧壁之间留有间距,它还包括上层极靴5、中层极靴6、下层极靴7、磁性流体、轴承座11和两个钕铁硼磁铁10,空心底座8安装在轴承座11上,下层极靴7、两个钕铁硼磁铁10中的一个钕铁硼磁铁10、中层极靴6、两个钕铁硼磁铁10中的另外一个钕铁硼磁铁10和上层极靴5按照由下至上的顺序安装在壳体1的内侧壁与空心导磁座4的外侧壁之间,且上层极靴5、中层极靴6和下层极靴7与壳体1的内侧壁之间安装有多个密封圈9,磁性流体为高斯饱和强度低粘度磁性流体,磁性流体注入到上层极靴5、中层极靴6和下层极靴7与空心导磁座4的外侧壁之间,压盖2盖装在上层极靴5和壳体1上,空心导磁座4外侧壁与上层极靴5、中层极靴6和下层极靴7之间的间隙为0.5mm-2.2mm。
本实施方式的空心导磁座4为导磁材料。
本实施方式的磁铁为柱形钕铁硼磁铁。尺寸为:厚度5-20mm,直径为20-40mm,磁能积为250-300KJ/m3。
本实施方式使用隔磁套(指壳体1、压盖2和空心底座8)和导磁材料有效低防止了磁力线的泄漏。
本实施方案中,采用轴承座11来固定整体装置,起到散热和隔磁作用,防止轴承发热对磁性流体引起的影响和磁力线切割轴承引起的电腐蚀行为对整体部件寿命的影响。
本实施方案中,采用空心底座8来固定壳体和导磁套,起到固定、散热和隔磁作用,防止轴承发热对磁性流体引起的影响和磁力线泄漏引起的轴承部件电腐蚀行为对整体部件寿命的影响。还可以防止轴承中使用的润滑油在高速旋转时侵入磁性流体中破坏密封能力。
本实施方案中,采用多极多级密封方式,使用了双层磁铁,可产生四部分有效密封的区域,可达到高真空度密封。
本实施方案中使用了双层大于20ⅹ8mm的钕铁硼磁铁,有效保证了磁吸引力,与磁性流体和导磁套形成强有力的磁性吸附,可有效抵抗外界压力。
本实施方案中,采用40mm以上厚度的非导磁壳体,保证了使用了双层磁铁引起的磁泄露现象。
本实施方案中,采用40mm以上宽度200mm以上厚度的导磁套,可将密封整体部件径向固定在旋转抽上,同时和极靴和磁铁磁性流体形成一个高效的密封环,可有效抵抗外界压力。而且可以保证了使用了双层磁铁引起的磁泄露现象。而且有迷宫式密封设计,还可以防止轴承中使用的润滑油在高速旋转时侵入磁性流体中破坏密封能力。
本实施方案中,高磁饱和强度混合酯磁性流体(500高斯),强磁体作为密封的主要部件,通过较强的磁吸引力达到在大间隙条件下的动密封要求。
本实施方案中,导磁套和极靴采用同样的导磁材料(2Cr13),保障了磁导率相同,与磁铁和磁性流体形成有效的磁力线吸收体,产生抵抗压力的区域。
本实施方案中,壳体1、空心底座8以及安装盖板用的螺钉等为非磁性不锈钢材料(型号为SUS304)。
本实施方案中,可拆卸压盖设计用螺钉与壳体1进行紧固连接,可以方便加磁性流体。
具体实施方式二:结合图1至图2说明本实施方式,本实施方式的上层极靴5、中层极靴6和下层极靴7均由导磁材料制成。如此设置,防止磁力线泄露。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:结合图1至图2说明本实施方式,本实施方式的上层极靴5和下层极靴7的厚度小于中层极靴6的厚度。如此设置,使用了三组导磁极靴,上下极靴为厚度30mm宽度30mm以上,中间层为40mm宽度30mm以上。可吸收磁力线95%的分布,提高了密封能力的同时也防止了磁场外漏。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的上层极靴5、中层极靴6和下层极靴7的极齿宽度为1.2-3mm,极齿高度为2-6mm,极齿槽宽为2-6mm。如此设置,用来作为磁性流体工作位点。大的堆积高度能有效抵抗外界压力。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
与本实施方式的极齿相配合的空心导磁座外侧壁上的密封齿数为40个,尺寸为:宽度为1.2mm、极齿高度为2.4mm、槽宽为2.4mm。高磁饱和强度磁性流体材极齿部位产生稳定的密封。
具体实施方式五:结合图1至图2说明本实施方式,本实施方式的密封圈9为O型氟硅橡胶材料制成的密封圈。如此设置,三层静态密封(O型圈)提高了静态部位的密封效果,氟硅橡胶本身有耐高低温寿命长的特点,长时间使用不失去弹性而保证静态密封效果。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六:结合图1说明本实施方式,本实施方式的空心导磁座4外侧壁与上层极靴5、中层极靴6和下层极靴7之间的间隙为0.75mm。如此设置,有效保障了高速旋转产生的轴跳动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七:结合图1说明本实施方式,本实施方式的一种磁性流体的制备方法,它包括以下步骤:
步骤一:将50g的Fe3O4磁粉和5g的Fe3O4/石墨烯复合材料放入30ml辛癸酸甘油单酯中100℃条件下搅拌60分钟;
步骤二:加入2g的氟化物非离子表面活性剂继续搅拌30分钟;
步骤三:再将3g聚异丁烯放入上述混合液中继续搅拌30分钟,升温到150℃;加入10ml脂肪胺聚氧乙烯醚,搅拌240分钟,得到低粘度高稳定磁性流体,其磁饱和强度为500高斯,粘度为800cp。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
图4是使用的高磁饱和强度磁性流体的稳定性分析图。将40mL磁性流体放入50mL烧杯中放在20ⅹ8的磁铁上,24小时候测试比重为ρb,然后每隔十天测一次比重为ρw,稳定指数I=ρb/ρw。X坐标为测试时间,单位为天(24h)。Y坐标为稳定指数I。测试90天结果为比重没有发生明显变化,证明该磁性流体在强磁场条件下长期稳定。
本实施方式的磁性流体中Fe3O4/石墨烯复合材料,在磁场条件磁粉梯度分布时靠石墨烯的悬浮力将磁粉固定在远离磁场的位置保证大间隙密封能力。同时对磁性流体的散热也起到提高作用。
本实施方式的磁性流体中加入了表面张力改进剂,可以提高载液中的磁粉含量,达到低粘度高磁饱和强度。在大间隙高线速度密封工况条件下依然能保证密封能力。
本实施方式的磁性流体中加入了粘度指数改进剂,使磁性流体在温度变化范围内粘度变化变小,有利于粘度降低引起的密封能力下降。
本实施方式的载液为混合辛癸酸甘油单酯
本实施方式的粘度指数改进剂为聚异丁烯
本实施方式的表面活性剂为脂肪胺聚氧乙烯醚。
本实施方式的添加剂为Fe3O4/石墨烯复合材料。
具体实施方式八:本实施方式的步骤一中所述的Fe3O4磁粉为热分解方法制备的单分散Fe3O4磁粉;所述的Fe3O4磁粉的粒径为5nm~15nm;步骤一中所述的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法如下:首先将1g乙酰丙酮铁溶于30mL庚烷中,然后加入0.2g还原石墨烯,再超声30min,得到混合液;将混合液放入50mL水热反应釜中,再在180℃烘箱中反应12h,降温至室温后,得到反应产物;以无水乙醇为离心清洗剂对反应产物离心清洗5次,再干燥,得到Fe3O4/石墨烯复合材料;所述离心清洗的离心速度为5000r/min。如此设置,Fe3O4磁粉的尺寸均一,在磁场条件下磁粉颗粒受力均匀,以往的磁性流体中的磁粉尺寸不均一,大颗粒在磁场条件下容易沉淀而使整体磁性流体的磁饱和强度降低或整体失效。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式九:本实施方式的步骤二中所述的氟化物非离子表面活性剂为FC-4432。如此设置,FC-4432可以降低表面张力,提高磁粉加入量,达到高磁饱和强度磁性流体,也起到辅助分散悬浮磁粉的作用而使磁性流体更稳定,购买自美国3M公司。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式十:本实施方式的步骤一至步骤三中的搅拌速度为400-2000转/min。如此设置,在高速搅拌条件下使磁粉充分分散,以每一个纳米颗粒的形式悬浮在载液中,在使用过程中不沉淀。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
实施例:
应用在土工离心机中,磁性流体放置处的直径为300mm,线速度为30m/s,导磁套内径尺寸为220mm,密封齿数为40个,尺寸为图3所示宽度为1.2mm、极齿高度为2.4mm、槽宽为2.4mm。极靴和导磁套之间间隙为0.75mm,使用500高斯磁饱和强度混合酯磁性流体。磁铁为钕铁硼,尺寸为20ⅹ8mm。耐真空度可达到3.4ⅹ10-4Pa,使用6个月无泄漏现象。泄漏率为0.2ⅹ10-10Pa·m3/s。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种制备磁性流体的方法,其特征在于:它包括以下步骤:
步骤一:将50g的Fe3O4磁粉和5g的Fe3O4/石墨烯复合材料放入30ml混合辛癸酸甘油单酯中100℃条件下搅拌60分钟;
步骤二:加入2g的氟化物非离子表面活性剂继续搅拌30分钟;
步骤三:再将3g聚异丁烯放入上述混合液中继续搅拌30分钟,升温到150℃;加入10ml脂肪胺聚氧乙烯醚,搅拌240分钟,得到低粘度高稳定磁性流体。
2.根据权利要求1所述的制备磁性流体的方法,其特征在于:
步骤一中所述的Fe3O4磁粉为热分解方法制备的单分散Fe3O4磁粉;所述的Fe3O4磁粉的粒径为5nm~15nm;
步骤一中所述的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法如下:
首先将1g乙酰丙酮铁溶于30mL庚烷中,然后加入0.2g还原石墨烯,再超声30min,得到混合液;将混合液放入50mL水热反应釜中,再在180℃烘箱中反应12h,降温至室温后,得到反应产物;以无水乙醇为离心清洗剂对反应产物离心清洗5次,再干燥,得到Fe3O4/石墨烯复合材料;所述离心清洗的离心速度为5000r/min。
3.根据权利要求2所述的制备磁性流体的方法,其特征在于:步骤二中所述的氟化物非离子表面活性剂为FC-4432。
4.根据权利要求3所述的制备磁性流体的方法,其特征在于:步骤一至步骤三中的搅拌速度为400-800转/min。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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