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無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 說(shuō) 明 書
真空泵的磁性液體密封設(shè)計(jì)
孫國(guó)亮
摘要:文章介紹了磁流體密封的原理、磁流體密封的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)磁流體密封的主要元件—— 導(dǎo)磁套的結(jié)構(gòu)形式的研究， 分析了導(dǎo)磁套的結(jié)構(gòu)和永磁體的結(jié)構(gòu)對(duì)密封性能的影響，給出了磁流體密封合理參數(shù)，及對(duì)磁流體密封各部件的材料選用。
關(guān)鍵詞: 磁流體 密封 極靴結(jié)構(gòu) 永磁體 密封能力 影響
引言
隨著科技的發(fā)展和人們環(huán)境意識(shí)的日益提高，密封問(wèn)題被提到很高的位置?，F(xiàn)在一般的真空泵泵使用的是橡膠密封圈和機(jī)械密封，進(jìn)行軸的密封。
1、橡膠普遍存在耐磨性問(wèn)題
由于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速較高，密封制品要承受很大的摩擦扭矩，尤其是在潤(rùn)滑效果不良的情況下，密封區(qū)域的生熱較大，會(huì)導(dǎo)致膠料發(fā)粘或與金屬粘合性能提高，使密封件破壞，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效。從而需要定期維修、更換橡膠圈是其恢復(fù)正常工作。
2、其他密封存在的一些問(wèn)題
目前，國(guó)內(nèi)外采用的密封措施有許多種，大致有機(jī)械密封、石棉盤密封、碗形密封和反螺旋密封等。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；帶加強(qiáng)環(huán)的碗形密封，密封消耗功率稍大一些；石棉盤根密封需要冷卻潤(rùn)滑，否則由于摩擦發(fā)熱產(chǎn)生的高溫使軸燒損；反螺旋密封結(jié)構(gòu)要求在軸達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，才能顯示出它的密封作用，而在靜止時(shí)將完全不起作用，因此，對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)也要求密封的地方，這種方法不宜采用。因而尋求一種工作壽命長(zhǎng)、密封性能好并且和運(yùn)動(dòng)軸之間摩檫系數(shù)小的密封件是生產(chǎn)廠家和用戶的一種期望。
磁流體密封作為一種新型密封方式。具有無(wú)泄漏、無(wú)摩擦、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維修和符合現(xiàn)代倡導(dǎo)的綠色生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)等特點(diǎn)，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。
20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)了一種新型的功能材料----磁性液體,到現(xiàn)在只不過(guò)30余年的歷史，但它一經(jīng)問(wèn)世，就得到許多專家學(xué)者的重視。1977年在意大利召開了磁性液體的第一屆國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，以后每三年舉行一次。
磁性液體是一種新型的功能材料,誕生于20世紀(jì)60年代。它是將納米尺度的磁性固體顆粒均勻的分散在液體介質(zhì)中而形成的穩(wěn)定的膠體溶液。它將液體的流動(dòng)性和磁性材料的磁性統(tǒng)一在一種物質(zhì)中，使之具備了很多新的物理機(jī)能和特性，也正因如此，它的制備和理論研究都有著很重要的科學(xué)意義。它的應(yīng)用是走高端產(chǎn)業(yè)，特別是在軍事方面的應(yīng)用有著廣闊的前景。
1磁流體密封的原理
1.1 磁流體
磁流體顧名思義便是可以流動(dòng)的磁性液體，它是由粒徑小于10nm鐵磁性微粒、載液及表面活性劑三部分組成，既有固體磁性材料的強(qiáng)磁性，又有液體的流動(dòng)性。
它是將摻入到載液中的鐵磁性微粒(≤l0nm)用分散劑均勻地分散，使之成為某種具有流動(dòng)性的懸浮狀的膠態(tài)液體。這種液體具有在通常的離心力和磁場(chǎng)作用下既不沉降和凝集，又能使其本身承受磁性并可被磁鐵所吸引的特性。
1.2 磁性液體的組成
液態(tài)鐵磁性是可能實(shí)現(xiàn)的,然而今日人們還不知道存在這樣的事實(shí):在液態(tài)狀態(tài)下,原子的磁矩按鐵磁性排列從而產(chǎn)生內(nèi)在的液態(tài)鐵磁性?，F(xiàn)在還只能制作這樣的磁性液體,即單疇鐵磁性顆粒的高穩(wěn)定膠狀懸浮液這樣的雙相系統(tǒng)具有較高的磁化強(qiáng)度,也能很快對(duì)施加磁場(chǎng)作出反應(yīng)。這里所說(shuō)的磁性液體是將眾多的鐵磁性或亞鐵磁性微粒高度彌散于液態(tài)中而構(gòu)成的一種高穩(wěn)定性的膠體溶液。微粒與載液通過(guò)界面活性劑渾成的這種磁液即使在重力場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)作用下也能長(zhǎng)期穩(wěn)定的存在,不產(chǎn)生沉淀與分離,因此具有實(shí)用性。如圖（1）
穩(wěn)定劑
磁性粒子
基礎(chǔ)液
圖（1）磁性液體的組成
可供選擇用于制備磁性液體的磁性材料通常有以下形式：
,,,Co,Ni,Fe,FeCo 和NiFe合金等,
目前常用的為粉。
作為磁性液體的基載液應(yīng)滿足這樣一些條件:低蒸發(fā)率,低黏度和高度化學(xué)穩(wěn)定性以及具有耐高溫和抗輻射特性等。如表1
表1供磁性液體制備用的載液
載液名稱
所制磁液特點(diǎn)及用途舉例。
水
PH值可在較寬范圍內(nèi)改變,價(jià)格低廉,制備工藝簡(jiǎn)單,適用于醫(yī)療、磁性分離、選礦顯示及磁帶、磁泡檢驗(yàn)。
酯及二酯
蒸汽壓較低，適用于真空及高速密封，潤(rùn)滑好的磁液特別適用于要求摩擦低的裝置并可用于阻尼裝置。
精制合成油
類似于酯及二酯所制磁液，它的蒸汽壓很低。
硅酸鹽類
黏度低、耐寒性好適用于低溫場(chǎng)合。
碳?xì)浠衔?
適用于高速密封，各種碳?xì)浠衔镙d液可互相混合。
氟碳基化合物
具有不易燃、寬溫、不溶于其它液體，在活潑性環(huán)境，如含臭氧氯 氣等環(huán)境特別適用。
聚苯基醚
蒸汽壓低，度低適用于高真空強(qiáng)輻射場(chǎng)合，輻射阻抗大于。
水銀
可作Fe、Co 、Fe-Co 、Ni磁性微粒的載液，所制磁液飽和磁化強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好。
酯及二酯、精制合成油和聚苯基醚的蒸汽壓較低自然不能使用，氟碳基化合物 、硅酸鹽類及水都不適用于高速泵的密封場(chǎng)合。水銀是重金屬，有毒，既不便安裝也不便維修?？梢?jiàn)只有碳?xì)浠衔镆耸褂谩?
適用于碳?xì)浠衔餅檩d液的界面活性劑如：油酸、亞油酸、亞麻酸以及其它非離子型界面活性劑。
油酸幾乎存在于所有的脂肪食物中，是最普遍存在的不飽和脂肪酸成分。由此在價(jià)格與購(gòu)買方面都比較便利，因此選用油酸碳?xì)浠衔餅檩d液的界面活性劑。因此圖（1）中的穩(wěn)定劑是油酸，磁性粒子是，基礎(chǔ)液是碳?xì)浠衔铩?
1.3 密封原理
磁流體密封就是利用磁流體在外加磁場(chǎng)作用下具有承受壓力差的能力而實(shí)現(xiàn)的，其原理如圖（2）所示。
圖（2）磁流體密封結(jié)構(gòu)
圓環(huán)形永久磁鐵1、極靴2、和旋轉(zhuǎn)軸3構(gòu)成磁性回路；在永久磁鐵1產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下。把放置在旋轉(zhuǎn)軸3與極靴2頂端縫隙間的磁性流體4加以集中，使其形成一個(gè)所謂的“0”形環(huán)，將縫隙通道堵死而達(dá)到密封的目的。這種密封方式可用于轉(zhuǎn)軸是磁性體(圖2a所示)和非磁性體(圖2b所示)兩種場(chǎng)合。前者磁束集中于間隙處并通過(guò)轉(zhuǎn)軸而構(gòu)成磁回路，后者磁束并不通過(guò)轉(zhuǎn)軸，只是通過(guò)密封間隙中的磁性流體而構(gòu)成磁回路。
由于磁流體是一種既具有磁特性又具有液體特性的特殊材料，磁流體密封技術(shù)具有零泄漏、無(wú)固體摩擦、能耗小、無(wú)機(jī)械磨損、壽命長(zhǎng)、適于傳遞高轉(zhuǎn)速(最高可達(dá)120000r／min)、可用于100M Pa以上真空度的真空設(shè)備(用低蒸氣壓的磁性流體)等一系列優(yōu)良性質(zhì)。目前該技術(shù)已在密封、潤(rùn)滑等技術(shù)領(lǐng)域中得到了非常成功的應(yīng)用。并已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、精密儀器等行業(yè)。其中磁流體真空密封和計(jì)算機(jī)的硬盤密封業(yè)已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。但需注意的是，由于磁性流體在高溫下性能不穩(wěn)定，所以磁性流體密封裝置的通常工作溫度范圍為一3O～120 攝氏度。采用磁流體密封，若轉(zhuǎn)軸在過(guò)高或過(guò)低的溫度下工作，就必須采取冷卻或升溫措施，這樣將導(dǎo)致密封裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。
2 磁性液體密封的優(yōu)點(diǎn)
2.1 嚴(yán)密的密封性
包圍著軸的磁性液體能夠?qū)怏w、蒸汽、霧和其它污染物產(chǎn)生嚴(yán)密的密封。
2.2 不可測(cè)量的泄露率
在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)下,被密封介質(zhì)的泄漏率在極限為標(biāo)準(zhǔn)氦氣每秒的質(zhì)譜測(cè)量法下未能檢測(cè)出,通常人們稱磁性液體的密封泄漏率為零。
2.3 長(zhǎng)壽命
磁性液體密封是使用惰性、穩(wěn)定、低蒸汽壓的磁性液體所形成的,在些情況下,密封件能夠工作10年以上,而不需要維護(hù)。
2.4 可靠性高
磁性液體密封件包括一塊簡(jiǎn)單的永久磁鐵、極靴和數(shù)量很少的磁性液體(通常少于5ml),唯一遭受機(jī)械磨損的部件為軸承,因而可靠性高。
2.5 沒(méi)有污染
因?yàn)闆](méi)有機(jī)械磨損,液體環(huán)密封不產(chǎn)生污染系統(tǒng)的粒子,除此以外低蒸壓的磁性液體即使在以上的高真空下仍能維持密封的完整性。
2.6 能承受高轉(zhuǎn)速
磁性液體密封功率損耗低,耐高速能力強(qiáng),目前磁性液體密封技術(shù)能夠在軸的轉(zhuǎn)速超過(guò)3000r/min下,其工作性能良好。
2.7 最佳的扭拒傳遞
對(duì)穿的軸可進(jìn)行扭拒傳動(dòng),并能不間斷的提供同相的旋轉(zhuǎn)。
2.8 低的黏性摩檫
磁性液體低黏度的摩檫不依耐于通過(guò)密封所加的壓力,因而運(yùn)轉(zhuǎn)很平穩(wěn)。
2.9 磁性液體密封
磁性液體密封即使在中斷運(yùn)行時(shí),也不像彈性密封在停機(jī)期間,受增塑和弛豫的影響。
2.10 其他性能
1）在磁場(chǎng)的作用下，磁化強(qiáng)度隨外加磁場(chǎng)的增加而增加，直止飽和，而外磁場(chǎng)去除后又無(wú)任何磁滯現(xiàn)象，磁場(chǎng)對(duì)磁流體的作用力表現(xiàn)為體積力。
2）與一般納米粒子相同，只有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。是動(dòng)態(tài)密封理想材料。
3）磁流體密封具有能承受高轉(zhuǎn)速，即使在中斷運(yùn)行時(shí)，也不像彈性密封在停機(jī)期間受增塑和弛豫的影響。
3 真空泵的磁性液體密封設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)真空泵的磁性液體密封背景
因?yàn)楝F(xiàn)在的真空泵的轉(zhuǎn)動(dòng)主軸均采用傳統(tǒng)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用，這種以橡膠密封圈為代表的密封主機(jī)構(gòu)，由于不耐磨，使用壽命短，泵體故障率比較高，從而影響整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的工作效率。因此，改進(jìn)其密封結(jié)構(gòu)，提高使用壽命，是生產(chǎn)廠家和用戶的一種期望。
3.2 設(shè)計(jì)真空泵的磁性液體密封目的
文章設(shè)計(jì)真空泵磁性密封的目的：主要是提供一種適用于真空泵的軸的磁性液體密封機(jī)構(gòu)，使它不僅能有效的實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的密封，而且還能克服現(xiàn)有常規(guī)軸密封泵存在的機(jī)械軸密封缺陷。
3.3 真空泵的密封裝置主要部件
真空泵的密封裝置主要考慮三個(gè)部件：
如圖（3）所示：
圖（3）真空真空泵密封的原結(jié)構(gòu)
其一是傳動(dòng)軸軸頭部分通過(guò)真空泵蓋處的動(dòng)密封；
其二是齒輪箱蓋與端蓋、端蓋與真空泵體之間的靜密封；
其三是傳動(dòng)軸頭外伸部分通過(guò)真空泵蓋處即軸保護(hù)套內(nèi)的密封。其中，真空泵體端面與端蓋和端蓋與齒輪箱蓋的靜密封無(wú)論采用真空耐油橡膠圈密封，還是采用有機(jī)硅室溫硫化橡膠薄膜密封，都可以得到很好的密封。軸保護(hù)套與軸的密封，由于軸保護(hù)套與軸一起旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就形成了相似于靜密封的狀態(tài)。一般在保護(hù)套內(nèi)壁切一至三個(gè)環(huán)形槽，裝上“0”型密封圈即可密封。傳動(dòng)軸軸頭外伸部分通過(guò)真空泵蓋處的動(dòng)密封很重要，如果密封不嚴(yán)，發(fā)生泄露，就會(huì)嚴(yán)重地影響真空真空泵的抽氣性能。
3.4 磁流體密封的結(jié)構(gòu)
磁流體密封的整體結(jié)構(gòu)如圖（4）所示。磁性流體位于兩個(gè)支撐軸承的一側(cè)，軸承可以采取潤(rùn)滑措施。磁流體密封部位通常采用如圖（5）所示的幾種結(jié)構(gòu)形式。由于圖（2）所示的磁流體單級(jí)極靴密封結(jié)構(gòu)耐壓能力小，不能承受一個(gè)大氣壓的壓差，所以用于真空轉(zhuǎn)軸密封可以采用多級(jí)極靴結(jié)構(gòu)。圖（5）(a)所示的磁流體密封采用多個(gè)永久磁鐵，每個(gè)永久磁鐵與其對(duì)應(yīng)的一對(duì)極靴構(gòu)成各自獨(dú)立的磁回路。各回路間采用不導(dǎo)磁的隔墊隔開；圖（5）(b)則沒(méi)有使用不導(dǎo)磁的隔墊；圖（5）(c)只使用一個(gè)磁鐵，是一種單磁路多級(jí)磁流體密封結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)性能完善，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用廣泛，是實(shí)踐中大量采用的結(jié)構(gòu)形式。
由于我們的真空度要求不高，所以我們選用圖（5）（c）,即使用一個(gè)磁鐵。這樣會(huì)使我們的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且容易制造和廣用。
圖（4）磁流體密封裝置的整體結(jié)構(gòu)
1- 旋轉(zhuǎn)軸 2-軸承 3-箱體 4-密封件 5-擋圈 6-極靴 7-磁性流體 8-永久磁鐵
圖（5）磁流體密封結(jié)構(gòu)
1-永久磁鐵 2-極靴 3-磁性流體 4-旋轉(zhuǎn)軸 5-隔墊
3.5 導(dǎo)磁套的結(jié)構(gòu)
3.5.1 導(dǎo)磁套的結(jié)構(gòu)對(duì)磁流體密封能力的影響
影響磁流體密封能力的因素有以下幾個(gè)方面：導(dǎo)磁套(齒形和級(jí)數(shù))；永久磁體(體積和材料)；密封間隙；軸的轉(zhuǎn)速；磁極材料；工作溫度；磁流體(飽和磁化強(qiáng)度和用量)等。其中導(dǎo)磁套對(duì)密封結(jié)構(gòu)起決定性的影響。
1）密封間隙是磁回路磁阻的主要來(lái)源，它決定永磁體工作點(diǎn)和裝置的聚磁能力，理論上密封間隙越小越好。但實(shí)際應(yīng)用中，間隙受到轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)的約束，密封間隙太小，在高速動(dòng)密封中，可能發(fā)生導(dǎo)磁套“抱軸” 現(xiàn)象。因此該參數(shù)由工藝能力及軸承支承系統(tǒng)的性能來(lái)決定，可選用0．1mm的密封間隙。
2)極齒厚度是對(duì)密封能力有著顯著影響的一個(gè)設(shè)計(jì)基本量，在合理的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從永磁體工作點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)、減小裝置漏磁和提高設(shè)計(jì)參數(shù)穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合分析，一般將極齒厚度設(shè)計(jì)在0.5—2mm范圍內(nèi)。
3)極齒高度主要影響密封間隙兩側(cè)漏磁磁路中的磁阻，從而影響聚磁效果，當(dāng)極齒高度大于一定值后，對(duì)密封能力的影響很小，一般取在0．5—2mm范圍內(nèi)。
4)齒槽寬度主要影響齒間漏磁場(chǎng)的疊加效應(yīng)，太小則降低密封能力，太大則增大密封裝置的軸向尺寸，在設(shè)計(jì)中需要與齒高相匹配，一般取在0．5—2mm之間。
5)選取較小的永磁體內(nèi)徑，可以保證密封結(jié)構(gòu)的緊湊性，一般取永磁體內(nèi)徑比極靴內(nèi)徑大2—4mm左右。
因此在選定密封間隙、齒數(shù)及以上其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮密封中結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配關(guān)系，合理設(shè)計(jì)永磁體外徑，才能得到一個(gè)既可以滿足設(shè)計(jì)的壓力要求，又可以保證裝置周圍漏磁場(chǎng)很弱的密封裝置。永磁體外徑的決定應(yīng)遵循磁路中磁通“所供即所需”的原則，即永磁體所提供的磁通可使密封達(dá)到所要求的密封壓力，且不會(huì)使極靴達(dá)到過(guò)飽和磁化狀態(tài)，有效的保證密封裝置的低漏磁特性。為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)裝置的壓力冗余量，可根據(jù)有限差分法所建立的密封壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系對(duì)永磁體外徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是一個(gè)單變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。
目前，磁流體單級(jí)密封導(dǎo)磁套的齒形主要有如圖（6）所示的幾種，其中圖（6）(c)的結(jié)構(gòu)最佳。實(shí)際上，矩形角比銳角具有較大的磁場(chǎng)梯度，而結(jié)構(gòu)(c)左側(cè)倒角能起到聚集齒端磁通的作用，所以其性能優(yōu)于結(jié)構(gòu)(a)。當(dāng)密封要求較高時(shí)可以采用多級(jí)密封， 即在磁鐵的兩側(cè)有間隙地多放幾塊極靴，這樣總的密封能力就是各級(jí)密封壓值的總和。
圖（6）單級(jí)密封極靴的齒形
對(duì)于多級(jí)密封，一般都采用矩形齒結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗蛪耗芰Υ?，兩?cè)耐壓相同，且加工工藝簡(jiǎn)單，性能容易保證。但考慮到液體在工作時(shí)要受到重力的作用，所以通常把導(dǎo)磁套齒型設(shè)計(jì)成梯形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)梯度大，磁流體界面穩(wěn)定性好，密封能力較強(qiáng)。
但考慮使用的真空泵的真空度不大和制造方面的問(wèn)題，所以優(yōu)先選用圖（6）（a）。
3.5.2導(dǎo)磁套基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法
磁流體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要就是導(dǎo)磁套齒形的結(jié)構(gòu)和永磁鐵的設(shè)計(jì)。如圖（7）所示，導(dǎo)磁套齒形的設(shè)計(jì)，主要是確定導(dǎo)磁套齒形參數(shù)槽寬、齒寬、槽深、間隙的最佳取值范圍，使其具有好的綜合性能，磁場(chǎng)強(qiáng)度差值大，以便獲得最大的密封能力。
圖（7）導(dǎo)磁套的基本參數(shù)
3.5.3 齒的參數(shù)設(shè)計(jì)
1)極齒厚度是對(duì)密封能力有著顯著影響的一個(gè)設(shè)計(jì)基本量，在合理的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從永磁體工作點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)、減小裝置漏磁和提高設(shè)計(jì)參數(shù)穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合分析，一般將極齒厚度設(shè)計(jì)在=0.5-2mm范圍內(nèi)。
2)極齒高度主要影響密封間隙兩側(cè)漏磁磁路中的磁阻，從而影響聚磁效果，當(dāng)極齒高度大于一定值后，對(duì)密封能力的影響很小，一般取在=0．5—2mm范圍內(nèi)。
3)齒槽寬度主要影響齒間漏磁場(chǎng)的疊加效應(yīng)，太小則降低密封能力，太大則增大密封裝置的軸向尺寸，在設(shè)計(jì)中需要與齒高相匹配，一般取在=0.5—2.5mm之間。
根據(jù)/=8，/=2，/=3.5，因?yàn)殚g隙取1mm,從而得出=0.8mm，=0.1mm，=0.2，=0.7，因?yàn)檩S的直徑是28mm，所以導(dǎo)磁套的內(nèi)徑為28mm。由于軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)合導(dǎo)磁套內(nèi)徑28mm，選擇內(nèi)徑為35mm的軸承，所以導(dǎo)磁套外徑為62mm。
3.6 永久磁鐵的設(shè)計(jì)
永久磁鐵的設(shè)計(jì)包括三個(gè)基本要求:
第一永磁體厚度主要影響密封裝置中永磁體的工作點(diǎn)。永磁體工作點(diǎn)接近永磁材料的剩磁點(diǎn)時(shí)，增加永磁體厚度對(duì)密封能力的貢獻(xiàn)很小。由于磁流體密封中磁回路磁阻較小，永磁體工作點(diǎn)很容易達(dá)到一個(gè)較高的位置。若按照永磁體體積最小來(lái)決定永磁體的工作點(diǎn)，則所設(shè)計(jì)的密封裝置中的永磁體只能是一個(gè)很薄的薄片，一般不能符合機(jī)械零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)永磁體厚度的設(shè)計(jì)主要從機(jī)械強(qiáng)度出發(fā)進(jìn)行考慮，對(duì)于齒數(shù)為1—4的密封裝置一般可以取永磁體厚度為4mm。
第二是要保證密封工作間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度符合已選定的數(shù)值,即不過(guò)高也不過(guò)低;
第三是要求永久磁鐵內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度工作在材料的最大磁能積點(diǎn)之處,這樣才能最有效的利用它內(nèi)部的磁能,這就要求永久磁鐵的軸向長(zhǎng)度和橫截面積有一適當(dāng)?shù)谋壤?
根據(jù)磁路定律,永久磁鐵自身產(chǎn)生的磁壓應(yīng)等于外磁路的磁壓降,從而有
(7-30)
式中,為磁路的磁壓損失系數(shù),等于永久磁鐵產(chǎn)生的磁壓與作用在工作間隙上的有用磁壓之比.它包含了導(dǎo)磁極靴和轉(zhuǎn)軸上的磁壓損失,磁鐵與極靴接觸面處的氣隙磁壓損失,磁力線在工作間隙中曲線效應(yīng)的磁壓損失等因素.一般取1.05~1.55,式(7-30)右側(cè)2表示磁路中有兩個(gè)間隙.工作間隙上的磁壓可由最大工作場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式求得,矩形時(shí)有
(7-31)
帶入式(7-30)可解出永磁鐵計(jì)算式
2永久磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)通量 應(yīng)等于 外磁路中的總磁通量
(7-32)
式中,為磁路的磁流損失系數(shù),等于永久磁鐵產(chǎn)生的總磁感應(yīng)通量與通過(guò)極齒有用磁感應(yīng)通量之比。它考慮的影響因素有極靴轉(zhuǎn)軸側(cè)面的漏磁通,永久磁鐵側(cè)面的漏磁通極齒邊緣效應(yīng)的漏磁通等。由于它不僅與和磁路的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān),而且和磁路的材料周圍環(huán)境的材料以及加工工藝等因素有關(guān)。需要結(jié)合實(shí)際 情況,按磁路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取。
每個(gè)極靴上有個(gè)矩形齒的結(jié)構(gòu)中,齒型區(qū)流過(guò)的有用磁感應(yīng)通亮可由下式求得:
(7-33)
式中,為通過(guò)一個(gè)齒的磁通量大小。
因?yàn)閷?dǎo)磁套與極靴的間隙為0.1毫米，所以極靴的內(nèi)徑為35.2毫米。根據(jù)軸承的外徑為62毫米，所以極靴的外徑為62毫米。因?yàn)榇盆F的外徑要比極靴小1－2毫米，內(nèi)徑比極大5－7毫米。磁鐵的最終永久磁鐵的方案是厚度為7毫米，直徑60毫米。內(nèi)徑為41毫米。
4 材料選擇
磁流體密封裝置中的材料優(yōu)選主要指對(duì)永磁體、磁極靴、磁流體和隔磁材料的優(yōu)化選擇。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，永磁體需要選擇剩磁大、矯頑力高、磁能積大的材料。這樣，一個(gè)體積較小的永磁環(huán)可以給系統(tǒng)帶來(lái)足夠大的磁能。磁極靴和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成聚磁結(jié)構(gòu)，為了減小磁極靴和旋轉(zhuǎn)軸中所產(chǎn)生的磁壓降，一般選用導(dǎo)磁性能好的電工純鐵或低碳鋼(10號(hào)鋼)作為導(dǎo)磁材料。磁流體是密封裝置中的功能性液體，它是密封失效的一個(gè)薄弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)選擇穩(wěn)定性好、揮發(fā)率低、飽和磁化強(qiáng)度高的磁流體。隔磁材料一般取磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率且強(qiáng)度較高的材料，如銅、硬鋁等。
4.1 永磁體材料選擇
為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，永磁體需要選擇剩磁大、矯頑力高、磁能積大的材料。這樣，一個(gè)體積較小的永磁環(huán)可以給系統(tǒng)帶來(lái)足夠大的磁能。
從表（4）中可以看出,在剩磁磁通密度矯頑力內(nèi)稟矯頑力 最大磁能積 可逆磁導(dǎo)率等五個(gè)參數(shù)方面,釹鐵硼永磁材料具有最優(yōu)值。對(duì)于溫度系數(shù)鋁鎳鈷磁鐵最好 ,其值最小,而永磁鐵氧體最差稀土永磁居中間狀態(tài)。在比重方面,永磁鐵氧體最小,釹鐵硼尺寸也不算最大。
但釹鐵硼也有不足之處：一是熱穩(wěn)定性較差,例如居里溫度偏低()溫度系量偏高(), 矯頑力溫度系數(shù)也偏高(約0.70%/)。二是抗氧化和耐腐蝕性較差,在潮濕環(huán)境下生產(chǎn)或使用容易生銹,在不同介質(zhì)中容易被腐蝕。因此要做好磁鐵的維護(hù)。
表（2） 各種永磁材料特性的比較
Nd-Fe-B
鐵氧體
AlNiCo
磁
特
性
剩磁
1.25
（12.5）
1.12
（11.2）
0.44
（4.4）
1.15
（11.5）
磁通密度
矯頑力
/(KA/m)(kOe)
915.4
（11.5）
533.32
（6.7）
222.88
（2.8）
127.36
（1.6）
內(nèi)稟矯頑力
/(KA/m)(kOe)
1098.48
（13.8）
543.24
（6.9）
230.84
（2.9）
127.36
（1.6）
最大磁能積/(KJ//)(MGOe)
286.65
(36)
246.76
(31)
36.62
（4.6）
87.65
（11）
溫度系數(shù)/(%/)
-0.126
-0.03
-0.18
-0.02
可逆磁導(dǎo)率
1.05
1.03
1.1
1.3
居里溫度
312
880
450
890
物
理
特
性
比重d/(g/)
7.4
8.4
5.0
7.3
電阻率()
144
85
45
硬度/HV
600
550
530
650
抗彎強(qiáng)度/MPa
kgf/
245
(25)
117.6
(12)
127.4
(13)
——
抗壓強(qiáng)度/MPa
kgf/
735
(75)
509.6
(52)
——
——
熱膨脹系數(shù)/()
3.4(平行度)
4.8(垂直度)
13
13(平行度)
8(垂直度)
11
總之,從綜合性能評(píng)價(jià), 釹鐵硼永磁材料的性能是較優(yōu)異的。所以為了提高密封件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),選擇釹鐵硼作為材料的磁鐵，并且要求磁鐵沖磁后的磁積能達(dá)到45。
4.2 靜密封圈的選擇
靜密封是指連接件不能做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封。對(duì)于低真空和高真空,可拆靜密封一般采用彈性很大的橡膠做密封材料。
真空密封用橡膠
用于真空密封的橡膠材料,除要求具有光潔表面,無(wú)劃傷、無(wú)裂紋外還要有低的出氣率、揮發(fā)率、透氣率良好的耐熱性耐油性抗老化和適宜的耐壓縮變形值及壓力松弛系數(shù)。最常用于真空密封的橡膠有下列幾種：
1）天然橡膠
天然橡膠是最早使用的一種真空用密封材料，但它的透氣率很大，耐油性抗老化性能都很差，一般只用于粗真空，低真空密封。
2）丁基橡膠
丁基橡膠的透氣率很小，可用于的密封。但在超真空環(huán)境下材料出現(xiàn)升華現(xiàn)象，其重量損失可達(dá)，因此不適用于的超高真空。
3）丁橡膠
是耐油性和其它性能都較好的一種橡膠，在高真空范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于烘烤溫度以下的各類真空密封。
4）氟橡膠
是一種具有耐高溫、各種介質(zhì)的密封材料。各種氣體在維通(Viton)型氟橡膠中有較小的擴(kuò)散速度和較大的溶解度,透氣率很小,與丁基橡膠相當(dāng)。在高溫、真空中放氣率很低,可用于的真空密封;采用雙“O”圈密封結(jié)構(gòu),烘烤200 ,并加上冷卻措施,可達(dá)到超高真空。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系統(tǒng)中。
5）硅橡膠
是一種耐熱橡膠。在各種橡膠中它的工作溫度范圍最寬，即使在高溫下長(zhǎng)期使用。缺點(diǎn)是氣體滲透率較普通橡膠大數(shù)十至數(shù)百倍，線膨脹系數(shù)也也比其它橡膠的大。因此設(shè)計(jì)密封槽要留有足夠的余地。
由此可見(jiàn)，以上各靜密封圈都有其各自的缺點(diǎn)，基本滿足真空密封的橡膠材料要求的靜密封圈只有丁橡膠和氟橡膠，但氟橡膠比丁橡膠有更好的密封性能，考慮到價(jià)格成本在此密封件中丁橡膠的耐油性及其它都較好的性能足以夠用。所以靜密封圈的材料選擇氟橡膠。
4.3 極靴材料的選擇
軟磁材料的品種、主要特點(diǎn)和應(yīng)用范圍
表3
品種
主要特點(diǎn)
應(yīng)用范圍
電工用純鐵
含碳量在0.04%以下,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高,冷加工性好;電阻率低,鐵損高,有磁時(shí)效現(xiàn)象。
一般用于直流磁場(chǎng)。
硅鋼片
鐵中加入的硅,就是硅鋼.它和電工 用純鐵相比,電阻率增加,鐵損降低,磁時(shí)效基本消除;導(dǎo)熱系數(shù)降低,硬度提高,脆性增大。
電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器、開關(guān)等產(chǎn)品的鐵心。
鐵鎳合金
和其它軟磁材料相比,低磁場(chǎng)下,磁導(dǎo)率高,矯頑力降低,但對(duì)應(yīng)力比較敏感。
頻率在1MHz以下,低磁場(chǎng)中工作的器件。
鐵鋁合金
和鐵鎳合金相比,電阻率高,比重小,但導(dǎo)磁率低。隨著含鋁量的增加,硬度和脆性增大,塑性變差。
低和高磁場(chǎng)下工作的器件。
軟磁鐵氧體
燒界體,電阻率非常高,但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低,溫度穩(wěn)定性也較差。
高頻或者較高頻范圍的電磁元件。
其他軟磁材料
鐵鈷合金
飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度特高,飽和磁致伸縮系數(shù)和居里溫度高,但電阻率低。
航空器件的鐵心、電磁鐵磁極、換能器元件。
恒導(dǎo)磁合金
在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度和頻率范圍內(nèi),磁導(dǎo)率基本不變。
恒電感和脈沖變壓器等的鐵心。
磁溫度補(bǔ)償合金
居里溫度低、在環(huán)境溫度范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度的升高急劇地、近似線性的減少。
磁溫度補(bǔ)償元件。
如表3所示，相對(duì)于其他軟磁材料的品種電工用純鐵有它獨(dú)特的優(yōu)越性。特別是好的冷加工性，省去了工時(shí)與加工成本，為大批量生產(chǎn)時(shí)，效率生產(chǎn)提供了可能。因此選擇電工用純鐵為極靴的加工材料。
4.4 導(dǎo)磁套選材
磁極靴和導(dǎo)磁套構(gòu)成聚磁結(jié)構(gòu)，為了減小磁極靴和導(dǎo)磁套中所產(chǎn)生的磁壓降。一般選用電工用純鐵或低碳鋼作為導(dǎo)磁套的材料，不過(guò)考慮電工用純鐵的價(jià)格昂貴，所以選用一般人所熟悉的45號(hào)鋼。
4.5 殼體材料的選擇
殼體必須是不導(dǎo)磁體,我們常用的不導(dǎo)磁體有不銹鋼、銅以及硬鋁等。銅的密度大于鋁和不銹鋼,即這樣使殼體整體重量較大,并且銅的單位價(jià)格也高于銅和鋁以至成本太大而且在潮濕的環(huán)境下容易生銹，不宜取用；鋁雖然相對(duì)便宜且最大的特點(diǎn)是材質(zhì)輕，減小了密封件的重量,但其強(qiáng)度不夠因此也不能使用；不銹鋼比起銅和鋁，輕而有強(qiáng)度,更重要的是它不會(huì)生銹。綜合這些，選擇不銹鋼作為殼體材料。最終殼體材料我們選用1Cr18Ni9Ti。
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)說(shuō)明如圖紙01
5 總結(jié)
1、磁流體密封技術(shù)在密封領(lǐng)域中具有誘人的廣闊應(yīng)用前景。由于極靴結(jié)構(gòu)、磁鐵的磁能積和導(dǎo)磁套的材料對(duì)密封能力影響很大，在設(shè)計(jì)和選用磁流體密封時(shí)尤其要注意導(dǎo)磁套結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證磁流體密封具有較長(zhǎng)的使用壽命。在不同的密封要求和密封情況下，根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)，才能使磁流體密封的特長(zhǎng)得以充分發(fā)揮。
2、在磁流體密封中，磁流體的注入量很重要。注入的磁流體量少，則其密封能力不能得到有效的利用，磁流體注入量多時(shí)，多余的磁流體會(huì)進(jìn)入真空室，引起真空室的污染。一般真空泵上的磁性液體的注射量為5毫升。
3、導(dǎo)磁套上面的槽的多少要進(jìn)行實(shí)際壓力的計(jì)算，一個(gè)槽里的磁流體形成的O型圈的耐壓為0.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
4、經(jīng)過(guò)實(shí)際經(jīng)濟(jì)計(jì)算，在短時(shí)間內(nèi)，磁流體的密封件比橡膠等一些機(jī)械密封的成本更高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，它將會(huì)代替機(jī)械密封和橡膠密封，引領(lǐng)密封的潮流。
6致謝信
通過(guò)兩個(gè)月的努力,終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中,離不開這些人及單位的幫助。
首先要感謝來(lái)自北方交通大學(xué)的李德才教授和我的指導(dǎo)老師-宋佳娜講師。李教授撰寫的《磁性液體理論及應(yīng)用》是有關(guān)磁流體知識(shí)的權(quán)威教材，正是參考它我才能夠從淺嘗到深知磁流體密封件的設(shè)計(jì)。宋佳娜講師不時(shí)的關(guān)心我畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度并且給予我設(shè)計(jì)方面的指導(dǎo)。她糾正了設(shè)計(jì)的不足,給予我很多好的建議。使我的設(shè)計(jì)說(shuō)明書更詳細(xì)、符合邏輯。
其次，要感謝江蘇磁星科技發(fā)展有限公司。公司給予我學(xué)習(xí)與實(shí)踐的機(jī)會(huì)，在這里由理論到實(shí)物的了解，使我對(duì)這方面的設(shè)計(jì)更清晰。
最后要感謝我的同事及校友-韓衛(wèi)輔，我們彼此協(xié)助收集磁流體方面的資料，并且一起討論設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。逐一突破了各個(gè)坎，正由于我們相互的支持與鼓勵(lì)才能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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