磁流體對(duì)氣體和液體耐壓能力的對(duì)比研究

王虎軍

李德才

甄少波2

何新智1HE Xin-zhi1

王四棋

(1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2. 中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京 100048)

?

磁流體對(duì)氣體和液體耐壓能力的對(duì)比研究

王虎軍1,2

李德才

甄少波2

何新智1HEXin-zhi1

王四棋

(1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2. 中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京 100048)

對(duì)比研究磁流體用于密封氣體和密封液體的耐壓性能。從理論上推導(dǎo)磁流體密封耐壓公式，分析磁流體與被密封介質(zhì)速度差對(duì)密封性能的影響，設(shè)計(jì)出可用于密封水的磁流體密封結(jié)構(gòu)，并搭建直立式磁流體密封試驗(yàn)臺(tái)。結(jié)果表明：磁流體用于靜密封水時(shí)的耐壓值接近用于靜密封氣體時(shí)的耐壓值，且耐壓值均隨密封間隙的增大而降低。磁流體密封氣體時(shí)的耐壓能力一般不受轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速影響。磁流體用于密封水時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速高于臨界值情況下耐壓值明顯下降。

磁流體；靜密封；動(dòng)密封；耐壓

磁流體密封無(wú)污染，可靠性高，壽命長(zhǎng)，泄漏率幾乎為零，在密封氣體中應(yīng)用廣泛[1-2]。然而，當(dāng)磁流體動(dòng)密封液體時(shí)，密封性能較差[3-5]。磁流體對(duì)氣體和液體密封性能的差異值得進(jìn)一步研究。

王虎軍等[6]在1 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行磁流體密封液體試驗(yàn)取得成功，但其接近于靜密封；文獻(xiàn)[7]論述了軸速對(duì)磁流體液體動(dòng)密封耐壓能力的影響；文獻(xiàn)[8]論述了轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、密封溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)磁流體密封液體壽命的影響；王媛等[9]論述了液—液界面處相對(duì)速度對(duì)界面穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[10]論述了在極靴上設(shè)置防護(hù)來(lái)盡可能減少被密封液體流對(duì)磁流體穩(wěn)定性的影響，取得了較好的效果。以上文獻(xiàn)均單獨(dú)研究磁流體密封液體時(shí)的密封性能的影響因素，并未將磁流體密封氣體和密封液體進(jìn)行對(duì)比研究。為此，筆者以水為被密封液體，設(shè)計(jì)并搭建了磁流體密封試驗(yàn)臺(tái)，從理論試驗(yàn)上對(duì)比研究磁流體密封氣體和密封液體的耐壓性能。

1 理論研究

1.1 磁流體密封宏觀耐壓公式

耐壓能力是磁流體密封最重要的指標(biāo)，耐壓能力越大磁流體密封的可靠性越高。一般在最大耐壓限度內(nèi)，磁流體密封都可以達(dá)到“零”泄露。磁流體的伯努利方程結(jié)合邊界條件可得磁流體密封的最大耐壓[11]為：

(1)

式中：

μ0——真空磁導(dǎo)率，H/m；

Mn1、Mn2——分別為邊界1和邊界2處的磁化強(qiáng)度，A/m；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

p——磁流體在某處的壓強(qiáng)，MPa。

假設(shè)整個(gè)磁流體密封膜均處于飽和磁化狀態(tài)，則可推得磁流體密封的單級(jí)耐壓公式為：

Δp=μ0Ms(Hmax-Hmin)，

(2)

式中：

Ms——磁流體的飽和磁化強(qiáng)度，A/m；

Hmax、Hmin——分別是間隙內(nèi)最大、最小的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

假定每級(jí)磁流體耐壓能力都近似相等，則N級(jí)磁流體總的密封耐壓能力為：

Δpmax=Nμ0Ms(Hmax-Hmin)。

(3)

因密封間隙較小，通常在實(shí)際的數(shù)值計(jì)算時(shí)將間隙中的磁流體視為空氣處理，式(3)可變?yōu)椋?/p>

Δpmax=NMs(Bmax-Bmin)，

(4)

式中：

Bmax、Bmin——分別是密封間隙內(nèi)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最小磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

從式(4)可以看出，磁流體密封的耐壓能力與磁流體的飽和磁化強(qiáng)度、間隙里的磁場(chǎng)強(qiáng)度、密封級(jí)數(shù)等變量均正相關(guān)。式(4)被廣泛地應(yīng)用于磁流體密封氣體中。

1.2 磁流體與被密封介質(zhì)速度差對(duì)密封能力的影響

圖1為磁流體密封結(jié)構(gòu)的示意圖。圖中，轉(zhuǎn)軸半徑為R0，轉(zhuǎn)軸角速度為ω，極靴內(nèi)徑和密封腔內(nèi)徑分別為R1和R2。

1. 磁性液體 2. 密封介質(zhì) 3. 極靴圖1 磁流體密封結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the structure

由于密封間隙很小，密封區(qū)域內(nèi)的流體可被看作沿切向的一維層流[9]。磁流體不可壓縮，且重力的影響可忽略不計(jì)。磁流體流場(chǎng)軸向?qū)ΨQ，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流體徑向和軸向速度為零。由以上特點(diǎn)可得，在距轉(zhuǎn)軸中心半徑為r的界面上某一點(diǎn)處：

假設(shè)密封結(jié)構(gòu)內(nèi)兩種流體的線速度均沿半徑方向線性分布[12]，并且其邊界條件為：

v1|r=R0=v2|r=R0=ωR0，

(5)

v1|r=R1=v2|r=R2=0。

(6)

則密封結(jié)構(gòu)內(nèi)磁流體和被密封介質(zhì)的速度分別為：

(7)

(8)

在磁流體與被密封介質(zhì)的界面處，當(dāng)r≤R1時(shí)速度差Δv為：

(9)

將Δv對(duì)r求導(dǎo)，得到：

(10)

由上式可知，Δv與r正相關(guān)，即當(dāng)r=R1時(shí)速度差Δv最大。

(11)

由于密封間隙高度h?R0，故

(12)

將式(12)代入式(11)，得到

Δv(r)max≈ωR0。

(13)

當(dāng)磁流體與被密封介質(zhì)的界面穩(wěn)定時(shí)，速度差滿足下式[13]：

(14)

式中：

ρ1、ρ2——磁流體和被密封介質(zhì)的密度，kg/m3；

μ1、μ2——兩種流體的相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m；

σ——兩流體界面張力，10-3N/m；

g——重力常數(shù)，m/s2；

H——外磁場(chǎng)，A/m。

將式(13)代入式(14)可得：

(15)

式(15)為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的界面穩(wěn)定性的理論范圍。由式(15)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速在上式范圍內(nèi)時(shí)，磁流體與被密封介質(zhì)的界面保持穩(wěn)定；超出該范圍時(shí)，界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)。且轉(zhuǎn)速越大，界面越不穩(wěn)定，耐壓能力越低。

將磁流體和水的相關(guān)參數(shù)[7]代入式(14)可計(jì)算出磁流體與水的界面存在不穩(wěn)定性時(shí)臨界速度差的理論計(jì)算值為Δv=1.23 m/s；當(dāng)密封介質(zhì)為氮?dú)鈺r(shí)，界面存在不穩(wěn)定性時(shí)臨界速度差的理論計(jì)算值為Δv=27.64 m/s。由以上理論計(jì)算結(jié)果可知，磁流體密封氣體時(shí)的界面穩(wěn)定性臨界速度差明顯大于密封水時(shí)的界面穩(wěn)定性臨界速度差，數(shù)值超過(guò)20倍。磁流體密封水時(shí)更容易受到速度差的影響，導(dǎo)致密封失效。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

用于密封水的磁流體密封結(jié)構(gòu)由導(dǎo)磁軸、永久磁鐵、極靴、密封腔和外殼等組成，見(jiàn)圖2。環(huán)形永久磁鐵材料為銣鐵硼[14]；轉(zhuǎn)軸和環(huán)形極靴材料為2Cr13；外殼及密封腔為非導(dǎo)磁材料鋁合金。

磁流體密封試驗(yàn)臺(tái)由磁流體密封結(jié)構(gòu)、電機(jī)、變頻調(diào)速器、氮?dú)馄康却罱ǘ桑?jiàn)圖3。電機(jī)可由變頻調(diào)速器無(wú)級(jí)變速。為了保證轉(zhuǎn)軸與極靴間的間隙要求，轉(zhuǎn)軸與電機(jī)輸出端為剛性連接，外套內(nèi)表面與電機(jī)外套無(wú)間隙配合。

1. 被密封液體 2. 密封腔 3. 極靴 4. 永磁體 5. 外殼 6. 轉(zhuǎn)軸圖2 磁流體密封結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic of magnetic fluid seal structure

1. 氣壓計(jì) 2. 密封部件 3. 變頻調(diào)速器 4. 電機(jī) 5. 支架圖3 磁流體密封試驗(yàn)臺(tái)Figure 3 The experimental system of magnetic fluid seal

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為靜密封和動(dòng)密封兩部分。靜密封試驗(yàn)分別測(cè)試0.05，0.10，0.20 mm 3種間隙下磁流體靜密封水及氣體的耐壓性能。靜密封氣體時(shí)，高壓氮?dú)庀蛎芊馇痪徛訅褐钡胶べ|(zhì)譜檢漏儀測(cè)到泄漏，記錄一次耐壓值。連續(xù)重復(fù)3次以上試驗(yàn)，求得的平均數(shù)即為磁流體密封氣體的試驗(yàn)?zāi)蛪褐怠ｌo密封水時(shí)，先需將水注入密封腔到容積的一半。注水完成后與氮?dú)馄肯噙B。后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程和靜密封氣體試驗(yàn)相同。

動(dòng)密封試驗(yàn)中，密封件的間隙分別為0.05，0.10 mm。電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后，氮?dú)馄块_(kāi)始向密封腔加壓，其他步驟與靜密封相同。

2.3 結(jié)果與分析

在靜密封試驗(yàn)中，磁流體密封氣體及水兩種介質(zhì)的耐壓值均隨間隙的變大而降低，且相同的密封間隙下磁流體靜密封水的耐壓實(shí)驗(yàn)值和靜密封氣體的耐壓試驗(yàn)值基本相等，兩條曲線接近重合，見(jiàn)圖4。

圖4 磁流體靜密封水和氣體耐壓能力試驗(yàn)值的比較

Figure 4 Comparison of the failure pressure of static sealing water and gas with magnetic fluid

由式(3)可知，磁流體密封的耐壓能力與密封間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度正相關(guān)，而間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度又與密封間隙負(fù)相關(guān)，因此，磁流體密封的耐壓能力與密封間隙負(fù)相關(guān)。與試驗(yàn)結(jié)果一致。另一方面，由于在磁流體靜密封水時(shí)，水與磁流體均保持靜止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有產(chǎn)生速度差，故磁流體與水之間界面保持穩(wěn)定。試驗(yàn)中，磁流體靜密封氣體和水的耐壓曲線也接近重合。

在動(dòng)密封中，磁流體密封氣體時(shí)，各個(gè)轉(zhuǎn)速下的耐壓值基本保持不變，而密封水時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 250 r/min后，耐壓值明顯下降，見(jiàn)圖5。

設(shè)計(jì)的磁流體密封結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸直徑為12 mm，由式(15)及相關(guān)參數(shù)可得，當(dāng)密封介質(zhì)為氮?dú)鈺r(shí)，界面穩(wěn)定性臨界轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的理論計(jì)算值為ω=44 013 r/min。理論上，對(duì)于本設(shè)計(jì)中的密封結(jié)構(gòu)，當(dāng)磁流體密封氣體時(shí)，如果轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速大于44 013 r/min，磁流體與氣體的界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)軸很難達(dá)到這一轉(zhuǎn)速，因此，在一般情況下，磁流體密封氣體的耐壓能力和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。當(dāng)磁流體密封水時(shí)，由理論計(jì)算得到的磁流體與水的界面穩(wěn)定性臨界轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速值為ω=1 959 r/min，即理論上如果轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速大于1 959 r/min，磁流體與水的界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為750，1 500 r/min時(shí)，磁流體密封水的耐壓值與靜密封接近，而轉(zhuǎn)速為2 250，3 000 r/min時(shí)，磁流體密封水的耐壓值逐漸下降，明顯低于靜密封耐壓值，與理論分析一致。

圖5 磁流體動(dòng)密封水和氣體密封耐壓試驗(yàn)值的比較

Figure 5 Comparison of the failure pressure of dynamic sealing water and gas with magnetic fluid

3 結(jié)論

磁流體靜密封水的耐壓值和其靜密封氣體的耐壓值均隨密封間隙的增加而減小。同一間隙磁流體靜密封水的耐壓能力，與其靜密封氣體的耐壓能力基本相同。動(dòng)密封時(shí)，磁流體密封氣體時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速很高，因此磁流體用于密封氣體時(shí)的耐壓能力一般不受轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速影響。磁流體用于密封水時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速高于臨界值情況下耐壓值明顯下降。

[1] MIZUTANI Y, SAWANO H, YOSHIOKAH, et al. Magnetic fluid seal for linear motion system with gravity compensator[J]. Procedia Cirp, 2015, 33: 581-586.

[2] 牛曉坤, 鐘偉. 磁性液體的應(yīng)用[J]. 化學(xué)工程師, 2004(12): 45-47.

[3] RADIONOV A V. Application of magnetic fluid seals for improving reliability of air coolers[J]. Chemical & Petroleum Engineering, 2015, 51(7/8): 481-486.

[4] ANTHONY W, MELVYN K, DAVID B L. Studies of the double surfactant layer stabilization of water-based magnetic fluids[J]. Journal of Colloid Interface Science, 1991, 144(1): 236-242.[5] RONALD E Z, JAMES R M. Dynamics and stability of ferrofluids: surface interactions[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1969, 39(1): 1-24.

[6] WILLIAMS R A , MALSKY H. Some experience using a ferrofluid seal against a liquid[J]. IEEE Transactions on magnetic, 1980, 16(2): 379-381.

[7] 王虎軍, 李德才, 何新智. 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速對(duì)磁流體液體動(dòng)密封耐壓能力影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 28(2): 179-181.

[8] KURFESS J MULLER H K. Sealing liquids with magnetic liquids[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1990, 85: 246-252.[9] 王媛, 樊玉光. 相對(duì)速度對(duì)磁流體液體動(dòng)密封中界面穩(wěn)定性的影響[J]. 流體機(jī)械, 2007, 35(1): 18-20.

[10] MITAMURA Y, YANO T, NAKAMURA W, et al. A magnetic fluid seal for rotary blood pumps: behaviors of magnetic fluids in a magnetic fluid seal[J]. Bio-medical Materials and Engineering, 2013, 23(1/2): 63-74.

[11] 李德才. 磁性液體的理論及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 190-197.

[12] 黃衛(wèi)星, 陳文梅. 工程流體力學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001: 113-115.

[13] ROSENSWEIG R E. Ferrohydrodynamics[M]. New York: Dover Publications INC, 2002: 307-323.

[14] 李德才. 磁性液體密封理論及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010: 373-375.

Comparative study of the failure pressure between sealing liquids and gas with magnetic fluid

WANG Hu-jun1,2

1LIDe-cai1

ZHENShao-bo2

1WANGSi-qi1

(1.SchoolofMechanical,ElectronicandControlEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.ChinaInstituteofIndustrialRelations,Beijing100048,China)

Magnetic fluid has been widely used in sealing gas, but sealing liquids with magnetic fluid is still in the research stage. In this paper, the effect of velocity difference on failure pressure was theoretically deduced. The magnetic fluid seal structure was designed and an experiment its rig was set up, and then the seal performances of sealing gas and liquids with magnetic fluid were studied. The results showed that the failure pressures of sealing liquids and gas statically under the same sealing gap were almost the same, and the failure pressure was generally not affected by the speed of the rotating shaft when sealing gas with Magnetic fluid. The failure pressure decreases significantly when the rotating shaft overspeeded the critical value, under the condition of Magnetic fluid as sealing liquids.

magnetic fluid; static seal; dynamic seal; failure pressure

教育部長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(編號(hào)：IRT13046)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51375039)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(編號(hào)：12zy021)

王虎軍，男，中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院講師，北京交通大學(xué)在讀博士研究生。

李德才(1966-)，男，北京交通大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師。E-mail: dcli@bjtu.edu.cn

2016-10-13

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.015