科普|高黏度大直径高性能磁脂密封简介

李书文

（BUCT流体密封技术研究中心）

一、研究背景

现代工业发展对密封装置提出了更严格的要求。采用高黏度非牛顿流体作为载液,加入磁性微粒制备的磁性流体称为磁脂，运用于大直径旋转轴密封具有不可比拟的优点：无泄漏、磨损少、结构简单、寿命长，更强的自修复能力。高黏度大直径高性能磁脂密封作为流体密封技术研究中心开发的新型密封方式，与磁流体密封相比，具有更高的单级密封能力，更大的转轴直径和密封间隙，允许的径向偏移和轴向偏移也更大，不仅可用于真空及气相密封，还可用于以海水为典型代表的液相密封。

磁脂密封由永磁铁、磁极、极靴、磁脂、导磁轴（或导磁轴套）组成，并形成封闭的磁回路。密封间隙的磁场梯度将磁脂吸附于极齿端部形成抵抗两侧压差的密封能力。

二、密封特点

1.转子和定子不接触，不会产生金属碎屑，磁脂在磁场力作用下被吸附在极齿下方，阻止外部空气或水进入密封腔。

2.支持0.5mm以上密封间隙，较高黏度的磁脂在安装时就可以吸附于极齿下方，充满密封间隙即可形成密封作用。

3.磁脂的饱和磁化强度远大于普通磁性液体，承压能力更高，只要极齿两侧压差小于磁场力，密封就不会产生任何泄漏。

4.高黏度的磁脂可以抵抗液相介质的冲刷，将密封条件拓展到了海水或者其他液相环境。

三、研究现状

流体密封技术研究中心针对磁脂密封的磁脂制备，结构设计，密封能力分析和试验进行了一系列研究，主要研究技术总结为以下三类：

01　特种磁脂制备工艺

研究中心自主研发了特种磁脂，对影响磁脂性能的各种因素进行了基于响应面法的实验研究，得到了Z佳实验条件。对磁性颗粒实现了批量化生产，形成了特种磁脂制备工艺，保证了磁脂性能的稳定性。本研究中心制备的磁性颗粒电镜照片及尺寸分布如下图所示。

02　磁脂密封承压能力与温度特性数值研究

采用ANSYS软件，根据非线性磁场有限元法，建立了磁脂密封承压能力数值模型，预测了磁脂密封的磁场分布，根据承压能力与磁脂的饱和磁化强度、磁场梯度的公式，分析了结构参数（齿高、齿宽、槽宽）对其承压能力的影响规律，直接指导磁脂密封的设计。

根据磁脂的对流传热方程，建立了磁脂瞬态温度场数值模型，预测了磁脂密封的温度场分布，分析了结构参数（齿高、齿宽、槽宽）、工况参数（冷却方式、转速）和磁脂粘度等对磁脂失效条件的影响规律，反向指导磁脂密封结构设计。

根据两相流及水平集方法，耦合磁场力，建立了基于层流假设的磁脂密封两相流动数值模型，预测了密封条件下磁脂与密封介质界面动态变化过程，分析了结构参数（齿高、齿宽、槽宽）、工况参数（压差、转速）和磁脂粘度等对磁脂密封动态过程的影响，对磁脂密封的作用机理做出了具体化和形象化的解释。

03　磁脂密封试验研究

根据高黏度高性能磁脂密封工况参数，设计并搭建磁脂密封密封件试验台。试验研究主要包括磁脂密封耐压能力实验、磁脂密封寿命测量实验、磁脂密封摩擦生热实验、磁脂密封海水因素作用试验。

四、典型应用

01　舰船电机系统主轴密封

高黏度大直径高性能磁脂密封解决了某海水环境工作条件下电机系统主轴密封的难题，该项目涉及以下难点：介质为氟利昂，其气态时渗透性强；轴径达到600mm，轴向传动量1.5~2mm，径向跳动量0.5mm，转轴精度低，工作线速度较高，密封条件较为恶劣；密封要适应船用条件下倾斜、摇摆、振动和冲击等苛刻要求，并满足船用条件下的“三防”要求，即密封要适应潮湿、盐雾和霉菌条件下的工作性能；密封使用寿命高于3年。

02　海水环境下电机旋转密封

高黏度磁脂密封解决了某船舶研究所电机轴端密封的难题，该项目涉及以下难题：介质为海水，冲刷作用较强；轴端焊接法兰盘，密封结构必须采用分半式；有盐雾、油雾、霉菌的影响。

五　结语

基于高黏度大直径高性能磁脂密封技术的相关研究，实验室共发表相关核心论文六篇，EI会议论文一篇，申请发明专利三项，成功解决实际密封难题两项，形成了成熟的高黏度大直径高性能磁脂密封技术。