磁流体密封的关键技术与应用

1磁流体简介

磁流体是一种具有软磁性的液体, 它在外加磁场的作用下具有磁性, 当外加磁场消失时, 磁性也随着消失。磁流体密封就是运用磁流体的这个特点, 用外加磁场将磁流体固定在密封间隙之中,并运用间隙中的磁场梯度形成一定的压差, 从而实现密封。这种装置的结构如图1所示。磁流体密封具有可以达到零泄漏; 避免了机械摩擦; 无需预紧力从而避免了装配过程中由于预紧力产生的变形; 瞬时过压在压力回落时可以自动复位; 以及两侧都可以密封, 没有方向性限制等优点由于磁流体密封发展历史不长, 而影响磁流体密封的因素较多, 尤其是其结构影响更明显。国内外虽已进行过一定的研究, 但缺乏较系统的实验研究。本文集中在磁极结构方面,包括磁极的组合方式、磁极的级数、磁源的磁场方向和密封间隙的大小等, 对磁流体密封能力的影响进行了实验研究, 为其在工业领域的推广应用提供参考。利用磁流变液的磁流变效应可以实现一种非接触式的密封。在磁流变液可能泄漏的地方设计一个较强的永磁铁, 流体流到此处, 受磁场作用形成链状结构, 流体被束缚住, 不能流动, 直到内外压差大于磁流变液体的屈服应力所产生的压差, 此时流体才能泄漏。磁流变液的密封原理与磁性液体的密封原理是相同的。磁性液体(Magnetic Fluid) 或称磁流体是一种由纳米级磁性颗粒在表面活性剂的包覆下高度分散在基载液里形成的一种稳定胶体溶液。磁流体作为一种新型液体功能材料应用广泛, 其中最具代表性的是密封, 目前, 磁流体真空密封和气体密封已经达到实用阶段。磁性流体旋转轴动密封是一种非接触式密封, 由环状永磁铁、导磁极靴和导磁转轴构成闭合磁路, 利用永磁铁的磁能, 在转轴与极靴极齿顶端的齿形间隙中产生强弱相间的非均匀磁场, 将磁性流体紧紧吸住, 形成磁性液体”O”形圈, 把间隙堵死, 从而达到密封的目的。磁流变液体密封设计由于磁性液体也是一种磁流变液, 因此磁性液体的密封装置也可以用于磁流变流体密封。可知, 影响最大密封压力的因素有密封的间隙、密封的长度、密封的齿数和磁流变流体的屈服应力, 前面3个因素与密封结构相关, 后面一个因素与流体的性能相关。

2磁流体密封的关键技术

2.1磁流体润滑技术磁流体润滑

将有效磁粒子加入到润滑油中来实现的,这里润滑油作为磁流体的载液常用的载液有双醋类和烷基蔡类 当磁流体加入到摩擦副中时,由于内含的纳米粒子的尺寸比表面粗糙度小得多,不会引起摩擦副的磨损 而载液在摩擦副中可以起到与普通润滑油相同的润滑效果 除此以外,作为纳米粒子的表面改性功能可以显著改善润滑油的悬浮稳定性,提高抗磨减磨性能 作为磁性纳米粒子还可以在磁场的作用下控制润滑位置,完全消除泄漏,使摩擦区的状态稳定 通过合理的磁场梯度设计,还可以增加磁悬浮力,提高轴承等的承载能力 磁流体具有很好的热传导性,在摩擦副中产生的热量可以很快传出,从而降低摩擦副的温度,改善润滑条件,在磁场作用下,能准确地充满润滑表面,实现连续润滑并避免出现润滑剂贫乏 磁性流体润滑剂可用于动压润滑轴颈轴承、推力轴承、液压系统、齿轮转动、各种滑座和两表面相互接触的任何复杂运动机构,如大型设备和高精度高转速的转动轴的轴承的润滑、计算机硬盘驱动器轴的润滑、机器人和精密仪器关节的润滑、微电机中的磁流体轴承图、齿轮箱的传动齿轮的润滑等,使用后能大大提高设备或部件的使用寿命磁流体研磨技术磁流体研磨 的方式较多,其中典型的是磁浮置研磨,磁铁不同于电磁,其不需消耗电能,且相邻磁铁的极性不同,由此产生的等磁力线在中心磁铁上方呈凹形,添加的磨粒就悬浮在此处 在工件的旋转作用下,磨粒与工件间产生磨削作用,若要增加磨粒浮置力,可增大垂直方向的磁场梯度,若要增大保持力,可增加水平方向的磁场梯度 影响磁流体研磨质量和效率的因素有豁度、温度、磨粒大小、磨粒添加率、外加磁场强度和磁流体的磁感应强度。

2.2磁流体阻尼器

磁流体阻尼器用以加大振动阻尼、减小共振、改善频率特性等,其原理是当外面的非磁性壳体旋转速度有变化时,引起内部的磁极包括磁铁和外部壳体的转动速度差,在外磁场的作用下,一定勃度和饱和磁化值的磁流体产生剪切力,这剪切力带动磁极转动,直到消除与外壳的转动速度差为止,从而减小转动速度变化时的输出速度的震荡 磁流体阻尼器的特点是无机械磨损、低频小幅、外加磁场的大小可以控制阻尼的大小等 目前已在步进电机、伺服电机中广泛使用 影响磁流体阻尼器特性的因素主要有转动惯量一阿 和帕匹库”其中 为磁极密度刀为磁流体的豁度,为磁流体与磁极的接触面积

2.3磁流体传感器技术

磁流体传感器是指利用磁流体的某个或某些特性设计的传感器,目前主要用于流量控制仪、倾角仪、比例放大仪、安全密封阀图 等流量控制仪是利用磁流体在不同磁场强度下勃度不同的特性把电信号转变为磁流体压力差,推动滑阀产生位移,从而实现对流体流量的控制 倾角仪是利用磁流体自悬浮变化,探测浮在容器中的磁流体位移而达到测量的目的 比例放大器是利用外加磁场对磁流体的控制,使磁流体喷射流偏转而达到比例放大作用