往复运动轴磁性液体密封实验装置的研制与应用

孙维民，石明浩，赵 骞，国安邦，赵丽军，史桂梅

（沈阳工业大学 理学院，辽宁 沈阳 110870）

1 引言

磁性液体密封是磁性液体的产业化过程中最早出现的技术，也是磁性液体技术应用最为广泛的一个方面.磁性液体密封是一种非接触式密封，其工作原理是：由环状永磁铁、极靴、磁性液体和导磁轴构成闭合磁回路，利用永磁体中的磁能，在密封轴与极靴齿端的间隙内产生强磁场，将磁流体紧紧吸在密封间隙内，形成磁性液体“O”型密封环，将间隙封住，从而实现密封.目前主要用于精密仪器、机械等的真空静态密封和旋转轴密封［1-6］.而对于往复运动轴的磁性液体密封的研究相对较少［7-10］，原因是往复运动轴磁性液体密封不同于真空静态密封和旋转轴密封，至今，在应用上有很多问题需要解决，尤其是密封间隙内磁性液体的流动和密封间隙内的磁性液体由于往复轴的运动而引起损失，并最终导致密封失败.所以研究往复运动轴的磁性液体密封实验装置具有现实意义.为此，本文设计了往复运动磁性液体密封实验装置.

2 实验装置

图1为往复运动轴磁性液体密封实验装置示意图.实验装置主要由磁性液体密封体（图中2个阴影部分的磁性液体密封结构是相同的）、密封腔（密封腔中可注气或注水）和气泵系统组成.实验中气泵系统用来为轴的往复运动提供动力.

图1 往复运动轴磁性液体密封实验装置示意图

在往复运动轴的磁性液体密封中，由于磁性液体会不断地逃逸磁场的束缚而流出密封域之外，使密封域中的磁性液体数量逐渐减少，当密封环断开造成密封泄漏时，密封失败.为了解决这个问题，本文采用了2项措施，一是针对往复运动轴的轴速一般比较小，所以磁性液体的温升较小，可采用高黏度磁性液体［11-12］；二是设计了补偿磁流体的结构，在极靴中设计了能储存磁流体的环形槽，并且能通过极靴不断补充磁性液体.图2为往复运动轴的磁性液体密封体结构示意图，主要密封件是环形磁环和环形极靴，磁环材料是钕铁硼，磁环宽度是10mm、厚度是12.5mm（内径因轴径而变）.极靴材料是纯铁，极靴宽度15.4mm，齿形是梯形，齿厚1.5mm、齿高1.5mm、齿数10个.磁环和极靴间隔放置，相邻磁环同性相对.磁感应线由磁环的N 级出发经过极靴、间隙（其中充满磁性液体）、往复轴后进入磁环的S极而构成闭合回路.

图2 往复运动轴磁性液体密封结构示意图

3 实验结果

表1～表6分别为在不同初始密封腔内水压p0和轴往复运动速率v 条件下的密封腔内水压p 与轴运动时间t的关系.实验结果表明，当p0＜1.5×105Pa，并且v＜2m／s时，该磁性液体密封实验装置具有良好的液体密封性.但随着密封腔内水压升高、轴往复运动速率增大，该磁性液体密封实验装置的液体密封性能下降.

表1 p0=1.0×105 Pa，v=1m／s时密封腔内压强与时间的关系

表2 p0=1.3×105 Pa，v=1.5m／s时密封腔内压强与时间的关系

表3 p0=1.5×105 Pa，v=2m／s时密封腔内压强与时间的关系

表4 p0=1.6×105 Pa，v=2.2m／s时密封腔内压强与时间的关系

表5 p0=1.7×105 Pa，v=2.5m／s时密封腔内压强与时间的关系

表6 p0=2.0×105 Pa，v=3m／s时密封腔内压强与时间的关系

4 磁性液体密封装置在油井的井口密封中的应用

将磁性液体密封材料和密封技术应用于油井井口的间隙密封，以减少漏油.油井井口的间隙密封是利用磁场在泵杆与井口壁的间隙内形成磁性液体密封环来阻塞油液的一种密封.从密封介质讲是液体密封，从运动形式上讲是往复轴密封.油井的情况复杂，对不同的油井，原油中含水、含沙、酸碱性、黏度等情况都不同，而且泵杆的滑动行程达2～3m，这些情况都增加了应用磁性液体密封技术的难度.

图3给出了油井井口的间隙密封装置结构示意图（只画出了1个磁环和2个极靴），密封装置安装在圆形井口壁的内壁上.磁感应线由磁环的N 级出发经过极靴、间隙（其中充满磁性液体）、泵杆壁后进入磁环的S极而构成闭合回路.当抽油泵工作时，泵杆和井口壁间隙处的磁性液体在极齿磁场的作用下形成密封环.

图3 油井井口的间隙密封装置结构示意图

将磁性液体密封材料和密封技术应用于油井井口的间隙密封是磁性液体密封技术的一种尝试.实验结果表明，油井井口磁性液体密封装置的有效密封时间比原密封结构提高50%以上，但存在的问题是油井井口磁性液体密封装置的成本偏高，使推广应用遇到了困难，后续研究的重点是如何降低油井井口磁性液体密封装置的成本.

5 结束语

设计了往复运动轴磁性液体密封实验装置，该实验装置的特点是可随时补充运动过程中流失的磁性液体，延长了有效密封时间.将研制的往复运动轴磁性液体密封实验装置应用于油井井口密封，试验结果表明，有效密封时间比原密封结构提高50%以上.

［1］王晨，胡军，罗伟等.磁性液体的研究进展［J］.金属功能材料，2003，10（4）：35-38.

［2］梁志华，邓朝阳，裴宁.真空设备与磁流体密封［J］.真空，2000（3）：48-49.

［3］Uhlmann E，Spur G.Application of magnetic fluids in tribotechnical systems［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，252：336-340.

［4］刘辉，钟伟，都有为.新型磁性液体的制备及其旋转轴动态封油技术研究［J］.磁性材料及器件，2001，32（2）：45-49.

［5］Li Decai，Xu Haiping，He Xinzhi，et al.Study on the magnetic fluid sealing for dry roots pump［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，289：419-422.

［6］Mitamura Y，Arioka S，Sakota D，et al.Application of a magnetic fluid seal to rotary blood pumps［J］.Journal of Physics：Condensed Matter，2008，20（20）：204145-204149.

［7］Li Decai，Xu Haiping，He Xinzhi，et al.Mechanism of magnetic liquid flowing in the manetic liquid seal gap of reciprocating shaft［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，289：407-416.

［8］孙维民，金寿日，李志杰，等.高粘度磁性液体在抽油泵滑动密封中的应用研究［J］.润滑与密封，2002，27（6）：14-15，17.

［9］赵勇，王强，查建中.磁流体往复轴密封及其摩擦学设计初探［J］.润滑与密封，2001，26（5）：17-18.

［10］Li Decai，Xu Haiping，He Xinzhi，et al.Theoretical and experimental study on the magnetic fluid seal of reciprocating shaft［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，289：399-402.

［11］孙维民，金寿日，李志杰，等.高粘度磁性液体的制备研究［J］.润滑与密封，2003，28（1）：20-21，24.

［12］孙维民，石明浩，张毅，等.全氟聚醚油基磁性液体的制备及耐腐蚀性能研究［J］.润滑与密封，2009，34（3）：32-35.