国外磁性液体在往复轴密封中的应用

摘 要：磁性液体往复轴密封是一种新型的动密封技术。由于磁性液体往复轴密封既可以实现往复轴密封，又可以实现往复加旋转复合密封，因而引起广泛关注。文章着重介绍国外磁性液体往复轴密封的研究及应用情况。

关键词：磁性液体；密封；往复轴

1 磁性液体

磁性液体作为目前为止工业应用中唯一的一种液体磁性材料，既具有液体的流动性，又具有磁性材料的磁性，以及许多固体磁性材料和液体材料所不具有的特性。自从上世纪中期被研制出来以后，就受到了科技工作者的广泛关注。

2 国外磁性液体在往复轴中的应用

磁性液体往复密封技术是一种新的动密封技术。由于磁流体往复密封装置本身不仅能完成往复运动的密封，且能够代替旋转轴密封，实现往复加旋转复合运动的密封，因而此密封技术引起人们的高度关注。以下着重介绍磁性液体往复密封技术的发展概况及今后研究重点。

磁性液体往复轴密封技术起源于80年代初期。M·Coldowsky[1]最早为心脏机研制而建立的单级磁性液体线性密封，并发表了磁性液体用于往复轴密封的实验及实验结果。分析指出，密封的动力过程很复杂，不考虑磁场的影响时，分析往复轴携带出磁性液体膜的动力现象是非常困难的，没有满意的数学模型来预测实验结果。

1981年和1982年，美国Michel A·Pierrat和Andover， Mass等人先后申请了两项专利[2～3]这两项专利的核心都是为了避免磁性液体在往复轴密封中泄露而导致密封失效的问题。

由于磁性液体用于旋转密封时没有磁性液体被轴携带的问题，专利[2]将磁性液体的往复轴密封转化为旋转密封，输入轴的一端和往复轴驱动装置相连，另一端是平定式螺杆，该螺杆与圆柱体一端的内螺纹孔相配合。同样的，在圆柱体的另一端，也有一个内螺纹孔，它与孔都是盲孔。孔与输出轴（也就是被密封隔离的部分）的螺纹部分相连。圆柱体通过空腔来密封。在中包括了永久磁铁和极靴等部件。轴两端都包括一个挡块，以防止超程，并在轴上设计有槽和定位孔相配合来阻止轴的转动。

专利[3]在密封件的两端加装了压力环及有锐角边的刮环等装置，使磁性液体保持在密封间隙内。轴即可作往复运动，又可作往复加旋转运动，采用磁性液体多极密封。密封装置包括环状永久磁铁、一对可导磁的极靴。极靴与轴保持微小间隙，磁性液体受到间隙中磁场力的作用而保持其中。为了防止磁性液体的外泄，在极靴两端装有压力环，压力环内径表面有较小椎度。为了达到更好的密封效果，在压力环与极靴接触的表面装有防滑O形圈，金属刮环又逐渐变细的外锥面，且有很尖的刮边，和压力环的锥面配合使用，内表面与往复轴靠得很近，可将外泄的磁性液体刮回密封间隙内。为了使刮环在轴向产生更大压力，本专利中还设计了一个弹簧垫圈和一个止推垫圈，这样就可以有效地阻止磁性液体从密封间隙泄漏出来。

1985年，Hanumaiah L Gowda等人申请了往复轴磁性液体密封的专利[4]。有效地防止磁性液体从密封间隙中流失的问题仍然是他们的专利出发点。当往复轴往复运动时，该专利提出了在密封的壳体中保持和储存磁性液体的一些方法以免磁性液体流失。

图1 壳体内表面开有沟槽的往复轴磁性液体密封专利

如图1所示，轴48的一端与驱动电机相连，另一端延伸到真空区域，在壳体32内作往复运动或往复加旋转运动。往复轴受壳体两端的塑料或抗摩擦滚珠衬套直线轴承36支撑。在轴上有轴向极化的永久磁铁38和可导磁的极靴40及42，极靴与轴之间通过静密封固定。在极靴的外表面上有一系列的凸起和刃面，它们与壳体的内表面在径向形成了若干个很小的间隙。在间隙中的磁性液体44受磁场力作用形成了若干个空间上独立的“O”形圈磁性液体密封。图中的往复轴是非磁性的，并且在外围固定有非磁性轴套50。为了储存和保留轴上携带的磁性液体，本专利中在壳体的内表面上独立分布着若干个槽52，在轴做往复运动时收集磁性液体。在密封装置中靠进真空区域一侧与轴承相邻设计了环状的收集磁块54，来收集往复轴运动过程中携带到真空区域一侧的磁性液体。与收集磁块相邻在其外侧固定一有刃面的能清理磁性液体的聚四氟乙烯环，其作用是阻止磁性液体沿轴向直线移动并与轴承内的润滑物接触进而将磁性液体保留在密封空间内。永久磁铁、极靴和壳体组成的磁路。如图中点划线所示。极靴外径表面和壳体内径表面所形成的狭小的间隙内密集地分布着若干磁力线。磁场很强，形成了多个磁性液体“O”形密封圈来进行往复轴密封。

1985年，日本的shojiro Migake和Sadao Takahashi[5]对磁性液体的线性真空密封特性进行了实验研究，指出影响磁性液体密封的主要因素为：为了解决轴的往复运动中磁性液体会不断地逃逸磁场的束缚而流出密封区域之外这个问题，选取适当粘度的磁性流体或者提高磁场强度的方法来提高磁性液体密封性能。实验表明，轴往复运动的速度和行程也与密封性能有着密切的关系，轴速提高导致被拖甩出的磁性液体增多，密封性能下降。同样，轴的行程增大也会减弱了磁性流体往复密封的性能。该实验还得出了：随着间隙的增大，间隙中磁场强度减弱，对磁性液体的束缚减少，导致被拖甩出的磁流体增多。另外，磁性液体的供应量充分可使得密封间隙对密封性能的影响降低。

前苏联学者S I Evsin[6]等人于1990年对的往复轴磁性液体密封研究进行了系统的总结，指出密封间隙中磁性液体的变形及磁性液体被带走是引起的往复轴磁性液体密封失效的主要原因。这两个因素可以引起磁性液体临界耐压能力下降及引起密封微漏。此外，该研究还分析了密封间隙内磁性液体变形时的密封耐压情况。

1992年，日本Akihiko Koba[7]等申请了磁性液体往复密封专利，其专利中设计的密封形式如图2所示。

图2中永久磁铁22、极靴26和28都通过孔安装在外壳内表面上，极靴26的圆柱形内表面30和轴12是同轴的。内表面30在轴向上的长度与往复轴的行程相等甚至更长。而极靴28轴向上的距离较短。用可导磁材料制成的环32被压装在往复轴12的外表面上，位于往复轴运动到达中间位置时轴的终点处。环32的轴向长度与极靴26相比较小。环32的外径和极靴内径之间间隙很小，密封装置中的闭合磁路如图一中的点划线所示。磁性液体38停留在极靴26和环32之间的间隙中形成密封。由于轴的往复运动，磁性液体会流向极靴的内表面，并形成连续的磁性液体膜，覆盖整个极靴26的内表面。当轴12与环一起做水平往复运动时，内部的磁性液体40由于其密度较高，与环一起做直线运动，而极靴26内表面上的磁性液体膜42保持相对静止。内部的磁性液体40和磁性液体膜42始终结合在一起。同时，磁性液体40又沿着磁性液体膜42在滑动。由于极靴长度大于等于往复轴的行程，所以，磁性液体40始终与磁性液体膜42相接触。也就是说在整个往复轴运动过程中，磁性液体密封始终在工作并起作用。由于在整个往复运动过程中磁性液体始终保持在磁性间隙内，与往复轴和外壳均未接触，所以避免了磁性液体被携带或沿着轴和外壳泄露。

2004年，日本Hiroshi Anzai等人[8]申请了一项磁性液体密封专利。此专利为了减少永久磁铁附近磁性液体的泄露，将两个极靴上靠近永久磁铁的两个极齿间的轴向距离缩短，并且在这两个极齿间加装密封块，这样，密封块、两个极齿及、往复轴围起来的空间变小，也就减少了磁性液体在此空间的泄露。永久磁铁、极靴及往复轴共同组成磁路。在两个极靴侧面，可增加两个圆锥面（和水平面成5-30度角），这样在锥面和往复轴之间形成了毛细管作用下的引力，减少了磁性液体的泄露，耐压能力增强，可用于往复运动速度较快的场合。

3 结束语

以上的往复轴磁性液体密封无论在理论还是在实验研究尤其是在实际应用上均不成熟。如何准确得出往复轴运动参数和密封件结构参数与耐压能力以及密封寿命的定量化关系；如何进行密封间隙内磁性流体流动机理的分析以及对往复轴运动时磁性液体运动状态的准确刻画等问题[9]需要以后的进一步研究。

参考文献

[1]M Goldowsky.NewMethodforSealing.Flitering and Lubrication with Magnetic Fluids.IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，VoI.MAG.16，No.2，MARCH，1980.

[2]MiehelAPierra， AndoverMass. Linear Drive Shaft Seal.US Paten，4.284，605，1981.

[3]MiehelAPierra， AndoverMass. Linear Seal APParatus.US Paten，4.209，060，1980.

[4]Hanumaiah L Gowda. Ferrofiuid Linear Seal APParatus.US Paten， 4.502，700，1985.

[5]ShojiroMigake， Sadao Takahashi. Characteristics of Ferromagnetic Linear Vacuum Seal. ASLE TRANSACTI0NS，Volume28，3，358-363.

[6]S I Evsion，N A Sokolov.DeveloPment of Magnetic Fluid Reciprocating Motion Seals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，85（1990）253-256.

[7] Akihiko Koba，Kitakyushu.MAGNETIC FLUID SEAL APPARATUS.US PATEN，5，165，701，1992.

[8]Hiroshi Anzai，Fujisawa. MAGNETIC FLUID SEAL .US PATEN，6，672，592，2004.

[9]李德才.磁性液体的理论与应用研究[J].北方交通大学学报，1996，5.