李書文

（BUCT流體密封技術研究中心）

一、研究背景

現代工業發展對密封裝置提出了更嚴格的要求。采用高黏度非牛頓流體作為載液,加入磁性微粒制備的磁性流體稱為磁脂，運用于大直徑旋轉軸密封具有不可比擬的優點：無泄漏、磨損少、結構簡單、壽命長，更強的自修復能力。高黏度大直徑高性能磁脂密封作為流體密封技術研究中心開發的新型密封方式，與磁流體密封相比，具有更高的單級密封能力，更大的轉軸直徑和密封間隙，允許的徑向偏移和軸向偏移也更大，不僅可用于真空及氣相密封，還可用于以海水為典型代表的液相密封。

磁脂密封由永磁鐵、磁極、極靴、磁脂、導磁軸（或導磁軸套）組成，并形成封閉的磁回路。密封間隙的磁場梯度將磁脂吸附于極齒端部形成抵抗兩側壓差的密封能力。

二、密封特點

1.轉子和定子不接觸，不會產生金屬碎屑，磁脂在磁場力作用下被吸附在極齒下方，阻止外部空氣或水進入密封腔。

2.支持0.5mm以上密封間隙，較高黏度的磁脂在安裝時就可以吸附于極齒下方，充滿密封間隙即可形成密封作用。

3.磁脂的飽和磁化強度遠大于普通磁性液體，承壓能力更高，只要極齒兩側壓差小于磁場力，密封就不會產生任何泄漏。

4.高黏度的磁脂可以抵抗液相介質的沖刷，將密封條件拓展到了海水或者其他液相環境。

三、研究現狀

流體密封技術研究中心針對磁脂密封的磁脂制備，結構設計，密封能力分析和試驗進行了一系列研究，主要研究技術總結為以下三類：

01　特種磁脂制備工藝

研究中心自主研發了特種磁脂，對影響磁脂性能的各種因素進行了基于響應面法的實驗研究，得到了Z佳實驗條件。對磁性顆粒實現了批量化生產，形成了特種磁脂制備工藝，保證了磁脂性能的穩定性。本研究中心制備的磁性顆粒電鏡照片及尺寸分布如下圖所示。

02　磁脂密封承壓能力與溫度特性數值研究

采用ANSYS軟件，根據非線性磁場有限元法，建立了磁脂密封承壓能力數值模型，預測了磁脂密封的磁場分布，根據承壓能力與磁脂的飽和磁化強度、磁場梯度的公式，分析了結構參數（齒高、齒寬、槽寬）對其承壓能力的影響規律，直接指導磁脂密封的設計。

根據磁脂的對流傳熱方程，建立了磁脂瞬態溫度場數值模型，預測了磁脂密封的溫度場分布，分析了結構參數（齒高、齒寬、槽寬）、工況參數（冷卻方式、轉速）和磁脂粘度等對磁脂失效條件的影響規律，反向指導磁脂密封結構設計。

根據兩相流及水平集方法，耦合磁場力，建立了基于層流假設的磁脂密封兩相流動數值模型，預測了密封條件下磁脂與密封介質界面動態變化過程，分析了結構參數（齒高、齒寬、槽寬）、工況參數（壓差、轉速）和磁脂粘度等對磁脂密封動態過程的影響，對磁脂密封的作用機理做出了具體化和形象化的解釋。

03　磁脂密封試驗研究

根據高黏度高性能磁脂密封工況參數，設計并搭建磁脂密封密封件試驗臺。試驗研究主要包括磁脂密封耐壓能力實驗、磁脂密封壽命測量實驗、磁脂密封摩擦生熱實驗、磁脂密封海水因素作用試驗。

四、典型應用

01　艦船電機系統主軸密封

高黏度大直徑高性能磁脂密封解決了某海水環境工作條件下電機系統主軸密封的難題，該項目涉及以下難點：介質為氟利昂，其氣態時滲透性強；軸徑達到600mm，軸向傳動量1.5~2mm，徑向跳動量0.5mm，轉軸精度低，工作線速度較高，密封條件較為惡劣；密封要適應船用條件下傾斜、搖擺、振動和沖擊等苛刻要求，并滿足船用條件下的“三防”要求，即密封要適應潮濕、鹽霧和霉菌條件下的工作性能；密封使用壽命高于3年。

02　海水環境下電機旋轉密封

高黏度磁脂密封解決了某船舶研究所電機軸端密封的難題，該項目涉及以下難題：介質為海水，沖刷作用較強；軸端焊接法蘭盤，密封結構必須采用分半式；有鹽霧、油霧、霉菌的影響。

五　結語

基于高黏度大直徑高性能磁脂密封技術的相關研究，實驗室共發表相關核心論文六篇，EI會議論文一篇，申請發明專利三項，成功解決實際密封難題兩項，形成了成熟的高黏度大直徑高性能磁脂密封技術。