摘 要：以提高磁性液体饱和磁化强度和外加磁场强度的方式来提升磁性液体密封技术应用于密封液体的性能总是有一定的局限性。设计了磁性液体密封与机械密封组合密封的结构，并研究了组合密封的耐压能力。通过实验验证了组合密封分别应用于静密封液体和动密封液体时，密封耐压能力均高于磁性液体密封单独作用时的密封耐压能力，具有一定的实际价值。在流体动压密封原理的基础上，提出了流体动压型组合密封结构，为组合密封结构优化提供了一定的依据。
关键词：磁性液体密封；组合密封；密封耐压能力；流体动压
0 引 言
随着石油化工、宇航、材料科学及制造技术正朝着高度智能化、节能以及绿色环保方向发展，航空航天等领域对于高温差、高压差密封的要求越来越高，现代工业对密封系统提出了新的要求：在高温差、高压差环境下实现密封介质的微泄露甚至无泄漏(包括液相零泄漏和气相零逸出)，使用寿命长、稳定性高、抗干扰能力强、成本低、维修方便等。传统的机械密封技术已很难适应新的需求[1]。
在旋转流体机械用各种密封形式中，密封界面通常有两种基本型式：一种是两个径向对置的圆柱形表面形成的径向密封；另一种是两个轴向对置的平面表面形成的轴向密封[2]。传统的机械密封技术采用由密封环端面形成的轴向密封应用于旋转流体机械中，其耐压性和耐振性均较好，但其结构复杂，加工精度高。磁性液体密封是应用新型纳米磁性颗粒分散到基载液中形成稳定的胶体溶液，即磁性液体；再通过磁场作用将磁性液体吸附在密封间隙中，磁性液体在密封间隙中形成一圈强韧的环形液体膜，阻止密封介质从密封间隙中泄漏[3]。磁性液体密封可实现零泄露、无磨损、寿命长、结构简单，但耐温差和耐压差能力相对较弱[4]。将传统的机械密封与新型的磁性液体密封组合应用，相对于二者单独密封，其密封性能将大大提升。
笔者设计了一种由传统的机械密封与新型磁性液体密封组合应用的密封结构，通过理论推导及实验验证了这种组合密封在静密封液体和动密封液体的密封耐压能力均高于磁性液体单独密封的密封耐压能力，取得了具有一定实用价值的结果。基于流体动压密封原理，在现有的组合密封结构上，设计出新型组合密封结构，为组合密封技术的应用与研究提供一定依据。
1 机械密封
1.1 机械密封原理
机械密封又称端面密封，是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置，主要应用弹性元件对动环、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧实现密封[5]。机械密封的结构简图如图1所示，一般主要由5大部分组成：端面摩擦副(静、动环)、弹性元件、辅助密封件、传动件以及紧固件。图中A、B、C、D分别表示机械密封结构中的4个泄露通道。
1.2 机械密封件
从图1所示的机械密封结构中，静环与动环接触的端面间隙、静环密封圈以及动环密封圈均有可能产生泄漏。静环与动环接触的端面间隙是主要的密封面。它决定了机械密封的有效工作寿命，更重要的是，也是决定密封性能的关键因素。现有的机械密封件中用于旋转密封的密封形式也多种多样，如图2(a)～(c)所示[6]。
2 磁性液体密封
2.1 磁性液体密封技术
磁性液体是将包覆有表面活性剂的纳米铁磁性或亚铁磁性颗粒高度弥散于低挥发度的基载液中形成的高度稳定的胶体溶液[7]。磁性液体是一种新型的液态磁性功能材料, 既具有普通液体的流动性，也具有普通液体不具备的导磁性。将磁性液体用于密封技术始于20世纪70年代，结构简图如图3所示。
图1 机械密封结构
Fig 1 The structure of mechanical seal
图2 密封形式设计
Fig 2 Design of chucking seal， O-type ring seal and single housing sealing
图3 磁性液体密封结构
Fig 3 The structure of magnetic fluid seal
在磁场的作用下, 磁性液体能够吸附在密封间隙中，形成强韧的液体膜，阻止密封介质的泄漏。磁性液体膜内的磁质点被分散剂和基载液分隔而不会聚胶，仍保持液体的流动性，与吸附的部件之间无固体摩擦，无磨损，寿命长，密封寿命主要取决于磁性液体的消耗[8]。磁性液体密封特别适用于含固体颗粒的介质。这是由于在磁场作用下，磁性液体具有很强的排它性，能将任何杂质都排除在外，可以防止密封介质中的固体颗粒与密封端面发生磨损造成密封提前失效[9]。
2.2 磁性液体密封破坏机理
如图4所示为磁性液体的破坏过程。图4(a)为注入磁性液体前极齿下的磁力线分布；图4(b)为极齿两侧没有压差时，极齿下磁性液体的分布状态；图4(c)表示密封介质从右侧对磁性液体有较大作用力时，磁性液体有微小的变形；当密封介质作用力增大到一定程度时，发生如图4(d)所示的针孔泄漏；当介质作用力继续增大，磁性液体会发生如图4(e)所示的破裂；磁性液体一旦破裂，密封介质会产生泄漏，泄漏一定量后，磁性液体会在新的力平衡状态下重新愈合，如图4(f)所示[10]。
3 磁性液体密封与机械密封组合密封
机械密封与磁性液体密封单独作用，各有利弊。在磁性液体密封和机械密封的原理和结构基础上，设计的磁性液体密封与机械密封组合密封的结构如图5所示。
图4 磁性液体密封破坏机理
Fig 4 The failure mechanism of magnetic fluid seal
图5 磁性液体密封与机械密封组合密封结构
Fig 5 The structure of combined seal with magnetic fluid seal and mechanical seal
4 密封耐压能力理论推导与实验分析
4.1 磁性液体密封耐压公式的推导
由磁性液体运动方程[11]
(1)
磁性液体的连续性方
(2) 式中，ρf为磁性液体的密度，v为磁性液体在某处的速度，ts为磁性液体中固体颗粒的松弛时间，g为重力加速度，p为磁性液体在某处的压强，μ0为真空磁导率，M为磁化强度，H为磁场强度，ηH为磁性液体在磁场中的动力粘度系数，J为磁性颗粒绕轴的惯性转矩， 为磁性液体中固体颗粒的转动角速度， 为磁性液体的涡旋速度。
假设磁性液体满足内禀性，流动是有势的并且密度 为常数[13]，则以伯努利方程表示为[14]
(3)
式中，φv为速度势
当流动是等温的，即
T=0
或流场中的温度远低于居里温度，即
流动是定常的[15]，则上式可简化为
(4)
式中，C为常数
pm为磁性液体的磁化压力，ps为磁性液体的磁致伸缩压力
(5)
(6)
且边界条件为
(7)
式中，τ表示应力张量，下标1、2分别表示磁性液体分界面的两侧；用pc来代替τ1-τ2，σ为表面张力常数，ρ1和ρ2为两个曲面的主曲率半径，由此
(8)
假设磁性液体的表面张力和自身的重力可以忽略不计，且磁力线与磁场线相重合，磁力线可以表示为圆弧状[16]。将上述假设应用于伯努利方程并结合边界条件，则磁性液体密封理论耐压公式为：
(9)
磁性液体密封的耐压能力主要跟外磁场强度及磁化强度有关。提高密封间隙中的磁场强度和磁性液体饱和磁化强度均有利于提高密封耐压能力。
4.2 磁性液体密封与机械密封组合密封液体实验
4.2.1 组合密封静密封液体实验
实验前，注射磁性液体5 mL于密封间隙中，将组合密封结构安装在实验台上，并连接进气阀和压力表。本文中采用水为液体密封介质。
在密封舱内注入20 mL水后给密封舱内充压。从最小压力值0.05 MPa开始，每间隔1 h对密封舱增压0.05 MPa，一直增大到密封舱压力为0.5 MPa。观察压力表读数，每小时充压前并记录1次压力表读数，组合密封静密封水与磁性液体密封单独作用静密封水的耐压试验数据对比如图6所示。
图6 组合密封静密封水实验数据
Fig 6 The experimental data of static seal for water by combined seal
4.2.2 组合密封动密封液体实验
实验前调试所有元器件的连接性能。在密封舱内注入20 mL水，分别在转速200，250和300 r/min的状态下，以组合密封静密封水的实验方式监测组合密封动密封水的密封耐压能力，观察实验现象并记录压力表读数，组合密封动密封水与磁性液体密封单独作用动密封水的耐压试验数据对比如图7(a)、(b)所示。
图7 组合密封动密封水实验数据
Fig 7 The experimental data of dynamic seal for water by combined seal
4.3 组合密封液体实验数据分析
4.3.1 组合密封静密封液体实验数据分析
由图6所示的组合密封静密封水的实验数据可知，在密封舱充压到0.45 MPa时，开始出现微漏。而磁性液体密封单独密封作用时，静密封气体耐压能力大约为0.4 MPa，组合密封的密封能力略高于磁性液体密封单独密封能力。从组合密封结构中泄漏通道分析得知，由机械密封中静环与动环接触的端面间隙、静环密封圈以及动环密封圈等泄漏通道泄漏出来的密封介质压力较低，再由磁性液体密封结构进行密封，由此可以提高密封舱内的耐压能力。
4.3.2 组合密封动密封液体实验数据分析
在磁性液体密封与机械密封组合密封中，其耐压能力综合取决于机械密封耐压能力和磁性液体密封耐压能力。由磁性液体密封单独作用，转速在200～300 r/min范围内，动密封水实验中密封耐压能力的实验数据大概在0.1～0.16 MPa之间。而该实验中，当转速为200 r/min时，旋转动密封液体的密封耐压能力可达到0.2 MPa。实验数据说明组合密封在旋转动密封液体的密封耐压能力高于磁性液体密封单独作用的耐压能力。
5 结 论
(1) 通过组合密封静密封水的耐压实验，组合密封静密液体的耐压能力较高于磁性液体单独密封的密封耐压能力，组合密封可以达到0.45 MPa。为提升磁性液体密封耐压能力，磁性液体密封与机械密封的组合将是一个关键途径。
(2) 在密封液体介质方面，磁性液体密封技术尚未得到广泛应用。通过组合密封动密封水的耐压试验，在转速为200 r/min时，密封耐压能力可达到0.2 MPa，高于单独磁性液体旋转密封的耐压性能。磁性液体密封与机械密封的组合密封，是将磁性液体密封技术用于密封液体介质、解决一些关键技术问题的重要突破口。
(3) 在现有的磁性液体密封与机械密封组合的结构基础上，依据流体动压密封原理，对现有的组合密封结构进行改进，提出新型的流体动压型组合密封形式，为提升组合密封性能和组合密封的理论实验研究提供一定依据。
