空间环境下磁性液体润滑/密封初探

磁性液体(磁流体/磁流变液)作为一种新型磁控智能材料,兼顾液体的流动性及固体磁性材料的磁响应特性,在外磁场作用下可实现二者间的可逆性转换。磁性液体润滑密封因其零泄漏、自修复等优良特性受到广泛关注,特别是近年来在航天装备中的应用研究。为探讨磁性液体在航天装备中的应用,从恶劣的宇宙环境出发,分析地外空间装备研发所面临的严峻环境挑战,对高真空、高辐射、高低温热循环三大主要问题进行针对性分析,探讨磁性液体用于航天装备润滑/密封的可行性,总结相关磁性液体极端工况润滑/密封技术的进展和局限性,并提出未来研究中亟待解决的重要科学问题。     

磁性液体性能及运行工况对密封耐压值的影响

为研究不同种类磁性液体及密封工况对密封效果的影响,以Fe3O4为磁性颗粒,以链状氟醚油为基液,制备一系列不同颗粒含量、基液分子量的磁性液体,对磁性颗粒及磁性液体的结构、性能进行表征,在搭建的密封试验台上测试磁性液体种类及运行工况对密封耐压效果的影响。结果表明：制备的磁性颗粒粒径为纳米级,呈近球形形貌,具有较高的饱和磁化强度,磁性液体具有较好的分散稳定性;随颗粒含量增加、基液分子量增大,密封耐压值先增大后减小;在颗粒质量分数为30%、基液分子量为4 600 g/mol时,密封耐压值最高;随主轴转速增大,密封耐压值逐渐减小;随密封时间延长,密封耐压值先减小后趋于稳定。     

磁性复合液的性质及其在抛光中的应用

详细介绍了磁性复合液的概念和性质，并与磁性液体和磁流变液的性质作了对比。最后概述了磁性复合液在抛光中的工业应用前景。     

一种磁流变流体链化模型的研究

研究了磁流变液中颗粒的相互作用,分析了磁流变流体产生链状结构的原因,并推导出磁流变液体在外磁场作用下屈服应力公式。结果表明,当总的相互作用能为正时,颗粒间相互排斥,磁流变液分散稳定;当总的相互作用能为负时,颗粒间相互吸引,磁流变液快速聚团。在外磁场作用下,磁流变液体将发生磁团聚,该团聚为链状絮凝体,这是磁流变流体产生链状结构的主要原因。在外磁场作用下,磁流变液中磁性颗粒链状絮凝体的强度决定了磁流变液的动屈服应力,据此推导出的磁流变液动屈服应力的计算公式与现有的实验和研究结果吻合。     

变运行参数的磁性液体密封中磁液温度特性分析*

磁性液体工作温度高于汽化温度时不仅会导致磁性液体的表面活性物质受损,还会引起磁性液体汽化。为探讨磁性液体密封中磁液的温度特性,基于数值计算和试验验证相结合的方法,研究磁性液体旋转密封的转速、轴径和温度的关系,并分析磁性液体工作温度高于汽化温度时的相变过程。结果表明:磁性液体旋转密封的温度最大值出现在与轴表面相接触的位置,最小值出现在与极齿底部相接触的位置;随转速和轴径的增大,磁液温度最大值均升高,当两工况轴径与转速乘积相等时,磁性液体的温升值相同;当磁性液体温度高于其汽化温度时,与外界相通靠近轴表面附近的磁性液体最先发生相变,相变面积呈现抛物线形状向内扩散,且相同工作温度下,磁性液体的相变体积分数随轴径增大而降低。     

卧式柱塞泵曲轴的磁性液体密封设计*

卧式柱塞泵曲轴密封的可靠运行是曲轴轴承实现润滑与液压支架稳定供液的重要基础。基于磁性液体密封理论,设计一种单磁源梯度齿宽磁性液体密封结构,采用数值模拟的方法研究磁性液体密封结构的磁场分布特征,并分析不同密封间隙和转速对密封耐压性能的影响。结果表明：与均匀极齿宽度磁性液体密封结构相比,梯度极齿宽度密封结构平均耐压能力约提高11%;梯度齿宽密封结构中,随着极齿与永磁体距离的增大,各极齿耐压能力逐渐增强;随着密封间隙的增大,离心力引起密封失效的极限转速逐渐减小。     

针对液体介质的磁性液体旋转密封技术概述

磁性液体是一种功能材料,既具有液体的流动性,又具有固体磁性材料的磁性,在密封中的应用是其最成功的应用之一。磁性液体密封作为高新密封技术,被广泛应用在军工、化工、航空航天等领域。目前,磁性液体密封技术在密封气体介质和真空中的研究已经趋于成熟,相比之下,对液体介质的密封还存在很大局限性。从磁性液体与被密封液体介质的界面稳定性、界面破坏过程以及用于液体介质的密封装置结构设计三方面,对磁性液体旋转密封技术的研究进展进行阐述,总结三类用于液体介质密封的磁性液体密封结构设计方法的技术特点和缺点,最后对磁性液体在液体介质密封中的前景作出展望。     

大间隙磁性液体静密封研究

为满足航空、航天、冶金等领域大间隙静密封要求,建立磁性液体静密封试验台,设计出磁性液体静密封试验件。在试验台上对磁性液体静密封进行深入研究,通过试验得出磁性液体静密封耐压、磁性液体注入量与密封间隙、密封温度和磁性液体磁化强度的关系。从理论上,计算试验件密封间隙中磁场分布,推导出磁性液体静密封耐压和温度关系的解析表达式,计算磁性液体静密封在不同间隙,不同饱和磁化强度下的最大耐压能力。理论分析和试验表明,在大间隙下磁性液体静密封能够满足一定耐压要求,具有实用价值。     

磁性液体密封耐压与启动力矩的影响因素研究

由于驱动电机的功率和力矩的限制,一些动密封场合对启动力矩有着明确的要求,相较于传统的密封导致启动力矩较大,磁性液体密封在启动力矩方面有更大的优势。但是在不同的环境中,磁性液体密封的启动力矩波动较大,无法达到某些极端密封场合对耐压和力矩的双重要求,从而限制了磁性液体密封在该类密封场合的应用。以温度为切入点,就磁性液体密封的耐压能力和启动力矩进行理论和实验研究,得到温度与磁性液体密封耐压能力和启动力矩的关系。结果表明：磁性液体密封的间隙越小,耐压能力越大;温度越低,最大耐压值越大,-40℃时最大耐压值为80℃时的5倍;启动力矩随压力的增加而逐渐减小;温度越低,启动力矩越大,-40℃时的启动力矩接近20℃时的5倍,并且在低温磁液用量对密封启动力矩的有明显影响。     

基于纳米磁性液体的托辊密封与润滑设计及仿真

针对托辊通常采用的迷宫密封和唇形密封存在的不可靠、寿命短等问题,提出基于纳米磁性液体的托辊密封与润滑方案。通过设计托辊内外磁性液体密封件,选用兼顾密封与润滑性能的纳米磁性液体,形成可靠液体密封的同时对轴承进行润滑。利用ANSYS有限元软件分析磁性液体密封结构的磁场强度分布规律,计算密封间隙处磁感应强度和磁性液体密封的耐压能力。仿真结果表明,托辊的磁性液体密封结构设计合理,密封耐压能力满足使用要求。     

磁流变恒矩器密封机制研究

利用磁流变液的优异特性,建立非接触式磁密封机制.使用有限元仿真对磁场加以分析,并建立磁密封理论耐压能力计算方法.表明磁密封具有高可靠性,超长维修间隔时间,摩擦小,效率高,无方向性的优势.     

用回归正交设计法建立磁极结构参数与磁性流体密封压差的经验公式

在磁性流体密封压差分析领域引入回归正交分析,采用回归正交设计得到了磁性流体密封的磁极结构参数与密封压差的回归经验公式,并对回归经验公式进行了简化。结果表明:回归经验公式计算结果与有限元模型计算结果和实验结果相差不大,能够满足工程上的应用需要。     

磁性液体往复运动密封耐压公式的理论研究

为了正确得出和验证磁性液体往复运动密封耐压公式,研究了磁性液体往复运动密封中磁性液体的运动机理,利用有限元法分析了密封件的磁场分布及静止耐压能力。利用磁性液体动力学的Navier-Stokes方程与电磁学中的麦克斯韦方程联立推导了磁性液体往复运动密封的耐压公式。在往复运动密封试验台上验证了转速、行程等参数对密封耐压能力的影响。     

间隙对磁流体密封水介质的影响规律

为提供磁流体密封水的应用技术支持,研制了磁流体密封的试验装置,提出了新的试验方法来验证和解释理论分析和推导的正确性。试验中采用不同的密封间隙,以确定磁流体密封能力与密封间隙之间的关系。试验结果表明,磁流体的密封能力随密封级数的增加而提高;在一定范围内随密封间隙的增大而减小;密封间隙在0.05-0.20 mm时,效果较好,同时密封级数有一个最佳值;但是在特别小的时候,与所有文献报道不同的是密封能力不是提高而是在减小。     

旋转速度对磁流体密封能力的影响研究

根据磁学理论进行了磁回路的磁系统设计，在此基础上研制了磁流体密封的实验装置，同时进行了速度和密封能力关系的实验研究，特别考察了小轴径在低旋转速度和静止时磁流体密封能力的变化，试验结果表明，随着轴的转速的提高，密封能力下降，而且速度越高，理论和实验的背离现象越严重；小轴径低旋转速度时，对磁流体密封的密封耐压能力基本无影响。     

磁流体密封中影响热损耗的因素分析

磁流体作为一种性能优良的软磁性液体,近年来广泛应用于机械密封中。当其运用于高速旋转的轴密封时,由于磁流体本身的性质,在高速旋转个工况下易产生较大量的摩擦热,导致其密封性能下降,甚至失效。通过实验计算,分析了在高速旋转的工况下,磁流体粘度、温度等的变化,及其对密封的影响。     

磁性液体密封存在的问题及对策

通过实验和数值模拟两个方面对磁性液体密封耐压的能力进行了比较，指出磁性液体密封在应用中存在的问题，并提出解决的方法。     

磁流体密封摩擦功耗的研究

随着磁流体密封应用范围不断扩大,在密封区域因磁流体摩擦功率损失而引起的温升,已经引起设计人员重视,并成为密封形式选择的重要参数之一。本文在分析密封区域磁流体运动速度分布的基础上,给出摩擦功率损失的计算式,通过对多种工况进行计算,与实验结果相差甚小,可供设计时使用。     

高黏度非牛顿磁性润滑脂密封的试验研究

针对牛顿型磁性流体密封的密封间隙较小、适用温度较低的不足,提出了对磁性流体载液的改进。采用高黏度非牛顿润滑脂作为磁性流体的载液,制备成以Fe3O4为磁性颗粒的磁性润滑脂。在试验台上实际测定了该磁性润滑脂用于密封时在不同工况和不同密封结构下的密封压力、密封处的温度,并对影响密封压力和密封处温度的主要原因进行了分析。结果表明,高黏度非牛顿磁性润滑脂密封比牛顿型磁性流体密封的承压能力更高,温度适用范围更广,密封间隙可以大大提高,并允许旋转轴存在一定量的径向跳动;通过调节内摩擦影响因素,可以降低密封处温度,延长使用寿命。