往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

孫維民，石明浩，趙 騫，國安邦，趙麗軍，史桂梅

（沈陽工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

1 引言

磁性液體密封是磁性液體的產(chǎn)業(yè)化過程中最早出現(xiàn)的技術(shù)，也是磁性液體技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)方面.磁性液體密封是一種非接觸式密封，其工作原理是：由環(huán)狀永磁鐵、極靴、磁性液體和導(dǎo)磁軸構(gòu)成閉合磁回路，利用永磁體中的磁能，在密封軸與極靴齒端的間隙內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場，將磁流體緊緊吸在密封間隙內(nèi)，形成磁性液體“O”型密封環(huán)，將間隙封住，從而實(shí)現(xiàn)密封.目前主要用于精密儀器、機(jī)械等的真空靜態(tài)密封和旋轉(zhuǎn)軸密封［1-6］.而對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸的磁性液體密封的研究相對(duì)較少［7-10］，原因是往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封不同于真空靜態(tài)密封和旋轉(zhuǎn)軸密封，至今，在應(yīng)用上有很多問題需要解決，尤其是密封間隙內(nèi)磁性液體的流動(dòng)和密封間隙內(nèi)的磁性液體由于往復(fù)軸的運(yùn)動(dòng)而引起損失，并最終導(dǎo)致密封失敗.所以研究往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸的磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置具有現(xiàn)實(shí)意義.為此，本文設(shè)計(jì)了往復(fù)運(yùn)動(dòng)磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.實(shí)驗(yàn)裝置主要由磁性液體密封體（圖中2個(gè)陰影部分的磁性液體密封結(jié)構(gòu)是相同的）、密封腔（密封腔中可注氣或注水）和氣泵系統(tǒng)組成.實(shí)驗(yàn)中氣泵系統(tǒng)用來為軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力.

圖1 往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸的磁性液體密封中，由于磁性液體會(huì)不斷地逃逸磁場的束縛而流出密封域之外，使密封域中的磁性液體數(shù)量逐漸減少，當(dāng)密封環(huán)斷開造成密封泄漏時(shí)，密封失敗.為了解決這個(gè)問題，本文采用了2項(xiàng)措施，一是針對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸的軸速一般比較小，所以磁性液體的溫升較小，可采用高黏度磁性液體［11-12］；二是設(shè)計(jì)了補(bǔ)償磁流體的結(jié)構(gòu)，在極靴中設(shè)計(jì)了能儲(chǔ)存磁流體的環(huán)形槽，并且能通過極靴不斷補(bǔ)充磁性液體.圖2為往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸的磁性液體密封體結(jié)構(gòu)示意圖，主要密封件是環(huán)形磁環(huán)和環(huán)形極靴，磁環(huán)材料是釹鐵硼，磁環(huán)寬度是10mm、厚度是12.5mm（內(nèi)徑因軸徑而變）.極靴材料是純鐵，極靴寬度15.4mm，齒形是梯形，齒厚1.5mm、齒高1.5mm、齒數(shù)10個(gè).磁環(huán)和極靴間隔放置，相鄰磁環(huán)同性相對(duì).磁感應(yīng)線由磁環(huán)的N 級(jí)出發(fā)經(jīng)過極靴、間隙（其中充滿磁性液體）、往復(fù)軸后進(jìn)入磁環(huán)的S極而構(gòu)成閉合回路.

圖2 往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1～表6分別為在不同初始密封腔內(nèi)水壓p0和軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速率v 條件下的密封腔內(nèi)水壓p 與軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)p0＜1.5×105Pa，并且v＜2m／s時(shí)，該磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置具有良好的液體密封性.但隨著密封腔內(nèi)水壓升高、軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速率增大，該磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置的液體密封性能下降.

表1 p0=1.0×105 Pa，v=1m／s時(shí)密封腔內(nèi)壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

表2 p0=1.3×105 Pa，v=1.5m／s時(shí)密封腔內(nèi)壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

表3 p0=1.5×105 Pa，v=2m／s時(shí)密封腔內(nèi)壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

表4 p0=1.6×105 Pa，v=2.2m／s時(shí)密封腔內(nèi)壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

表5 p0=1.7×105 Pa，v=2.5m／s時(shí)密封腔內(nèi)壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

表6 p0=2.0×105 Pa，v=3m／s時(shí)密封腔內(nèi)壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

4 磁性液體密封裝置在油井的井口密封中的應(yīng)用

將磁性液體密封材料和密封技術(shù)應(yīng)用于油井井口的間隙密封，以減少漏油.油井井口的間隙密封是利用磁場在泵桿與井口壁的間隙內(nèi)形成磁性液體密封環(huán)來阻塞油液的一種密封.從密封介質(zhì)講是液體密封，從運(yùn)動(dòng)形式上講是往復(fù)軸密封.油井的情況復(fù)雜，對(duì)不同的油井，原油中含水、含沙、酸堿性、黏度等情況都不同，而且泵桿的滑動(dòng)行程達(dá)2～3m，這些情況都增加了應(yīng)用磁性液體密封技術(shù)的難度.

圖3給出了油井井口的間隙密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖（只畫出了1個(gè)磁環(huán)和2個(gè)極靴），密封裝置安裝在圓形井口壁的內(nèi)壁上.磁感應(yīng)線由磁環(huán)的N 級(jí)出發(fā)經(jīng)過極靴、間隙（其中充滿磁性液體）、泵桿壁后進(jìn)入磁環(huán)的S極而構(gòu)成閉合回路.當(dāng)抽油泵工作時(shí)，泵桿和井口壁間隙處的磁性液體在極齒磁場的作用下形成密封環(huán).

圖3 油井井口的間隙密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖

將磁性液體密封材料和密封技術(shù)應(yīng)用于油井井口的間隙密封是磁性液體密封技術(shù)的一種嘗試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油井井口磁性液體密封裝置的有效密封時(shí)間比原密封結(jié)構(gòu)提高50%以上，但存在的問題是油井井口磁性液體密封裝置的成本偏高，使推廣應(yīng)用遇到了困難，后續(xù)研究的重點(diǎn)是如何降低油井井口磁性液體密封裝置的成本.

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)是可隨時(shí)補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)過程中流失的磁性液體，延長了有效密封時(shí)間.將研制的往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸磁性液體密封實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于油井井口密封，試驗(yàn)結(jié)果表明，有效密封時(shí)間比原密封結(jié)構(gòu)提高50%以上.

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