(4)传输效率高:磁流体密封装置在旋转状态下， 摩擦力极小， 无机械磨损， 发热低，功率损耗极小，传输效率几乎达 100 %，功率损耗仅仅考虑轴承的损失。 (5)传递速度高:磁流体密封装置具有高速运转的潜力，可传递 30000r/min 的旋转运动 (6)无污染:磁流体密封件本身不存在机械磨损，没有微粒产生，磁液饱和 蒸汽压极低，即使在真空状态下使用也不会产生污染。 (7)良好的修复性:磁流体密封装置在使用过程中，如果因某些原因造成密 封失效，只要内部元件功能正常，一般可在现场用较短的时间就能修复。 (8)无方向性密封:如果需要改变承压方向，对于磁流体密封而言，无需增 加任何元件就能实现。 1.2.5 国内外磁流体密封研究状况 20 世纪 60 年代中期,美国首先成功用于解决宇航服可动部分的真空密封以 及在失重状态下宇宙飞船液体燃料的固定问题。 此后磁流体技术逐渐被人们所认 识,其研究应用一直是世界各国十分关注的前沿课题。我国科研工作者经过数年 的潜心研究,于 1997 年生产出首批产品。目前国际上仅美、中、俄、日等少数国 家能够生产。 1966 年，日本东北大学的下饭坂润三教授用不同的方法研制成功了磁流体。 60 年代末期，美国成立了磁流体公司，专门从事磁流体及其应用的研究。 日本，苏联，英国等国家也相继展开了磁流体技术的研究，我国是从 70 年代末 开始的磁流体技术的研究，近些年来，我国对磁流体技术的研究日趋深入： 1996 年，李明生等人做了关于磁流体密封在水泵中的应用实验研究，他们 在的实验结论中提出， 由密封轴运转时的颤动、 导磁环内径与泵轴的不同心与磁 流体过热(由颤动的转轴与磁环的摩擦、 轴速过高、 磁流体冷却不好等造成)等是 造成密封最终失效的重要原因。 1998 年，刘颖等人通过磁流体密封试验观察了磁流体气体密封破裂后的自 修复过程，其实验结果认为:加压速率越大，破裂次数越多，磁场梯度越小，则 自修复程度越低;齿级数过多会降低磁流体密封的自修复能力，而采用多磁极少 齿级密封结构可使磁流体损耗后得到较好的补充， 可提高磁流体密封的自修复能 力。 1999 年，张世伟等人论述并用实验验证了防液体密封的承压机理和失效机 制。磁流体材料的稳定性，即某种磁流体与某种被密封液体间的互不侵害性，对

　　由轴承、磁极、永久磁铁、导磁密封轴、磁流体等组成，其工作原理是:由环状 永磁铁、磁极和具有导磁性的转轴构成闭合磁回路，利用永磁体中的磁能，在密 封轴与磁极齿端的间隙内产生强磁场， 将磁流体紧紧吸在密封间隙内， 形成磁性 液体 “O”型密封环，把间隙锁住，从而实现密封，如图 1.1

　　(2)隔绝密封是利用磁流体来对关键元件进行保护的密封方式。现已把此类 密封应用于各部门各行业，如纺织、计算机、机械和自动化设备上。在纺织工业 中， 磁流体隔绝密封用来保护电动机轴承免受纤维污染。 在机床中磁流体密封可 在含碎屑的切削液和轴衬润滑油之间形成可靠的隔绝层， 从而延长轴承寿命。 为 了保护半导体生产车间的清洁机器人不受油污和微粒的污染， 机器人所有的运动 关节都采用磁流体密封来保证极高的环境要求。 (3)特殊机械密封是把磁流体密封应用于具有特殊目的的密封，压力范围一 般在 10-6-106Pa，如应用最多的真空密封、铰孔阀和压力聚集器、磁流体轴承、 水陆两用坦克动力传递轴的密封等，具有密封可靠，结构简单，维修少，寿命长 等特点。 (4)环境密封在环境保护中起着重要作用。在化工厂、核电厂、冶炼厂等排 放污染环境的挥发性物质和危险物的位置， 除了配件、 阀门和接头外， 主要是泵。 采用一级机械密封和一级磁流体密封， 可使泄漏或排放水平降到零。 普通的环境 磁流体密封压力小于 5×10 Pa,温度小于 80 C，转速小于 5 000 r/min，目前已 经有使用超过 8 年无泄漏的报道。 1.3 本文研究的主要内容 本文将磁流体密封技术应用于船舶艉轴密封上， 通过自己设定实验目标， 依 据新推导的密封耐压公式， 设计出船舶艉轴磁流体密封实验装置。 并且依据实验 数据，对影响船舶艉轴密封实验装置的因素进行了分析。 1．确定船舶艉轴磁流体密封实验装置的总体方案。 2．依据密封压力，对船舶艉轴磁流体密封实验装置进行设计，对该装置的具体 环节，如磁环、磁极、轴套、电机等进行计算与选择。 3．对密封装置的磁场进行分析与计算，并对磁流体密封常用耐压公式及本文采 用的新的耐压公式进行推导。 4．利用实验数据对影响船舶艉轴磁流体密封能力的因素进行分析，总结出一些 规律。 5．绘制出船舶艉轴磁流体密封实验装置的装配图和重要部件的零件图。

　　想的工作流体。 磁流体在密封间隙中受磁场作用，形成强韧的流体膜，阻止泄露。膜层内的 超细磁性微粒被分散剂及基液分离，悬浮于基液中，不凝结成胶体，仍保持液体 特性，对轴无固体摩擦，只有粘滞阻力。 磁流体在静态时不具备磁性，仅在外加磁场作用时，才表现出磁性，磁性微 粒和基液形成一体， 使磁流体既具有普通磁性材料的特性， 同时又具有液体的流 动性，因此磁流体具有以下特点:①在磁场的作用下，磁化强度随外加磁场的增 加而增加，直至饱和，而外磁场去除以后又无任何磁滞现象，磁场对磁流体的作 用力表现为体积力。②与一般纳米粒子相同，具有小尺寸效应、表面效应、量子 尺寸效应和宏观量子隧道效应。 ③具有液体的流动性， 在通常的离心力和磁场的 作用下，既不沉降，也不凝集。 1.2.2 磁流体的分类 在相同磁化饱和强度下，磁流体的质量主要由磁流体的稳定性决定。磁流体 的稳定性包括:不易挥发;在强磁场、电场、重力场下不容易产生沉淀、分离或凝 聚:不与接触的介质发生化学反映等等。因此，为了适应不同场合的需要，在磁 流体质量不断提高的同时，磁流体的种类也在不断增加。 磁流体的种类可按磁性微粒的种类和载液的种类进行分类。 按磁性微粒

　　第1章 1.1 选题的背景和意义 磁流体也叫磁液或铁流体，它是将磁性微粒掺入到载液中是一种对磁场敏 感、可流动的液体磁性材料。磁流体自问世以来，在研磨、抛光、润滑、减振、 冷却等领域逐步被人们所认识，磁流体在密封领域的应用也逐渐受到人们的重 视。 磁流体密封是借助磁流体在磁场的作用下形成的磁流体密封环对气体、 液体 进行密封， 由于它和密封轴之间是通过磁流体进行接触密封， 因而避免了密封轴 与密封件之间的直接摩擦， 降低了附加载荷。在旋转轴密封中具有其它密封方式 不可比拟的优点：无泄露、无磨损、结构简单、寿命长，受到国内外学者和工程 技术人员的重视，在工业、国防等领域具有重要的意义。 磁流体密封在低压气体密封中的应用较为简单， 因为密封压力低， 所需的密 封级数较少、 密封间隙也可以选的比较大， 所以容易实现。 同时由于密封级数少， 故密封装置的轴向尺寸限制较少，密封间隙大，其他诸如转速、磁极齿型等因素 对密封装置的密封能力影响也较小， 往往可以采用模糊的理论公式或经验公式对 密封装置进行设计，就能满足使用的需要。随着密封压力的升高，磁流体密封耐 压公式在磁流体密封装置的设计中越来越重要， 它的理论水平直接决定了密封装 置的性能。传统密封理论公式存在一些缺陷，比如密封力的来源不明确，计算复 杂，适用范围小等等，这就不能很好的满足磁流体高压密封设计的需要。因此， 应用新的、合理的密封耐压公式对旋转轴高压密封装置的设计是很必要的。 磁流体在气体密封中的应用已经很多， 但是在液体密封中的应用较少， 本文 将磁流体密封技术应用于船舶艉轴密封中， 并采用新的耐压公式， 计算出密封装 置的参数，设计出密封实验装置，进行了具体实验，取得了大量的数据。最后利 用实验数据， 分析对船舶艉轴磁流体密封的主要影响因素， 可为今后进行磁流体 密封装置的设计提供一定的帮助。 1.2 国内外磁流体密封技术的发展现状 1.2.1 磁流体简介 磁流体是由超微细磁粉在液体（载体）中稳定分散而形成的能流动、有超顺 磁性的胶体，它无剩磁和矫顽力，可通过磁进行控制，在磁场作用下形成具有磁 性的流体， 其密封膜承压能力与磁场强度成正比。 因此磁流体是阻塞密封比较理 绪论

　　(2)密封结构寿命长:用于真空场合密封的磁流体的载液是一种惰性、稳定、 低蒸汽压的二酩基有机物，挥发量极低，可长期使用，10 年无需维修。 (3)可靠性高:磁流体密封件在正常情况下产生瞬时过压击穿时， 一旦压力降 低至密封可以承受的程度时， 密封效果依然能够保持。 用于真空场合的磁流体密 封件一般要求其耐压能力超过 0.2MPa。

　　的种类分有:①铁盐酸系 Fe3O4 ， MeFe2O4, (Me = Co, Mn, Ni)等;②金属系 Ni, Co, Fe 等金属微粒及其合金(Fe -Co, Ni-Fe);③氮化铁系等。 按基液种类分有:①水;②有机溶剂(如二甲苯);③碳氢化合物;④合成脂;⑤ 聚二醇;⑥聚苯醚;⑦卤化烃;⑧苯乙烯等等。 在本文中，对多种类型的磁流体进行了实验，用来分析选择 适合于水（海水）密封的基液的磁流体，在设计中是以油基 Fe3O4 纳米磁流体基 准来计算，在以下章节中不再重复，其性能指标如下: 磁性微粒的体积浓度是 30%， 饱和磁化强度是 200 Gs， 粘度为 500 CP (27 C) , 蒸发量10 (g/cm . h) , Fe3O4 微源自文库的范围 10- 50 nm。 1.2.3 船舶艉轴磁流体密封基本原理 磁流体密封以旋转动密封为主， 磁流体旋转动密封技术是在磁流体的基础上 发展起来的， 是一种非接触式密封(即动件和静件没有直接接触)， 船舶艉轴的密 封即适用该密封方式。 磁流体旋转密封装置的功能是把旋转运动传递到被密封的容器内。 装置通常

　　于防液体密封至关重要。 2002 年，顾红等人通过磁流体密封水介质的试验，分析了磁流体密封破裂 后的修复过程，考察了导致磁流体密封破裂的因素对自修复的影响程度。 1.2.6 国内外磁流体密封应用状况 密封件是保证机械装备高效、长期、安全和稳定运行的重要基础件，其技术 水平、 质量及性能直接影响配套主机产品质量和运行可靠性。 我国密封材料及制 品经过十多年的发展和技术引进， 形成了一定的生产能力和规模， 一般产品能满 足各类主机的配套要求，但高压、高速、精密、耐高温、低温和耐腐蚀的密封件 与国际水平有较大差距。 磁流体密封的突出优点:具有零泄漏，高转速，高可靠性，结构简单。用其 它密封技术，例如弹胶物、油封、磁性联轴节和橡胶垫圈等均有泄漏、寿命短、 速度慢、常常需要维修等缺点。磁流体密封在要求真空、防尘、或封气体等特殊 环境中的动态密封最为适用。 在国外， 磁流体旋转动密封在真空低压密封上的技术己经相当成熟， 并已经 实现部分工业化。国内的磁流体密封技术，目前也主要用在真空、防尘的气体动 密封，广泛应用于 X 射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪 器的转轴动密封。 具体应用如下： (1)动态密封是最早开发和应用的磁流体应用技术，其应用领域包括半导体 加工、光学纤维、激光器、x 射线装置、热处理设备、硅单晶多晶炉和航空电子 技术等。这种密封体系的主要特点是:密封性能好(线 Pa 的 真空度的要求)，几乎无泄漏(泄漏量最高可小于 10 m /(Pa·s))，因密封产生 的阻尼小(效率可达 99 % )，使用寿命长（一般可长达 10 年之久，且更换磁流 体后还可继续使用)。但对于高压密封、高速密封和高温密封则需要进行不同的 处理。 对于高压密封， 由于密封要靠各级密封(一般每级可密封 20-80KPa) 的压力和，而且当密封级数超过一定的级数(一般为 70 - 80 级)后，密封能力就 不再提高，所以一般采用压力平衡或组合密封的方式来达到较高压力的密封;高 速密封主要考虑磁流体的离心力和运动中产生的热与温度， 温度过高时需采用循 环水冷却，离心力的限制主要与磁流体的性能和磁场强度有关;高温密封则是磁 流体密封最薄弱的， 由于温度超过永久磁铁和磁流体许可温度后， 磁场强度急剧 下降，磁流体的饱和磁化强度也急剧下降，从而使密封装置失去密封能力。

　　磁流体密封用于隔离两个腔体时，如果两腔之间的压强相同，不存在压力 差，则磁流体密封可以相当可靠地工作，这种类型主要用于防尘密封;如果两腔 间有压差， 则处在间隙中的磁流体就要承受这一压差， 这种密封随着压差的提高 而逐渐变得困难。 1.2.4 磁流体密封的优点 (1)密封性能好:目前采用的酷基磁流体可对介质进行严密的高度稳定的动 密封或静密封，几乎无泄漏，甚至使用质谱仪也未必能检出泄漏，真空密封时的 线