針對液體介質(zhì)的磁性液體旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)概述

韓順濤 李子賢 李德才，3 馬秀清

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100029； 2. 清華大學(xué)機(jī)械工程系 北京 100084；3. 清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

磁性液體（Magnetic Fluid） 也被稱為磁流體， 是納米級磁性顆粒在表面活性劑的包覆作用下， 均勻穩(wěn)定地懸浮分布在基載液中所形成的一種高穩(wěn)定性膠體溶液[1-2］， 這種高穩(wěn)定性令其可以在重力場和磁場的作用下不發(fā)生沉淀和分離[3］。 關(guān)于磁性液體的初始探索可追溯到1778 年， 英國學(xué)者KINHGT 將鐵磁性顆粒分散到基載液中制備出磁性混合物， 雖然該磁性混合物不能長期保持穩(wěn)定， 但是為開啟磁性液體的研究奠定了基礎(chǔ)[4］。 1938 年， 劍橋大學(xué)學(xué)者ELMORE[5］制備出顆粒平均粒徑為20 nm 的磁性液體， 但是制品仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用所需的穩(wěn)定性要求。 直到1965年， NASA 工程師STEPHEN[6］才真正成功地研制出穩(wěn)定的磁性液體， 并解決了阿波羅登月計劃中宇航服可動部分的密封問題。 1985 年， ROSENSWEIG[7］依據(jù)自己幾十年來在磁性液體力學(xué)以及熱力學(xué)等方面的研究成果， 撰寫了一部題為《Ferrohydrodynamics》 的著作， 為磁性液體的發(fā)展和工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。 磁性液體作為一種功能材料， 既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性， 同時還具有磁化特性、 磁黏特性、 磁光特性等獨(dú)特的性質(zhì)[8］， 被廣泛地應(yīng)用在密封[9］、 傳感器[10］、 阻尼器[11］等設(shè)備中， 涉及軍工、 化工、 航空等諸多領(lǐng)域[12-13］。

磁性液體在密封中的應(yīng)用始于美國科學(xué)家ROSENSWEIG 于1948 年申請的全球第一份關(guān)于磁性液體密封技術(shù)的專利， 之后該項(xiàng)密封技術(shù)便得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注[14］， 如今密封已經(jīng)成為磁性液體最典型的應(yīng)用之一。 磁性液體密封裝置一般由非磁性外殼、 極靴、 永磁體、 導(dǎo)磁軸和磁性液體組成[15］，永磁體、 極靴和導(dǎo)磁軸構(gòu)成閉合磁路， 磁性液體被局限于極靴和導(dǎo)磁軸的間隙中， 形成若干個能夠起到密封作用的“O” 形磁性液體密封圈[16］， 如圖1 所示。目前， 磁性液體在密封氣體介質(zhì)[17-19］、 真空[20-22］方面的研究已較為成熟， 而磁性液體與被密封液體間存在的界面穩(wěn)定性問題導(dǎo)致其在液體介質(zhì)密封中的應(yīng)用存在很大局限性。 隨著醫(yī)學(xué)、 海洋、 石油等方面日益增長的密封需求， 國內(nèi)外學(xué)者對用于液體介質(zhì)的磁性液體密封技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。 本文作者重點(diǎn)闡述影響磁性液體與被密封液體間界面穩(wěn)定性的因素以及兩相界面的破壞過程， 綜述用于液體介質(zhì)的磁性液體旋轉(zhuǎn)密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進(jìn)展， 并對磁性液體在密封液體介質(zhì)中的發(fā)展方向作出展望。

圖1 磁性液體密封原理Fig.1 Schematic of magnetic fluid sealing

1 液-液（磁性液體-被密封液體） 界面穩(wěn)定性

相比于密封氣體介質(zhì)和真空， 用于液體介質(zhì)的磁性液體密封技術(shù)的失效機(jī)制更為復(fù)雜。 早在1984 年，神山新一[23］就指出， 要將磁性液體密封技術(shù)用于液體介質(zhì)， 除了要制備出與被密封液體不相溶的磁性液體， 還要保證液-液界面間的穩(wěn)定性。 針對液-液界面間穩(wěn)定性這一關(guān)鍵問題， 國內(nèi)外學(xué)者主要從磁場、液-液相對速度以及磁性液體黏度方面進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究。

1.1 磁場

在磁性液體密封中， 磁場是影響磁性液體“O”形密封圈耐壓能力的關(guān)鍵因素之一。 ROSENSWEIG、MOSKOWITZ 等[24-25］首先研究了磁場強(qiáng)度對液-液界面穩(wěn)定性的影響， 指出液-液界面保持穩(wěn)定不僅需要兩相液體互不相溶， 還要保證兩相液體界面處的磁場強(qiáng)度小于閾值Q0。 KURFESS 和MüLLER[26］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液-液界面的垂直方向上有較高梯度的磁場強(qiáng)度時密封壽命顯著提升， 即在不超過磁場強(qiáng)度閾值的前提下， 較高的磁場強(qiáng)度更有利于密封。 在此之后，ROSENSWEIG[7］又以一般的K-H （Kelvin-Helmholtz）不穩(wěn)定方程為基礎(chǔ)， 綜合考慮了磁性液體受到的磁場作用以及材料相對磁導(dǎo)率等因素的影響， 推導(dǎo)出液-液相對速度過高所導(dǎo)致的界面不穩(wěn)定性條件， 如式（1） 所示， 為實(shí)現(xiàn)快速判斷磁性液體密封液體介質(zhì)是否失效提供了一個重要的充分條件。

式中：vM、ρM和μM分別為磁性液體的線速度、密度和相對磁導(dǎo)率；vL、ρL和μL分別為被密封液體的線速度、 密度和相對磁導(dǎo)率；g為重力常數(shù)；σ為界面張力；H為外加磁場強(qiáng)度。

顧建明等[27］、 陳達(dá)暢和程西云[28］也分別提出了“磁表面張力” 的概念、 建立了有關(guān)磁表面張力的耐壓模型。 KRAKOV 等[29］研究了磁場對兩相液體間擴(kuò)散行為的影響， 從界面間擴(kuò)散行為的角度提出了一種與ROSENSWEIG 不同的界面不穩(wěn)定性原因， 認(rèn)為磁場是導(dǎo)致界面擴(kuò)散處彎曲和強(qiáng)對流運(yùn)動的一個重要原因， 而彎曲和強(qiáng)對流運(yùn)動又會導(dǎo)致界面擴(kuò)散處波狀快速增長； 當(dāng)磁場強(qiáng)度超過某一極限時， 平面擴(kuò)散變?yōu)椴ɡ诵尾⑿纬裳卮艌龇较虻姆逯担?造成界面不穩(wěn)定。但是流體的非線性特性以及磁場大小對不穩(wěn)定性參數(shù)的影響還有待進(jìn)一步研究。

1.2 液-液相對速度

Rosensweig 不穩(wěn)定性條件[7］為磁性液體密封液體介質(zhì)界面穩(wěn)定性問題的研究提出了一個新的思路， 即液-液相對速度。 當(dāng)液-液相對速度滿足Rosensweig不穩(wěn)定條件時， 界面處會發(fā)生由層流向湍流的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致兩相液體發(fā)生乳化進(jìn)而造成密封失效。 GUO 和FENG[30］通過密封水的實(shí)驗(yàn)， 研究了磁性液體與水之間相對速度對液-水界面穩(wěn)定性的影響， 結(jié)果表明當(dāng)相對速度超過臨界速度（0.258 3 m／s） 時， 磁性液體與水之間的相對流動變成湍流， 水會不斷地沖刷磁性液體， 破壞液-水界面間的穩(wěn)定性。 王媛和樊玉光[31］理論推導(dǎo)出液-液界面處相對運(yùn)動所產(chǎn)生的切應(yīng)力， 提出在液-液界面交界處添加非磁性墊圈消除兩相液體間速度差的方法， 使界面切應(yīng)力變?yōu)?， 將液-液界面穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化成靜態(tài)擴(kuò)散問題來處理。錢濟(jì)國和楊志伊[32］從流體力學(xué)角度， 分別推導(dǎo)了磁性液體與被密封液體的運(yùn)動方程以及速度分布， 提出可以通過降低轉(zhuǎn)速、 軸徑或增大兩相液體間密度差的方法來提高液-液界面的穩(wěn)定性。 王虎軍等[33］進(jìn)行了水環(huán)境下磁性液體動密封耐壓實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明， 轉(zhuǎn)速在1 500 r／min 以下時耐壓能力相對穩(wěn)定， 但是耐壓能力隨轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加而迅速下降。 王虎軍等[34］又從理論上推導(dǎo)出由水壓引起的兩相液體界面處圓弧圓心角與界面處剪切力之間的關(guān)系， 研究了水壓對密封壽命的影響， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 水壓由0.05 MPa 增加到0.15 MPa 時， 密封壽命大幅度降低。 SZYD?O和SZCZECH[35］從磨損的角度來考慮磁性液體的流失， 通過密封水的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 磁性液體與被密封液體間的“耐磨強(qiáng)度” 很大程度上取決于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度， 轉(zhuǎn)速越低磁性液體越“耐磨”， 密封壽命也越長， 另外也指出水壓對臨界速度值以及密封壽命也都有著重要的影響。 MATUSZEWSKI[36］在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究， 也認(rèn)為磁性液體與水之間的相對速度差是導(dǎo)致兩相界面間磨損的主要原因， 而且壓力對相對速度差的閾值有較大的影響； 并且發(fā)現(xiàn)在水環(huán)境下， 磁性液體流失過程與金屬疲勞過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有相似性， 據(jù)此提出了一種關(guān)于密封壽命的數(shù)學(xué)模型。 但是該研究始終不能精確確定臨界速度值和極限耐壓值。LI 等[37］仿真研究了密封界面處流體的湍流強(qiáng)度， 結(jié)果表明最大湍流強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加而近似線性增大， 且最大湍流強(qiáng)度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸表面處。 LI 等[38］研究了速度脈沖對液-液界面的影響， 結(jié)果表明， 速度脈沖所產(chǎn)生的介質(zhì)空化現(xiàn)象會造成明顯的“水錘” 撞擊作用， 使液-液界面產(chǎn)生抖動， 加快被密封液體的軸向速度波動頻率， 加速液-液界面不穩(wěn)定性的進(jìn)程。

1.3 磁性液體的黏度

除了磁場和液-液相對速度外， 李文昌[39］通過磁性液體密封潤滑油的實(shí)驗(yàn)指出： 磁性液體的黏度也是影響界面穩(wěn)定性的重要因素。 封士彩和郭蘭中[40］利用MATLAB 軟件仿真得出了磁性液體與被密封液體間的徑向速度分布規(guī)律以及相對速度差的大小， 發(fā)現(xiàn)非牛頓系數(shù)和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速對相對速度差具有顯著的影響， 并通過兩相液體間相對速度差沿徑向呈拋物線分布的規(guī)律得出： 兩相液體間的相對速度差能保持在界面穩(wěn)定范圍內(nèi)的必要條件是磁性液體需具備相應(yīng)的表觀黏度。 LI 等[41］實(shí)驗(yàn)研究了水環(huán)境下黏度和磁黏效應(yīng)對磁性液體密封性能的影響， 結(jié)果表明， 磁性液體的黏度是其在水環(huán)境下密封性能的決定性因素， 只有轉(zhuǎn)速較低時， 磁黏效應(yīng)才對密封性能產(chǎn)生較大的影響。 SZCZECH 和HORAK[42］以水壓下降率為依據(jù)，實(shí)驗(yàn)研究了4 種不同黏度的磁性液體密封水的耐壓性能， 結(jié)果表明磁性液體與水的黏度差越大， 密封的耐久性越低。 這是因?yàn)樵诿芊鈱?shí)驗(yàn)中， 水的黏度相對較低， 高黏度磁性液體的臨界壓力值雖然較高， 但與水的黏度差也較大， 造成高黏度磁性液體與水間的剪應(yīng)力差值變大， 磁性液體被去除的速度變得更快， 因此低黏度磁性液體表現(xiàn)出更好的耐久性。

綜上， 可以將影響液-液界面穩(wěn)定性的主要研究進(jìn)展梳理總結(jié)如圖2 所示。

圖2 影響液-液界面穩(wěn)定性的研究進(jìn)展梳理總結(jié)Fig.2 Summary of research progress in affecting the interface stability of magnetic fluid and sealed fluid

2 液-液界面的破壞過程

液-液界面間出現(xiàn)不穩(wěn)定性后， 磁性液體與被密封液體會相互滲透、 混合， 隨著磁性液體被不斷地沖刷、 稀釋， 液-液界面會產(chǎn)生破壞， 導(dǎo)致密封性能逐步下降直至失效[26］。 李正貴等[43］通過仿真分析， 推導(dǎo)出動密封下每層磁性液體的位移公式， 連接每層位移終點(diǎn)得到了磁性液體與被密封液體的界面形狀。

為了研究液-液界面的破壞過程， WANG[44］對磁性液體與水的兩相流動進(jìn)行了數(shù)值模擬， 得到了相位分布： 初始階段， 磁性液體與水的界面狀態(tài)近似于平面； 當(dāng)軸以固定速度旋轉(zhuǎn)時， 磁性液體和水在界面的切向方向上存在速度差， 界面處相對速度差滿足Rosensweig 不穩(wěn)定性， 界面不再是平面， 產(chǎn)生了波紋； 隨著時間的推移， 越來越多的磁性液體進(jìn)入水中， 同時水也進(jìn)入密封間隙中； 最后水和磁性液體混合在一起， 更多的水進(jìn)入密封間隙， 導(dǎo)致密封失效。但是磁性液體密封是一個多尺度問題， 模擬計算量大， 不易收斂， 數(shù)值模擬的過程中未考慮磁場的影響， 只計算了磁性液體與被密封液體的流體動力學(xué)。WANG[45］又進(jìn)一步從理論上分析了兩相液體間速度差對界面穩(wěn)定性的影響， 并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性； 同時還指出存在一個臨界轉(zhuǎn)速， 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過臨界值時， 兩種液體的界面就會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，而且隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加， 界面處Rosensweig 不穩(wěn)定性現(xiàn)象越容易發(fā)生， 液體運(yùn)動狀態(tài)越快變成湍流， 界面保持穩(wěn)定的時間變得更短。

為了更直觀地了解液-液界面間的破壞過程，WANG 等[46-48］設(shè)計出一種單級極靴磁性液體密封可視化實(shí)驗(yàn)裝置， 通過密封水的實(shí)驗(yàn)， 分別研究了磁性液體與水在不同轉(zhuǎn)速、 磁場、 壓力作用下的界面狀態(tài)， 并通過磁性液體膜厚度的變化， 直觀地觀察到如圖3 所示的兩相液體界面處的變化過程， 結(jié)果表明，磁性液體先后經(jīng)歷了穩(wěn)定密封 （見圖3 （a） -（c） ）、 被水沖刷（見圖3 （d） - （f） ）、 被水卷走（見圖3 （g） - （i） ） 的密封失效泄漏過程。

圖3 液-液界面狀態(tài)變化的過程[48］Fig.3 Process ofmagnetic liquid-water interface state change[48］

3 密封液體介質(zhì)的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)磁性液體密封耐壓理論以及液-液界面穩(wěn)定性理論， 目前在國內(nèi)外的研究中用于液體介質(zhì)的磁性液體密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有3 種形式： 一是優(yōu)化一般磁性液體密封結(jié)構(gòu)； 二是與其他密封形式組合；三是將磁性液體與被密封液體隔開。

3.1 優(yōu)化一般磁性液體密封結(jié)構(gòu)

KURFESS 和MüLLER[26］在研究磁場對液-液界面穩(wěn)定性影響的過程中提出， 可以通過在液-液界面處添加合理的屏蔽性結(jié)構(gòu)來延長密封壽命。 LIU等[49-50］在轉(zhuǎn)軸上加裝了高導(dǎo)磁套， 并在極靴的邊緣處加裝非導(dǎo)磁墊圈， 減少了軸向的漏磁， 能夠在不超過液-液界面穩(wěn)定性的磁場閾值下， 顯著提升密封的耐壓能力。 王虎軍[51］在密封結(jié)構(gòu)中添加了一塊內(nèi)徑與極靴相同的擋板， 密封水的耐壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 在轉(zhuǎn)速低于2 000 r／min 時密封裝置的耐壓能力顯著提高， 且能夠在轉(zhuǎn)速2 000 r／min 時保持正常工作120 h不泄漏。 LI 等[52］設(shè)計了一種如圖4 所示的基于徑向磁化永磁體的磁性液體密封裝置， 并優(yōu)化了永磁鐵外徑、 極靴高度和厚度等參數(shù)， 仿真結(jié)果表明， 在相同大小的密封間隙下， 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)與相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)相比， 耐壓能力提升了一倍以上。 LI等[37］提出了一種如圖5 所示的在軸上開槽的磁性液體密封結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)可以有效減小密封間隙處的速度梯度和改善流型， 顯著降低密封界面處的湍流強(qiáng)度。 結(jié)合渦流效應(yīng)的仿真結(jié)果表明， 槽深取2 倍密封間隙大小、 槽長取16 倍密封間隙大小為槽的最佳尺寸， 可以使密封界面處的最大湍流強(qiáng)度降低20%以上； 同時軸上開槽的結(jié)構(gòu)還減小了主軸部分的磁阻，使密封間隙處的最大磁感強(qiáng)度提高3.7%。

圖4 永磁鐵徑向磁化的磁性液體密封結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic of magnetic fluid seal with permanent magnet radial magnetization

圖5 軸上開槽的磁性液體密封結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of magnetic fluid seal with groove on shaft

POTMA 等[53］提出了一種在無壓力損失的情況下更換密封間隙內(nèi)磁性液體的方法， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 通過輸送補(bǔ)充密封界面處降解或損失的磁性液體來延長密封壽命的方法， 可以使水環(huán)境下的密封穩(wěn)定性得到更好的保證。 VAN DER WAL 等[54］在POTMA 等的基礎(chǔ)上提出一種帶有磁性液體補(bǔ)給系統(tǒng)的新型磁性液體密封結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)可以有效提高液體介質(zhì)環(huán)境下磁性液體密封的壽命， 若以足夠的速率更新補(bǔ)充密封間隙中的磁性液體， 理論上密封壽命可以是無限的。 李雪兵[55］設(shè)計了一種如圖6 所示的在外套上打孔的自補(bǔ)償磁性液體密封裝置， 結(jié)合實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)和微泵注射系統(tǒng)， 補(bǔ)充損失的磁性液體， 系統(tǒng)測試結(jié)果表明， 該裝置可以準(zhǔn)確監(jiān)測壓力、 定量補(bǔ)充磁性液體， 有效延長了密封壽命。

圖6 自補(bǔ)償磁性液體密封裝置結(jié)構(gòu)示意[55］Fig.6 Structure of self-compensating magnetic fluid sealing device[55］

3.2 與其他密封形式組合

王棟梁等[56］為了兼顧實(shí)際應(yīng)用中軸向尺寸限制的問題， 設(shè)計了一種磁性液體密封與端面密封組合的密封結(jié)構(gòu)， 并進(jìn)行密封水的實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明， 相比于一般磁性液體密封結(jié)構(gòu)， 該組合密封結(jié)構(gòu)的耐壓能力明顯提高， 但是隨著轉(zhuǎn)速的增加， 耐壓能力下降的速率也更快。 ZHU 等[57］設(shè)計了一種磁性液體與機(jī)械密封組合的密封結(jié)構(gòu)， 進(jìn)行了密封水的動、 靜密封實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明， 該種組合密封的耐壓能力相比于單一密封的耐壓能力有所提升， 但是提升幅度不大。 王虎軍等[58］設(shè)計了一種用于密封水的磁性液體密封與螺旋密封結(jié)合的組合密封結(jié)構(gòu)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該種組合密封結(jié)構(gòu)既具備螺旋密封高轉(zhuǎn)速下的密封優(yōu)勢， 又具有磁性液體密封低轉(zhuǎn)速下的零泄漏優(yōu)點(diǎn)， 顯著提升了液體介質(zhì)密封的壽命， 而且在不同轉(zhuǎn)速下都能保持相對穩(wěn)定的密封效果。 苗玉賓[59］設(shè)計了一種如圖7所示的前置背葉輪磁性液體密封結(jié)構(gòu)， 利用背葉輪的“等壓／負(fù)壓密封” 來提升液-液界面的穩(wěn)定性， 提高密封壽命， 多相流仿真結(jié)果表明， 前置背葉輪能明顯提升密封裝置的耐壓能力， 當(dāng)轉(zhuǎn)速低于6 000 r／min時， 能有效減弱水域高壓對前級磁性液體的作用。 王成等人[60］設(shè)計了一種如圖8 所示的可用于解決高壓消防水泵密封泄漏問題的磁性液體與機(jī)械動靜態(tài)復(fù)合密封技術(shù)相結(jié)合的組合密封結(jié)構(gòu)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該組合密封結(jié)構(gòu)在揚(yáng)程小于150 m 時可以保持穩(wěn)定的耐壓能力， 而且在250 m 最大揚(yáng)程的工況下耐壓能力也可以達(dá)到滿足使用要求的2.8 MPa， 該組合密封結(jié)構(gòu)為磁性液體密封高壓液體提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計上的新思路。

圖7 前置背葉輪磁性液體密封結(jié)構(gòu)示意[59］Fig.7 Structure of magnetic fluid seal with front back-impeller[59］

圖8 磁性液體與機(jī)械動靜態(tài)復(fù)合密封結(jié)構(gòu)示意[60］Fig.8 Structure of magnetic fluid seal with mechanical dynamic and static composite seal[60］

3.3 將磁性液體與被密封液體隔開

左英杰等[61］結(jié)合流體力學(xué)的毛細(xì)管現(xiàn)象， 通過增加附屬結(jié)構(gòu)的方法來改進(jìn)磁性液體密封裝置的離心結(jié)構(gòu)， 利用細(xì)小間隙產(chǎn)生的毛細(xì)作用， 可以有效將磁性液體與被密封液體分隔開， 增加密封的可靠性。 王虎軍等[62-64］研制出一種如圖9 所示的用于液體介質(zhì)密封的氣體隔離式磁性液體密封裝置， 該裝置利用壓縮氣體將磁性液體和被密封液體分離， 使磁性液體與被密封液體不發(fā)生直接接觸， 將液體介質(zhì)密封問題轉(zhuǎn)化成氣體介質(zhì)密封問題。 實(shí)驗(yàn)和理論的研究結(jié)果表明， 改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下的臨界壓力基本保持一致， 且近似于密封氣體介質(zhì)時的臨界壓力值；另外， 改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)可以在不同轉(zhuǎn)速下保持連續(xù)穩(wěn)定工作超過120 h 而不泄漏， 相較于磁性液體與被密封液體直接接觸時2 h 就開始泄漏的情況， 密封性能明顯提升。

圖9 氣體隔離式磁性液體密封裝置示意[62］Fig.9 Schematic of gas-isolated magnetic fluid sealing device[62］

MITAMURA 團(tuán)隊(duì)長年致力于磁性液體密封在旋轉(zhuǎn)血漿泵中應(yīng)用的研究[65-69］， 歷經(jīng)多次的改進(jìn)， 最終在一般磁性液體密封結(jié)構(gòu)中加入了一個“阻擋元件”， 該結(jié)構(gòu)能夠在磁性液體與被密封液體間形成空氣層以防止磁性液體與被密封液體的直接接觸，并通過實(shí)驗(yàn)研究了空氣腔體積大小對密封性能的影響。 結(jié)果表明， 裝有小腔體阻擋元件的密封結(jié)構(gòu)（如圖10 所示） 有更長的密封壽命， 能夠達(dá)到275天密封不泄漏， 這種密封結(jié)構(gòu)與王虎軍等[62］所提出的氣體隔離式磁性液體密封結(jié)構(gòu)都是利用氣體隔開兩種液體， 但是該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于無需外接壓縮氣體。

圖10 小氣腔“阻擋元件” 磁性液體密封結(jié)構(gòu)示意[65］Fig.10 Schematic of magnetic fluid seal with small air chamber “blocking element”[65］

綜上， 三類用于液體介質(zhì)密封的磁性液體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的技術(shù)特點(diǎn)和缺點(diǎn)梳理總結(jié)如表1 所示。

表1 三類用于液體介質(zhì)密封的磁性液體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的技術(shù)特點(diǎn)和缺點(diǎn)Table 1 Technical characteristics and disadvantages of three kinds of magnetic fluid sealing structure design methods for liquid

4 總結(jié)與展望

相比于密封氣體介質(zhì)， 用于液體介質(zhì)的磁性液體密封技術(shù)研究起步較晚， 其特有的液-液界面穩(wěn)定性問題雖然已有大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究， 但是研究的內(nèi)容還相對有限， 仍屬于世界性難題。 從前人的研究可以看出， 磁場和磁性液體的黏度對界面穩(wěn)定性的影響都存在一個極限值， 在不超過極限值的前提下磁場越高對密封越有利， 在高于極限值的前提下磁性液體的黏度越低對密封越有利， 而液-液相對速度則是越低對密封越有利。 在磁性液體密封液體介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式中， 優(yōu)化一般密封結(jié)構(gòu)這種方式只能改善密封效果， 并不能徹底解決實(shí)際問題， 有一定的局限性， 磁液補(bǔ)償方式的出現(xiàn)能在理論上達(dá)到無限密封壽命， 但是目前技術(shù)尚不成熟； 與其他密封形式進(jìn)行合理組合， 可以有效地減小密封泄漏， 也可以滿足不同工況下的密封需求， 但是這種方式明顯增加了密封結(jié)構(gòu)占用空間， 在很多情況下并不適用； 利用氣體隔離兩相液體這種方式， 能夠有效將液體介質(zhì)密封問題轉(zhuǎn)化成氣體介質(zhì)密封問題， 避免了理論上不易解決的難題，但是也相應(yīng)地存在一些未能解決的技術(shù)問題， 未來的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在進(jìn)一步優(yōu)化這種隔離兩相液體的密封結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償磁液的密封結(jié)構(gòu)上。 另外， 目前開展的大多數(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究都是圍繞密封水進(jìn)行分析， 隨著磁性液體密封液體技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境越來越復(fù)雜， 所以密封的液體除純液體外， 應(yīng)進(jìn)一步研究被密封液體中含有固體小顆粒的磁性液體密封技術(shù)的界面穩(wěn)定性問題， 以此來完善相關(guān)理論。