磁力密封装置的研究与应用

金 浩，曲家惠，岳明凯

（沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159）

0 引言

在机械传动产品中需要使用密封组件，用来消除产品输出轴处腔体内外因为流体介质的压力差所引起的泄漏，如图1所示。常用的此类密封组件分为：橡胶皮碗组件、端面密封装置（使用波形弹簧的密封装置）和磁力密封装置等。

橡胶皮碗组件的长期运行综合费用高，且使用寿命短，易磨损轴颈。端面密封装置寿命较短，波形弹簧加工难度大，弹力衰减快且不可修复，使用成本高。而磁力密封装置则结构简单，占用空间小，而且密封效果好，因此部分较为先进的传动产品，选择使用了磁力密封装置，尤其是航空传动产品。

图1 输出轴密封结构

1 结构、特性及工作原理

1.1 结构介绍

磁力密封装置主要由三部分组成，具体结构如图2所示。第一部分为磁性静环，它表面光滑，热稳定性好，耐磨能力强，有较强的磁力；第二部分为动密封环，主要材料为耐磨及润滑性良好的石墨，它环嵌在具有磁性的金属座里；第三部分为O型圈，其作用是对径向配合面进行密封，防止泄露。

图2 磁力密封装置

1.2 特性

磁力密封装置有较好的密封效果，较长的使用寿命，消耗很低的摩擦功率，而且基本不会损坏旋转轴外表面。此外，对旋转轴在工作工程中产生的振动、偏摆、偏斜等不敏感，密封效果不会受到明显的影响。

磁性静环是一个具有一定磁力磁性的合金件，常由高剩磁铝镍钴合金制成，对碳动环配合的工作表面有非常高的平面度及粗糙度的要求。动密封环是将耐磨、润滑性能非常好的石墨环，嵌在一个磁性的不锈钢合金座里，对石墨环的工作表面也有非常高的平面度及粗糙度要求。动密封环与旋转输出轴之间依靠胶圈传动，使动密封环保持浮动状态，获得良好的随动性，以便能够与磁性静环保持良好的贴合。

1.3 工作原理

通过磁性静环与动密封环间的磁性吸力保证密封端面的贴合，二者产生摩擦运动，依靠密封端面很高的平面度及粗糙度要求，用来保证密封端面的接触面积，从而实现转、静子间的密封。

动密封环和旋转轴之间的O型橡胶圈能够通过自身的弹性、扭转和角向浮动自动补偿密封端面的磨损，并适应旋转轴的攒动。工作时密封端面间维持一个极薄的油膜可以避免端面间的干摩擦，能够有效的降低密封端面的磨损程度、延长使用寿命。

2 应用与研究

2.1 应用

磁力密封装置在设计理念上继承了机械密封的设计原理并简化了结构、完善了功能，具有较高的可靠性、较长的寿命。在先进的发动机传动机匣、减速器及其它旋转设备上都有较为广泛的应用。

如果要获得良好的密封性能，应该注意以下事项。

磁力密封装置应适用于直径在80mm以下的旋转轴；旋转速度不宜过高，密封端面的速度不能超过30m/s；工作温度一般在-30℃～200℃范围内；旋转轴处腔体内外介质的压力差一般不宜大于0.7Mpa；另外，旋转输出轴不能有强烈的振动、猛烈的冲击和大幅的偏摆。

目前，市场上部分机电产品使用了磁力密封装置，在实际的应用过程中暴露出了存在的问题，具体介绍如下。

2.1.1 密封端面磨损

在实际使用过程中，磁性静环的密封表面常常会沿圆周方向受振动而发生轻微的磨损、清洁度等因素的影响，导致泄漏。

2.1.2 磁性静环磁力衰退

在使用过程中，发现有很多可能导致磁性静环磁力衰减的因素，具体分析如下：

1）磁环与碳动环频繁拆卸的分离，可能会导致磁性能衰减；

2）在外界磁场的影响下，可能导致磁性静环磁力衰退或消失，例如其它的强磁性材料产生的磁场，也包括其它的磁性静环；

3）当磁性静环与易被充磁的铁、钢制零件距离适合时，可能产生相互感应而诱发磁场，进而导致磁性静环磁力衰减。

2.1.3 石墨表面划伤

虽然动密封环上的石墨具有较好的耐磨性，同时也具有较强的脆性，工作过程中石墨环边角处可能出现石墨颗粒剥落的现象。当剥落的颗粒进入磁性静环与动密封环之间密封端面之后，经过长时间工作后会很容易划伤动密封环石墨密封端表面，造成泄漏，降低寿命。

2.2 研究

为了获得更好的使用性能，因此对磁力密封装置进行了研究，并采取了一些改进的措施。很多应用过程中暴露出来的问题，通过努力得到了很好的解决，提高了磁力密封装置的综合性能。

2.2.1 改善磁性静环耐磨性能

目前，国内喷涂技术发展迅速，在各行各业均有较为广泛的应用。在对磁性静环的材料进行了认真研究之后，我们认为可以在其密封表面喷涂涂层。经过对比分析，选择在其密封端面上喷涂一层0.05mm～0.5mm厚的碳化钨涂层。研究及试验表明，磁性静环的耐磨性得到了很大的提高，抗冲击性也得到了改善。

2.2.2 稳定磁性静环磁力

磁力密封装置主要是依靠磁力实现密封面的彼此贴合，因此稳定磁力的工作就显得尤为重要。根据铝镍钴永磁合金本身的特点，我们采用径向饱和充磁的方法，来提高零件的磁力。为了把磁力稳定在一定的范围内，我们对充磁后的零件进行了稳磁处理。虽然这种方法导致磁力数值下降了3%～5%，但是磁力的稳定性却得到了提高，完全可以满足使用的要求。

2.2.3 改进动密封环组件

为了降低动密封环石墨出现局部剥落颗粒的现象，我们对动密封环进行了一些改进。将石墨环与金属座之间的配合过盈量由0.05mm～0.12mm更改为0.03mm～0.07mm，降低了石墨环承受的应力。还对石墨环密封端面周围的尖边给出了圆滑处理要求。采取了这些措施之后，基本克服了石墨环局部剥落的问题，避免了密封端面被划伤的情况。

2.2.4 其他改进措施

研究表明，O型橡胶圈与旋转轴及动密封环之间的压缩率过大，会影响动密封环与旋转轴的随动性，在旋转轴窜动量较大的时候使磁性静环与动密封环分离，发生漏油现象。因此我们减小了O型橡胶圈的压缩率同时提高了拉伸率，在密封性、随动性方面取得了较为满意的效果。

3 结束语

磁力密封装置拥有独特的设计结构，占用极少的安装空间，密封效果极佳，可以有效的防止泄漏，并能减少能源的损失，提高了运转设备功效，即节能降耗又能确保设备的安全运行。随着当代科学技术与工业基础的日益发展，磁力密封装置将以其优良的密封效果和可靠性赢得更多高端机械产品的青睐，其应用范围也将越来越广泛，同时使用者对其的要求也会越来越高。

根据磁力密封工作原理可知，通过改进密封面结构能够避免密封面产生过大的摩擦和磨损，进一步提高寿命。目前，国际上较为先进的方法是采用激光加工多孔密封端面。采用激光技术可在密封端面上加工出各种流槽、直线槽、微孔。激光加工端面的微孔可产生明显的动压效应，转速、微孔密度对摩擦扭矩和端面温升有很大影响，可显著改善密封环的摩擦性能。

未来研究发展具有较大矫顽力的新型磁性材料能够获得更为稳定的磁力，改善磁力衰退的情况，可大大提高磁性静环的磁性能和寿命，磁力密封装置也将会得到更好的发展，必将被机械领域的各种产品所广泛应用。

[1] 林基恕. 航空燃气涡轮发动机机械系统设计[M]. 北京,航空工业出版社, 2005.

[2] 陈聪慧. 某型发动机磁力密封装置漏油故障分析及排故措施[J]. 航空发动机, 2004, 30(2): 42-45.