往复运动轴磁性液体密封实验装置的研制与应用

孙维民 石明浩 赵 骞 国安邦 赵丽军 史桂梅

（沈阳工业大学理学院，辽宁 沈阳 110870）

1 引言

磁性液体密封是磁性液体的产业化过程中最早出现的技术，也是磁性液体技术应用最为广泛的一个方面.磁性液体密封是一种非接触式密封，其工作原理是：由环状永磁铁、极靴、磁性液体和导磁轴构成闭合磁回路，利用永磁体中的磁能，在密封轴与极靴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，把间隙封住，从而实现密封.目前主要用于精密仪器、机械等的真空静态密封和旋转轴密封［1～6］.而关于往复运动轴的磁性液体密封研究的相对较少［7～10］，原因是往复运动轴磁性液体密封不同于真空静态密封和旋转轴密封，至今，在应用上有很多问题需要解决，尤其是密封间隙内磁性液体的流动和密封间隙内的磁性液体由于往复轴的运动而引起损失，并最终导致密封失败.所以研究往复运动轴的磁性液体密封实验装置具有重要的现实意义.本文设计了一种往复运动轴磁性液体密封实验装置，该实验装置的特点是可随时补充运动过程中流失的磁性液体，以达到延长有效密封时间.将研制的往复运动轴磁性液体密封实验装置应用于油井井口密封，试验结果表明，有效密封时间比原密封结构提高50%以上.

2 实验装置

置示意图.实验装置主要由磁性液体密封体（图中两个阴影部分的磁性液体密封结构是相同的）、密封腔（密封腔中可注气或注水）和气泵系统组成.实验中气泵系统用来为轴的往复运动提供动力.

图1给出了往复运动轴磁性液体密封实验装

图1 往复运动轴磁性液体密封实验装置示意图

在往复运动轴的磁性液体密封中，由于磁性液体会不断地逃逸磁场的束缚而流出密封域之外，使密封域中的磁性液体数量逐渐减少，当密封环断开造成密封泄漏时，便造成了密封的失败.为了解决这个问题，本文采用了两项措施：一是针对往复运动轴的轴速一般比较小，所以磁性液体的温升较小，可采用高粘度磁性液体［11，12］；二是设计了补偿磁流体的结构，就是在极靴中设计了能储存磁流体的环形槽，并且能通过极靴不断补充磁性液体.图2给出了往复运动轴的磁性液体密封结构示意图，主要密封件是环形磁环和环形极靴，磁环材料是钕铁硼，磁环宽度是10mm、厚度是12.5mm（内径因轴径而变）.极靴材料是纯铁，极靴宽度15.4mm，齿形是梯形，齿厚1.5mm、齿高1.5mm、齿数10个.磁环和极靴间隔放置，相邻磁环同性相对.磁力线由磁环的N极出发经过极靴、间隙（其中充满磁性液体）、往复轴后进入磁环的S极而构成闭合回路.

图2 往复运动轴磁性液体密封结构示意图

3 实验结果

表1、表2和表3分别给出了在密封腔内水压为1.0×105Pa、轴往复运动速率为1m／s时，密封腔内水压为1.5×105Pa、轴往复运动速率为2m／s时和密封腔内水压为2.0×105Pa、轴往复运动速率为3m／s时所获得的密封腔内水压与轴运动时间的关系.实验结果表明，当密封腔内水压小于1.5×105Pa、轴往复运动速率小于2m／s时，该磁性液体密封实验装置具有良好的液体密封性.但随着密封腔内水压升高、轴往复运动速率增大，该磁性液体密封实验装置的液体密封性能下降.

表1 密封腔内压力与时间的关系（密封腔内水压为1.0×105Pa、轴往复运动速率为1m／s）

表2 密封腔内压力与时间的关系（密封腔内水压为1.5×105Pa、轴往复运动速率为2m／s）

表3 密封腔内压力与时间的关系（密封腔内水压为2.0×105Pa、轴往复运动速率为3m／s）

4 磁性液体密封装置在油井井口密封中的应用

将磁性液体密封材料和密封技术应用于油井井口的间隙密封，以减少漏油.油井井口的间隙密封是利用磁场，在泵杆与井口壁的间隙内形成磁性液体密封环来阻塞油液的一种密封.从密封介质讲是液体密封，从运动形式上讲是往复轴密封.油井的情况复杂，对不同的油井，原油中含水、含沙、酸碱性、粘度等情况都不同，而且泵杆的滑动行程达2～3m，这些情况都增加了应用磁性液体密封技术的难度.

图3给出了油井井口的间隙密封装置结构示意图（只画出了一个磁环和两个极靴），密封装置安装在圆形井口壁的内壁上.磁力线由磁环的N极出发经过极靴、间隙（其中充满磁性液体）、泵杆壁后进入磁环的S极而构成闭合回路.当抽油泵工作时，泵杆和井口壁间隙处的磁性液体在极齿磁场的作用下形成密封环.

图3 油井井口的间隙密封装置结构示意图

将磁性液体密封材料和密封技术应用于油井井口的间隙密封是磁性液体密封技术的一种新的尝试.试验结果表明，油井井口磁性液体密封装置的有效密封时间比原密封结构提高50%以上，但存在的问题是油井井口磁性液体密封装置的成本偏高，使推广应用遇到了困难，后续研究的重点是如何降低油井井口磁性液体密封装置的成本.

5 结论

设计了往复运动轴磁性液体密封实验装置，该实验装置的特点是可随时补充运动过程中流失的磁性液体，延长了有效密封时间.将研制的往复运动轴磁性液体密封实验装置应用于油井井口密封，试验结果表明，有效密封时间比原密封结构提高50%以上.

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