对称互锁式铁磁流体真空旋转密封关键参数影响的实验研究

本文针对高速真空旋转机械中铁磁流体密封（FS）的耐压性能（PR）提升需求，提出了一种对称互锁式铁磁流体密封（SIFS）新结构。该结构通过阶梯聚合分散齿有效抑制离心效应，并系统通过多物理场仿真与实验，揭示了密封间隙（SC）、极齿（PT）对数、齿槽宽度、铁磁流体注入量、转速及温度等关键参数对耐压性能的影响规律，验证了理论模型，为高速真空工况提供了可靠的密封解决方案。

　　

^章节精选

^理论部分

^{SIFS的理论基础}

计算铁磁流体密封（FS）的耐压性能（PR）时，通常以下列假设为前提条件：

• •
  (1) 忽略铁磁流体的重力；(2) 铁磁流体无表面张力；(3) 铁磁流体无表面张力。

对于铁磁流体，伯努利方程通常表示如下：

[公式]

其中 [公式] 代表铁磁流体的压力；[公式] 代表其密度；[公式] 代表重力加速度；[公式] 代表铁磁流体的相对高度；[公式] 代表真空磁导率。

^结构设计

^{SIFS的结构设计}

如图1所示，为提升铁磁流体密封（FS）在真空环境下高速旋转的性能，设计了一种对称互锁式铁磁流体密封（SIFS）结构。该结构的创新性主要体现在以下两个特点。首先，极靴内端面上的极齿（PT）与对称轴肩端面的极齿采用相对排列，形成了对称互锁的极齿布局，这显著减轻了离心力对密封性能的不利影响。

^{密封间隙影响}

^{密封间隙（SC）对SIFS耐压性能（PR）的影响}

密封间隙（SC）的大小是决定密封装置能否在高速旋转条件下正常工作的关键参数。间隙过大会导致间隙磁阻增加，从而降低其耐压性能（PR）；而间隙过小则会引起转轴摩擦磨损和颗粒滞留，导致密封装置结构失效。因此，分别确定合适的径向和轴向密封间隙（SC）尺寸是一个关键问题。

^转速影响

^{转速对SIFS耐压性能（PR）的影响}

为研究SIFS在高速旋转条件下的适应性，在极齿（PT）对数为3、密封间隙（SC）为0.3 mm、齿槽宽度为0.4 mm的条件下，选取了0-3500 r/min的实验组，对应的线速度为0-10.5 m/s。实验中，密封装置转轴的右端与电机联轴器相连。

^结论

在本研究中，设计了一种对称互锁式铁磁流体密封（SIFS），并搭建了铁磁流体密封（FS）耐压性能（PR）实验台。研究了真空条件下不同结构参数和工况参数对SIFS耐压性能（PR）的影响。选取了铁磁流体密封间隙（SC）、极齿（PT）对数、齿槽宽度和注入量四个实验变量作为结构参数，选取了转速和温度两个实验变量作为工况参数。