《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Pressure resistance and self-healing performance of stepped tower-shaped pole teeth magnetic fluid seals
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磁流体密封（MFS）在宽间隙和大转速下易因离心力导致液膜破裂。本研究提出阶梯塔形磁极齿（STPT）设计，通过多级磁阻机制优化磁通路径，增强磁流体约束与储能效应，使液膜在压力差下更稳定。数值模拟（FEA结合修正伯努利方程）与实验（静态/动态/自愈性能测试）表明，STPT在0.4-2.0mm间隙中压力抵抗提升69.6%，动态稳定性与自愈能力显著优于传统设计，为大型高速设备密封提供新策略。
王军|董航|王建梅|苏浩|王强|吕丽华
中国山西省太原市太原科技大学先进不锈钢国家重点实验室，邮编030024
摘要
在高速、大间隙旋转机械中使用的磁流体密封件（MFSs）经常会出现严重的性能下降，因为较大的密封间隙和显著的离心力会破坏传统MFSs中的液体屏障的完整性。本研究提出了一种阶梯塔形极齿（STPT）配置，以在这种极端工作条件下提高密封性能。该设计引入了多级磁阻机制，通过分割磁通路径来产生协同的约束和储存效应，从而稳定流体界面，防止压力引起的挤压。该机制通过有限元分析（FEA）结合改进的伯努利方程进行了分析，并通过综合实验验证了其静态、动态和自修复性能。结果表明，STPT配置显著提高了性能，在0.4毫米到2.0毫米的密封间隙范围内，平均压力阻力增加了69.6%。此外，该设计还表现出优异的动态稳定性和自修复能力。这些发现证实了STPT配置在超过1毫米的间隙下仍能保持强大的密封能力，为大型、高速应用提供了一种关键的设计策略。
引言
磁流体（MF）由于其对外部磁场的铁流体力学响应，在密封[1]、[2]、[3]、润滑[4]、传感器[5]、医疗设备[6]和流体传输技术[8]、[9]等领域引起了广泛关注。磁流体密封件（MFSs）因其零泄漏能力、非接触操作和延长的使用寿命[10]而特别有前景。然而，传统MFSs设计在大直径应用中面临严峻挑战，尤其是在承受较大密封间隙和高旋转速度时。在这种情况下，离心力、重力和大间隙中磁体力快速衰减的不稳定效应往往导致液体屏障过早破裂，从而显著降低压力阻力和运行可靠性。
已经进行了大量研究来阐明MFSs的密封机制[11]、压力传递[12]和失效行为[13]、[14]。Szczuka等人[15]、[16]、[17]开发了计算压力阻力的数值方法，并探讨了多级压力传递机制，发现增加纳米颗粒浓度或降低流体粘度可以影响微泄漏路径。Chen等人[18]研究了各种极齿形状，发现梯形极齿由于磁场分布优化而表现出比矩形和三角形极齿更好的压力阻力。Li等人[19]进一步设计了一种带有透明轴的创新MFS装置，能够直接观察运行过程中的自修复过程。他们的发现揭示了影响密封失效的关键因素，并强调了密封设计和磁流体特性在实现高效和耐用MFS性能方面的重要性。
为了提高大直径应用中的压力阻力，已经研究了多种增强策略。一种有效的策略是改善磁流体的性能。Yi等人[20]合成了一种高饱和度的MnFe?O?基流体，证明了增强磁流体的磁化和稳定性对于在大直径条件下保持密封完整性至关重要。Zhang等人[21]证明，在高粘度磁流体中加入碳纳米管可以显著提高压力能力，通过改变磁流体的流变结构来实现。为了解决降低启动扭矩和在低温环境中保持压力之间的矛盾，Liu等人[22]证明加入亲水性二氧化硅纳米颗粒可以显著降低启动扭矩，而对密封装置的压力阻力影响很小。
尽管这些高性能铁流体提供了显著改进，但在需要更高压力阻力的应用中，通常会考虑使用磁流变流体。然而，尽管具有这种增强的压力阻力[23]，Yang等人的最新研究[24]指出，它们固有的宾汉塑性会导致比铁流体典型的牛顿流体行为更高的旋转阻力。为了在保持流变稳定性的同时平衡高压力阻力，Susan-Resiga等人[25]开发了一种基于铁流体的微-纳米复合材料，其中包含相互连接的Fe纳米球阵列，实现了比传统铁流体高四倍的压力阻力，同时具有低扭矩和强胶体稳定性。最近，Wang等人[26]证明，微-纳米复合磁流变润滑脂由于其高饱和磁化和屈服应力，可以进一步提高不同粘度下的密封压力阻力。他们还提出了一种夹紧模式极片配置[27]，使颗粒链重新定向到轴线上，从而在保持高压力阻力的同时降低扭矩。
除了流体改性之外，磁路优化也起着重要作用。增加极片数量或采用交替磁极配置可以改善磁场梯度[28]、[29]、[30]，从而比传统设计实现更高的压力阻力。此外，Liu和Li[31]报告称，用轴向或径向磁化的环形磁体替换传统磁导极片可以显著提高大间隙条件下的磁流体密封件的压力阻力，同时简化制造和安装过程。Wang等人[32]提出了一种带有夹层磁路（FSMC）的新型磁流体密封件，证明在轴套内集成一个额外的永磁体可以显著提高压力阻力。最近，Yang等人[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]首次使用收敛和发散的阶梯极片配置，在单源激励下创建了结合的径向-轴向密封间隙，与传统大间隙密封件相比显著提高了压力阻力。
尽管取得了这些进展，但对于大型旋转机械（如高容量发电机、压缩机、涡轮机等）来说，由于制造公差和热膨胀的原因，仍然存在一个关键问题，即需要毫米级的密封间隙[39]、[40]。在这些大间隙条件下，传统极齿设计中的磁通密度在远离极齿的地方迅速衰减，导致磁体力较弱，不足以承受压力差。为了解决这一铁流体力学挑战，本研究扩展了以往的研究成果，提出了一种新型的阶梯塔形极齿（STPT）配置。假设STPT设计可以调节间隙内的磁阻，延长高梯度区域并增强磁流体环的变形阻力。建立了结合有限元方法（FEM）进行磁通分析和改进的伯努利方程进行压力模拟的数值方法来研究密封机制。这些模拟在定制的大直径测试台上进行了验证。这项工作系统地研究了阶梯几何形状与磁通分布之间的相互作用，为设计高性能MFSs以适应极端大间隙应用提供了基本见解。
STPT密封件结构
阶梯塔形极齿（STPT）磁流体密封件（MFS）设计在普通磁流体密封件（OMFS）配置中加入了一系列轴向定向的阶梯凹槽，如图1所示。这种新颖的几何设计通过将磁通路径分割到几何受限区域来促进多级磁阻调节。该设计通过协同的约束和储存机制提高了密封性能。
实验设置与分析
制备了STPT磁流体密封件，并在不同密封间隙和旋转速度下对其压力阻力和自修复性能进行了实验评估，以研究密封机制并验证所提出的数值模型。测试装置的示意图如图4所示，分别使用变频电机和空气压缩机来驱动系统和供应压缩空气。密封室内的空气压力通过
磁通密度特性
STPT和OMFS配置的磁通密度轮廓如图11所示。两种设计的磁通密度都相对于永磁体呈径向对称分布。在密封间隙内的磁通密度明显更高，并且在极齿末端达到最大值，表明这些区域的磁场最为集中。这一观察结果证实了极齿设计在创建强局部结论
本研究提出并实验验证了一种新型的阶梯塔形极齿（STPT）配置，以解决大密封间隙和高速条件下磁流体密封件的性能下降问题。结论总结如下：
(1)STPT结构采用多级磁阻机制，有效调节密封间隙内的磁场分布。通过创建局部高梯度区域，阶梯凹槽生成
作者贡献声明
王军：撰写 – 审稿与编辑，监督。董航：撰写 – 原稿，软件，方法论，研究。王建梅：项目管理，资金获取。苏浩：验证，方法论，正式分析，数据管理。王强：正式分析，概念化。吕丽华：资源，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
该项目得到了国家自然科学基金（52475207）和忻州重点研发项目（20240105）的支持。
