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随着石油化工、半导体领域的快速发展，真空搅拌器作为关键设备，被广泛应用于高纯度、易挥发及危险介质的搅拌反应过程中。其主轴密封性能直接影响介质泄漏防控及设备运行安全性，然而液面介质的波动、飞溅及界面不稳定性等问题，传统密封方式已难以满足密封需求，填料密封虽成本低、结构简单且安装维护便捷，但摩擦阻力较大，需定期压紧填料以维持密封性能，且易受液面波动冲击导致填料与主轴贴合性下降，进而引发密封失效；迷宫密封结构简单易于维护，寿命长，对工作环境适应性强，但泄漏量较大；机械密封泄漏量较小，但结构复杂且需要辅助系统，不适用于液面介质频繁扰动的场景。磁流体密封是一种非接触型密封，具有无磨损、长寿命、高可靠性和近乎零泄漏的显著优点，为解决立式真空搅拌器密封难题提供了有效路径。
现有研究中，李德才等[1]为干式罗茨真空泵设计磁流体密封，通过推导耐压公式与实验验证，其密封性能与耐压能力良好，长达十年的实际运行表明该密封效果优异。朱景建[2]针对传统接触式密封易损问题，提出将磁流体密封技术应用于爪型干式真空泵，成功解决密封难题并延长使用寿命。陈振亚等[3]分析了爪型转子动平衡，采用减重盲孔调节，提出用磁流体密封技术提高真空度，试验证明，其效果优于机械密封。Wal Karoen van der等[4]针对液体环境中磁流体乳化、变质引发的密封失效，提出含补给系统的新型铁磁流体旋转密封，能更新密封圈内磁流体，理论上该密封使用寿命可无限。王虎军等[5]通过研究表明，采用气体隔离结构可有效防止磁流体与密封液体接触，使磁流体密封在液体介质中的耐压能力大幅提升，并接近其对气体的密封水平。Li X R等[6] 对用于液体密封的大间隙磁流体装置进行优化设计，相比传统装置，其耐压、耐久性能显著提高。
综上，磁流体密封在真空领域及液体介质密封具备一定研究基础，但针对立式、低转速且处于真空环境下密封液体等复杂工况场景中的磁流体组合密封研究仍较为匮乏。因此，本文以磁流体耐压密封理论及磁流体与液体界面失稳理论为基础，结合立式真空搅拌器主轴结构与工况参数，设计一种新型迷宫—磁流体组合式密封结构，通过有限元数值模拟仿真方法，探究关键结构参数对密封耐压能力的影响机制，并基于响应面法开展多参数协同优化设计，以提升密封装置的耐压能力与工况适应性。
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磁流体密封技术主要应用于动密封，适用于旋转或往复运动的设备密封，其核心组成包括磁流体、永磁铁、极靴和转轴（轴套），如图1所示。密封原理在于磁场作用下磁流体的特定响应行为，工作机制是将磁流体注入轴套与极齿构成的间隙中，在永磁体驱动下，磁力线将依次经过极齿、磁流体层和导磁轴套，形成一个完整的闭合磁路，该磁路产生的强磁场能有效约束间隙中的磁流体，使其在多级极齿间形成稳定的“液态O形圈”，从而凭借磁流体完全填充间隙，实现对泄漏通道的彻底阻断[7-8]。
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耐压能力是评估磁流体密封性能的核心指标，从一般流体的质量守恒方程和运动方程出发，考虑磁性液体在磁场中的特性。在等温流动、温度远低于居里温度、定常流动的假设条件下进行分析，通过简化可得到磁流体的伯努利方程[9]：
式中，
$ p $ 为流体压力，$ \rho_{\mathrm{m}} $ 为磁流体密度，$ v $ 为磁流体速度，$ g $ 为重力加速度，$ {\mu }_{0} $ 为真空磁导率，$ M $ 为磁化强度，$ h $ 表示磁流体至参考点距离，$ H $ 为磁场强度，$ C $ 为常数。当磁流体处于饱和磁化状态时（即
$ M=M\mathrm{_S} $ ，$ M_{\mathrm{S}} $ 为饱和磁化强度），在磁流体密封能够承受的最大压差由磁流体的饱和磁化强度、真空磁导率以及密封间隙内高压侧与低压侧的磁场强度差值共同决定。当密封压力增大到使磁流体两侧界面分别处于磁场强度最大$ {H}_{\max } $ 和磁场强度最小$ {H}_{\min } $ 位置时，此时的压差值即为该密封结构的极限耐压值，可得磁流体密封耐压值的计算式为[10]：对磁流体多级密封结构，密封压力公式为：
化简后可得：
式中，
$ N $ 为密封级数，$ {B}_{\max } $ 为极齿下最大磁通密度，$ {B}_{\min } $ 为极齿下最小磁通密度。 -
在液态介质环境下应用磁流体密封技术，其两相界面失稳现象的产生与恶化，其核心原因在于极靴根部磁流体与密封液体间因转速差引发的相对运动。旋转轴的直径相较于密封间隙径向尺寸而言显著偏大，磁流体在狭缝内的流动行为可近似为纯剪切运动。同时，受限于极窄的径向空间，被密封介质的流动被限制在切向，其速度场呈现出一维层流分布[11]，其轴向与径向的流速分量均可忽略，此流动特性与经典的库埃特流动模型相符[12]。
设转轴半径值为
$ {R}_{1} $ ，磁流体内径$ {R}_{2} $ ，被密封液体外径$ {R}_{3} $ ，极靴为静止状态，如图2所示。对磁流体而言，$ {r}_{1} $ 为磁流体内距转轴中心距离上的某点，该角度$ \theta $ 方向上，其速度分量为$ {u}_{1} $ ，则角度$ \theta $ 方向对应的动量方程可表示为[12]：该位置磁流体运动有
$ r $ 方向上的边界条件：代入边界条件可得到磁流体角度
$ \theta $ 方向上动量方程为：同理，
$ {r}_{2} $ 表示液体介质内部一点到转轴中心距离，被密封液体介质的切向速度分量$ {u}_{2} $ 满足相同形式的动量方程：磁流体与被密封液体介质在同一半径
$ r $ 处的相对速度$ \Delta u $ 为两者速度差：相对速度对
$ r $ 求导得：由式（10）可知，随径向位置
$ r $ 增大，磁流体与液体介质的相对速度差呈增大趋势，相对速度差与转轴角速度$ \omega $ 正相关。依据Rosensweig建立的磁液界面不稳定性控制方程，推导出导致两相界面失稳的临界磁场强度判据为：
式中，
$ {\mu }_{1} $ ，$ {\mu }_{2} $ 表示磁流体与被密封液体介质的相对磁导率，$ {\rho }_{1} $ ，$ {\rho }_{m} $ 表示两者密度，$ \sigma $ 表示界面张力，$ H\mathrm{_{or}} $ 表示外加磁场强度，该失稳判据的物理本质是界面处失稳驱动力与稳定恢复力之间的动态平衡。方程左边($ \Delta u $ )2为失稳驱动力，源于两相流体的速度剪切；右边方程为稳定恢复力，包括界面张力与磁场提供的磁表面张力，当$ \Delta u $ 相对速度过高，驱动项压倒恢复项，界面处产生Kelvin-Helmholtz不稳定性，磁流体被残余介质稀释或消耗，最终引发密封失效。本文基于此物理机制，由式（9）与式（10）可知，相对速度
$ \Delta u $ 随径向位置$ r $ 增大而增加，因此通过减小$ {R}_{3}-{R}_{2} $ 的差值，可将两相界面限制在更小的半径处，据此在磁流体密封前设计内径相同的迷宫密封，即$ {R}_{3}={R}_{2} $ ，该结构通过引导被密封液体产生预旋，从而有效降低磁流体与液体介质界面处的相对速度差$ \Delta u $ ，削弱失稳判据中的驱动力项($ \Delta u $ )2，达到两相界面稳定性效果，提高密封可靠性。 -
立式真空搅拌器主轴密封的工况参数：搅拌轴径为130 mm，工作压力为0.3 MPa，最高转速为70 r/min，工作温度为常温，密封介质为硅油。为此，设计一种新型迷宫—磁流体组合密封装置，通过多级协同作用实现对介质的可靠密封，整体结构如图3所示。第一级为直通型迷宫密封，由密封外壳、直通型迷宫齿与轴套组成，其核心功能是承担初级阻隔任务，将大部分液体阻挡于密封系统外侧。根据前文磁液界面不稳定性理论，将直通型迷宫密封、隔磁环内径与极靴内径保持一致，可有效确保液体介质与磁流体的界面稳定性，降低后续磁流体密封工作负荷。第二级是作为主密封的磁流体密封，由两组磁流体密封、隔磁环和轴套组成。两组磁流体密封沿轴向依次排列，中间通过隔磁环实现物理隔离与磁场分隔，形成辅助阻隔结构，具有阻断两组磁流体密封的磁场耦合，避免磁场相互干扰导致极齿处磁场强度衰减的作用，同时当左组磁流体密封因极端工况发生局部失效，密封介质突破左组密封时，隔磁环与轴套形成“节流屏障”，有效阻止液体继续向右侧磁流体密封渗透，确保右组密封仍能维持有效密封，维持设备内部真空环境，最终实现零泄漏密封目标。
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基于立式真空搅拌器磁流体密封的工况需求，磁流体采用全氟聚醚磁性液体，其耐腐蚀性和耐溶解性强，不易与液体介质发生相容[13]，饱和磁化强度为31.5 kA/m，工作温度区间为−60℃−130℃；极靴与轴套选用高导磁、具备耐腐蚀性的20Cr13，其永磁体选用烧结钕铁硼N48SH，其余结构件均采用304不锈钢以保障非导磁需求。
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磁场强度与磁通密度是决定密封性能的核心因素，然而它们难以通过实验手段直接精确量化。因此，本研究借助COMSOL有限元分析软件，通过数值模拟方法对磁场分布进行求解，极齿几何结构如图4所示，磁场模拟给出的结构参数，如表1所示，考虑到磁流体密封构件具有轴对称性质，因此建立二维轴对称仿真模型。材料参数设置遵循前文选定的零件材质特性，假设磁流体处于饱和磁化状态，将磁流体按真空磁导率近似相等进行处理[1]，建立的模型见图5（a）。网格划分采用自由三角形单元，针对密封间隙、极齿齿尖等磁场梯度显著的关键区域进行局部加密处理见图5（b），最终生成116347个网格单元，平均单元质量达0.8983，确保计算精度与准确性。边界条件设置方面，除Z轴外，模型其余三条边界均定义为磁绝缘边界，完成模型构建与参数配置后，求解模块进行数值计算。
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在完成网格质量检查无问题后，对磁场模型进行计算求解，得到立式真空搅拌装置内磁流体密封区域磁场分布情况，其结果以云图形式展示，如图6所示，为精确分析间隙中的磁场特性，利用软件后处理模块，沿密封间隙与轴的中心方向设置一条截线，磁通密度变化曲线，如图7所示。从图6可以观察到，较高的磁通量密度主要聚集在极齿齿尖位置，齿槽区域则为磁通密度低值，故极齿处能对密封间隙内的磁流体产生强吸引力，使其汇聚于极齿下方，这一分布规律与文献[14-16]中极齿处聚磁形成“液体O型圈”的规律一致，故证明了此模型与数值计算结果的可靠性。图7表明，磁通密度值在密封间隙内呈现明显的“波峰—波谷”分布规律，而磁流体密封能承受的耐压值与密封间隙内磁感应强度的峰值和谷值之差存在紧密关联，通过总耐压公式得出其理论耐压值为0.375 MPa，但考虑到真空环境下泄漏风险敏感性高，且搅拌过程中主轴振动可能导致密封间隙波动，存在两相界面不稳定引发密封失效的隐患，因此需对结构进一步优化以提升耐压冗余与稳定性。
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为确定密封间隙、极齿宽度、极齿高度、齿槽宽度关键参数对立式真空搅拌器磁流体密封性能的影响规律，以密封耐压值为评价指标，开展单因素仿真分析，结果见图8。
从密封间隙与密封耐压值关系见图8（a），密封间隙增大，磁路中空气磁阻上升，永磁体产生的磁通难以有效束缚磁流体，导致密封能力减弱，耐压值降低，密封耐压值随密封间隙增大呈下降趋势。
由极齿宽度与密封耐压值关系见图8（b），极齿宽度增大初期，磁通路截面积扩大，磁阻减小，耐压提升；但极齿宽度过大时，会导致磁路过于分散，磁通难以集中到极齿齿尖，密封耐压值下降，密封耐压值随极齿宽度增加后逐渐下降。
从极齿高度与密封耐压值关系见图8（c），耐压值随极齿高度增加先升后降，极齿高度适中时，磁通集中性好，边缘效应弱；高度过高则磁路路径变长，磁阻上升，导致密封间隙中极齿下磁感应强度降低，密封压力值降低。
由槽宽与密封耐压值关系如图8（d），密封耐压值随槽宽增加整体呈上升趋势，随着极齿槽宽增大，槽内的磁通密度降低，极齿与齿槽处的磁通密度差值增大，所以耐压值升高，槽宽不断增大，槽内漏磁程度变大，后耐压值趋于平稳。
由图9可知，密封耐压值随密封间隙增大呈显著下降趋势，随极齿宽度增加先上升后逐渐下降，随极齿高度增加先升后降，随槽宽增加整体呈上升趋势后趋于平缓，各参数取值范围为：Lg=0.1~0.5 mm、Lt=0.6~1.0 mm、Lh=1.6~1.9 mm、Ls=2.2~3.0 mm。
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为系统优化磁流体密封耐压能力，需充分考虑多结构参数间的耦合影响，采用响应面法进行试验设计，通过多组试验数据构建参数与密封耐压性能的近似模型，对关键变量进行协同优化，以确定最优参数组合。响应面法以多项式拟合变量关系，在高效探究多因素交互影响的同时，实现以较少试验量对方案进行深入分析与优化[17]，采用Design-Expert软件中的Box-BehnkenDesign（BBD）模块，以密封间隙、极齿宽度、极齿高度和槽宽作为设计变量，以密封耐压值作为输出响应，建立4因素3水平的设计方案，各变量编码与水平设置见表2。遵照试验方案中的顺序，分别构建密封装置的有限元模型开展仿真分析，试验方案与对应的仿真结果见表3。
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以表3数据为基准，采用最小二乘多项式对磁流体密封结构参数和密封耐压值的关系进行拟合，得到它们之间的响应面数学式：
从图10中密封耐压值预测与仿真结果的对比可知，密封耐压值的预测值与仿真值高度吻合，多数样本点紧密分布在零误差线上，表明所建模型具备优秀的预测能力。
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密封耐压性能的方差分析结果见表4。在回归分析中，
$ P $ 值表示各因素的显著性水平，其值越低，则显著性越高；$ F $ 值用以评估影响程度，其数值越大，代表该因素的影响程度越显著；$ {R}^{2} $ 值表示模型的拟合质量，其值越趋近于1，表明拟合精度越高。根据表4可知，该磁流体密封耐压模型的
$ P $ 值小于0.0001，且$ {R}^{2} $ 值接近1，说明模型整体拟合良好，具有高度显著性，能够较准确地预测密封耐压值。在各项因子中，A、B和D的$ P $ 值均低于0.0001，表明对密封耐压值的影响显著；同时，二次项$ {A}^{2} $ 、$ {B}^{2} $ 也呈现显著影响。进一步依据$ F $ 值大小判断可知，各因素对耐压值的影响程度排序依次为：密封间隙$ \gt $ 极齿宽度$ \gt $ 齿槽宽度$ \gt $ 极齿高度；在交互作用中，密封间隙和极齿宽度的影响程度最大，极齿宽度和极齿高度的影响程度最小。密封间隙、极齿宽度、极齿高度和齿槽宽度在交互作用下对密封耐压值的影响，如图11所示。由图11可知，密封间隙分别和齿高、齿宽、槽宽形成的响应曲面梯度变化显著，极齿宽度与极齿高度、槽宽交互作用下的响应面梯度次之，而极齿高度与槽宽的交互作用下的响应面几乎成“平坦”趋势，其交互作用对密封耐压性能的影响几乎可忽略不计。
综上所述，为实现磁流体密封耐压性能的最大化，需对各参数进行优化。由于不同参数间存在较强的交互作用，借助Design Expert软件在设定范围内进行优化求解，最终获得最佳的结构参数组合，根据优化参数开展数值模拟，获得密封间隙内的磁通密度分布见图12，优化前后的参数与耐压值结果对比数据见表5。结果表明，优化后的密封间隙中磁通密度曲线波峰波谷差值显著增大，密封压力值为0.555 MPa，与响应面模型预测值基本吻合，相对误差仅为0.018%，耐压值提升48%，该值相较优化前的0.375 MPa实现显著提升，并远超设计要求0.3 MPa，证明优化可靠，满足工况设计需求。
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（1）以磁流体耐压密封理论及界面失稳理论为支撑，针对立式真空搅拌器结构与实际运行工况，设计出一种新型迷宫—磁流体组合密封装置。
（2）依据初始设计参数建立仿真模型，研究了密封间隙中磁场分布规律，并进行数值计算得到初始密封压力值为0.375 MPa；通过单因素分析了密封间隙及极齿参数对密封耐压性能的影响特性，确定各关键参数的合理取值区间：Lg=0.1~0.5 mm、Lt=0.6~1.0 mm、Lh=1.6~1.9 mm、Ls=2.2~3.0 mm，为后续响应面优化分析提供数据基础。
（3）运用响应面分析方法，确定各结构参数对密封性能的影响程度由大到小依次为Lg
$ \gt $ Lt$ \gt $ Ls$ \gt $ Lh，并筛选得到最优参数组合：Lg=0.1 mm、Lt=1 mm、Lh=1.89 mm、Ls=3 mm。基于该优化参数进行仿真验证，得出密封耐压值提升至0.555 MPa，较初始值显著提高，且远高于工况规定的耐压标准，充分证实了优化方案的可行性与结构设计的合理性，能有效解决立式真空搅拌器的密封问题，也为高端真空搅拌设备密封系统设计提供参考。
立式真空搅拌器磁流体密封设计及优化
Design and Optimization of Magnetic Fluid Seal for Vertical Vacuum Agitator
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摘要: 针对立式真空搅拌器主轴密封在特殊工况下易出现泄漏，而现有密封手段难以有效解决这一问题的现状，设计一种新型的迷宫−磁流体组合式密封装置。采用有限元数值仿真方法，研究密封间隙中的磁场分布规律，得出该装置的理论耐压值为0.375 MPa。运用单因素分析法，探究密封间隙、齿槽宽度、极齿高度及极齿宽度对密封耐压性能的影响，借助响应面优化法对结构参数开展优化设计。研究结果表明：密封耐压值随极齿高度和极齿宽度的增加先增大后减小；随密封间隙增大而减少，随齿槽宽度的增加，先增加后趋于平稳；优化后密封结构参数为密封间隙0.1 mm、极齿高度1.89 mm、极齿宽度1 mm、齿槽宽度3 mm，密封耐压值达到0.555 MPa，远高于实际工况对密封压力的要求，满足密封需求。Abstract: To address the leakage issues prone to occur in the main shaft seals of vertical vacuum agitators under special operating conditions, and the inadequacy of existing sealing methods in effectively resolving this problem, a novel labyrinth-magnetohydrodynamic composite sealing device has been designed. Using finite element numerical simulation, the magnetic field distribution patterns within the sealing gap were investigated, yielding a theoretical pressure resistance value of 0.375 MPa for this device. Single-factor analysis was employed to investigate the effects of seal clearance, tooth slot width, pole tooth height, and pole tooth width on the seal's pressure resistance. Response surface optimization was then used to refine the structural parameters. Results indicate that the seal’s pressure resistance initially increases with greater pole tooth height and width before decreasing; decreases with increasing seal gap; and increases initially then stabilizes with increasing tooth slot width. The optimized seal parameters are: seal gap 0.1 mm, pole tooth height 1.89 mm, pole tooth width 1 mm, and tooth slot width 3 mm. The resulting seal pressure resistance reaches 0.555 MPa, significantly exceeding the operational pressure requirements and meeting sealing demands.
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图 5 仿真模型建立。（a）仿真模型，（b）网格划分
Figure 5. Establishment of the simulation model. (a) Simulation model, (b) mesh generation
图 6 磁场仿真结果。（a）磁通密度，（b）磁场强度
Figure 6. Magnetic field simulation results. (a) Magnetic flux density, (b) magnetic field strength
图 8 不同参数的磁感应强度分布。（a）Lg，（b）Lt，（c）Lh，（d）Ls
Figure 8. Distribution of magnetic flux density with different parameters. (a) Lg, (b) Lt, (c) Lh, (d) Ls
图 9 不同参数因素对耐压值的影响。（a）密封间隙对密封耐压值的影响，（b）极齿宽度对密封耐压值的影响，（c）极齿高度对密封耐压值的影响，（d）槽宽对密封耐压值的影响
Figure 9. The effect of various parameter factors on the pressure resistance value. (a) Effect of sealing gap on seal pressure rating, (b) effect of pole tooth width on seal pressure rating, (c) effect of pole tooth height on seal pressure rating, (d) effect of groove width on seal pressure rating
图 10 密封耐压值仿真数据与预测对比
Figure 10. Comparison between simulation data and predicted values of sealing pressure
图 11 多参数交互下磁流体密封耐压值的影响。（a）A和C的交互作用响应面，（b）A和B的交互作用响应面，（c）A和D的交互作用响应面，（d）C和B的交互作用响应面，（e）C和D的交互作用响应面，（f）B和D的交互作用响应面
Figure 11. Influence on pressure resistance value of magnetic fluid seal under the interaction of multiple parameters. (a) Response surface for the interaction between A and C, (b) response surface for the interaction between A and B, (c) response surface for the interaction between A and D, (d) response surface for the interaction between C and B, (e) response surface for the interaction between C and D, (f) response surface for the interaction between B and D
图 12 磁通密度值前后优化对比
Figure 12. Comparison of magnetic flux density values before and after optimization
表 1 磁流体密封结构参数
Table 1. Structural parameters of magnetic fluid seal
名称 参数 密封间隙 $ {L}_{{\mathrm{g}}} $ /mm0.2 极齿宽度 $ {L}_{{\mathrm{t}}} $ /mm0.6 极齿高度 $ {L}_{{\mathrm{h}}} $ /mm2.0 极齿槽宽 $ {L}_{{\mathrm{s}}} $ /mm2.0 隔磁环厚度 $ {G}_{{\mathrm{h}}} $ /mm4 隔磁环高度 $ {G}_{{\mathrm{k}}} $ /mm15.6 永磁铁厚度 $ {Y}_{{\mathrm{h}}} $ /mm4 永磁铁高度 $ {Y}_{{\mathrm{g}}} $ /mm10 
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表 2 各参数变量编码及水平设计
Table 2. Coding and level design of each parameter variable
编码 因素 水平 −1 0 1 A 密封间隙Lg/mm 0.1 0.3 0.5 B 极齿高度Lh/mm 1.8 2.2 2.6 C 极齿宽度Lt/mm 0.7 0.9 1.1 D 齿槽宽度Ls/mm 2.2 2.6 3
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表 3 试验方案设计
Table 3. Design of experimental scheme
编号 密封间隙
Lg /mm极齿高度
Lh /mm极齿宽度
Lt /mm槽宽
Ls /mm密封耐压值
Δp /MPa1 0.1 0.6 1.75 2.6 0.504 2 0.2 0.6 1.75 2.6 0.382 3 0.1 1 1.75 2.6 0.552 4 0.2 1 1.75 2.6 0.434 5 0.15 0.8 1.6 2.2 0.466 6 0.15 0.8 1.9 2.2 0.467 7 0.15 0.8 1.6 3 0.472 8 0.15 0.8 1.9 3 0.471 9 0.1 0.8 1.75 2.2 0.534 10 0.2 0.8 1.75 2.2 0.413 11 0.1 0.8 1.75 3 0.537 12 0.2 0.8 1.75 3 0.421 13 0.15 0.6 1.6 2.6 0.436 14 0.15 1 1.6 2.6 0.487 15 0.15 0.6 1.9 2.6 0.435 16 0.15 1 1.9 2.6 0.487 17 0.1 0.8 1.6 2.6 0.536 18 0.2 0.8 1.6 2.6 0.419 19 0.1 0.8 1.9 2.6 0.536 20 0.2 0.8 1.9 2.6 0.416 21 0.15 0.6 1.75 2.2 0.432 22 0.15 1 1.75 2.2 0.483 23 0.15 0.6 1.75 3 0.437 24 0.15 1 1.75 3 0.49 25 0.15 0.8 1.75 2.6 0.469 26 0.15 0.8 1.75 2.6 0.47 27 0.15 0.8 1.75 2.6 0.469
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表 4 密封耐压值方差分析结果
Table 4. Results of analysis of variance for sealing pressure resistance value
来源 平方和 自由度 均方和 $ F $ 值$ P $ 值模型 0.0514 14 0.0037 7052.62 <0.0001 A 0.0425 1 0.0425 81567.36 <0.0001 B 0.0079 1 0.0079 15079.84 <0.0001 C 1.333×10−6 1 1.333×10−6 2.56 0.1356 D 0.0001 1 0.0001 174.24 <0.0001 AB 4×10−6 1 4×10−6 7.68 0.0169 AC 2.25×10−6 1 2.25×10−6 4.32 0.0598 AD 6.25×10−6 1 6.25×10−6 12 0.0047 BC 2.5×10−7 1 2.5×10−7 0.48 0.5016 BD 1×10−6 1 1×10−6 1.92 0.1911 CD 1×10−6 1 1×10−6 1.92 0.1911 A2 0.0003 1 0.0003 532.07 <0.0001 B2 0.0004 1 0.0004 725.4 <0.0001 C2 2.315×10−7 1 2.315×10−7 0.4444 0.5176 D2 9.259×10−7 1 9.259×10−7 1.78 0.2072 残差 6.25×10−6 12 5.208×10−7 失拟项 5.583×10−6 10 5.583×10−7 1.67 0.4311 纯误差 6.667×10−7 2 3.333×10−7 总误差 0.0514 26 R2 0.9999 调整R2 0.9997 预测R2 0.9993
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表 5 优化参数及耐压值结果前后对比
Table 5. Comparison of parameters and pressure resistance results before and after optimization
参数 优化前 优化预测 优化后 密封间隙Lg /mm 0.2 0.1 0.1 极齿宽度Lt /mm 0.6 1 1 极齿高度Lh /mm 2 1.89 1.89 齿槽宽度Ls /mm 2 3 3 密封压力值Δp /MPa 0.377 0.554 0.555
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[1] 李德才, 洪建平, 杨庆新. 干式罗茨真空泵磁流体密封的研究[J]. 真空科学与技术, 2002, 22(4): 78−81+73 (in Chinese) Li D C, Hong J P, Yang Q X. The study on the magnetic fluid sealing of dry roots pump[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 22(4): 78−81+73 [2] 朱景建. 爪型干式真空泵磁流体密封的研究[J]. 真空科学与技术学报, 2017, 37(7): 660−664 (in Chinese) Zhu J J. Sealing of claw-type dry vacuum pump with magnetic fluid[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2017, 37(7): 660−664 [3] 陈振亚, 沈兴全, 辛志杰, 等. 多级爪型干式真空泵的结构分析与优化[J]. 机床与液压, 2018, 46(23): 94−97 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2018.23.019 Chen Z Y, Shen X Q, Xin Z J, et al. Optimization and structural analysis of multi-stage claw type dry vacuum pump[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2018, 46(23): 94−97 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2018.23.019 [4] Wal Karoen van der, Ostayen Ron A J van, Lampaert Stefan G E. Ferrofluid rotary seal with replenishment system for sealing liquids[J]. Tribology International, 2020, 150: 106372 doi: 10.1016/j.triboint.2020.106372 [5] 王虎军, 张永昌, 何新智. 气体隔离式磁流体液体旋转密封的耐压能力研究[J]. 真空科学与技术学报, 2020, 40(6): 519−523 (in Chinese) doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2020.06.04 Wang H J, Zhang Y C, He X Z. Sealing liquid isolated by compressed-gas with magnetic fluid: a methodological study[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2020, 40(6): 519−523 doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2020.06.04 [6] Li X R, Li Z G, Zhu B S, et al. Optimal design of large gap magnetic fluid sealing device in a liquid environment[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2021, 540: 168472 doi: 10.1016/j.jmmm.2021.168472 [7] Liu S J, Li D C, He X Z, et al. Structure design study of vacuum magnetic fluid seal[J]. Frontiers in Materials, 2022, 9: 177−192 doi: 10.3389/fmats.2022.932697 [8] Mitamura Y, Durst A C. Miniature magnetic fluid seal working in liquid environments[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2016, 431(1): 285−288 doi: 10.1016/j.jmmm.2016.09.032 [9] 李德才. 磁性液体理论及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2003 (in Chinese) Li D C. Theory and applications of magnetic fluids[M]. Beijing: Science Press, 2003 [10] 邹继斌, 陆永平. 磁性流体密封原理与设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2000 (in Chinese) Zou J B, Lu Y P. Principles and design of magnetic fluid seals[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2000 [11] 王虎军. 用于密封液体的磁流体旋转密封的理论及实验研究[D]. 北京交通大学, 2018 (in Chinese) Wang H J, Theoretical and experimental study on magnetic fluid rotary seal for sealing liquid[D]. Beijing Jiaotong Universit, 2018 [12] 苗玉宾. 磁性液体密封水的关键问题研究[D]. 北京交通大学, 2020 (in Chinese) Miao Y B. Research on the key problems of magnetic fluid sealing water[D]. Beijing Jiaotong Universit, 2020 [13] 刘汉勇, 颜招强, 陈芳. 氟醚油基磁性液体及其密封相关性能[J]. 磁性材料及器件, 2020, 51(4): 50−54 (in Chinese) doi: 10.19594/j.cnki.09.19701.2020.04.011 Liu H Y, Yan Z Q, Chen F. The perfluoropolyether oil based ferrofluid and its sealing-related properties[J]. Journal of Magnetic Materials and Devices, 2020, 51(4): 50−54 doi: 10.19594/j.cnki.09.19701.2020.04.011 [14] 朱维兵, 吴朝军, 颜招强, 等. 离心压缩机磁流体密封设计及优化分析[J]. 润滑与密封, 2023, 48(7): 136−145 (in Chinese) Zhu W B, Wu C J, Yan Z Q, et al. Design and optimization analysis of magnetic fluid seal for centrifugal ompressor[J]. Lubrication Engineering, 2023, 48(7): 136−145 [15] 张美平. 大型旋转磁流体密封极靴设计优化[D]. 天津理工大学, 2023 (in Chinese) Zhang M P. Large rotating magnetofluid-sealed pole shoe design optimization[D]. Tianjin University of Technology, 2023 [16] 孟睿, 朱维兵, 王和顺, 等. 超低温结晶器磁流体密封设计及仿真优化分析[J]. 磁性材料及器件, 2024, 55(3): 69−76 (in Chinese) Meng R, Zhu W B, Wang H S, et al. Design and simulation optimization analysis of magnetic fluid sealing for ultralow temperature crystallizer[J]. Journal of Magnetic Materials and Devices, 2024, 55(3): 69−76 [17] 贾德文, 孙艳, 邓伟, 等. 连杆模锻工艺参数优化[J]. 锻压技术, 2024, 49(2): 1−13 (in Chinese) Jia D W, Sun Y, Deng W, et al. Optimization of die forging process parameters for connecting rod[J]. Forging & Stamping Technology, 2024, 49(2): 1−13 -
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