本技术属于机械密封
技术领域：
：，涉及剖分式机械密封和磁性液体密封技术，特别适合用作熔盐堆核主泵壳体与剖分式静环、剖分式动环与转轴之间的辅助静密封。
背景技术：
：：本世纪以来，由于世界范围内的能源和资源紧缺程度日趋严重，温室气体效应等相关环境问题日益突出，因此寻求可持续、安全稳定且环境友好的能源受到了各国关注。2002年第四代核能国际论坛(gif)政策组发布了技术路线图，提出了几乎为所有核能国家所接受的6种堆型，其中3种分别是钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆，另3种是超高温堆、超临界水堆和熔盐堆。其中，熔盐堆因效率高、废弃物排放少、在堆芯区域压力低等优点备受世界各国关注。按照现有技术，熔盐泵借鉴轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆的第3级密封，即采用润滑油作阻塞流体的双端面机械密封或采用气体作阻塞流体的干气密封来实现密封。然而，机械密封动环、静环之间的相对转动产生的端面摩擦磨损，以及辅助密封o型圈的老化，都会导致机械密封失效；这种情况下，就需要更换或拆卸维修机械密封。由于现行使用的机械密封均为整体式的，在更换易损件时必须拆卸轴端的配合件，工程量大、耗时长、费用高，因此，自90年代就有人开始研究剖分式机械密封，期待以此取而代之。然而，剖分式机械密封的实现存在两大技术难点：一是剖分环联接界面的密封，二是剖分式辅助密封圈的设计。剖分式机械密封的剖分环联接界面密封问题已通过另一专利力图解决；本发明主要探讨剖分式辅助密封圈的设计问题。从现有公知技术可知，剖分式机械密封的辅助密封圈都采用剖分式o形圈，剖分式o形圈的剖分面联接接头有多种形式，一种是搭接结构，将密封圈切断成径向切面(bessette,r.f.,simmons,l.k.,proulx,g.s.andblow,t.s..fullysplitcartridgemechanicalsealassembly:us,5662340[p].1996-4-8.)和斜切面(escuej.w..rotatableshaftsealingassemblywithflowablematerialspacermeans:us,4575098[p].1986-03-11.)，用胶黏在一起(aziberth.v.,ruanb.,wus.f.,clarkm.s..splitmechanicalfacesealwithnegativepressurecontrolsystem:us,6068264[p].2000–05-30.)，安装便捷，但这种联接形式的剖分式o形圈存在母材与黏胶的力学性能不同、受压变形不同，引发与密封环、壳体接触不均，或温度变化改变黏胶性质致使其失效、可靠性差等问题；再一种是插接结构，即端口一端是凹坑，另一端是凸台，如球形头插接(satot.,okuboh..splitmechancialseal:us,2010/0264597a1[p].2010-10-21；武鹏，付国涛，叶素丹，吴大转.剖分式机械密封及装有剖分式机械密封的双螺杆泵:中国，103388580a[p].2013-11-13.)、锥形头插接(杨启明，周岩，马兴昌，尤文卿.剖分式机械密封：中国，2742241[p].2005-11-23.)，带芯圆锥头插接，断口多切面凹凸相对插接，这种联接形式的剖分式o形圈一方面制造工艺复杂，另一方面在插接端口不涂胶时，会因凸台截面尺寸小易引起断裂失效以及配合端口间隙增大而产生泄漏；第三种是扣式结构(杨启明，张圆，杨旭文，宗燕.具有扣形结构的剖分式机械密封圈：中国，201162822[p].2008-12-10.)，多重齿槽咬合以及在扣齿和扣槽处涂敷黏胶均增加了粘结强度，但这种联接形式的剖分式o形圈因齿槽的配合截面尺寸小易引起黏胶面撕裂，同时多重齿槽设计增大了制造困难。客观上，熔盐堆核主泵的较低的密封介质压力和不高的温度等工况参数，为磁性液体密封技术的应用提供了良好的条件基础；另一方面，磁性液体密封结构简单、寿命长、零泄漏、可靠性好、无污染、使用方便，为熔盐堆核主泵的主轴密封提供了新途径。但是，磁性液体密封的密封能力对密封间隙的大小及其稳定性高度敏感。现行熔盐泵为立式，上端为端面轴承固定，下端为导向滑动轴承支承。对于大直径泵轴，轴承单边间隙达到0.3mm，运转时叶轮和泵轴的不平衡重以及叶轮中流体质量的不平衡，都会导致转轴产生较大的径向跳动，难以保证磁性液体密封使用要求的泵轴与极靴之间的径向间隙大小及其稳定性，这也导致磁性液体密封技术至今未能应用于钠冷快堆核主泵上。技术实现要素：针对上述现有技术不足，本专利旨在提供一种剖分式机械密封用磁性液体辅助密封圈，用于动环与转轴之间以及静环与静环座之间，替代传统o形橡胶密封圈，阻止熔盐泵腔内介质沿轴向的泄漏。为保证剖分式机械密封的剖分面安装精准，安装方法以及安装辅助设备可参考中国专利cn103968077a。本专利的技术解决方案是：一种剖分式机械密封用磁性液体辅助密封圈，由转轴1、第一极靴7、第一永磁体8、动环10、静环11、第二极靴12、第二永磁体13、静环座15组成，其特征是：组成圆环形第一永磁体8的两个永磁体半环分别嵌套在组成圆环形第一极靴7的两个极靴半环外侧环槽内构成第一磁力发生机构，第一磁力发生机构由两个组合半环组成，第一磁力发生机构的两个组合半环分别与组合成动环10的两个半环内侧环槽配合嵌套在动环内部；组成圆环形第二永磁体13的两个永磁体半环分别嵌套在组成圆环形第二极靴12的两个极靴半环外侧环槽内构成第二磁力发生机构，第二磁力发生机构由两个组合半环组成，第二磁力发生机构的两个组合半环分别与组合成静环11的两个半环外侧环槽配合嵌套在静环外侧环面；所述第一极靴7的内径表面沿轴向分布有两组间隔排列的极齿和齿槽，第二极靴12的外径表面沿轴向分布有两组间隔排列的极齿和齿槽，每组有轴向排列的极齿4～6个，齿宽1～3mm，槽宽1～3mm；第一永磁体8和第二永磁体13是沿轴向方向充磁的，永磁体磁力、极靴上极齿的具体数目和排列规律根据实际应用条件设计；所述第一极靴8的极齿与转轴1外表面之间存在间隙、第二极靴12的极齿与静环座15内表面之间存在间隙，间隙处注有磁性液体，在磁力作用下磁性液体吸附在极齿周围填充满密封间隙形成一圈圈磁性液体密封环；传动套3通过键连接并以内孔面与转轴1定位，动环座6与传动套3之间在周向和径向均配合定位；动环座6与动环10周向采用螺钉夹紧固定实现定位，径向采用动环10外圆柱面与动环座6配合定位；于是，动环10相对于转轴1周向固定，并且径向间隙恒定，第一极靴7的极齿与转轴1外表面之间的径向密封间隙恒定；静环11与静环座15周向采用螺钉夹紧固定实现定位，径向采用静环11的外圆柱面与静环座15配合定位，第二极靴12的极齿与静环座15内表面之间的径向密封间隙恒定。所述第一极靴8的极齿与转轴1外表面之间、第二极靴12的极齿与静环座15内表面之间的密封间隙为0.05～0.2mm。所述第一磁力发生机构的两个组合半环通过搭接形式组合，第一永磁体8的两个永磁体半环的对接面与第一极靴7的两个极靴半环的对接面在周向错开；第二磁力发生机构的两个组合半环通过搭接形式组合，第二永磁体13的两个永磁体半环的对接面与第二极靴12的两个极靴半环的对接面在周向错开。这样可以保证两个极靴半环的对接面处的磁场强度，保证两个极靴半环的对接面处在周向形成完整可靠的磁流体密封。所述动环座6、动环10以及第一极靴7上有相互联通的、用于向第一极靴8的极齿与转轴1外表面之间的间隙补充磁性液体的第一注液孔9，静环座15上有用于向第二极靴12的极齿与静环座15内表面之间的间隙补充磁性液体的第二注液孔14，非补充磁性液体时第一注液孔9和第二注液孔14均用螺钉堵住。沿着轴向方向，在所述第一永磁体8的两侧各有一组间隔排列的极齿和齿槽位于第一极靴7内径表面上；在所述第二永磁体13的两侧各有一组间隔排列的极齿和齿槽位于第二极靴12外径表面上。所述动环座6和静环座15上分别设置有四个螺纹孔，组成动环10的两个半环和组成静环11的两个半环凸缘上分别加工有与剖分面平行的两个平台16。安装时，先把已组装有第一磁力发生机构的动环10和组装有第二磁力发生机构的静环11分别推入动环座6和静环座15的孔中，并使动环座6和静环座15上的每个螺纹孔分别对准动环10和静环11凸缘上的平台16，在保证两个半环端面保持为完整的圆环平面并与主轴轴线垂直(方法参照中国专利cn103968077a)后用四个螺钉分别拧入动环座6和静环座15上的螺纹孔中压紧组成动环10的两个半环和组成静环11的两个半环，四个螺钉拧紧力矩相等，使动环剖分面和静环剖封面保持所需要的压力，同时也保证了动环座6与动环10、静环座15与静环11的周向固定和轴向固定。所述的磁性流体辅助密封的剖分式机械密封共有三个泄漏通道：动环10与转轴1之间、静环11与静环座15之间、动环10与静环11密封端面之间，前两个泄漏通道属于静密封，用磁性液体密封技术密封，磁性液体在磁力机构产生的磁力作用下形成一圈圈的液体“o形密封圈”；动环10与静环11端面之间属于动密封，通过密封腔内介质压力和动环座6左端的弹簧力给动环10与静环11密封面施加力使之紧密贴合从而实现密封。磁性液体式辅助密封圈磁性液体密封原理：将一组磁力发生机构轴对称布置于动环或静环上，并充填磁性液体于磁力发生机构和转轴、以及壳体之间，在磁场磁力的作用下，磁性液体由于自身的液态流动性以及磁性作用，均匀分布于其中，并依靠恒定的磁力作用稳定存在，形成阻碍被密封介质流经磁力发生机构和转轴，以及壳体之间的能力。磁性液体是铁磁性物质如(fe3o4、cofe2o4、r-fe2o3)等颗粒表面吸附上一层界面活性剂，这种活性剂可使其均匀且稳定地分散在基液中，形成一种含有磁性固体微粒的胶体溶液；磁力发生机构主要包括永磁体和极靴，极靴上开有极齿和齿槽，磁力发生机构与密封表面具有一定的磁场间隙，磁性液体密封能力随密封间隙的增大而减小，密封间隙在0.05～0.2mm时效果较好(顾建明,许永兴,陆明琦,芮菁.磁流体密封间隙对密封性能的影响[j].上海交通大学学报,1999(03):136-138.)。当磁性液体注入磁场间隙，在磁场间隙周围磁力的作用下，由于磁性液体本身的液态流动性以及磁性作用，磁场间隙会充满磁性液体，磁场间隙的环形设计会让磁性液体在磁场间隙中形成一种特殊的磁性液体“o形圈”，由于磁性液体本身特性以及磁力发生机构的结构设计，该磁性液体“o形圈”可以稳定存在，对密封介质起到良好的密封作用。实验证明，为了提高整体密封效果和承压能力，可以在磁性液体密封结构中构造多个磁性回路，即多级磁性液体密封结构，密封时就会存在压差作用，当压力作用于磁性液体“o形圈”上时磁性液体会略微偏移，由于磁性流体对外接磁场的响应，该磁性液体“o形圈”具有保持和恢复原始状态的特性，由此产生了对抗压差的力，这就是磁性液体式辅助密封圈的密封作用原理。在环形极靴上，极齿与齿槽相间排布，可简化模型计算单极密封能承受的密封压差，先计算出密封间隙磁压降fg，再根据齿下磁场最强槽下磁场最弱则任一级的极限密封压差为δpmax＝ms(bmax-bmin)，n级密封的极限密封压差的计算值δp＝nms(bmax-bmin)。可推出磁性液体密封耐压公式：式中：n——极齿的齿数；ms——饱和磁化强度；δbi——极齿与轴面间的密封间隙中单级极齿下的最大和最小磁感应强度间的差值；μ0——起始磁导率；g——密封间隙；β——倾角；s——槽宽。由此公式可以得出磁性液体的密封压力与永磁体的性能、极靴的齿数n、饱和磁化强度ms及极齿与主轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi密切相关。可以分析，当饱和磁化强度ms和极齿与主轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi保持不变时，极靴的齿数n越多，密封件的耐压能力越强；当极靴的齿数n和极齿与主轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi保持不变时，饱和磁化强度ms越大，密封件的耐压能力越强；当极靴的齿数n和饱和磁化强度ms保持不变时，极齿与主轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi越大，密封件的耐压能力越强。本专利具有的优点和积极效果是：(1)便捷安装与拆卸。只要将磁性液体注入密封间隙，即完成了密封安装。剖分式机械密封使用过程中，需要更换剖分环时，只要将带有磁力发生机构的动环或静环取下，磁性密封液体便随磁力发生机构离开转轴和壳体，即完成了密封拆卸。(2)不受转轴径向跳动的影响。相比于传统的转轴与壳体之间的磁性液体密封，本专利有效避免了因转轴偏心跳动产生的径向密封间隙过大而引起的磁性液体密封失效。实际上，动环与转轴之间的磁性液体辅助密封圈是随动环和转轴一起转动的，三者之间在径向上保持静止，而静环、壳体及其之间的磁性液体辅助密封圈，在径向上也是相对静止的，这有利于磁性液体辅助密封圈的密封；转轴偏心跳动产生的径向位移由动、静环的接触端面构成的端面密封承担。(3)出色的动静环追随性。对于动环背面设置弹簧的剖分式机械密封，由于处于动环与转轴之间或静环与静环座之间的磁性液体辅助密封圈，在动环贴近或远离静环时，其与转轴表面之间的摩擦力即分子引力几乎为零，不影响动环对静环的追随，提高动静环端面密封的可靠性。(4)零泄漏。用磁性液体式辅助密封圈取代了剖分式机械密封动环与转轴之间和静环与静环座之间通常采用的剖分式o形圈密封，解决了o形圈自身剖分面间隙以及o形圈与接触面之间存在的微通道泄漏问题，实现了动环与转轴、静环与壳体之间的被密封介质零泄漏。(5)长寿命。磁性液体是一种惰性、稳定、低蒸气压的含磁性固体颗粒胶体溶液，具有良好的物性，能长期贮存于动环与主轴之间，以及静环与壳体之间，承担密封任务。(6)良好的自愈合能力。磁流体密封件在正常情况下产生瞬时过压击穿或发生偏移变形时，当压力降低到密封可以承受的程度，由于磁性流体对磁场的响应，极齿下的磁性耐压液膜能够自我“愈合”复位，具有良好的修复能力。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利进一步说明。图1是剖分式机械密封整体结构剖面图；图2是第一磁力发生机构立体图；图3是第一磁力发生机构的一个组合半环立体图；图4是第二磁力发生机构立体图；图5是第二磁力发生机构的一个组合半环立体图；图6是第一磁力发生机构磁力循环线示意图；图7是第二磁力发生机构磁力循环线示意图；图8是组成动环的其中一个剖分环(半环)的剖分面图；图9是动环两个剖分环组合图；图10是组成静环的其中一个剖分环(半环)的剖分面图；图11是静环两个剖分环组合图；图12是动、静环凸缘上的平台位置示意图；图13是传动套3右视图；图14是一个极齿磁场分割模型；图中：1—转轴，2—键，3—传动套，4—弹簧座，5—弹簧，6—动环座，7—第一极靴(两个极靴半环组成)，8—第一永磁体(两个永磁体半环组成)，9—第一注液孔，10—动环(两个半环组成)，11—静环(两个半环组成)，12—第二极靴(两个极靴半环组成)，13—第二永磁体(两个永磁体半环组成)，14—第二注液孔，15—静环座，16—平台，17—凸棱具体实施方式为了能够更清楚的描述本专利的上述特征和优点，下面结合附图对本专利的具体实施方式进行进一步的说明。在转轴1上安装此剖分式机械密封用磁性液体辅助密封圈，其步骤如下：步骤1、先将组成圆环形第一永磁体8的两个永磁体半环分别通过过盈配合嵌套在组成圆环形第一极靴7的两个极靴半环外侧环槽内构成第一磁力发生机构，第一磁力发生机构由两个组合半环组成，再将第一磁力发生机构的两个组合半环分别与组合成动环10的两个半环内侧环槽过盈配合嵌套在动环内侧环面，此时要注意将联通动环座6和第一极靴7的第一注液孔9通道对准，如此便组装好了第一道动环用磁性液体辅助密封圈；步骤2、先将组成圆环形第二永磁体13的两个永磁体半环分别通过过盈配合嵌套在组成圆环形第二极靴12的两个极靴半环外侧环槽内构成第二磁力发生机构，第二磁力发生机构由两个组合半环组成，再将第二磁力发生机构的两个组合半环分别与组合成静环11的两个半环外侧环槽过盈配合嵌套在静环外侧环面，如此便组装好了第二道静环用磁性液体辅助密封圈；步骤3、先将键2安装在转轴1的键槽内，然后将传动套3套到轴1上，传动套3底部的键槽与键2配合，传动套3的左端内孔面与转轴1外周面配合定位。接着将装有一周等距分布的弹簧5的弹簧座4安装到传动套3内部，再把动环座6安装到传动套3内部。动环座6与传动套3之间通过动环座6左侧外圆柱面上轴向延伸的凹槽与传动套3右侧内孔壁上的凸棱17配合实现周向定位，同时动环座6与传动套3的径向采用动环座6左侧外圆柱面与传动套3的右侧内孔配合定位。弹簧5左端顶紧弹簧座4并使弹簧座4与传动套3内底紧密贴合，弹簧5右端顶紧动环座6，最后将静环座15套到转轴1上(传动套3、弹簧座4、动环座6和静环座15与转轴1均为间隙配合)；步骤4、先将装配好的组成动环10模块的两个半环和组成静环11模块的两个半环包在主轴1上，分别置于动环座6和静环座15的孔中，并使动环座6和静环座15上的每个螺纹孔分别对准动环10和静环11凸缘上的平台16，同时还要保证动环座6与动环10上连通的第一注液孔9对准，在保证两个半环端面保持为完整的圆环平面并与主轴轴线垂直(方法参照中国专利cn103968077a)后用四个螺钉分别拧入动环座6和静环座15上的螺纹孔中压紧组成动环10的两个半环和组成静环11的两个半环，四个螺钉拧紧力矩相等，使动环剖分面和静环剖封面保持所需要的压力，同时也保证了动环座6与动环10、静环座15与静环11的周向固定和轴向固定，动环10左侧外圆柱面与动环座的内孔配合在径向定位；静环11的右侧外圆柱面与静环座15内孔配合定位。然后推动静环座15使静环11与动环10的密封端面贴合；步骤5、通过第一注液孔9和第二注液孔14注入适量磁性液体，加注完成后封堵注液孔。安装完成后如图1所示：组成两道磁性液体辅助密封圈，转轴1与第一极靴7之间间隙充满磁性液体实现动环10与转轴1之间的静密封，静环座15与第二极靴12之间间隙充满磁性液体实现静环11与静环座15之间的静密封；图2和图4分别表示第一磁力发生机构和第二磁力发生机构；图6、7表示出第一磁力发生机构和第二磁力发生机构磁力循环线示意图；图9和图11分别表示出安装此类磁性液体式辅助密封圈相应的动环和静环结构示意图。下面选取某一型剖分式机械密封辅助密封圈，计算其承压能力。选取永磁体为钕铁硼g45eh，剩磁bf/t为1.28～1.36，内禀矫顽力2387hcj/ka·m-1，矫顽力971hcb/ka·m-1，最大磁能积318～358(bh)max/ka·m-3；磁性液体型号mf01(北京交通大学制备，李德才.磁性液体密封理论及应用[m].北京：科学出版社，2010.)，基液为机油，饱和磁化强度ms为450gs，密度1.23(kg/m3)×103，黏度20(25℃)/cp，起始磁导率μ0为0.8m/h；假设极靴的极齿齿宽a为1mm，极齿与轴面之间的密封间隙g为0.1mm，边缘磁通范围取m＝2g。将极靴简化，用图14表示一个极齿磁场分割模型来计算磁压降，根据图形将磁场划分为5种磁通管，共有一个矩形磁通管ⅰ，四个1/4圆柱体ⅱ，四个1/4空心圆柱体ⅲ，四个1/8球体ⅳ，四个1/8空心球体ⅴ，分别计算各个磁通管的磁压降fg。矩形磁通管ⅰ：1/4圆柱体ⅱ：1/4空心圆柱体ⅲ：1/8球体ⅳ：1/8空心球体ⅴ：总的磁压降：fg＝fg1+4×(fg2+fg3+fg4+fg5)＝0.0121齿下磁场最强槽下磁场最弱则任一级的极限密封压差为δpmax＝ms(bmax-bmin)＝31113pa根据本方案磁靴结构一个永磁体左右各有四个极齿，共有八级极齿，则：δp＝nms(bmax-bmin)＝0.25mpa由熔盐堆核主泵用机械密封泵腔工作压力0.05mpa，可知此型剖分式机械密封用磁性液体辅助密封圈的密封性能足够满足工况要求。当前第1页12当前第1页12