專利名稱：磁隔離密封型往復(fù)泵的制作方法
在工業(yè)生產(chǎn)中，往復(fù)泵被廣泛應(yīng)用于礦山、電廠、水泥廠、石化等部門，用以輸送尾礦漿，電廠灰漿，水泥料漿，原油等介質(zhì)。
往復(fù)泵的簡(jiǎn)單原理結(jié)構(gòu)如

圖1，圖中(1)為進(jìn)口閥、(2)為出口閥(3)為活塞，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可輸送礦漿。
由往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)和實(shí)際工況可知，往復(fù)泵的關(guān)鍵是活塞和介質(zhì)的隔離及活塞的密封。根據(jù)隔離的不同，目前往復(fù)泵主要有油隔離泵，隔膜泵和水沖洗泵等。
為了簡(jiǎn)化往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)，提高泵的效率和使用范圍，現(xiàn)提出一種新型的往復(fù)泵。
本發(fā)明的往復(fù)泵暫稱磁隔離密封型往復(fù)泵，簡(jiǎn)稱磁泵，其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖2。圖中，(1)是主傳動(dòng)齒輪，(2)是連桿，(3)是柱塞罐套，(4)是柱塞，(5)是電磁鐵，(6)是出口閥，(7)入口閥。在柱塞、柱塞罐間充滿磁性流體。
本發(fā)明往復(fù)泵的關(guān)健是采用磁流體做為柱塞罐內(nèi)隔離和密封材料。
一、磁流體和磁流體力學(xué)磁流體是70年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它是將導(dǎo)磁微粒均勻分布在非導(dǎo)電性液體中，形成膠體溶液，在制作上應(yīng)使微粒表面吸附有油酸等界面活性劑。產(chǎn)生斥力，并利用布郎運(yùn)動(dòng)作用，使微粒在強(qiáng)磁場(chǎng)下不會(huì)因?yàn)槟酆椭亓ψ饔枚恋恚⒘５闹睆皆?～10毫微米。
對(duì)于磁性流體的力學(xué)研究，我們可以參照普通粘性流體的運(yùn)動(dòng)方程式來(lái)討論以磁力為主的質(zhì)量力的影響。
式中μ0為真空中的導(dǎo)磁率，M為磁性流體的磁化強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，箭頭為矢量符號(hào)。
另外，在磁性流體的自由界面上，由于麥克斯韋應(yīng)力的關(guān)系，還作用著一個(gè)壓差。
PO-Pi≌(μ0/2)M2n (2)式中PO，Pi為自由界面內(nèi)外的壓力，Mn為磁化強(qiáng)度在與界面垂直方向上的分量。
磁性流體的磁化強(qiáng)度M可由下式清楚地表示出來(lái)M＝nmL(ζ-1) (3)式中n為微粒的密度，m為微粒的磁矩(m＝MsV)而L(ζ)＝Cothζ-ζ1(ζ＝μ0mH/KT) (4)其中Ms為磁性流體微粒的飽和磁化強(qiáng)度，V為微粒的體積。K為玻爾曼常數(shù)，T為溫度。
在磁場(chǎng)下，磁性流體的粘度將會(huì)增大，即是nH＝ns+△n式中ns為未受磁場(chǎng)作用時(shí)的粘度，△n為受磁場(chǎng)作用后增加的粘度。
二、磁流密封的基礎(chǔ)研究
(1).密封耐壓磁流體密封可以用圖3所示的裝置來(lái)分析，通過(guò)永久磁鐵在軸和箱體之間構(gòu)成磁回路，在其微小的間隙里注入少量的磁性流體，從而實(shí)現(xiàn)密封。
如果考慮式(1)和式(2)，密封耐壓為ΔP=P2-P1=μ0∫H1H1MdH+μ02{Mn2(2)-Mn2(1)}(5)]]>但如圖3的場(chǎng)合，在磁性流體的自由面上，磁力線大致是沿著自由界面的(Mn≈0)，而且H2》H1≈0，所以式(5)可以用式(6)來(lái)求△P≈μ0
H2(6)現(xiàn)取H1＝0，H2＝1.8×10安/米，M＝2.25×10牛頓/米，則△P≈5兆帕。
(2)磁極結(jié)構(gòu)從式(6)可以看出，密封耐壓要受磁性流體中磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響，所以影響磁場(chǎng)分布回路的構(gòu)成，特別是磁極前端的形狀設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，國(guó)外已進(jìn)行了大量的研究，在要求耐壓較高的情況下，通常采用多級(jí)密封，圖4是多級(jí)密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算，Lt/Lg＝2，Ls/Lg＝2.5～3是令人所望之值。密克勒夫等人用圖4的6級(jí)密封(α＝45°，B/Lg＝40，Lt/Lg＝3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后得出
△PN＝(0.64N+0.36)△P1⑦式中N為級(jí)數(shù)，△P1為每級(jí)的耐壓能力。
(3)速度的影響在磁流體密封中，存在著因磁極間運(yùn)動(dòng)而引起摩擦矩增大，以及由于高速下摩擦發(fā)熱引起的液溫上升的問(wèn)題，對(duì)此，國(guó)外有人已作了研究，認(rèn)為在V≥20米/秒時(shí)，有必要設(shè)冷卻狀置。對(duì)于磁性流體量供給充足的場(chǎng)合，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明了密封耐壓幾乎不受速度影響(V＜20米/秒)。但有文獻(xiàn)說(shuō)，在大磁場(chǎng)梯度下，磁性流體長(zhǎng)時(shí)間保持靜止(或低速)狀態(tài)，那么，隨其時(shí)間的增長(zhǎng)耐壓也增大。
(4).磁性流體其它特點(diǎn)(a)磁性流體在受到磁場(chǎng)的作用后，由于鐵磁物質(zhì)磁滯特性，使得磁性流體代有剩磁，這個(gè)特性將使它能自動(dòng)地附在鐵磁物質(zhì)上。
(b)磁性流體在受到磁場(chǎng)作用時(shí)，將呈膠狀。如與其它與磁流體不相溶的液體相混時(shí)，它將保持著明顯的界面。為此，有人按圖5的形式做過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明這個(gè)界面很穩(wěn)定，而且磁流體的耐壓力與(6)相符。
(c)磁性流體有潤(rùn)滑性，它的潤(rùn)滑性與其基液有關(guān)，只是粘度增加了△n，當(dāng)基液于固時(shí)，磁流體就失去了密封特性。
(5).渦流的影響用磁流體做動(dòng)密封時(shí)，由于磁場(chǎng)的存在，運(yùn)動(dòng)部分會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流會(huì)使密封部分發(fā)熱。從目前已知材料看，在磁極間速度＜20米/秒時(shí)，可以不考慮之。
為了減小渦流損失，應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部分的體積，柱塞要求做成空心，這樣，即可減少渦流損失又可減輕柱塞重量。
通過(guò)前面對(duì)磁性流體特性的分析，我認(rèn)為磁流體特別適用于往復(fù)泵的隔離和密封。如泥漿泵等，為此，本人按圖6的結(jié)構(gòu)，以電廠灰漿做介質(zhì)，以機(jī)油為液基制成磁流體密封的柱塞體，模擬泵的柱塞體，圖中，①灰漿，②罐套，③活塞，④磁流體。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，效果良好。這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然簡(jiǎn)單，但卻說(shuō)明了用磁流體做泥漿泵的隔離密封材料是可行的，它的耐壓亦很大，如在20cm長(zhǎng)的密封罐內(nèi)，制成50道磁極，每個(gè)磁極按5MPa耐壓計(jì)算。則罐內(nèi)總的密封耐壓有160兆帕之多。
三、柱塞、罐套部分結(jié)構(gòu)往復(fù)泵的柱塞和罐套是泵的關(guān)鍵部分，本發(fā)明的柱塞體如圖7a所示，圖中①是罐套，②是柱塞，柱塞直徑比罐套要小0.1～0.2mm。保證在柱塞和罐套間有一定間隙，罐套的內(nèi)徑上有N道凸起的磁極結(jié)構(gòu)，如圖7b所示，現(xiàn)取Lt＝1mm，Ls＝2mm。罐套的外徑上有n道槽，做為直流電磁鐵的下線槽，罐套的密封磁極長(zhǎng)度L，按密封耐壓的要求選，一般△PN＞3PeL1＝N(Lt+Ls)
其中△PN是各級(jí)磁極總的計(jì)算耐壓能力，Pe是實(shí)際需要的耐壓能力?！鱌M＞3Pe是由于磁流體密封在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮了低粘度(減少摩擦阻力)，低蒸氣壓(防止蒸發(fā))等特理性質(zhì)以及溫度的影響，耐壓性能可能有所下降和泵內(nèi)壓力波動(dòng)所致。
圖8罐套前面的斜面是為了貯存一些磁流體的，柱塞行程的起止點(diǎn)，都在活塞罐密封套中，下面就圖6來(lái)說(shuō)明整個(gè)柱塞工作的，圖8a是柱塞在吸程頂端。此時(shí)，斜口上貯存一些磁流體，圖8b是柱塞在沖程頂端，在柱塞由吸程向沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜口中貯存的磁流體會(huì)因?yàn)榇惺４哦皆谥?，因此，柱塞在推進(jìn)介質(zhì)時(shí)，表面上有一層磁流體保護(hù)層，使介質(zhì)不能直接附在柱塞上，而在柱塞由沖程向吸程運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞表面的磁流體會(huì)重新聚集在斜口中，由于在斜口上的磁流體受到磁場(chǎng)的作用，能緊密地吸附在斜口上，而介質(zhì)沒(méi)受到這種力，因此會(huì)被排除其中，因此，磁流體能有效地隔離介質(zhì)，防止其進(jìn)入柱塞罐中。
本發(fā)明的柱塞和罐套可有多種形式，圖9是其中一種。它的柱塞采用前端開口型，柱塞的側(cè)壁被罐體包圍，罐體兩壁間的前端開通。這種結(jié)構(gòu)，由于柱塞前端也被包圍在磁流體中。因此，能更好地防止被輸送介質(zhì)進(jìn)入柱塞密封端。它特別適用輸送介質(zhì)粘度較大的場(chǎng)合。
本發(fā)明的柱塞罐體，可以采用圖10的結(jié)構(gòu)，即罐套的內(nèi)徑是平滑的，不用凸型磁極。
本發(fā)明的柱塞和罐體，也可以采用圖11的結(jié)構(gòu)，其罐套和柱塞的前端采用磁流體做密封和隔離材料，防止介質(zhì)進(jìn)入柱塞罐，罐套的后端采用橡膠密封圈密封，圖中，1是罐套，2是柱塞，3是密封圈。
總之，本發(fā)明的柱塞和罐套可做成多種形式，其關(guān)鍵是往復(fù)泵的柱塞和罐套采用磁性流體做隔離和密封材料。
四、柱塞和柱塞罐的磁場(chǎng)柱塞和罐體之間的磁場(chǎng)，影響著磁流體密封的耐壓性能，磁場(chǎng)的產(chǎn)生可由直流電磁鐵完成，它可產(chǎn)生強(qiáng)而穩(wěn)定的磁場(chǎng)。
圖12是柱塞罐電磁鐵繞組示意圖，圖中1是繞組線圈，2是柱塞罐，3是磁流體，4是柱塞，圖中的雙點(diǎn)劃線表示磁路。×·表示電流方向。
五、磁隔離密封型往復(fù)泵的特點(diǎn)本發(fā)明的往復(fù)泵可以輸送多種介質(zhì)，如礦山尾礦，電廠灰漿，原油，水泥漿料等。可廣泛應(yīng)用在石化，礦山、水泥廠等。由于本泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，柱塞密封性能好，亦可做為計(jì)量泵使用。
本發(fā)明的往復(fù)泵與現(xiàn)行的往復(fù)泵如油隔離泥漿泵，隔膜泵，水沖洗柱塞泵相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，沖程高，體積小，運(yùn)行費(fèi)用低、效率高和輸送介質(zhì)品種較多等特點(diǎn)。
本泵的另一特點(diǎn)是柱塞和罐套，除磁流體失效外，一般不用檢修，柱塞和罐套的間隙量范圍大(0.1～1mm)。不存在磨損間隙過(guò)大問(wèn)題，柱塞的潤(rùn)滑由磁流體自身完成，磁流體或磁流體的基液應(yīng)經(jīng)常補(bǔ)充。
磁流體的連續(xù)動(dòng)密封時(shí)間，國(guó)外已報(bào)道過(guò)有二年以上的事例。
本往復(fù)泵所選用的磁流體的基液，與所輸送的介質(zhì)有關(guān)，主要原則是要求基液不與所輸送的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化或相溶。
權(quán)利要求
1.一種能輸送多種介質(zhì)的往復(fù)泵，如輸送尾礦漿，原油，電廠灰漿等料漿，其特征是泵的柱塞和柱塞罐之間用磁性流體做隔離和密封材料，本泵的柱塞和柱塞罐可做成多種形式A、柱塞做成空心結(jié)構(gòu)，柱塞罐的內(nèi)壁有N道磁極，外壁有n道槽。B、柱塞罐內(nèi)壁平滑。C、柱塞罐內(nèi)有密封圈。D、柱塞前端開口，柱塞的側(cè)壁被罐體包圍，罐體兩壁間的前端開通。
全文摘要
本發(fā)明是一種能輸送多種介質(zhì)的泵。如輸送尾礦漿，原油、水泥料漿和電廠灰漿等料漿，本泵也可做為計(jì)量泵使用。本泵可廣泛應(yīng)用于礦山、石化、冶金、電廠等部門。
文檔編號(hào)F16J15/56GK1035348SQ88104170
公開日1989年9月6日 申請(qǐng)日期1988年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月5日
發(fā)明者劉平, 劉水 申請(qǐng)人:劉平