船舶艉轴数控磁流体智能密封装置.pdf

船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，主体结构是在艉轴密封处设置填料函，函一端是压盖，另一端由法兰盘与艉柱连接；函中间并列装置两层PTFE圆环盒套，每层盒套内莰入nx12块径向对冲磁扇形永磁体；在嵌磁铁盒套与轴管之间设有磁流体循环腔；在永磁体盒套两侧各分别安装1个不锈钢圆环，径向各开有8个磁流体注入或流出孔；在两个不锈钢圆环外侧，各分别装置1个不锈钢卡环，将AH型金属骨架四氟密封圈卡持在艉轴管上；设置MCU，根据各压力、温度传感器信息，控制磁流体输入泵和电磁溢流阀，使磁流体循环腔内和舰、潜艇吃水深度随机等压，通过带压冷热磁流体循环实现对艉轴管密封、润滑、降温三重功能；在停机时设有电磁密封闸加强艉轴管静密封。

权利要求书
1.  船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，其特征在于：在艉轴密封处设置填 料函，函一端设压盖，另一端由法兰盘与艉柱连接；函中间并列装置两层PTFE 圆环盒套，每层盒套内崁入nx12块径向对冲磁扇形永磁体；在嵌磁铁盒套与 艉轴管之间设有磁流体循环腔；在永磁体盒套两侧各分别安装1个不锈钢圆环， 径向各开有8个磁流体注入或流出孔；在两个不锈钢圆环外侧，各分别装置1 个不锈钢卡环，将AH型金属骨架四氟密封圈卡持在艉轴管上；设置MCU，根据 各压力、温度传感器信息，控制磁流体输入泵和电磁溢流阀，使磁流体循环腔 内和船舶吃水深度随机等压，通过带压冷热磁流体循环实现对艉轴管密封、润 滑、降温三重功能；在停机时设有电磁密封闸加强艉轴管静密封。

2.  船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，其特征在于：PTFE圆环盒套内嵌 入nx12块径向对冲磁扇形永磁体，艉轴管直径≤500mm取n＝1；艉轴管直径 在500～800mm之间取n＝2；艉轴管直径＞800mm取n＝3；磁流体循环腔内可分别 形成有着36、72、108个磁回路的强磁场区，将磁流体牢牢吸附和控制在循环 腔内进行循环，对外挡住海水，对内挡住滑油。

3.  船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，其特征在于：磁流体循环腔由填料 函外壁、2个不锈钢卡环、2个AH型金属骨架四氟密封圈和艉轴管围成；当艉 轴管高速旋转时，靠近轴管的磁流体层温度升高，密度变小，磁性减弱甚至消 失，新注入的带压常温磁流体自动替换过热磁流体、并将其挤出密封函外，如 此循环往复，同时起到密封、润滑、降温三重作用；在磁流体循环腔内、外及 数控压力泵、电磁溢流阀等处设多个压力、温度传感器，由MCU自动控制，使 密封腔内、外随机等压。

说明书船舶艉轴数控磁流体智能密封装置
一、技术领域：
本发明涉及各类螺旋桨驱动的大中型船舶(包括航母和各类大中型潜、舰艇) 艉轴密封原理、密封方法、密封结构的改变和创新，淘汰各种各样落后的接触式 密封方式，实现艉轴在密封区的无泄漏、无磨损、无噪声、无热辐射并且消振性 良好的智能密封。
关于磁流体智能密封技术，本发明人邓海波历经10余年研究，曾获得ZL  200820065400.0实用新型专利；ZL 201420073652.3实用新型专利；ZL  201410057806.4发明专利已实审公告，该专利产品对油田抽油机光杆往复运动轴 动密封达3～5MPa(相当于承载水下300～500米的压力)，且已长达1年多无任何 泄漏，目前已在克拉玛依、吉林等油田推广应用，效果良好。实践证明，本发明 的核心技术——众多磁回路磁流体往复轴和旋转轴动密封技术、新型脂基磁流体 复合填料技术，是实用有效技术，本发明就是对原专利技术的深度开发和拓展。
二、背景技术：
1、现役同类产品种类
由螺旋桨驱动的各类船舶艉轴密封装置，经过长期不断改进和完善，现在已 发展成为一个集水润滑密封、盘根密封、油润滑密封、鼓气密封、机械端面密封 以及各种复合式密封在内的品种繁多的家族。在世界造船业比较著名的有：日本 神户制钢所开发的CX、DX紧凑型密封装置；英国深海密封公司开发的组合式端 面密封装置；德国Blohm+VossAG公司开发的辛泼克莱斯(SIMPLEX SC2000) 密封装置；日本海洋技术株式会社开发的“气舷台”(AIRGUARD 3AS)密封装 置；在国内，目前民用方面普遍采用的是CYH、CYQ型艉轴油润滑密封装置，在 军用领域主要采用油润滑密封+鼓气密封+机械端面密封的复合式密封装置。但无 论是那款密封装置，油润滑密封都是密封结构的主体，国家主管部门于2010年颁 布了有关标准GB/T25017-2010。
2、现役同类产品密封原理
(1)、现役艉轴密封装置，无论是国际品牌还是国内品牌，都采用多道带弹 簧骨架的丁腈橡胶、四氟橡胶密封圈或盘根“抱紧”轴衬管来实现密封，通常称 之为接触式密封；
(2)、防泥沙和海藻侵入，采用压紧橡胶环“抱紧”轴衬管来实现密封；
(3)、一般都采用循环油或循环水来实现密封部位的润滑和降温。
3、现役标准产品的密封结构
图3为GB/T25017-2010所示吃水20米深以上船舶艉轴后密封装置：橡胶圈 24被压盖23压紧，“抱死”艉轴1的衬套2，阻止海水和泥沙侵入；带弹簧骨架 的“J”形橡胶圈26、28、31为防止海水侵入舱内和轴承滑油外泄的三道密封，25、 27、29为橡胶密封圈卡环，油从33进入油循环腔30为各道密封圈润滑并降温。
GB/T25017-2010规定船舶艉轴前密封装置与上述后密封装置类似，无需赘 述。
4、存在问题
(1)、泄漏是治不住的顽症。无论是国际大品牌还是国内名牌厂家产品，无 论是油润滑密封、水润滑密封、鼓气密封、盘根密封、端面密封还是各种复合式 密封，无一例外都存在泄漏问题。GB/T25017-2010规定的吃水20米深以上船舶 艉轴密封的泄漏量标准是：

实际上，一般船舶艉轴密封泄漏量都会超过这个标准，尤其是在该密封装置 使用的中后期，泄漏量会大大超标。
(2)、污染环境。由于现行各种密封装置都有或多或少的泄漏产生，一方面 是循环油和润滑油直接漏入大海；另一方面是海水漏进机舱，油、水分离不彻底 被排入大海，两方面都形成海面漂浮油污染。在保护海洋环境要求越来越严格的 今天，这种污染是不能容忍的。
(3)、存在安全隐患。由于各种橡胶密封圈和盘根使用寿命一般都在8000小 时以下，也就是说满负荷工作寿命不足1年，在该类密封装置使用中后期，密封 随时可能失效，导致艉轴泄漏失控而喷水，排放不及就可能淹舱甚至沉船。
(4)、动力损失大。根据哈尔滨工程大学杨恩霞教授等人的研究，现役耐磨 材料抱紧转轴的接触式密封装置，一般要损失掉宝贵的主机功率的10～40％，显然 这也是能源的极大浪费。
(5)、振动大、噪声大。现役耐磨材料抱紧转轴的接触式密封装置，由于需 要“抱紧”甚至“抱死”(端面密封则要“顶紧”甚至“顶死”)转轴，必然加剧 艏轴、中间轴和艉轴之间运动的不协调性，因而会加大轴向窜动和径向跳动，噪 声亦会随之增大。
(6)、油水气循环、回收、分离、排放系统复杂，维修困难。以65万吨级散 装货船为例，艉轴密封装置包括：艉管滑油柜单元、重力油柜单元、储油柜单元、 空气控制单元、滑油及海水收储分离排放单元等等，管道、阀门、油泵、水泵、 电机及电气控制系统复杂，日常操作不简便。
(7)、不能随机调整密封压力。由于接触式密封装置一般都是通过弹簧骨架 或弹性补偿机构来补偿密封唇口(或密封贴合面)对轴的抱紧力，而这种机械弹 力在设备安装时就是一个定值，它不能随吃水深浅、转速大小、温度高低而变化， 这种以“不变应万变”的密封模式是现役艉轴密封装置的通病，也是摩阻大、功 耗大、易失效、易泄漏的根本原因。
三、发明内容：
1、发明目的
为了适应船舶现代化、大型化、高速化发展，克服现行各种接触式艉轴密封 装置摩阻大、功耗大、泄漏量大、能耗高、安全环保性差、安装维修复杂等诸多 缺陷，以一种在艉轴密封区内无泄漏、无磨损、无噪声、无热辐射、消振性良好 的智能密封取而代之。
2、本发明具体方案
船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，其特征在于：在艉轴密封处设置填料函， 函一端设压盖，另一端由法兰盘与艉柱连接；函中间并列装置两层PTFE圆环盒套， 每层盒套内崁入nx12块径向对冲磁扇形永磁体；在嵌磁铁盒套与艉轴管之间设 有磁流体循环腔；在永磁体盒套两侧各分别安装1个不锈钢圆环，径向各开有8 个磁流体注入或流出孔；在两个不锈钢圆环外侧，各分别装置1个不锈钢卡环， 将AH型金属骨架四氟密封圈卡持在艉轴管上；设置MCU，根据各压力、温度传感 器信息，控制磁流体输入泵和电磁溢流阀，使磁流体循环腔内和船舶吃水深度随 机等压，通过带压冷热磁流体循环实现对艉轴管密封、润滑、降温三重功能；在 停机时设有电磁密封闸加强艉轴管静密封。
船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，其特征在于：PTFE圆环盒套内嵌入nx 12块径向对冲磁扇形永磁体，艉轴管直径≤500mm取n＝1；艉轴管直径在500～ 800mm之间取n＝2；艉轴管直径＞800mm取n＝3；磁流体循环腔内可分别形成有着 36、72、108个磁回路的强磁场区，将磁流体牢牢吸附和控制在循环腔内进行循环， 对外挡住海水，对内挡住滑油。
船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，其特征在于：磁流体循环腔由填料函外 壁、2个不锈钢卡环、2个AH型金属骨架四氟密封圈和艉轴管围成；当艉轴管高 速旋转时，靠近轴管的磁流体层温度升高，密度变小，磁性减弱甚至消失，带压 泵入的常温磁流体将置换之、并将其挤出填料函外，如此循环往复，同时起到密 封、润滑、降温三重作用；在磁流体循环腔内、外及数控压力泵、电磁溢流阀等 处设多个压力、温度传感器，由MCU自动控制，使密封腔内、外随机等压。
3、本发明理论原理
根据现代量子力学理论，物质由于电子自旋磁矩、轨道磁矩和原子核磁矩的 微观交互作用产生磁场；磁场是物质存在的一种客观形式；磁场具有能量和动量； 任何磁性物体总有N极和S极，两极不能独立存在，其实质是内部磁畴的定向有 序排列。美国麻省理工学院R.C.Ohandley教授经长期实验研究证明，单磁畴或 多磁畴软磁磁性液体(粒度在10-7～10-9m)，在强磁场作用下磁化，可在三维空 间形成极性定向有序排列，并且其数学描述遵从Maxwell、Biot-Savart、 Bernoulli等基本方程。据此，确立了通过带压磁流体循环密封艉轴管的基本理 论架构。
4、本发明技术创新点
(1)、众多磁回路磁流体密封技术
见之于机械设计手册被普遍认同的旋转轴磁流体密封装置结构如图3所示， 设置永磁体环38，环两端再设极靴37、39，依靠极靴和钢轴传递的磁回路35， 在极靴37、39与轴之间形成34、36两道“0”形磁流体密封圈，对旋转轴1起 密封作用。特别强调的是：A、这种结构形式产生的磁回路35，只能形成1个磁 回路，通常称之为单一磁回路；B、这种结构形式还依赖钢轴对磁回路的传递， 如果有不锈钢轴套管或铜轴套管包裹轴，则这种密封方式不可用。
与单一磁回路不同，本发明采用众多磁回路密封技术。如图4所示，在填料 函17内装入PTFE盒套10，盒套中嵌入径向对冲磁扇形永磁体9共12块，嵌装 时使之异极相邻，在相邻两块永磁体之间形成1个磁回路，在轴的1个径向面可 形成12个磁回路，如图5所示；本发明在函中设置2层嵌永磁体PTFE盒套，在 径向上共形成24个磁回路的同时，在轴向上又形成12个磁回路，如图6所示； 由径向和轴向交织的36个磁回路形成的强磁场区，吸附控制磁流体形成牢固的 “0”形磁流体密封圈13，密封住轴管2。由于众多磁回路是在嵌入永磁体之间 形成，它不依赖于艉轴管导磁而独立存在，因此，当轴管高速旋转时，AH型密封 圈6、15唇口张开，众多磁回路形成的强大磁场亦能吸附控制住磁流体不外泄。
图7是PTFE盒套嵌入6块永磁体后，吸附控制磁流体形成“0”形磁流体密 封圈的实验室照片。
(2)、带压循环流动磁流体对旋转轴密封、润滑、降温技术
现役船舶艉轴密封装置的密封靠各种形式的橡胶圈；润滑靠循环油；降温靠 循环油或循环水。
本发明采用带压磁流体循环技术，同时实现密封、润滑、降温三种功能。如 图8所示，注入的带压磁流体W，受永磁体9和9”吸附控制，填充在2个AH 型密封圈封闭的循环腔内，实现对轴管2的密封；当轴管高速旋转时，磁流体会 出现A、B、C温度、密度、磁性梯度变化区；在紧靠轴管的A区，磁流体温度 升高，密度下降，磁性减弱甚至消失，B区次之；新注入的带压常温磁流体首先 进入C区，接着进入B区、压向A区，自动替换过热磁流体、并将其挤出密封 函，实现循环冷却；本发明采用自制的新型脂基磁流体复合填料，能在高速旋转 轴套上形成多层磁流体、油膜复合“液垫”，起到良好润滑作用。
采用带压磁流体循环与采用带压油循环有何区别？在旋转轴强大离心力作 用下，循环油往往以“飞溅”形式被甩出密封区污染水域，带压水也会趁虚而入 舱，产生不可避免的双向泄漏；而采用带压磁流体循环则不同，脂基磁流体在函 内始终存在对永磁体的“向心力”，尽管受到旋转轴强大离心力作用，但在强大 磁场力作用下，能被吸附、控制在密封函内，而不会“飞溅”，更不会甩出。
(3)、填料函内、外由MCU自动控制随机等压无泄漏密封技术
在密封领域，普遍认同一条规律，就是减少或消除密封函内与被密封物之间 的压差，是减少或消除泄漏的根本途径。
根据这一思路，设计了如图9所示智能控制系统。图中，43为封闭式磁流体 储柜，44分别为进、出单向阀；MCU40收集多个压阻式高灵敏度压力传感器4和 温敏半导体温度传感器3信息，控制电机41、双螺杆泵42和先导型比例电磁式 溢流减压阀45，使密封函磁流体循环区内压与船舶吃水深度随机等压；同时，MCU 将系统数据显示在液晶屏47上，可由遥控器48操作；如有异常，则由46报警。
5、本发明预期功效
(1)、密封效果好，使用寿命长。采用艉轴数控磁流体智能密封装置，实现 带压循环磁流体密封、润滑、降温一体化技术，特别是采用MCU智能控制技术， 使密封函内与吃水深度随机等压，可真正实现“0”泄漏，这是任何现役密封装置 无法达到的；只要适时向磁流体储柜添加一些磁流体，即可使本密封装置寿命达 10年以上。
(2)、避免环境污染。采用艉轴数控磁流体智能密封装置，阻断海水入舱和 滑油入海通道，可克服现行各种密封装置的泄漏现象，避免海面漂浮油污染，保 护海洋环境。
(3)、提高主机功率10～40％的有效利用率。采用艉轴数控磁流体智能密封 装置，在强磁场中使用新型脂基磁流体复合填料密封，不再依赖橡胶圈“抱死” 密封，能在高速旋转轴套上形成多层磁流体油膜复合“液垫”，对轴套起到良好 润滑作用，这种几近“0”摩阻、“0”磨损、“0”功耗密封，可找回接触式密封 装置损失掉的主机功率的10～40％，显著节能降耗，有利于提高航速。
(4)、安全可靠。采用艉轴数控磁流体智能密封装置，由于成本不高，可设2 套循环和控制系统，当一套系统失效，可自动启动第二套系统工作；在停机时， 启动电磁密封闸协助加强艉轴密封；这样就可避免由于橡胶密封圈和盘根使用寿 命短，在使用中后期随时可能失效，导致艉轴泄漏失控而喷水的安全隐患。
(5)、噪声小，消振性好。采用艉轴数控磁流体智能密封装置，不再依赖橡 胶圈“抱死”密封，能在高速旋转轴套上形成多层磁流体、油膜复合“液垫”，使 轴套在“液垫”上旋转，几近“0”摩阻、“0”磨损、“0”功耗，可使艏轴、中间 轴和艉轴运动更加协调，大大减少轴向窜动和径向跳动，因此噪声小，消振性好。
(6)、MCU智能控制，密封压力随机自动调整。采用艉轴数控磁流体智能密 封装置，由于在工业自动控制领域MCU的应用已经非常成熟，加之先进的压阻式 压力传感器、温敏晶体管温度传感器、先导型比例电磁式溢流减压阀及数控液压 泵等设备的应用，实现密封函内与船舶吃水深度自动调整、随机等压，已经没有 技术瓶颈，可使船舶艉轴密封技术跃上一个新台阶。
(7)、操作简单，维修方便。采用艉轴数控磁流体智能密封装置，相对于现 役各种密封装置来说，要减少水循环、空气控制、海水收储分离排放等单元，结 构相对简化，可用数显屏或遥控器操作；维修则采用模块化更换方式，十分简便。
(8)、综合技术经济效益显著。采用艉轴数控磁流体智能密封装置，不仅对 船舶艉轴密封是个创新，而且此项技术还可应用于各类军用大中型潜舰艇(包括 航母)，技术关联度高，行业覆盖面广；就提高10～40％主机功率来说，节能、提 速带来的经济效益、环保效益十分显著。
6、主要技术参数
船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，主要技术参数如下：
1、永磁体BH：40～43MGOe；
2、永磁体Hcb：≥12.4kOe；
3、磁流体粘度：500～600mPa.s(30℃)
4、填料函轴向抗拉强度：≥600MPa
5、PTFE盒套径向抗拉强度：≤30MPa
6、使用温度：-40～+150℃
7、密封压力：≤10MPa(max)
8、降噪声：≥10dB
9、提高主机功率：≥10％
10、使用年限：10Yr
四、附图说明：
图1是船舶艉轴数控磁流体智能密封装置主体结构示意图
图2是GB/T25017-2010吃水20米深以上船舶艉轴密封装置主体结构示意图
图3是单磁回路旋转轴磁流体密封结构示意图
图4是镶嵌永磁体PTFE盒套径向剖示图
图5是镶嵌永磁体在艉轴径向形成的众多磁回路示意图
图6是镶嵌永磁体在艉轴轴向形成的众多磁回路示意图
图7是PTFE盒套嵌入6块永磁体吸附控制磁液形成“0”形磁流体密封圈 的实验室照片
图8是密封函内磁流体实现密封、润滑、降温三功能带压循环流动示意图
图9是船舶艉轴数控磁流体智能密封装置MCU控制单元路线图
上述图1～9中依序号分别是：1、艉轴；2、艉轴衬套；3、温敏半导体温度 传感器；4、压阻式压力传感器；5、16、不锈钢AH型PTFE密封圈卡环，6、 15、AH型金属骨架四氟密封圈；7、13、磁流体循环腔；8、14、径向四通 孔不锈钢环；9、12、稀土钕铁硼永磁体；10、11、PTFE永磁体盒套；17、 填料函法兰盘；18、舰、潜艇船尾柱；19、停机备用电磁密封闸；20、填料 函压盖密封圈；21、22、循环磁流体进、出函接口；23、油封装置压盖；24、 合成橡胶密封圈；25、27、29、弹簧骨架密封圈卡环；26、28、31、弹簧骨 架密封圈；30、油循环腔室；32、连接法兰盘33、循环油入口；34、36、“O” 形磁流体密封圈；35、磁力线；37、39、极靴；38、永磁体；40、MCU控 制器；41、电机；42、数控螺杆泵；43、磁流体封闭储柜；44、单向阀；45、 先导型比例电磁式溢流减压阀；46、报警器；47、LED显示屏；48、遥控器。
五、具体实施方式：
参见说明书附图1～9，本发明船舶艉轴数控磁流体智能密封装置，在艉轴后密 封部位设置填料函，函一端是压盖20，另一端由法兰盘17与艉柱18连接；函内 中间并列装置两层PTFE圆环盒套10、11，每层盒套内崁入nx12块径向对冲磁 扇形永磁体9、9”等；在嵌磁铁盒套与轴衬管之间设有磁流体循环腔7、13；在 永磁体盒套两侧各分别安装1个不锈钢圆环8、12，径向各开有8个磁流体注入或 流出孔；在两个不锈钢圆环外侧，各分别装置1个不锈钢卡环5、14，将AH型金 属骨架四氟密封圈卡持在艉轴1及轴管2上；设置MCU，根据各压力传感器4、温 度传感器3信息，控制磁流体输入泵41、42和电磁溢流减压阀45，使磁流体循环 腔内7、13和船舶吃水深度随机等压；控制路线还设有报警器、LED显示屏，可实 现智能密封装置遥控操作；在停机时设有电磁密封闸加强艉轴管静密封；此艉轴 数控磁流体智能密封装置，连接法兰适当调整则适用于艉轴前密封。