柱塞泵用磁流体密封设计及优化_吴朝军.pdf

针对传统密封方式应用于往复密封存在磨损和泄漏的问题，以立式柱塞泵为研究对象，设计一种带有斯特密封的新型磁流体密封装置。利用有限元数值分析软件获得磁流体密封件间隙内磁感应强度分布，计算其理论耐压值，分析密封间隙、齿宽、齿高、槽宽等关键参数对密封压力值的影响，并运用响应曲面优化方法对其进行优化设计。结果表明：初设密封装置理论耐压值为0.483 MPa；密封压力值与密封间隙成反比，密封压力值随着齿宽、齿高、槽宽的增大先增大后减小。优化后各结构参数分别为密封间隙0.2 mm，齿宽0.627 mm，齿高1.01 mm，槽宽1.84 mm时，理论密封压力值为0.529 MPa，相比优化前提升了9.5%，且远高于实际应用密封压力值。关键词：柱塞泵；磁流体密封；有限元分析；结构参数；响应曲面；耐压值中图分类号：TM273；TH136 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)03-0057-10DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.010著录格式：吴朝军,朱维兵,张林,等.柱塞泵用磁流体密封设计及优化J.磁性材料及器件,2023,54(3):57-66./WU Chao-jun,ZHU Wei-bing,ZHANG Lin,et al.Design and optimization of magnetic fluid seals for piston pumps J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):57-66.Design and optimization of magnetic fluid seals for piston pumpsWU Chao-jun1,ZHU Wei-bing1,ZHANG Lin1,YAN Zhao-qiang2,WANG He-shun1,ZHANG Fang-lin31.School of Mechanical Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.Zigong Zhaoqiang Sealing Products Industrial Co,Ltd,Zigong 643000,China;3.Electromechanical Department,Guangan Vocational and Technical College,Guangan 638000,ChinaAbstract:In view of the problems of wear and leakage in the traditional sealing method applied to reciprocating seals,a new magnetic fluid seal device with a Step seal is designed with a vertical piston pump as the research object.The finite element numerical analysis software is used to study the magnetic induction intensity distribution in the seal gap of the magnetic fluid seal,calculate its theoretical pressure resistance value,analyze the influence of the key parameters of seal gap,tooth width,tooth height and slot width on the seal pressure value,and optimize its design by using the response surface optimization method.The results show that the theoretical pressure resistance value of the initial seal is 0.483 MPa;the seal pressure value is inversely proportional to the seal gap;the seal pressure value increases with the increase of tooth width,tooth height and slot width,and then decreases;after optimization,the theoretical seal pressure value is 0.529 MPa when the seal gap is 0.2 mm,tooth width is 0.627 mm,tooth height is 1.01 mm and slot width is 1.84 mm,respectively,which is 9.5%higher than that before optimization,and much higher than the actual use of seal pressure value.Key words:piston pumps;magnetic fluid seal;finite element analysis;structure parameters;response surface;pressure resistance value1 引言柱塞泵是一种典型的容积式水力机械，广泛应用于船舶制造、石油化工、航空航天、载重机等领域1，而柱塞密封作为柱塞泵的核心零部件之一，其性能优劣直接影响柱塞泵的可靠性、容积效率和收稿日期：2022-06-20 修回日期：2022-07-24基金项目：四川省科技计划项目(2017HH0049)通讯作者：朱维兵，男，博士，教授，主要研究方向为流体密封技术 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 58 使用寿命2。目前，柱塞泵主要以填料密封为主，但因其润滑性能差、摩擦功耗大及受力不均等问题，造成填料物化性能变化、“灼伤”、介质泄漏及磨损等现象，使用寿命短，严重影响柱塞泵工作效率和可靠性，已难以满足柱塞泵在高端领域应用的密封要求3。因此，开展柱塞泵用新密封方式研究，对于提高柱塞泵工作可靠性及拓宽其应用领域显得迫切需要且具有重要意义。磁流体密封作为一种新型的密封方式，其凭借零泄漏、寿命长、低摩擦、结构简单及可靠性高等特点，自问世以来便在航空航天、石油化工等领域获得广泛应用，也是国内外密封领域研究的热点4-7。Tomioka8设计了一种血浆泵用磁流体密封装置，分析了四种不同磁流体的密封耐压性和耐久性。Saurabh9设计了一种径向间隙为0.7 mm的大间隙磁流体密封结构，通过数值分析和实验研究其密封性能，证实该密封结构可用于低真空设备的轴承保护。袁芳等10为大摆动幅度的旋转轴设计了一种径向轴向串联的磁流体密封装置，可有效提升其耐压稳定性。汤松萍11对磁流体往复密封的一般规律进行了概述，阐明往复磁流体密封失效的主要原因是磁流体损失和变形。Zhao12通过数值模拟研究密封间隙、转轴偏心率、轴径和离心力对密封耐压性能的影响。Matuszewski13设计了新型离心式磁流体密封结构，密封寿命长，扭矩和摩擦小。Szczech14研究了多级磁流体密封的级间泄漏，温度对密封性能的影响，实验得到了临界压力和数值分析结果。Mizutani等15设计了一种带有重力补偿器的线性运动系统用磁流体密封装置，通过对往复轴做表面处理减少对磁流体的剪切力及泄漏，改善了密封效果。Chen等16从理论上得到了往复轴表面磁流体的厚度，并通过实验定量描述了磁流体静态密封能力与磁流体体积的关系，获得了密封寿命与往复轴行程和速度的关系。Li17根据往复轴磁流体密封间隙内磁流体运动规律以纳韦-斯托克斯方程为基础，推导了密封耐压计算公式。Volder18针对微型机器人用气动和液压执行器密封，提出了一种磁流体密封结构，并通过压缩空气和水的实验，验证该结构的可行性。综上，旋转式磁流体密封已经相对成熟，往复式磁流体密封还处于实验和理论研究的初步阶段，而将磁流体密封应用于柱塞泵更是鲜有研究。虽然往复式磁流体密封潜力巨大，但存在磁流体损耗、受行程和往复运动速度影响较大等缺点，应用一直受到限制，因此，本文以柱塞泵为研究对象，设计一种新型磁流体密封装置，通过数值计算分析关键结构参数对密封性能的影响，并利用响应曲面方法对其进行优化设计，以期解决传统密封方式应用于往复密封存在磨损和泄漏的问题，拓展往复式磁流体密封应用领域。2 原理与结构设计2.1 原理磁流体密封原理如图1所示，其主要由永磁体、极靴、磁流体、非导磁外壳、导磁旋转轴(轴套)组成19-20。利用磁流体对磁场的应用特性，在高性能永磁体、导磁极靴与转轴(轴套)之间形成的磁回路作用下，将注入转轴(轴套)与极靴间隙之间的磁流体牢牢吸附在极齿下方，形成多个液态O形“密封圈”，将往复轴与极靴间的间隙填满，从而实现密封21。磁流体密封分析模型如图2所示。磁流体密封圈工作时形状和位置随往复轴运动而变化，当往复轴处于静止状态且左右两侧压力相等时，密封圈液膜边界与磁感应强度等值线重合，呈对称分布(图2a)；当往复轴处于静止状态且左右两侧压力不相等时，密封圈液膜边界发生偏移(图2b)；当左右两侧压力不相等且往复轴运动到某一稳定位置时，密封圈在非均匀磁场中发生偏移，达到新的平衡(图2c)。其理论耐压23：P=P1-P2=H(xB)-H(xD)0Ms+6mv|1h(xB)2xB-10.66h(xB)(m/)2/32xD|(1)式中，P1、P2分别为高压侧、低压侧压力，H(xB)、H(xD)分别为B点、D点磁场强度，0为真空磁导率，Ms为磁流体饱和磁化强度，m为磁流体的动力粘度，v为往复轴运动速度，h(xB)为B点对应的磁流体膜厚，xB与xD分别为B、D点坐标，为磁流体表面张力。当密封间隙中磁流体充足且往复轴运动速度较低时，(1)式可简化为24：P=P1-P2=H(xB)-H(xD)0Ms(2)由(2)式可知，随着磁流体密封圈的移动，磁流吴朝军等：柱塞泵用磁流体密封设计及优化 59 体高压侧界面逐渐向极齿密封间隙磁场强度最大位置处移动，即H(xB)逐渐增大，而磁流体低压侧界面逐渐向极齿密封间隙处磁场强度最小处移动，即H(xD)逐渐减小。当磁流体两界面分别处于最大和最小磁场强度时，即H(xB)=Hmax、H(xD)=Hmin磁流体界面两侧压差最大，即：pmax=0Ms(Hmax-Hmin)(3)通常单级磁流体密封的密封压力偏低，所以实际应用中大多采用多级磁流体密封结构，其密封压力p=i=1Npi=i=1N0Ms(Himax-Himin)=i=1NMs(Bimax-Bimin)(4)式中，N为密封级数；Bmax和Bmin分别为极齿下方最大和最小磁通密度。2.2 结构设计本文以LT6010型立式柱塞泵为研究对象进行磁流体密封结构设计，其中柱塞行程为30 mm，直径为32 mm，压力为0.20.3 MPa，介质为水，温度60 左右。根据柱塞泵结构尺寸及工况条件设计了一种新型组合磁流体密封装置，如图3所示。该密封装置主要由密封座、磁流体密封组件、外壳、静密封圈、斯特密封组件等组成。磁流体密封组件包括2个永磁环，3个极靴，20个矩形极齿，永磁体和矩形极齿结构参数根据文献25进行初设，其中永磁体内径R1=37 mm，外径R2=51 mm，厚度Yh=3 mm，密封间隙Lg=0.2 mm，齿宽Lt=0.4 mm，槽宽Ls=1 mm，齿高Lh=0.8 mm。因磁流体的耗散量对往复密封性能有显著的影响，所以在密封外壳上开有磁流体补充孔，用于补充磁流体，并在磁流体密封组件两端各加一个斯特密封组件，一方面，斯特密封可以刮除残留在柱塞上的磁流体，减少磁流体的流失；另一方面，当磁流体密封发生失效时，斯特密封作为辅助密封可以避免介质泄漏，降低发生事故的风险，且斯特密封还具有防尘作用，避免外界杂质进入密封间隙内污染磁流体。材料选择方面，密封座、外壳等非导磁材料选择304不锈钢，极靴和转轴选用导磁性能较好的45号钢，永磁铁选用N38H钕铁硼材料，其内禀矫顽力Hcj=960 kA/m，磁感矫顽力Hcb=860 kA/m，剩磁Br=1.18 T，最大磁能积(BH)max=287 kJ/m3，磁流体选用全氟聚醚油基磁流体ZQFZ-0102，其饱和磁化强度Ms=31.5 kA/m。3 磁场分析3.1 数值分析由前文磁流体密封耐压计算式可知，密封压力值与密封间隙内磁感应强度有密切关系，而密封间隙内磁感应强度受极靴结构参数影响较大，且密封间隙取值较小，采用常规测量方法和计算很难得到间隙内磁感应强度。因此，本文利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对所设计的磁流体密封间隙内磁感应强度分布进行数值分析，并计算其理论耐压值。图4给出了磁流体密封组件结构及模型。由于所设计磁流体密封组件为环形轴对称结构，因此可以简化为二维问题(图4a)，相关尺寸如表 1所示。忽略非导磁元件、加工装配误差的影响，建立数值分析模型(图4b)。对不同元件赋予相关材料，因磁流体达到饱和磁化情况下，其磁导率同空气相近，所以采用空气代替磁流体。采用自由三角形对模型进行网格划分，考虑到密封间隙附近为重点研究对象，所以在密封间隙附近进行加密处理(图4c)。通过软件网格质量检查功能得到网格划分平均单元质量为0.877，满足计算要求。在边界条件设定过程中，除柱塞轴中心外，其图1 磁流体密封原理(a)静止状态(b)受静压状态(c)受动压状态图2 磁流体密封圈分析模型磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 60 余三条边界设置为磁力线平行，同时两永磁体为轴向充磁，采用磁极极性同性相排斥的安装方式，便于充分利用其聚磁作用，提高密封间隙内磁感应强度。求解可得磁流体密封组件磁感应强度云图、磁场强度云图、磁力线及磁感应强度通量分布，如图5所示。由图5a、d可知，极齿磁感应强度较大，且每个极齿分布都比较均匀，而在空气中的磁感应强度很小，几乎可以忽略不计；由图5b可知，密封间隙当中极齿下方处磁场强度较大，齿槽下方处磁场强度较小，形成明显的高低磁场强度差；由图5c可知，极齿附近磁感应线分布较密，齿槽位置分布较为稀疏，即当磁流体注入密封间隙后会被吸附到极齿位置处形成“密封液环”，说明该磁流体密封组件符合预期设计构想。磁流体密封组件仿真所得磁感应强度、磁场强度、磁力线及磁感应强度矢量分布与相关研究26-27一致，证明仿真模型建立及边界条件添加正确。通过软件后处理功能在密封间隙中间位置建立一条截线，将密封间隙内磁感应强度映射在此截线上，结果如图5e所示。由图可知，密封间隙内磁感应强度分布存在明显的梯度，在极齿位置形成磁感应强度高位，即波峰，在齿槽位置形成磁感应强度低位，即波谷，将其代入前文耐压计算式中，得到本密封结构理论耐压值为0.483 MPa，满足密封工1-柱塞 2-密封座 3-内六角圆柱头螺钉 4-静密封圈 5-隔环 6-外壳 7-极靴静密封圈 8-永磁体 9-中间极靴 10-磁流体 11-端极靴 12-斯特密封圈安装座 13-斯特密封圈 14-外壳静密封圈 15-螺母 16-螺柱 17-平垫片图3 磁流体密封装置示意图表1 磁流体密封组件尺寸mm 齿宽Lt齿高Lh槽宽Ls永磁体宽度Yk密封圈槽深Mh极靴总高Jh0.40.8172.211.8密封间隙Lg柱塞长度ZL柱塞厚度Zk永磁体厚度Yh密封圈槽宽Mk0.2601633(a)磁流体密封组件结构示意图(b)仿真模型(c)网格划分图4 组件结构仿真吴朝军等：柱塞泵用磁流体密封设计及优化 61 况耐压要求。3.2 结构参数对密封压力的影响在往复磁流体密封中，除工况参数、材料特性对密封性能影响较大外，极靴极齿的关键结构参数同样影响密封性能。因此，选取密封间隙Lg、齿宽Lt、齿高Lh、槽宽Ls四个关键结构参数，采用控制变量法探究其分别对密封性能的影响。图6为不同密封间隙取值时，密封间隙内磁感应强度分布及密封装置耐压值。由图可知，随着密封间隙增大，密封间隙内的磁感应强度及密封装置耐压值均下降是因为密封间隙中空气磁阻较大，间隙越大，回路中磁阻越大，导致密封间隙内磁感应强度差变小，密封压力值降低。由此说明密封间隙对密封压力值有显著影响，为保证密封效果，密封间隙不得超过0.3 mm。图7为对应不同齿宽密封间隙内磁感应强度分布及密封装置耐压值。由图可知，随着齿宽的增大，极齿位置磁感应强度分布更加平滑，并且每个极齿、槽区位置磁感应强度分布更均匀，而密封压力值随着齿宽的增大先增大后减小，在齿宽为0.5 mm附近取得最大值。主要由于齿宽的增大，极齿磁通路变宽，磁阻减小，所以密封间隙内磁感应强度增高，密封压力值增大；而随着齿宽继续增加，极齿下方空气占比增大，聚磁效果下降，所以密封间隙磁感应强度减小，密封压力值降低。图8为对应不同齿高密封间隙内磁感应强度分布及密封装置耐压值。由图可知，随着齿高的增大，极齿、齿槽位置磁感应强度均下降，其中以靠近永磁铁位置的极齿下降最为明显，而密封压力值随着齿高的增大先增大后减小，在齿高为0.6 mm附近取得最大值。由于齿高的增大，极齿聚磁效果增强，所以密封间隙中极齿和齿槽下磁感应强度差增大，密封压力值增大；齿高过大，极齿磁阻增大及边缘效应增强，导致密封压力值又开始降低。(a)磁感应强度云图分布(d)磁感应强度通量分布(b)磁场强度云图分布0102030400.00.20.40.60.81.01.21.41.6磁感应强度B/T轴向长度L/mm(e)密封间隙内磁感应强度分布(c)磁力线分布图5 磁场数值分析结果磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 62 图9为对应不同槽宽密封间隙内磁感应强度分布及密封装置耐压值。由图可知，随着槽宽的增大，极齿下方磁感应强度最大值逐渐降低，且中间极靴极齿与两端极靴极齿位置磁感应强度差值逐渐变小，密封压力值随着齿宽的增加先增大后减小，在1.42.2 mm区域内取得最大值。由于槽宽的增大，极齿及槽内磁感应强度均降低，但密封间隙内磁感应强度差增大，所以密封压力值增大；但随着槽宽进一步增大，槽内漏磁增大，磁感应强度差降低，导致密封压力值下降。06121824303642480.00.51.01.52.0磁感应强度B/T轴向长度L/mm 0.1 mm 0.2 mm 0.4 mm 0.6 mm 0.8 mm 1.0 mm(a)不同密封间隙内磁感应强度分布(b)密封压力值随密封间隙的变化图6 Lt为0.4 mm、Lh为0.8 mm、Ls为1 mm时密封间隙对密封性能的影响07142128354249560.00.20.40.60.81.01.21.41.6磁感应强度B/T轴向长度L/mm 0.3 mm 0.5 mm 0.7 mm 0.9 mm 1.1 mm(a)不同齿宽密封间隙内磁感应强度分布0.20.40.60.81.01.20.380.400.420.440.460.48密封压力P/MPa齿宽Lt/mm(b)密封压力值随齿宽的变化图7 Lg为0.2 mm、Lh为0.8 mm、Ls为1 mm时齿宽对密封性能的影响06121824303642480.00.20.40.60.81.01.21.41.6磁感应强度B/T轴向长度L/mm 0.6 mm 1.0 mm 1.4 mm 1.8 mm 2.2 mm(a)不同齿高密封间隙内磁感应强度分布(b)密封压力值随齿高的变化图8 Lt为0.4 mm、Lg为0.2 mm、Ls为1 mm时齿高对密封性能的影响吴朝军等：柱塞泵用磁流体密封设计及优化 63 4 响应曲面优化分析4.1 优化实验设计前文只分析了单一结构参数对密封耐压值的影响，忽略了结构参数相互作用对密封性能的影响，为了得到更具有说服力的优化结构参数，需分析结构参数相互作用对密封耐压值的影响。响应曲面优化法是一种通过较少的实验就能获得变量与响应面之间的关系及最优组合的优化方式28-29，因此本文将利用该方法对柱塞泵用磁流体密封关键结构参数进行优化设计。通过前文可知密封间隙Lg、齿宽Lt、齿高Lh及槽宽Ls四个结构参数均会影响密封压力值，但为了避免在工作过程中柱塞跳动与极靴发生碰撞，所以将密封间隙Lg取固定值为0.2 mm。因此，基于响应曲面法，以齿宽Lt、齿高Lh和槽宽Ls为设计变量，密封压力P为响应目标对磁流体密封进行优化设计。利用Design expert软件中的Box-Behnken实验设计方法进行分组实验，并通过有限元计算软件COMSOL Multiphysics对其进行数值计算，结果如表2所示。通过对实验数据进行二次多元回归拟合，得到密封压力值与各因素之间的多元二次回归方程：P=0.22498+0.34994Lt+0.1227Lh+0.14672Ls +0.14906LtLh+0.050411LtLs+0.094464LhLs -0.47277L2t-0.19318L2h-0.074374L2s (5)为检验二次回归模型方程的准确性及评估模型的拟合程度，对响应曲面模型进行方差分析和显著性检查，其中模型方程统计显著性以F值确定，每个回归系数的显著性以p值确定，分析结果如表3所示。由表可知，模型p值小于0.0001，复相关系数R2及修正复相关系数R2adj均大于0.9，说明模型回归性较好，而失拟项p值大于0.05，无显著差异，说明模型拟合良好，证明可用于柱塞泵用磁流体密封结构参数优化及预测。同时，由F值可得到齿宽、齿高及槽宽三种因素对密封压力值影响程度，依次为槽宽Ls齿高Lh齿宽Lt。4.2 响应曲面结果分析图10为各结构参数相互作用对密封压力值的三维响应曲面。由图可知，响应曲面陡峭且等高线近似椭圆，说明各参数之间的相互作用对密封压力值影响显著；且密封压力值随着齿宽、槽宽的增大先增大后减小；随着齿高的增大逐渐增大后逐渐趋于091827364554637281900.00.20.40.60.81.01.21.41.6磁感应强度B/T轴向长度L/mm 0.8 mm 1.2 mm 1.6 mm 2.0 mm 2.4 mm 3.2 mm(a)不同槽宽密封间隙内磁钢应强度分布(b)密封压力值随槽宽的变化图9 Lt为0.4 mm、Lh为0.8 mm、Lg为0.2 mm时槽宽对密封性能的影响表2 Box-Behnken实验数据实验编号1234567891011121314151617齿宽Lt/mm0.61110.20.60.210.60.20.60.60.60.20.60.60.6齿高Lh/mm0.41.20.80.40.81.20.40.80.81.20.80.81.20.80.40.80.8槽宽Ls/mm2.21.52.21.52.22.21.50.81.51.51.51.50.80.80.81.51.5密封压力值P/MPa0.42480.44100.44100.36600.42450.52200.43800.36750.52400.41760.52500.51500.43200.40750.44060.51900.5280磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 64 稳定。根据响应曲面可知：齿宽在0.40.8 mm，齿高在0.61.2 mm，槽宽在1.42.0 mm取值范围内密封压力值较大。通过软件的优化预测功能，以最大密封压力值0.6 MPa为优化目标，得到各结构参数的最佳取值及密封压力预测值，如表4所示。表中给出了符合要求的最佳方案，且推荐选择当齿宽为0.627 mm、齿高为1.01 mm、槽宽为1.839 mm时理论能达到的最大密封压力值为0.532 MPa的方案。为验证响应曲面优化的可靠性，对该组结构参数进行数值分析，并将分析结果与优化前做对比，如图11所示。由图可知，优化前后磁感应强度、磁场强度、磁感应线、磁感应强度通量分布规律相同，但优化后的密封装置齿宽增加，使得极齿的磁阻减小，磁通量增大；齿高增加，极齿聚磁效果增加；槽宽增加，密封间隙磁感应强度差增加。图12为优化前后密封间隙内轴向磁感应强度分布，通过计算优化后密封装置压力值，并将其与优化前密封压力值、响应曲面分析预测压力值比较，结果如表5所示。由表可知，优化预测和优化后的密封压力值均大于优化前，且预测压力值和优化后压力值分别比优化前压力值提升了10.14%、9.5%；而优化后压力值与预测压力值误差小于1%，证明优化有效并且磁流体密封装置满足设计要求。5 结论(1)针对特定工况的柱塞泵，设计了一种以斯特密封作为辅助密封的多级并联磁流体密封装置，通过数值计算，分析了磁流体密封组件密封间隙内磁表4 优化推荐选择编号123齿宽Lt/mm0.6270.6270.628齿高Lh/mm1.0101.0091.010槽宽Ls/mm1.8391.8381.843密封压力P/MPa0.5320.5320.532期望值0.8740.8740.874选择表3 方差分析方差来源模型LtLhLsLtLhLtLsLhLsLt2Lh2Ls2残差失拟项纯误差总误差R2=0.9927平方和0.0496.4911042.5631033.3921032.2751037.9691042.7981030.0244.0221035.5921033.6371042.5691041.0681040.050R2adj=0.9833自由度911111111173416CV=1.58%均方和5.4791036.4911042.5631033.3921032.2751037.9691042.7981030.0244.0221035.5921035.1961058.5631052.671105F105.4412.4949.3365.2943.7915.3453.86463.6877.42107.633.21p0.00010.00950.0002 0.00010.00030.00580.00020.00010.0001齿高Lh齿宽Lt；当永磁体厚度3 mm、宽度7 mm，各结构参数为密封间隙0.2 mm、极齿宽度0.627 mm、齿高1.01 mm、槽宽1.84 mm时理论密封压力值为0.529 MPa，相比于优化前密封压力值提升了9.5%，且远高于工况使用要求，可有效解决柱塞泵密封困难的问题，也为往复磁流体密封设计提供参考。未来需进一步研究的方向：本文以立式柱塞泵为研究对象，设计了一种新的磁流体密封装置，通过有限元数值计算方法和响应曲面优化方法对磁流体密封装置关键结构参数进行分析和优化，从理论上证实满足相关密封要求，但缺乏实验的进一步验证，因此，在后续工作中将主要以实验验证为主。因本论文来源于与密封制造企业合作项目，相关实验台的搭建及制作已经在跟进，为后续的实验研究提供良好的基础。参考文献：1董怀荣,李宗清,陈志礼,等.石油矿场用高压往复泵柱塞密封结构设计J.西部探矿工程,2020,32(12):82-84.2汤何胜,訚耀保.弹性变形对轴向柱塞泵滑靴副能量损失的影响J.煤炭学报,2016,41(4):1038-1044.01020304050600.00.20.40.60.81.01.21.41.6磁感应强度B/T轴向长度L/mm优化前优化后 图12 优化前后密封间隙磁感应强度分布(a)优化前后磁感应强度分布(c)优化前后磁力线分布(b)优化前后磁场强度分布(d)优化前后磁感应强度通量分布图11 优化前后结果对比表5 结果对比名称优化前优化预测值优化后密封间隙Lg/mm0.20.20.2齿宽Lt/mm0.40.6270.627齿高Lh/mm0.81.011.01槽宽Ls/mm11.841.84密封压力值P/MPa0.4830.5320.529磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 66 3王军.高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究D.太原:太原理工大学,2020,11-13.4Arefev I M,Ispiryan A G,Kunikin S A,et al.Magnetic properties of undecane-based magenetic fluids J.Tech Phys,2017,62(4):517-522.5Polunin V M,Storozhenko A M,Platonov V B,et al.Oscillations of magnetic fluid column in strong magnetic field J.Russian Physics 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