【摘要】介紹了磁流體密封的原理和水下設(shè)備的磁密封。論述了水下磁探技術(shù)的原理、研究背景及意義。

【關(guān)鍵詞】磁技術(shù)；水下密封；水下磁探測(cè)

1.引言

隨著人類社會(huì)發(fā)展的需要和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水下工程的規(guī)模越來(lái)越大，在水下資源的調(diào)查、石油探測(cè)、搶險(xiǎn)救生、水下土木工程建設(shè)、核電站用的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)察以及海洋軍事等領(lǐng)域迫切需要開發(fā)各種不同類型、不同功能的水下航行體。水下航行體研制的關(guān)鍵問題之一是軸的動(dòng)密封，即軸伸出殼體處的密封。研究表明：水下航行體由于密封問題而發(fā)生的故障比由于電子器件等問題而發(fā)生的故障高；水下航行體的密封分為靜密封和動(dòng)密封兩種，靜密封相對(duì)來(lái)說(shuō)容易解決，動(dòng)密封的問題比較難解決，軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸與機(jī)殼間存在間隙，就會(huì)產(chǎn)生泄漏，而且介質(zhì)壓力越高、軸的轉(zhuǎn)速越高，越容易產(chǎn)生泄漏。當(dāng)前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁技術(shù)在水下密封應(yīng)用中的優(yōu)越性。本文介紹了磁技術(shù)在水下密封和探測(cè)中的應(yīng)用。

2.磁流體密封原理

磁性流體（也稱磁性液體或鐵磁性液體）是由納米級(jí)的磁性顆粒，經(jīng)過特殊的處理均勻分散到某種液體中而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。磁流體密封的原理如圖1所示，由于磁流體在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性，因此，在磁場(chǎng)的作用下它被固定在密封間隙內(nèi)，形成液體○型密封環(huán)阻止泄漏。磁流體密封的主要特點(diǎn)是：

（1）密封性能好，可以實(shí)現(xiàn)零泄漏；

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，安裝部位緊湊，裝卸方便，制造容易；

（3）具有自密封作用，不需要周期性調(diào)整；

（4）因?yàn)樗玫拿芊饨橘|(zhì)本身有潤(rùn)滑的作用，所以不需要再加潤(rùn)滑裝置；

（5）傳輸效率高，磁流體密封裝置在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，摩擦力極小，無(wú)機(jī)械磨損，發(fā)熱低，功率損耗極小，傳輸效率幾乎達(dá)100%；

（6）良好的修復(fù)性，磁流體密封裝置在使用過程中，如果因某些原因造成密封失效，只要內(nèi)部元件功能正常，一般可在現(xiàn)場(chǎng)用較短的時(shí)間就能修復(fù)。

目前磁流體密封存在的主要問題表現(xiàn)在：

（1）密封能力小，現(xiàn)階段能用于實(shí)踐的裝置中，單級(jí)密封能力最大可為120～180KPa，整個(gè)密封能力很難超越11.5MPa，

（2）被密封介質(zhì)是液體時(shí)擴(kuò)散較嚴(yán)重，因而磁流體密封很難可靠地應(yīng)用到液體密封的工況；

（3）溫度適應(yīng)性差，一方面溫度升高增加了磁流體的蒸發(fā)；另一方面，溫度升高也會(huì)降低磁流體本身的性能，這都會(huì)降低密封能力，目前磁流體密封的最高使用溫度極限為80攝氏度。

磁流體轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封技術(shù)成功地應(yīng)用于真空密封（氣體密封和防塵密封中，但用在液體密封方面，工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用較少見。關(guān)于磁流體液體動(dòng)密封液體問題，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和專利缺少相關(guān)報(bào)導(dǎo)。1990年前蘇聯(lián)發(fā)表了已經(jīng)制備出可用于液體密封的磁流體報(bào)道，但是沒有具體介紹這種磁流體的組成和特點(diǎn)。為了將磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于液體密封，國(guó)內(nèi)外研究較多的是采用兩個(gè)方法，一種是采用輔助手段將密封液體與磁流體分隔開來(lái)，但這些密封結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜’另一種是研制不受被密封液體侵害的磁流體。將磁流體密封用于艦船螺旋推進(jìn)器的主軸密封，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的盤根密封，可使主軸功率損耗降低10%～40%，明顯提高船的航行速度。

3.水下設(shè)備的磁密封

2l世紀(jì)是人類開發(fā)和利用海洋資源的世紀(jì)。隨著國(guó)家海洋技術(shù)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，使得海洋儀器設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。水下作業(yè)靈巧手作為一種重要的海洋作業(yè)工具日益得到人們的重視。當(dāng)前，水下作業(yè)靈巧手是人們研究的熱點(diǎn)問題之一。

水下作業(yè)靈巧手研制的關(guān)鍵問題之一是驅(qū)動(dòng)器問題。它涉及到一個(gè)突出的問題——密封問題，而且是隨著下潛深度的加深，密封性能要求更高，這也是衡量水下裝備的重要指標(biāo)。

水下作業(yè)靈巧手研制中一個(gè)關(guān)鍵、突出的問題就是密封問題，主要是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)密封、靜密封；作業(yè)靈巧手的深海工作環(huán)境對(duì)密封性能要求尤其嚴(yán)格，這是因?yàn)樽鳂I(yè)手所處的深水作業(yè)環(huán)境，既要考慮水下壓力，又要考慮海水電離腐蝕性強(qiáng)等對(duì)密封器件的制約。因此，密封問題是水下作業(yè)靈巧手研制的一個(gè)制約性問題和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

磁力傳動(dòng)密封技術(shù)是磁力傳動(dòng)技術(shù)和密封技術(shù)的結(jié)合，它利用磁力線穿越非磁性密封隔套及磁力線扭斜產(chǎn)生力矩特性。將原動(dòng)機(jī)能量傳遞給負(fù)載，完成磁力傳動(dòng)和密封的雙重功能。磁密封傳動(dòng)是近年來(lái)，隨著磁學(xué)快速發(fā)展的新型實(shí)用工程技術(shù)。

磁密封傳動(dòng)是一種非接觸式密封（即動(dòng)件和靜件沒有直接接觸），它以旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封為主，即使用旋轉(zhuǎn)密封裝置把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到被密封的容器內(nèi)。該裝置通常由軸承、磁極、永久磁鐵、導(dǎo)磁密封軸等組成；其工作原理是：由環(huán)狀永磁鐵、磁極和導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸構(gòu)成閉合磁回路。利用永磁體中的磁能，在密封軸與磁極齒端的間隙內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)密封。本課題在確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)密封要求設(shè)計(jì)合適的磁密封聯(lián)軸器進(jìn)行傳動(dòng)。磁密封傳動(dòng)在此非常合適，巧妙的將動(dòng)密封轉(zhuǎn)化為靜密封，在水下驅(qū)動(dòng)器密封傳動(dòng)方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

4.磁探測(cè)技術(shù)

電磁波在水中衰減嚴(yán)重，而聲波能傳播幾百公里卻沒有明顯的吸收損失，故目前水下探測(cè)、通訊、定位和導(dǎo)航主要用水聲設(shè)備。隨著水下探測(cè)定位技術(shù)的不斷發(fā)展，聲學(xué)定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)也日益暴露出來(lái)。地磁異常探測(cè)（MAD）是目前比較新的一種技術(shù)方法，它利用天然的地球磁場(chǎng)特性，達(dá)到我們?cè)囼?yàn)的目的。早在二戰(zhàn)時(shí)期就將磁傳感器安裝在巡航機(jī)上用于檢測(cè)水下潛艇的存在，美軍等制式裝備均包含MAD部分。磁場(chǎng)探測(cè)具有定位精度高、執(zhí)行時(shí)間短、不受淺海復(fù)雜環(huán)境影響等特點(diǎn)。目前MAD技術(shù)廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)中。因此利用MAD進(jìn)行水下目標(biāo)跟蹤是一個(gè)嶄新的研究課題。

4.1 研究背景及意義

磁探測(cè)是一種既古老又年輕的科學(xué)技術(shù)。隨著各種磁現(xiàn)象的相繼發(fā)現(xiàn)以及人類科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，利用磁現(xiàn)象的新技術(shù)不斷出現(xiàn)，目標(biāo)磁探測(cè)技術(shù)就是其中之一。它是通過磁場(chǎng)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定或移動(dòng)的目標(biāo)的非接觸測(cè)量，將得到的磁場(chǎng)信號(hào)物理量經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理方法獲取正確的目標(biāo)信息。

眾所周知，我們生活的地球是一個(gè)巨大的磁場(chǎng)，利用地球天然的磁場(chǎng)特性進(jìn)行探測(cè)，具有重要的研究意義。由于地球的天然磁性，無(wú)論任何裝置、儀器、交通工具以及軍事武器均要受到地磁場(chǎng)的影響，各種鐵磁性的物質(zhì)也會(huì)相應(yīng)的影響地磁場(chǎng)的分布從而引起地磁異常，因此利用這種磁異現(xiàn)象可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤，這就是基于磁異信號(hào)的目標(biāo)磁探測(cè)技術(shù)—MAD（Magnetic Anomaly Detection）。在水下，可以通過檢測(cè)金屬目標(biāo)的快速移動(dòng)引起這點(diǎn)的地磁異常，即檢測(cè)多個(gè)傳感器位置上地磁在各個(gè)方向的磁通變化，判定目標(biāo)的方位，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤?；贛AD的目標(biāo)探測(cè)定位技術(shù)在軍事上有重要的意義和作用，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)聲納探測(cè)的有源性以及隱蔽性能不好等缺點(diǎn)。

在海洋反潛戰(zhàn)爭(zhēng)中，精確位置的獲取是進(jìn)行軍事打擊的重要前提。由于各種武器裝備均或多或少的含有鐵磁性物質(zhì)，以地磁場(chǎng)為背景，基于MAD的目標(biāo)磁探測(cè)技術(shù)就是偵察與監(jiān)視以及獲取敵方位置信息的一種極其重要的途徑，具有無(wú)源被動(dòng)探測(cè)、隱蔽性能好、抗干擾能力強(qiáng)和保密性高等特點(diǎn)。

目前各國(guó)都非常重視利用磁異信號(hào)的探測(cè)與定位技術(shù)的研究與應(yīng)用。美國(guó)海軍研究所成功研制了磁異信號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)︳~雷水雷等隱蔽性目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)搜索和二維水平面坐標(biāo)定位。美國(guó)海岸系統(tǒng)局已建立起一套相對(duì)完整的針對(duì)磁性目標(biāo)探測(cè)、定位和識(shí)別的磁異信號(hào)感測(cè)方法。加拿大海軍軍方高度重視水雷和海岸線武器對(duì)海軍構(gòu)成的威脅，建立了專門的研究機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)水下相應(yīng)的探測(cè)和定位裝置研究。而我國(guó)在軍事方面對(duì)基于MAD的目標(biāo)探測(cè)與定位技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。重視磁異信號(hào)目標(biāo)探測(cè)與定位技術(shù)的研究，提高我軍武器裝備的現(xiàn)代化水平和世界軍事競(jìng)爭(zhēng)力，是目前我國(guó)軍事研究的首要任務(wù)。隨著傳感器的發(fā)展和信息革命的到來(lái)，基于MAD目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位以及跟蹤技術(shù)將會(huì)得到更大的發(fā)展。我們可以利用磁異信號(hào)目標(biāo)磁探測(cè)法得到的磁信號(hào)矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)快速移動(dòng)的目標(biāo)的跟蹤定位。

4.2 基于MAD的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)

基于磁異信號(hào)的目標(biāo)磁探測(cè)技術(shù)--MAD （Magnetic Anomaly Detection）是磁探測(cè)與識(shí)別技術(shù)的一個(gè)重要分支，主要應(yīng)用于軍事研究領(lǐng)域，是近年來(lái)隨著磁傳感器測(cè)量精度的提高與測(cè)量范圍的擴(kuò)大以及軍事高技術(shù)武器開發(fā)的需求而發(fā)展起來(lái)的。MAD的定義以地磁場(chǎng)中的鐵磁性物體引起的磁異物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)。磁異現(xiàn)象是指處在空間某一位置的鐵磁性目標(biāo)會(huì)改變所在地點(diǎn)的地磁場(chǎng)（在很廣闊的區(qū)域內(nèi)近似均勻強(qiáng)度磁場(chǎng)）的分布從而引起地磁場(chǎng)的異常分布的現(xiàn)象。

磁探測(cè)是研究與磁現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的重要手段，其內(nèi)容涉及許多領(lǐng)域，如地球物理、天體物理、高能物理以及生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域等方面。它通過非接觸的測(cè)量固定或移動(dòng)目標(biāo)的磁場(chǎng)參量，并將測(cè)量得到的信號(hào)經(jīng)過一定的處理方法正確的給出相關(guān)信息。

4.3 鐵磁體磁場(chǎng)表示

任何處在地磁場(chǎng)環(huán)境中的鐵磁體都不可避免的被磁化，磁化程度的強(qiáng)弱取決于背景場(chǎng)的大小、鐵磁體的材質(zhì)以及磁化時(shí)間的長(zhǎng)短。鐵磁體被磁化后產(chǎn)生磁矩，磁矩是一個(gè)既有大小又有方向的矢量，鐵磁體單位體積內(nèi)的磁矩矢量和就是磁化強(qiáng)度，是衡量磁化程度的標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)際單位制中以4/m表示磁化強(qiáng)度，以4/m2表示磁矩。地磁場(chǎng)是一個(gè)非常微弱的磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)隨距離衰減很快的緣故。水下鐵磁體被地磁背景場(chǎng)磁化的結(jié)果是形成一個(gè)沿磁化方向的磁矩，這樣水下鐵磁體就相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的磁源，由其產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)疊加在地磁背景場(chǎng)之上，導(dǎo)致平緩的地磁背景場(chǎng)畸變。

4.4 測(cè)磁傳感器的選擇

最早檢測(cè)磁場(chǎng)的人通過測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向在茫茫無(wú)際的大海上航行。隨著科技的發(fā)展，多種磁傳感器被用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的存在、強(qiáng)度和方向，這個(gè)磁場(chǎng)不僅僅是地磁場(chǎng)，還可以是永磁體、磁化的軟磁體、車輛的擾動(dòng)、腦電波以及電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。磁傳感器可以非接觸的測(cè)量這些物理參量，成為許多工業(yè)和導(dǎo)航控制系統(tǒng)的眼睛。

5.結(jié)束語(yǔ)

人類使用磁傳感器已有兩千多年的歷史。早期的應(yīng)用僅為定向和導(dǎo)航。目前磁傳感器仍然是解決導(dǎo)航問題的基本方法之一，但更多的用途已被開發(fā)出來(lái)。同時(shí)人類一直朝著提高靈敏度、縮小體積、和電子系統(tǒng)兼容的方向努力。

使用磁傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是所測(cè)量的磁場(chǎng)通常不是人們的初衷，第二級(jí)的參量才是所需要的。如輪速、磁性油墨的存在、車輛的檢測(cè)和方向的判定等。這些參量不能被直接測(cè)量，但可以從磁場(chǎng)的變化或畸變中提取出來(lái)。傳統(tǒng)的傳感器如溫度、壓力、應(yīng)變、或光傳感器可以直接將所需的參量轉(zhuǎn)化為成比例的輸出電壓或電流。區(qū)分不同的磁傳感器的方法之一是按照它們所感測(cè)的磁場(chǎng)范圍的不同來(lái)區(qū)分的。可分為三類：低磁場(chǎng)、中磁場(chǎng)和高磁場(chǎng)。

另一方面使用磁傳感器只能對(duì)方向、存在、旋轉(zhuǎn)、角度或電流進(jìn)行間接的檢測(cè)。輸入量必須創(chuàng)造或改變一個(gè)磁場(chǎng)。一旦磁傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)的變化，需要信號(hào)處理電路將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成所需的參量值。