МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2003 года по МПК F16J15/43 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в машиностроении для герметизации валов машин и аппаратов.

Известно одноступенчатое магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) [1], в немагнитном корпусе которого установлена магнитная система, охватывающая вал и состоящая из кольцевого магнита и полюсных наконечников, примыкающих к торцам последнего. Магнитная жидкость удерживается магнитным полем в рабочем зазоре, образованном внутренней поверхностью полюсных наконечников и валом, обеспечивая тем самым его герметизацию.

Недостатком такого уплотнения является малый критический перепад давлений, который зависит от типа применяемой жидкости и составляет 0,2...0,6 МПа. Критический перепад давлений можно увеличить последовательной установкой одноступенчатых МЖУ [1].

Наиболее близким к предлагаемому является МЖУ [2], содержащее корпус, магнитопроводный вал, кольцевые постоянные магниты, установленные в корпусе коаксиально с одинаковой полярностью торцевых поверхностей, обращенных друг другу, к которым примыкают кольцевые полюсные приставки. Причем полюс, примыкающий к вакуумной стороне, имеет гладкую поверхность, обращенную к валу, а на поверхностях, обращенных к валу, остальных полюсов выполнены концентраторы магнитного поля в виде кольцевых выступов с заостренными краями, и магнитная жидкость размещена в зазоре между концентраторами магнитного поля и валом, образуя кольцевые магнитожидкостные барьеры, удерживающие рабочий перепад давлений. При этом магнитный поток, проходящий через концентраторы магнитного поля полюса, расположенного ближе к вакуумной стороне, имеет большую величину по сравнению с остальными.

Недостатком этой конструкции является малый критический перепад давлений, поскольку под полюсом, примыкающим к вакуумной стороне, магнитная жидкость отсутствует, и он не участвует в образовании магнитожидкостных кольцевых барьеров, удерживающих перепад давлений. Кроме того, вследствие отклонения в размерах и форме полюсных приставок и корпуса возникает несоосность поверхности вала и внутренних поверхностей полюсных приставок. При этом критический перепад давлений МЖУ резко уменьшается вследствие того, что рабочий зазор по окружности вала становится неравномерным и появляется азимутальная составляющая градиента магнитного поля. При этом там, где зазор наибольший, магнитное поле ослабляется и пробой магнитожидкостной пробки идет именно в этом месте. Снижение критического перепада давлений и появление азимутальной составляющей градиента магнитного поля приводит к значительному снижению работоспособности МЖУ [1].

Другим недостатком этой конструкции МЖУ является то, что каждая полюсная приставка должна иметь прокладку, герметизирующую статический зазор между ней и корпусом. А это при большом количестве полюсных приставок снижает надежность всего уплотнения, поскольку повышается вероятность нарушения герметичности в одной из прокладок.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности МЖУ путем увеличения критического перепада давлений и обеспечения большей равномерности рабочего зазора по окружности, а также исключения необходимости установки прокладок на каждой полюсной приставке для герметизации статических зазоров между ними и корпусом.

Технический результат достигается тем, что в МЖУ, содержащем корпус, вал, подшипники, два или более магнита, полюсные приставки, концентраторы магнитного поля в виде кольцевых выступов с заостренными краями, магнитную жидкость, согласно изобретению полюсные приставки выполнены в виде втулки с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности, в которые установлены постоянные магниты, состоящие из отдельных магнитов простой формы и размещенных равномерно по окружности в один или более рядов, а концентраторы магнитного поля выполнены на внутренней поверхности втулки или на поверхности вала, обращенной к втулке, причем зазор между втулкой и валом заполнен магнитной жидкостью. Кроме того, на вале под втулкой герметично установлена магнитопроводная цилиндрическая насадка, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля, а зазор между ними и втулкой заполнен магнитной жидкостью. Кроме того, в корпусе на подшипниках установлен полый цилиндр с размещенной в нем втулкой, герметично соединенный с валом и охватывающий магнитопроводную цилиндрическую насадку, установленную герметично в корпусе соосно втулке.

Выполнение полюсных приставок в виде втулки с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности позволяет обеспечить большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки и концентраторами магнитного поля, поскольку при этом увеличивается длина базовой поверхности втулки, по которой она устанавливается в корпусе. А известно, что чем больше длина базовой поверхности, тем больше точность установки сопрягаемых деталей. Кроме того, при этом необходима только одна прокладка для герметизации статических зазоров между втулкой и корпусом, что повышает надежность уплотнения в целом.

Установка на вале под втулкой магнитопроводной цилиндрической насадки, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля, позволяет применять данную конструкцию в случае, если вал выполнен из немагнитопроводной стали.

Установка в корпусе на подшипниках полого цилиндра с размещенной в нем втулкой, герметично соединенного с валом и охватывающего магнитопроводную цилиндрическую насадку, установленную герметично в корпусе соосно втулке, позволяет, во-первых, применять данную конструкцию в случае, если вал выполнен из немагнитопроводной стали, а во-вторых, обеспечивает большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки и концентраторами магнитного поля.

На фиг.1 изображено предлагаемое МЖУ с магнитопроводным валом, а на фиг. 2 и 3 - варианты МЖУ с немагнитопроводным валом.

МЖУ содержит (см. фиг. 1) корпус 1, вал 5, установленный на двух подшипниках 4, полюсные приставки, выполненные в виде втулки 2 с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности, в которые установлены постоянные магниты 3, состоящие из отдельных магнитов простой формы и размещенных равномерно по окружности в один или более рядов. Концентраторы магнитного поля 6 выполнены на поверхности вала 5 или на внутренней поверхности втулки 2. Зазор между втулкой и валом заполнен магнитной жидкостью 7, образующей кольцевые барьеры на каждом концентраторе магнитного поля 2. Статические зазоры между корпусом 1 и втулкой 2 герметизированы с прокладкой 8.

Если вал выполнен из немагнитопроводного материала (например, нержавеющая сталь Х18Н9Т), то (см. фиг.2) на вал 5 под втулкой 2 устанавливается магнитопроводная цилиндрическая насадка 9, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля 6, а зазор между ними и втулкой 2 заполнен магнитной жидкостью 7. Статический зазор между насадкой 9 и валом 5 герметизирован прокладкой 10.

В другом варианте конструкции МЖУ с немагнитопроводным валом (см. фиг.3) в корпусе 1 на подшипниках 4 устанавливается полый цилиндр 11 с размещенной в нем втулкой 2, герметично соединенный с валом через прокладку 12 и охватывающий магнитопроводную цилиндрическую насадку 9, установленную герметично в корпусе 1 соосно втулке 2.

МЖУ работает следующим образом. Основные магнитные потоки (см. фиг.1) от постоянных магнитов 3, установленных в каждую кольцевую проточку на внешней поверхности втулки 2, разветвляются на две составляющие - рабочие потоки (Ф₁, Ф₂, Ф₃), проходящие через рабочий зазор между втулкой 2 и валом 5, и паразитные потоки (Ф₁₀, Ф₂₀, Ф₃₀), проходящие через тело втулки под кольцевой проточкой. Рабочие магнитные потоки обеспечивают требуемую величину магнитного поля, необходимую для удерживания магнитной жидкости в рабочем зазоре. Магнитная жидкость 7 под действием рабочих магнитных потоков образует кольцевые магнитожидкостные барьеры над каждым концентратором магнитного поля 6, которые удерживают действующий перепад давлений. При этом критический перепад давлений (максимальный перепад давлений, удерживаемый МЖУ) пропорционален количеству концентраторов и величине магнитного поля. Паразитные потоки не участвуют в удерживании действующего перепада давлений, поэтому их стремятся уменьшить. Для этого толщину тела втулки под кольцевой проточкой выбирают наименьшей так, чтобы тело втулки в этом месте находилось в состоянии магнитного насыщения. В этом случае величина паразитного потока составляет 10-15% от рабочего потока, что не оказывает существенного отрицательного влияния на критический перепад давлений. Выполнение полюсных приставок в виде втулки позволяет обеспечить 40-50% большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки и концентраторами магнитного поля, поскольку при этом увеличивается длина базовой поверхности втулки, по которой она устанавливается в корпусе. Это приводит к тому, что критический перепад давлений предлагаемой конструкции на 20-30% выше, чем у прототипа при одних и тех же габаритных размерах. Кроме того, в предлагаемой конструкции необходима только одна прокладка для герметизации статических зазоров между втулкой и корпусом, что повышает надежность уплотнения в целом.

Конструкция МЖУ, представленная на фиг.2, работает аналогично, но из-за дополнительной погрешности сопряжения вала 5 и насадки 9, критический перепад давлений этой конструкции только на 5-10% выше, чем у прототипа.

В другом варианте конструкции МЖУ с немагнитопроводным валом (см. фиг.3) установка в корпусе 1 на подшипниках полого цилиндра 11 с размещенной в нем втулкой 2, герметично соединенного с валом 5 и охватывающего магнитопроводную цилиндрическую насадку 9, установленную герметично в корпусе соосно втулке, позволяет обеспечить 50-70% большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки 2 и концентраторами магнитного поля 6. Большая равномерность рабочего зазора по окружности достигается благодаря отсутствию консольной установки втулки 2 относительно подшипников 4, а также возможности технологического исключения погрешности сопряжения корпуса 1 и магнитопроводной цилиндрической насадки 9, которая обеспечивается финишной обработкой посадочных поверхностей корпуса 1 и концентраторов магнитного поля 6 после сборки системы "корпус-цилиндрическая насадка". При этом критический перепад давлений этой конструкции МЖУ на 30-40% выше, чем у прототипа при одних и тех же габаритных размерах.

Увеличение равномерности рабочего зазора и критического перепада давлений позволяет повысить стабильность рабочих характеристик МЖУ во времени, а соответственно их надежность и долговечность [1].

Источники информации
1. Магнитные жидкости в машиностроении. Д.В. Орлов, Ю.О. Михалев, Н.К. Мыцкин и др. - М.: Машиностроение, 1993, 272 с.

2. Патент США 4605233, кл. F 16 J 15/40, 12.08.1986 г.

Магнитожидкостное уплотнение используется для герметизации валов машин и аппаратов в различных отраслях машиностроения. Уплотнение содержит корпус, вал, установленный на двух подшипниках, полюсные приставки, выполненные в виде втулки с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности. В проточки установлены постоянные магниты, состоящие из отдельных магнитов простой формы и размещенные равномерно по окружности в один или более рядов. Зазор между втулкой и валом заполнен магнитной жидкостью, образующей кольцевые барьеры на каждом концентраторе магнитного поля. Если вал выполнен из немагнитопроводного материала, то на вал под втулкой устанавливается магнитопроводная цилиндрическая насадка, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля, или в корпусе на подшипниках устанавливается полый цилиндр с размещенной в нем втулкой, герметично соединенный с валом и охватывающий магнитопроводную цилиндрическую насадку, установленную герметично в корпусе соосно со втулкой. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности уплотнения путем увеличения критического перепада давлений и обеспечения большей равномерности рабочего зазора по окружности, а также исключения необходимости установки прокладок на каждой полюсной приставке для герметизации статических зазоров между ними и корпусом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитожидкостное уплотнение, содержащее корпус, вал, подшипники, два или более магнита, полюсные приставки, концентраторы магнитного поля в виде кольцевых выступов с заостренными краями, магнитную жидкость, отличающееся тем, что полюсные приставки выполнены в виде втулки с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности, в которые установлены постоянные магниты, состоящие из отдельных магнитов простой формы и размещенные равномерно по окружности в один или более рядов, а концентраторы магнитного поля выполнены на внутренней поверхности втулки или на поверхности вала, обращенной к втулке, причем зазор между втулкой и валом заполнен магнитной жидкостью.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности вала под втулкой герметично установлена магнитопроводная цилиндрическая насадка, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля, а зазор между ними и втулкой заполнен магнитной жидкостью.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в корпусе на подшипниках установлен полый цилиндр с размещенной в нем втулкой, герметично соединенный с валом и охватывающий магнитопроводную цилиндрическую насадку, установленную герметично в корпусе соосно втулке.