МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА Российский патент 2007 года по МПК F16J15/43 

Предлагаемое изобретение относится к уплотнительной технике и может применяться в машиностроении для уплотнения вращающихся валов.

Известны магнитожидкостные уплотнения валов [Авторское свидетельство СССР 420836, МКИ-2, F16J 15/40; авторское свидетельство СССР 631726, МКИ-2, F16J 15/40; авторское свидетельство СССР 962707, МКИ-2, F16J 15/40 и авторское свидетельство СССР 881441, МКИ-2, F16J 15/40], в которых магнитная система, состоящая из кольцевого магнита с полюсными приставками, образует с валом кольцевую полость под магнитную жидкость, причем на поверхности полюсных приставок и/или вала выполнены различные элементы (канавки, зубцы, выступы), перераспределяющие магнитный поток в рабочем зазоре. Недостатками данных уплотнений являются их невысокие надежность и ресурс, что обусловлено присутствием в рабочем зазоре зон с повышенной напряженностью магнитного поля, разрушающих магнитную жидкость.

Известно магнитожидкостное уплотнение валов [Авторское свидетельство СССР 2219400, МКИ-2, F16J 15/40 (прототип)], в котором магнитная система состоит из магнита с кольцевыми полюсными приставками. Зазор между полюсными приставками и валом заполнен магнитной жидкостью. На поверхностях полюсных приставок и/или вала размещены концентраторы магнитного поля, образующие в зазоре барьеры из магнитной жидкости.

Недостатками данного уплотнения являются невысокие надежность и ресурс, что обусловлено присутствием в рабочем зазоре около кромок перераспределяющих магнитный поток концентраторов зон с повышенной напряженностью магнитного поля, разрушающих магнитную жидкость.

Магнитная жидкость представляет собой коллоидный раствор магнитных частиц в жидкости-носителе. Каждая частичка имеет размер порядка 100 Å, что меньше одного домена, поэтому частичка является двухполюсным постоянным магнитом, покрытым защитной оболочкой. Защитная оболочка ограничивает сближение отдельных частиц и не позволяет им слипаться. Энергии броуновского движения достаточно, чтобы коллоидный раствор находился в устойчивом состоянии и не расслаивался в течение длительного промежутка времени. При помещении магнитной жидкости в уплотнение, где существует магнитное поле, силы взаимодействия между частицами возрастают. У защитных оболочек частиц существует предел прочности, превышение которого приводит к тому, что оболочки разрушаются, частички слипаются и выпадают в осадок, нарушается устойчивость магнитной жидкости. В магнитожидкостном уплотнении нарушение устойчивости магнитной жидкости приводит к его разгерметизации.

Для каждой магнитной жидкости существует критическое значение максимальной напряженности магнитного поля Н_кр, до которого магнитная жидкость сохраняет свою устойчивость. Превышение критического значения напряженности приводит к потере устойчивости магнитной жидкости.

Все магнитожидкостные уплотнения создаются исходя из параметров используемой жидкости. Удерживаемый уплотнением перепад давлений, допустим, с зубцами на полюсной приставке и гладким валом, определяется распределением напряженности магнитного поля на поверхности вала. При проектировании уплотнения следят, чтобы максимальная напряженность поля в зазоре Н_max (в данном случае на поверхности вала) не превышала Н_кр, что обеспечивает устойчивость магнитной жидкости в уплотнении и его работоспособность в течение продолжительного промежутка времени.

Исследование магнитного поля в рабочем зазоре уплотнения на основе численных методов показало, что в зазоре около кромок полюсных приставок и вала существуют зоны с напряженностью магнитного поля, существенно превышающей Н_max на поверхности вала в зазоре. Магнитная жидкость, попадающая в эти зоны, разрушается и выпадает в осадок. На ее место втягивается другая жидкость, которая также под воздействием чрезмерной напряженности поля разрушается. Данный процесс продолжается до тех пор, пока при определенном проценте разрушившейся жидкости не произойдет пробой уплотнения.

Если при создании уплотнения снизить напряженность магнитного поля в зазоре, исходя из того, чтобы напряженность поля в этих зонах не превышала Н_кр, применяемой магнитной жидкости, то энергия магнитной системы существенно недоиспользуется, и уплотнение будет иметь увеличенные массу и габариты.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности и ресурса работы магнитожидкостного уплотнения. Это достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала, содержащем магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и полюсных приставок, образующих с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью, на кромки полюсных приставок и/или вала, контактирующих с магнитной жидкостью, нанесено немагнитное покрытие.

На фиг.1 2, 3 показаны варианты выполнения уплотнения, на фиг.4 и 5 показаны полюсная приставка и вал - зубцы с немагнитным покрытием на кромках, на фиг.6 - положение магнитной жидкости в рабочем зазоре уплотнения, на фиг.7 - графическое представление распределения напряженности магнитного поля в зазоре на поверхности вала, поверхности полюсной приставки с зубцами без покрытия и с немагнитным покрытием кромок.

Уплотнение устроено следующим образом. В корпусе 1 установлен постоянный магнит 2 с примыкающими к нему полюсными приставками 3 (фиг.1). На поверхностях полюсных приставок, обращенных к валу 4, выполнены концентраторы магнитного потока - зубцы 5. Зазоры между концентраторами магнитного потока полюсных приставок и валом заполнены магнитной жидкостью 6. Концентраторы магнитного потока могут выполняться на поверхности полюсных приставок (фиг.1), на поверхности вала (фиг.2), на поверхностях полюсных приставок и вала (фиг.3). На кромки концентраторов, контактирующих с магнитной жидкостью, нанесено немагнитное покрытие.

Уплотнение работает следующим образом. Постоянный магнит 2 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками 3 подводится к зазору между полюсными приставками и вращающимся валом. Концентраторы магнитного потока полюсов 5 перераспределяют рабочий магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость 6 втягивается под зубцы, где поле имеет максимальную напряженность и образует герметичные пробки с повышенным внутренним давлением. Каждая магнитожидкостная пробка способна воспринимать перепад давлений, который определяется по формуле:

где μ₀ - магнитная постоянная,

М - намагниченность магнитной жидкости,

Н - напряженность магнитного поля в зазоре,

H_max и H_min - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостной пробки в момент удержания ею максимального перепада давлений (фиг.6).

Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под зубцами.

В предлагаемом изобретении на кромки полюсных приставок и/или вала, контактирующих с магнитной жидкостью, нанесено немагнитное покрытие. Толщина немагнитного покрытия выбирается таким образом, чтобы зона повышенной напряженности магнитного поля на кромках зубцов (фиг.7) оказалась внутри немагнитного покрытия, а на поверхности покрытия отсутствовали следы всплесков напряженности поля. Магнитная жидкость, находящаяся в зазоре уплотнения, изолирована от зоны с повышенной напряженностью магнитного поля, следовательно, не происходит ее постепенного разрушения, магнитная жидкость сохраняет свою работоспособность. Следует отметить, что наносить немагнитное покрытие можно не на все кромки полюсных приставок и/или вала, а только на те, которые контактируют с магнитной жидкостью. При близко расположенных кромках полюсных приставок и/или вала немагнитные покрытия на них могут сливаться, как показано на фиг.5. Немагнитное покрытие не влияет на распределение магнитного поля в зазоре, поэтому удерживающая способность уплотнения сохраняется.

Таким образом, в предлагаемом уплотнении зоны с чрезмерно высокой напряженностью поля в зазоре оказываются внутри немагнитного покрытия и не оказывают разрушающего действия на магнитную жидкость, при этом магнитожидкостное уплотнение сохраняет свою работоспособность. Следовательно, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность и ресурс магнитожидкостных уплотнений.

Магнитожидкостное уплотнение вала предназначено для герметизации вращающихся валов в машиностроении. Магнитожидкостное уплотнение вала содержит магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и полюсных приставок, охватывающих и образующих с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью. Образующие зазор поверхности полюсных приставок и/или вала имеют концентраторы магнитного потока, выполненные в виде зубцов, выступов или образованные сопряженными канавками. На кромки полюсных приставок и/или вала, контактирующих с магнитной жидкостью, нанесено немагнитное покрытие. Изобретение позволяет повысить надежность и ресурс магнитожидкостных уплотнений. 7 ил.

Магнитожидкостное уплотнение вала, содержащее магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и полюсных приставок, охватывающих вал и образующих с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью, при этом образующие зазор поверхности полюсных приставок и/или вала имеют концентраторы магнитного потока, выполненные в виде зубцов, выступов или образованные сопряженными канавками, отличающееся тем, что на кромки полюсных приставок и/или вала, контактирующих с магнитной жидкостью, нанесено немагнитное покрытие.