СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК F16J15/00 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений, в частности, эксплуатируемых в агрессивных средах.

Известна конструкция уплотнения неподвижного соединения [Патент РФ №2175416, МПК F16J 15/14, опубл. 27.10.2001], в котором на обращенных друг к другу поверхностях фланцев выполнены взаимно сопрягаемые канавки, образующие кольцевую полость, в которой установлено упругое тонкостенное непроницаемое С - образное в осевом сечении уплотнительное кольцо. Уплотнительное кольцо касается своими выпуклыми участками поверхностей полости, принадлежащих обоим фланцам. Полость заполнена ферромагнитной жидкостью и в ней размещена кольцевая электромагнитная система, сердечник которой выполнен из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. При этом электромагнитная система имеет схему управления, состоящую из блока питания, датчиков и преобразующего устройства. Кроме того, фланец содержит систему сквозных каналов для заполнения кольцевой полости ферромагнитной жидкостью.

К недостаткам известной конструкции следует отнести сложность обеспечения соответствия величин намагниченности ферромагнитной жидкости, формируемой при непосредственном индуцировании, и в условиях остаточной индукции, а также сложность изготовления системы каналов, усложняющих конструкцию соединения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому оказывается способ герметизации, реализованный магнитожидкостным герметизатором [Патент Украины №72005, МКИ F16J 15/40 Магнитожидкостное уплотнение. Виноградов А.Н, Радионов А.В., Белый В.Ф. и др. // Бюл. - 17.01.2005 - №1]. Промышленно выпускаемые конструкции таких герметизаторов представляют собой кольцеобразную форму, состоящую из постоянных магнитов и прижатых к их полюсам магнитопроводов - полюсных наконечников, охватывающих вал. Магнитное поле замыкается через вал и зазоры между полюсными наконечниками и валом, удерживая в них втягивающуюся туда магнитную жидкость. Этот слой магнитной жидкости, являясь своеобразным жидким сальником, полностью заполняет зазоры, оказывая герметизирующее действие и удерживая перепад давлений. Кроме того, магнитная жидкость выталкивает наружу попадающие в зазор немагнитные частицы.

Недостатком изобретения следует считать невозможность исключения процессов проникновения герметизируемой среды в пределы стыка поверхностей деталей по диффузионному и дислокационному механизмам, что обусловливает химические реакции их поверхностного разрушения и снижает герметичность.

Задача изобретения - создание на стыке соединяемых деталей условий, при которых обеспечивается структурная сепарация герметизируемой среды и последующее удаления сорбированных молекул из зоны контактного взаимодействия поверхностей деталей соединения, что исключает их химическую активацию и разрушение.

Технический результат - повышение герметичности и долговечности неподвижных разъемных соединений

Это достигается тем, что в способе обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений, включающем использование в качестве герметизатора магнитореологического композита, состоящим из магнитной жидкости и сорбента, взаимодействующего с молекулами герметизируемой среды, при сборке формируют винтовой канал, образуемый сопрягаемыми поверхностями деталей, который заполняют магнитореологическим композитом и помещают соединение в неоднородное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого устанавливают по касательной к виткам канала; при этом втулка содержит резервную полость, П-образный паз и отводящий канал, выходящие в межвитковое пространство. Состав сорбента в магнитореологическом композите подбирают по сорбции веществ, входящих в состав герметизируемой среды.

На чертеже показана конструкция герметизирующего устройства, реализующая заявляемый способ обеспечения герметичности.

В предложенной конструкции герметизирующего устройства вал 1 изготовлен с глухой винтовой нарезкой, а во втулке 2 имеется П-образный паз 3, длина которого устанавливается кратной шагу резьбы на валу, с выходом в межвитковое пространство.

По мере сборки соединения «вал-втулка» в зазор, образованный впадинами резьбы и гладкой поверхностью втулки (канал), вводят магнитореологический композит, представляющий собой взвесь сорбента в магнитной жидкости 4. Сорбент и жидкость вводятся через штуцер 5, сообщающийся с П-образным пазом во втулке, и контролируют степень заполнения канала по критерию давления. По мере выполнения сборки магнитная жидкость и сорбент заполняют также резервную полость 6, сообщающуюся с П-образным пазом и атмосферой.

Соединение помещают в неоднородное переменное магнитное поле индуктора 7, вектор магнитной индукции которого устанавливают по касательной к виткам резьбы на валу.

По мере износа контактной поверхности деталей соединения, проникающая в пределы стыка герметизируемая среда вступает в химическую реакцию с сорбентом, вследствие чего объем и масса частиц последнего возрастает. Это приводит к появлению вблизи частицы сорбента поля гидростатического давления, что влечет за собой изменение конфигурации линий магнитной индукции и обусловливает механострикционный эффект в магнитной жидкости. Последняя, находясь в индуцированном состоянии, способствует выталкиванию частицы сорбента по направлению силовых линий магнитной индукции по винтовой линии в направлении отводящего канала 8 с обратным клапаном, расположенным нормально продольной оси соединения и выходящего в межвитковое пространство.

Следует заметить, что молекулы внешней (герметизируемой) среды, попавшие на поверхность стыка по различным механизмам (вследствие межфазной диффузии, дислокационного перемещения, адсорбции и др.) находятся в состоянии, отличном от объемного. Можно предположить также, что при взаимодействии с мономолекулярными поверхностными слоями и пленками, отличающимися реакционной активностью, внешняя среда способна привести к образованию новых структурных соединений, оказывающихся устойчивыми к механическому нагружению, или же, наоборот, обладающими подвижностью на поверхностях стыка.

В поле высоких контактных давлений и малых размеров структурных несплошностей - коллекторов герметизируемой среды, масштаб представления ее объемов в приповерхностном слое имеет отрицательный градиент. Это способно стать одной из причин изменения физических или химических свойств среды по мере уменьшения размеров ее структурных составляющих вследствие возрастания в них относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях, чем атомы объемной фазы.

Как известно, с энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию доли поверхностной энергии в ее химическом потенциале. Это обусловлено тем, что со стороны объема жидкости или твердого тела у краевых молекул имеются свободные связи, что создает предпосылки для компенсации свободных сил сцепления за счет взаимодействия с молекулами поверхностных слоев металлических материалов деталей соединения.

Таким образом, при малых объемах проникающих на поверхность стыка молекул герметизируемой среды и их деструкции вследствие высоких контактных давлений и температуры трения, герметичность соединения представляется возможным обеспечить в стадиях молекулярного разделения фаз герметизируемой (конверсионной) среды за счет взаимодействия ее структурных компонентов, например с сорбентом, а затем, с учетом меняющейся характеристики сорбента во внешне индуцированном магнитном поле, при последующей избирательной эвакуации за пределы стыка.

Состав сорбента при этом должен представлять собой композиционную структуру, адаптированную к элементному составу герметизируемой (конверсионной) среды, а сам сорбент при определенных условиях может выступить в качестве катализатора химических реакций.

При многофазном представлении герметизируемой среды каждая фаза является сорбатом, который вследствие химического взаимодействия поглощается сорбентом. Механическая характеристика молекулярного взаимодействия для каждого сорбата оказывается различной, а, следовательно, - и средняя продолжительность сорбции молекул разного вида различается.

В конечном итоге, вещество той фазы, которая в силу особенностей своего химического строения будет взаимодействовать с сорбентом сильнее, отделится от другой фазы несколько раньше. Этому способствкют адиабатические процессы на поверхностях стыка соединения деталей, приводящие к деструкции молекулярной структуры герметизируемой среды, а также химические реакции, в результате которых образуются конверсионные пленки с разной характеристикой адгезионного взаимодействия.

Каждый из сорбатов подбирается исходя из реакции только с одним структурным (или фазовым) элементом герметизируемой среды и полной химической индифферентностью к остальным сорбатам, подобранным в структуре композита.

При скорости движения элюента (герметизируемой среды) фактически приближающейся к нулю в соединениях с натягом при допущении статичности магнитной жидкости (движение магнитной жидкости происходит только при определенных условиях для эффекта магнитострикции), эффективность сорбции оказывается прямо пропорциональной длине стыка (периоду пребывания сорбата в пределах области контактного взаимодействия поверхностей.

Процесс сорбции в принятой модели протекает в благоприятных условиях для роста скорости продольной и поперечной молекулярной диффузии разделяемых веществ, учитывая неподвижность магнитной жидкости до появления магнитострикционного эффекта.

Роль магнитного поля проявляется в стадии эвакуации частиц сорбента за счет их магнитной сепарации и реологических эффектов уплотнения магнитной жидкости. Неоднородное магнитное поле втягивает магнитный момент и, естественно, твердую частицу в область более сильного поля, заставляя ее двигаться в направлении градиента магнитного поля.

При этом поле напряжений для частиц с разной магнитной восприимчивостью χ оказывается различным, что обусловливает разные величины их линейного перемещения магнитной жидкостью по направлению приложенного внешнего магнитного поля.

Из уровня техники известно, что с повышением магнитной восприимчивости на частицу сорбента оказывает влияние магнитогидродинамическая сила f_m, обусловливающая появление градиента давлений (согласно уравнений Максвелла):

f_m=µ₀MgradH=-µ₀χ

где µ₀ - магнитная постоянная, М - намагниченность частицы сорбента, Н - напряженность магнитного поля.

Уменьшение размера сорбируемых частиц, а также увеличение со временем сорбции молярной массы частиц сорбента приводят к увеличению магнитной восприимчивости. Известно, что магнитная восприимчивость оказывается тем выше, чем больше свободных радикалов образуется в пределах контактной зоны и тем самым зависит от эффективности сорбционного процесса:

χ=χ_удm,

где χ_уд - удельная магнитная восприимчивость, m - молекулярная масса вещества.

Кроме того, разная магнитная восприимчивость частиц сорбента в фазовом спектре создает условия, при которых в верхних слоях концентрируются немагнитные (например, диамагнитные) частицы высокой плотности (медные, свинцовые и др.), а в центре происходит концентрация сорбента газовой составляющей герметизируемой среды.

Таким образом, частицы сорбента в анизотропной магнитной жидкости оказываются полеориентированными по отношению к поверхности втулки, вследствие чего, попадая на обратный клапан, создают давление, большее, чем оно создано в объеме резьбового канала. При этом по мере накопления частиц сорбента и повышения тем самым давления до установленного значения, обратный клапан открывается и частицы сорбента удаляются из соединения. При этом происходит заполнение резьбового канала сорбентом и магнитной жидкостью из резервной полости. При ориентации силовых линий магнитной индукции о касательной к виткам канала возникает компонента скорости частиц сорбента и процесс эвакуации становится непрерывным.

Способ реализуется в следующей последовательности. Собирают соединение «вал-втулка» с регламентированными условиями взаимозаменяемости (посадкой соединения). В зазор через штуцер, образованный впадинами резьбы и гладкой поверхностью втулки, вводят магнитореологический композит и контролируют степень заполнения канала по критерию давления.

Магнитореологический композит представляет собой взвесь компонентов в соотношении: 38-42% магнитной силоксановой жидкости с магнетитом (размер частиц магнетита 10-20 10^-9 м)+(в равных долях) глинозем (оксид алюминия), перманганат калия и бентонит, насыщенный метанолом (54 г бентонита насыщаются 3,0 г метанола).

Герметизируемая среда - дизельные пары (диоксид азота) и углеводороды (гидравлическое масло). Температура окружающей среды +20°С, при влажности - 40%.

Соединение помещали в барокамеру, заполненную герметизируемой средой, и создающей перепад давления 0,15 МПа. Барокамера помещалась в переменное магнитное поле индуктора напряженностью 800 кА/м, при этом вектор магнитной индукции ориентировали по касательной к виткам резьбы на валу.

По результатам спектрального анализа (хроматограммам), снятыми с поверхности вала в контактной зоне, установлено уменьшение концентрации частиц герметизируемой среды в 5-6 раз, по сравнению с образцами валов соединений, прошедшими испытание в аналогичных условиях без герметизирующей среды. При этом зафиксировано отсутствие на поверхности следов коррозионного разрушения, что имело место в соединениях типовой конструкции.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений, в частности, эксплуатируемых в агрессивных средах. В неподвижном соединении, включающем вал и втулку, при сборке формируют винтовой канал, образуемый сопрягаемыми поверхностями деталей, который заполняют магнитореологическим композитом, состоящим из магнитной жидкости и сорбента, взаимодействующего с молекулами герметизируемой среды. Помещают соединение в неоднородное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого устанавливают по касательной к виткам канала; при этом втулка содержит резервную полость, П-образный паз и отводящий канал, выходящие в межвитковое пространство. Технический результат заключается в повышении герметичности и долговечности неподвижных разъемных соединений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений, включающий использование в качестве герметизатора магнитную жидкость, отличающийся тем, что в неподвижном соединении, включающем вал и втулку, при сборке формируют винтовой канал, образуемый сопрягаемыми поверхностями деталей, который заполняют магнитореологическим композитом, состоящим из магнитной жидкости и сорбента, взаимодействующего с молекулами герметизируемой среды, и помещают соединение в неоднородное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого устанавливают по касательной к виткам канала; при этом втулка содержит резервную полость, П-образный паз и отводящий канал, выходящие в межвитковое пространство.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что состав сорбента в магнитореологическом композите подбирают по сорбции веществ, входящих в состав герметизируемой среды.