Вакуумное магнитожидкостное уплотнение вращающегося вала
VACUUM MAGNETIC-LIQUID SEAL OF ROTATING SHAFT

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано в промышленных вакуумных установках для герметизации вращающихся валов.
Существует магнитножидкостное уплотнение патент RU 64725, МПК: F16J 15/40, публ. 05.03.2007, состоящее из магнитного узла, включающего постоянный магнит, к поверхностям которого примыкают два полюса, охватывающие вал, при этом один полюс выполнен составным, причем его подвижная часть собрана из двух скрепленных между собой магнитопроводного и немагнитопроводного колец, а на обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях неподвижной части составного полюса к немагнитопроводного кольца подвижной части составного полюса выполнена резьба.
Недостатком данной конструкции является невозможность автоматического регулирования параметров магнитного поля и момента трения в рабочем зазоре уплотнения, при различной частоте оборотов и соответствующих им окружных скоростях вращения вала, которое необходимо для повышения надежности и ресурса работы уплотнения.
Наиболее близким к предложенному является магнитожидкостное уплотнение авторское свидетельство N91343157 F16J 15/40; 2006 г., содержащее постоянный магнит с полюсными наконечниками, один из которых связан с корпусом упругим элементом с возможностью перемещения вдоль оси вала, а также оно снабжено магнитопроводной втулкой, установлена в корпусе, и немагнитным кольцом, постоянный магнит расположен на наружной поверхности неподвижного полюсного наконечника, контактирующей с подвижным полюсным наконечником, при этом последний выполнен из двух колец с немагнитным кольцом между их торцевыми поверхностями, образующих с магнитопроводной втулкой рабочий зазор, заполненный магнитной жидкостью.
Недостатком данной конструкции является невозможность создания плавного автоматического регулирования величины рабочего зазора и момента трения в нем при работе с разными частотами оборотов вала, необходимое для увеличения надежности и ресурса уплотнения.
Цель изобретения - повышение надежности, ресурса работы и расширение эксплуатационных возможностей вакуумного магнитожидкостного уплотнения при работе с разными частотами оборотов и окружных скоростях вращения вала, за счет создания плавного автоматического регулирования величины рабочего зазора и момента трения в нем.
Поставленная техническая задача решается тем, что два полюсных наконечника выполнены сборными, состоящими из магнитопроводящих неподвижных внешнего и внутреннего колец, имеющих на нижней части цилиндрические выступы с нанесенными на их внутренней поверхности кольцевыми канавками, и направленными на встречу друг другу, при этом на эти выступы опирается внутреннее подвижное кольцо, изготовленное из упругого несжимаемого магнитопроводящего материала. В нижней части подвижного кольца имеется цилиндрический выступ боковые поверхности которого образуют с вершинами этих канавок постоянный зазор величиной 0,1 мм, заполненный магнитной жидкостью.
Внутренняя цилиндрическая поверхность выступа подвижного кольца образует с вершинами кольцевых канавок, выполненных на валу зазор изменяемой величины от 0,1 мм-0,5 мм, заполненный магнитной жидкостью. Внешняя поверхность подвижного кольца имеет полукруглую форму, вершина которой образуете внутренней цилиндрической поверхностью корпуса зазор изменяемой величины в пределах от 0,4 мм до 0 мм, образуя при этом с сопряженными поверхностями неподвижных внешнего и внутреннего колец полюсного наконечника герметичную свободную полость. Свободная полость соединена каналами, выполненными в корпусе с герметичным вакуумным трубопроводом оснащенным датчиком измерения давления, а через вакуумный электромагнитный клапан с постом вакуумной откачки рабочей камеры, а через вакуумный электромагнитный натекатель с атмосферой. При этом датчик измерения давления, электромагнитный клапан и электромагнитный натекатель подсоединены к блоку контроля и автоматического поддержания давления в свободной полости обеих полюсных наконечников.
Оба полюсных наконечника выполнены сборными, состоящими из магнитопроводящих неподвижных внешнего и внутреннего колец, имеющих части цилиндрические выступы, на внутренние стороны которых нанесены кольцевые канавки, при этом на эти выступы опирается внутреннее подвижное кольцо, изготовленное из упругого несжимаемого магнитопроводного материала в нижней части снабженное цилиндрическим выступом, боковые поверхности которого образуют с вершинами этих канавок зазоры величиной 0,1 мм., заполненные магнитной жидкостью, а внутренняя цилиндрическая поверхность выступа подвижного кольца образуете вершинами кольцевых канавок, выполненных на валу зазор изменяемой величины от 0,1 до 0,5 мм., заполненный магнитной жидкостью, а вершина внешней поверхности подвижного кольца, имеющая полукруглую форму образует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса зазор изменяемой величины от 0,4 до 0 мм., образуя при этом с сопряженными поверхностями неподвижных внешнего и внутреннего колец полюсного наконечника герметичную свободную полость.
Свободная полость соединена через каналы в корпусе с герметичным вакуумным трубопроводом оснащенным датчиком измерения давления, через вакуумный электромагнитный клапан с постом вакуумной откачки камеры, а через вакуумный электромагнитный натекатель с атмосферой, при этом вакуумный электромагнитный клапан, вакуумный электромагнитный натекатель и датчик измерения давления соединены с блоком контроля и автоматического поддержания заданного давления в свободной полости обеих полюсных наконечников.
Предлагаемое вакуумное магнитожидкостное уплотнение представлено на фиг.1.
1 - корпус
2 - вакуумная рабочая камера
3 - вал
4 - постоянный магнит
5 - внешнее неподвижное кольцо полюсного наконечника
6 - внутреннее неподвижное кольцо полюсного наконечника
7 - цилиндрические выступы на внутреннем и внешнем кольце
8 - кольцевые канавки
9 - внутреннее подвижное кольцо полюсного наконечника
10 - цилиндрический выступ внутреннего подвижного кольца
11 - магнитная жидкость
12 - свободная полость в полюсном наконечнике
13 - каналы в корпусе
14 - вакуумный герметичный трубопровод
15 - датчик измерения давления
16 - вакуумный электромагнитный клапан
17 - пост вакуумной откачки камеры
18 - вакуумный электромагнитный натекатель
19 - блок контроля и автоматического поддержания давления в свободной полости полюсных наконечников
20 - прижимной фланец
21, 23 - уплотнительные кольцевые прокладки
22 - подшипники
61 - зазор постоянной величины
62 - рабочий зазор переменной величины
63 - зазор ограничительный.
В корпусе 1, присоединенном герметично к вакуумной камере 2, размещено вакуумное магнитожидкостное уплотнение вала 3, вращающегося в подшипниках 22, состоящее из постоянного магнита 4 и двух сборных полюсных наконечников, каждый из которых состоит из неподвижных внешнего 5 и внутреннего 6 колец, изготовленных из магнитопроводного материала и имеющее цилиндрические выступы 7 в нижней части, внутренние стороны которых, с нанесенными на них кольцевыми канавками 8 направлены навстречу друг к другу. При этом на выступы 7 колец 5 и 6 опирается внутреннее подвижное кольцо 9, изготовленное из упругого несжимаемого магнитопроводного материала, в нижней части, имеющее цилиндрический выступ 10, боковые поверхности которого образуют зазоры 61 постоянной величины 0,1 мм. с вершинами кольцевых канавок 8 цилиндрических выступов 7 колец 5 и 6 на которых собирается магнитная жидкость 11. В свою очередь внутреннее цилиндрическая поверхность выступа 10 образует рабочий зазор переменной величины 62 с вершинами кольцевых канавок 8, выполненных на валу 3 и заполненных магнитной жидкостью 11. Постоянный магнит 4 с примыкающими к нему частями 5,6,9 полюсных наконечников и вращающемся уплотняемый вал 3, изготовленный из магнитопроводной стали составляют замкнутую магнитную цепь.
Внешняя поверхность внутреннего подвижного кольца 9 имеет полукруглую форму, вершина которой образуете внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 переменный ограничительный размер 63 равный 0,4 мм при сборке уплотнения. При этом образованная переменная свободная полость 9 в полюсных наконечниках через каналы 13 в корпусе 1 соединена с герметичным вакуумным трубопроводом, оснащенным датчиком измерения давления 15, а через вакуумный электромагнитный клапан 16 с постом вакуумной откачки 17 вакуумной камеры 2, а через вакуумный электромагнитный натекатель с атмосферой. Электромагнитный вакуумный клапан 16, датчик измерения давления 15, электромагнитный вакуумный натекатель 18 соединены с блоком 19 контроля и автоматического поддержания заданной величины давления в свободной полости 12 обеих полюсных наконечников.
Герметизация магнитной системы в корпусе 1 осуществляется прижимным фланцем 20 и уплотнительными кольцевыми прокладками 21, 23.
Вакуумное магнитожидкостное уплотнение вращающегося вала работает следующим образом.
Магнитная система фокусирует и направляет магнитный поток так, чтобы он пересек зазоры 62 между внутренней цилиндрической поверхностью выступа 10 подвижного кольца 9 с валом 3, вращающимся в подшипниках 22, а также зазоры 61 между боковыми поверхностями выступа 10 и внутренними сторонами выступов 7 внешнего 5 и внутреннего 6 неподвижных колец сборных полюсных наконечников. Под действием магнитного поля магнитная жидкость 11 собирается на вершинах кольцевых канавок 8 в местах, где напряженность магнитного поля максимальная, при этом образуются герметичные перемычки из магнитной жидкости 11, которые надежно уплотняют вращающийся вал 3 и цилиндрический выступ 10 подвижного кольца 9.
Известно, что величина момента трения в магнитножидкостном уплотнении обратно пропорциональна величине рабочего зазора 62 между полюсными наконечниками и валом, заполненного магнитной жидкостью.
Поэтому путем плавной автоматической установки необходимой величины рабочего зазора 62, соответствующей заданной частоте оборотов вала 3, создается оптимальный режим работы уплотнения, при котором момент трения и нагрев магнитной жидкости минимальны.
При установленной при сборке минимальным рабочем зазоре 62 равным 0,1 мм., момент трения при вращении вала 3 будет максимальным, что приведет к сильному нагреву магнитной жидкости 11 и уменьшит срок ее службы и ресурс работы уплотнения.
Установка заданной величины рабочего зазора 62 осуществляется за счет перемещения внутреннего подвижного кольца 9 между внутренними поверхностями неподвижных колец 5 и 6 в радиальном направлении к внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1.
Перемещение подвижного кольца 9 происходит под действием на него перепада давлений атмосферного воздуха и пониженного давления в свободной полости 12, созданного с помощью поста вакуумной откачки 17 камеры 2.
За счет разницы давлений внутренний диаметр подвижного кольца 9 будет увеличиваться, передвигая кольцо 9 в радиальном направлении, увеличивая свой внешний диаметр полукруглой формы, при этом сохраняя размеры своего поперечного сечения постоянным.
Величина перемещения подвижного кольца 9 возможна в пределах величины ограничительного зазора 63 от 0,4 мм. до 0 мм. При выравнивании давления в свободной полости и атмосферного воздуха подвижное кольцо 9 под действием силы упругости вернется в исходное положение, при котором рабочий зазор 62 будет 0,1 мм.
При движении подвижного кольца 9 герметизация уплотнения в зазоре постоянной величины 61 равной 0,1 мм. осуществляется с помощью магнитной жидкости 11, размещенной на остриях кольцевых канавок 8, допускающей радиальное смещение в пределах 0,4 мм. без разгерметизации.
Установка пониженного давления в свободной полости 12 и поддержание его значение на постоянном уровне обеспечивается с помощью автоматической системы управления, состоящей из блока контроля и автоматического поддержания давления 19 с соединенным с ним датчиком измерения давления 15;
- вакуумным электромагнитным клапаном 16
- вакуумным электромагнитным натекателем 18.
Понижение давления в свободной полости осуществляется через герметичный трубопровод 14 с помощью поста вакуумной откачки 17 вакуумной рабочей камеры 2 при открытом электромагнитном клапане 16. Напуск атмосферного воздуха в свободную полость осуществляется при открытии вакуумного электромагнитного натекателя 18. Измерение давления в свободной полости происходит с помощью датчика измерения давления 15.
Таким образом подбором величины пониженного давления в свободной полости 12 определяется величина перепада давления, действующего на внутреннее подвижное кольцо 9 составного полюсного наконечника, при которой будет оптимальная величина рабочего зазора 62, соответствующая заданной частоте оборотов вала 3, при которой момент трения и нагрев магнитной жидкости 11 минимальным.
Существенные преимущества предложенного вакуумного магнитожидкостного уплотнения вращающегося вала:
- обеспечение плавного автоматического регулирование величины рабочего зазора и момента трения в уплотнении при вращении вала с разной частотой оборотов;
- повышение надежности и ресурса работы;
- расширение эксплуатационных возможностей уплотнения.
Данное изобретение с наибольшим эффектом можно использовать для герметизации вращающихся валов в вакуумные объемы. Например, в электронном машиностроении в установках вакуумного напыления, ионного легирования, которые применяются в технологических процессах изготовления авиационной и космической техники.