Магнитожидкостная опора вертикального вала

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для повышения надежности и снижения коэффициента трения автономных опор вращающихся вертикальных валов в устройствах непрерывного и продолжительного действия.
Известны плоские упорные подшипники различной конструкции ([1], стр. 198).
Недостатком приведенных выше конструкций подшипников является то, что в опорах с плоско-паралельными поверхностями не может быть обеспечен гидродинамический режим жидкостного  трения и для образования масляного слоя между трущимися поверхностями в них, с помощью насоса, создают избыточное давление, что приводит к дополнительным энергозатратам, увеличению веса, усложнению и удорожанию конструкции, а также к снижению надежности опоры в целом.
Известны магнитные опоры вертикальных валов ([2], стр.180) в которых для центрирования вертикального вала и для передачи на опору возможных небольших радиальных нагрузок осуществляется с помощью тонких полированных цапф, которые свободно входят в графитовые втулки.
Недостатком приведенной выше конструкции является то, что смазывающие свойства графита зависят от наличия на его поверхности адсорбированных пленок воды, масел и др. В сухих газовых средах и вакууме коэффициент трения и износ графита увеличивается.
В подшипниках с пористыми  втулками  для поступления  масла  из пор  подшипник  предварительно  должен разогреться за счет фрикционного тепла, что на стадии пуска создает дополнительные потери на трение увеличивая износ деталей узла.
Известен магнитогидродинамический подшипниковый узел (SU №1712697, от 13.03.89) состоящий из немагнитного вала, корпуса, содержащего кольцевой постоянный магнит с аксиальной намагниченностью с магнитопроводами примыкающими к полюсам и создающие рабочие зазоры трапецеидального сечения, заполненные магнитным маслом. Первый магнитопровод выполнен с наклонным торцом цилиндрической части и выступом переменного радиуса на наружной поверхности, второй магнитопровод с эксцентричным отверстием с одной стороны и выступом с наклонным торцом на внутренней поверхности с другой. Магнитопроводы входят соосно друг в друга и установлены в корпусе. Их торцевые поверхности, а также торцы образуют одновременно кольцевую и сплошную канавки, заполненные магнитным маслом.
Недостатком приведенного выше магнитогидродинамического подшипникового узла является сложность конструкции, низкая надежность, вследствие малой площади контакта магнитного масла с поверхностью вертикального вала, что, в совокупности с возникающими дополнительными потерями в магнитопроводах, снижает устойчивость узла от радиальных и осевых смещений.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является магнитожидкостный подшипник (SU № 1186850 от 04.05.84), содержащий корпус и смонтированный в нем немагнитный вал с упорным кольцевым диском, а также магнитную систему с кольцевыми постоянными магнитами и магнитопроводами и размещенную в зоне полюсных наконечников между рабочими поверхностями диска и корпуса магнитную жидкость.
Недостатком приведенного выше прототипа является сложность конструкции.
Схема работы опоры, представленная в прототипе, будет выполняться лишь частично. Магнитная жидкость это парамагнетик, поэтому под действием магнитного поля постоянного магнита 3, с учетом того, что вал 2 выполнен из немагнитного материала, магнитная жидкость 7 будет стремиться переместиться в области с максимальной величиной магнитного поля, т.е. к/по кольцевым магнитопроводам 4, причем в нижней части вала 2, помимо действия магнитного поля нижнего постоянного магнита 3 на магнитную жидкость 7 будет оказывать влияние и сила тяжести. В результате сил, способствующих удержанию магнитной жидкости 7 в концентричных кольцевых канавках 6 вала 2, особенно в нижней его части, будет недостаточно.
Цель полезной модели – повышение надежности, долговечности и снижение коэффициента трения опоры вертикального вала за счет использования энергии магнитного поля постоянного магнита.
Техническим результатом полезной модели является конструктивное исполнение опоры вертикального вала обеспечивающее гарантированность зазора между контактирующими поверхностями благодаря наличию между ними разделительного слоя состоящего из коллоидного раствора высокодисперсных магнитных частиц помещенного в неоднородное магнитное поле постоянного магнита.
Технический результат достигается за счет того, что магнитожидкостная опора вертикального вала содержащая корпус, вал, постоянный магнит и магнитную жидкость, отличающаяся тем, что в корпусе опоры установлен стакан в который, с зазором заполненным магнитной жидкостью, помещается вертикальный вал, внутри которого размещен постоянный магнит, обеспечивающий его центрирование в магнитной жидкости за счет создаваемого силой неоднородного магнитного поля магнитожидкостного давления, при этом вал и стакан выполнены из антифрикционного материала.
На Фиг. 1 изображена опора общий вид. На Фиг.2 изображена опора в поперечном вертикальном разрезе.
Опора состоит из вала 1, внутри которого размещен постоянный магнит 2. Вал 1 помещен в стакан 3 с зазором, заполненным магнитной жидкостью 4. Стакан 3 располагается в корпусе 5, который может закрепляться на любой плоской поверхности.
Опора работает следующим образом.
Интенсивность износа опор зависит от многих факторов: характера и направления нагрузки, режима движения, частоты и периодичности переходных процессов «пуск-останов», температуры и т.д. Из основных факторов, влияющих на износ выделяют: материалы сопрягаемых поверхностей и физико-химические свойства смазывающего материала.
В существующих конструкциях опор постоянство положения смазочного материала достигается либо его принудительной подачей под давлением в зону фрикционного контакта, либо конструктивными особенностями узла использующим силы инерции, гравитации или вязкости смазочного материала. В этих случаях отсутствуют условия, обеспечивающие как надежность, так и оптимальные условия работы опоры сводящиеся к обеспечению постоянства смазочного материала в зоне трения. Отказ насоса, разбрызгивание или вытекание смазочного материала через неизбежно образовывающиеся со временем дефекты или зазоры в уплотнениях, труднодоступность узла для обслуживания и т.д. могут стать причиной, как сокращения общего ресурса работы вследствие повышенного износа, так и серьезной поломки механизма.
Существуют также опоры сухого трения, в которых контакт обеспечивается благодаря использованию пар материалов с низким коэффициентом трения. Но известно, что, например, коэффициент трения и износ графита, как антифрикционного материала с одним из самых низких коэффициентов трения, увеличивается при его работе в сухих газовых средах или в условиях вакуума, т.к. его смазывающие свойства зависят от наличия на его поверхности адсорбированных пленок воды или масла ([2], стр.149).
Поэтому для надежной и стабильной работы опоры с условием низкого сопротивления трению скольжению необходимо соблюдать условия по материалу и по постоянству смазки в зоне фрикционного контакта.
Стакан 3 и вал 1 в предлагаемой опоре, выполнены из антифрикционного немагнитного материала (например фторопласта, графита, меди, медно-графитового материала и др.), что создает условия для низкого коэффициента трения скольжения в случае возникновения непосредственного физического контакта между стаканом 3 и валом 1. Наличие разделительного слоя магнитной жидкости 4 между валом 1 и стаканом 3, удерживаемого в зазоре от разбрызгивания или вытекания силой магнитного поля постоянного магнита 2, расположенного внутри вала 1, помимо повышения надежности опоры и исключения сухого трения в зоне фрикционного контакта, т.к. известно, что присутствие между двумя движущимися поверхностями жидкой пленки приводит к существенному снижению коэффициента трения, также способствует и самоцентрированию вала 1 в стакане 3 как в статическом состоянии, так и в процессе работы опоры, вследствие создаваемого силой неоднородного магнитного поля постоянного магнита 2 в магнитной жидкости 4 магнитожидкостного давления, которое максимально в области сильных магнитных полей, т.е. вблизи постоянного магнита и убывает по мере удаления от постоянного магнита. Поэтому смещение вала 1, с размещенным в нем постоянным магнитом 2 к одной из стенок стакана 3, приведет к возрастанию давления в области сближения с одной стороны и понижения давления с другой, в результате возникающие силы, в зависимости от намагниченности магнитной жидкости 4, будут стремиться сместить вал 1 обратно, в зону его первоначального равновесного положение расположенного в центре стакана 3.
Предлагаемая магнитожидкостная опора вертикального вала, для увеличения несущей способности и ограничения смещения подвижной части опоры в осевом направлении, может быть выполнена с разгрузкой в виде магнитной опоры размещенной в верхней части вала 1.
Литература
1. С. А. Чернавский. Подшипники скольжения. М., "МАШГИЗ", 1963., 243 с.
2. Опоры осей и валов машин и приборов / Н. А. Спицын, М. М. Машнев, Е. Я. Красновский и др.; Под ред. Н. А. Спицына и М. М. Машнева. - Ленинград: Машиностроение. 1970. - 519 с.