МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
MAGNETIC LIQUID SHAFT SEAL

Предлагаемое изобретение относится к уплотнительной технике и может применяться в машиностроении для уплотнения вращающихся валов.
Широко известны магнитожидкостные уплотнения валов (Авторское свидетельство СССР №420836, МКИ-2, F16J 15/40; авторское свидетельство СССР №881441, МКИ-2, F16J 15/40 и т.д.), в которых магнитная система, состоящая из кольцевого магнита с полюсными приставками, устанавливается по скользящей посадке в корпус, и образует с валом кольцевую полость под магнитную жидкость, причем на поверхностях полюсных приставок и/или вала выполнены различные концентраторы - канавки, зубцы, выступы, перераспределяющие магнитный поток в рабочем зазоре. Недостатками данных уплотнений являются их невысокие удерживающая способность, надежность, ресурс из-за высокой неравномерности зазора.
Известно магнитожидкостное уплотнение вала (Авторское свидетельство СССР, № 1173121 МКИ-2, F16J 15/40), которое наиболее близко по рисунку подходит к предлагаемому изобретению. Уплотнение имеет подшипниковый узел, который центрируюет магнитную систему относительно вала.
Недостатками данного уплотнения являются его невысокие удерживающая способность, надежность, ресурс, технологичность обслуживания, что обусловлено невысокой точностью рабочего зазора между полюсными приставками и валом, повышенным эксцентриситетом вала, высокой напряженностью магнитного поля в зазоре в период хранения уплотнения, сложностью сборки и заправки уплотнения.
Недостатки известных уплотнений обусловлены следующим. Удерживающая способность магнитожидкостного уплотнения во многом зависит от точности выполнения минимального зазора между полюсными приставками и валом и величины эксцентриситета вала относительно полюсных приставок. Как увеличенный зазор, так и увеличенный эксцентриситет приводят к снижению удерживаемого перепада давлений. Эти отрицательные факторы можно уменьшить, повышая класс точности выполнения деталей и уменьшая количество разъемов сопрягаемых поверхностей, обеспечивающих величину рабочего зазора. Если класс точности выполнения деталей определяется обрабатываемым оборудованием, то количество сопрягаемых деталей, определяющих точность выполнения зазора, зависит от конструкции узла и технологии его изготовления. С этой точки зрения известные магнитожедкостные уплотнения недостаточно совершенны.
Ненадежность известных уплотнений заключается в использовании в их конструкции статических резиновых уплотнителей, предназначенных для исключения утечки уплотняемой среды между корпусом и полюсными приставками. При уплотнении химически агрессивных сред, при пониженных и повышенных температурах, при длительных временных периодах, когда начинается естественное старение резины, резиновые уплотнители являются слабым звеном, снижающим надежность уплотнения в целом.
Низкие надежность и ресурс уплотнений обусловлены также тем, что в периоды складского хранения, когда уплотнение не выполняет свое функциональное предназначение - не работает, и вал не вращается, магнитная жидкость не перемешивается, в то же время находится под постоянным воздействием сильного неоднородного магнитного поля в рабочем зазоре. Это способствует ее перераспределению и преждевременному старению, что также снижает надежность и ресурс уплотнения.
Низкая технологичность обусловлена трудностями процесса сборки и заправки уплотнений, когда перекос и недостаточное сжатие резиновых уплотнителей вызывает необходимость дополнительной переборки уплотнения.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении удерживаемого перепада давлений, надежности, ресурса, технологичности обслуживания магнитожидкостных уплотнений. Это достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала, содержащем постоянный магнит, полюсные приставки, магнитную жидкость в зазоре уплотнение - вал, подшипниковый узел, полюсные приставки жестко соединены между собой через немагнитную втулку и корпусом подшипникового узла, размещенного на уплотняемом валу, а магнит и полюсные приставки заключены в съемную гильзу, при этом полюсные приставки на обращенных друг к другу поверхностях имеют фаски. Кроме этого, в рабочем состоянии магнит и полюсные приставки заключены в гильзу, выполненную из немагнитного материала, а в складском состоянии - в гильзу, выполненную из магнитопроводящего материала, имеющую кольцевую проточку.
На фиг.1 показано предлагаемое магнитожидкостное уплотнение, на фиг.2 - положение магнитной жидкости в рабочем зазоре уплотнения, на фиг.3 - показано магнитожидкостное уплотнение традиционной конструкции.
Уплотнение устроено следующим образом. Магнитная система уплотнения состоит из двух полюсных приставок 1, которые жестко соединены между собой в единое целое через немагнитную втулку 2. Соединение полюсных приставок и немагнитной втулки может быть выполнено, допустим, с помощью сварки, клея и т.д. Между полюсными приставками расположен постоянный магнит 3, который может быть выполнен в виде полуколец, цилиндров, призм и т.п., равномерно размещенных по окружности. Полюсные приставки жестко соединены также с корпусом 4 подшипникового узла и центрируются относительно вала 5 подшипниками 6. На обращенных друг к другу поверхностях полюсных приставок и/или вала выполнены зубцы 7, перераспределяющие магнитный поток в зазоре. Зазор между полюсными приставками и валом заполнен магнитной жидкостью 8. Снаружи магнит и полюсные приставки заключены в съемную гильзу 9. Уплотнение укомплектовано двумя гильзами 9, одна из которых выполняется из немагнитного материала, а вторая из магнитопроводящего. Немагнитная гильза устанавливается, когда уплотнение находится в рабочем состоянии, а гильза из магнитопроводящего материала - когда уплотнение находится в режиме складского хранения. Гильза, выполненная из магнитопроводящего материала, имеет кольцевую проточку 10, глубина которой определяет величину магнитного потока, проходящего через втулку, а следовательно, величину напряженности магнитного поля в рабочем зазоре. На кромках обращенных друг к другу поверхностей полюсных приставок выполнены фаски 11, облегчающие ввод постоянных магнитов в систему в процессе сборки уплотнения.
Уплотнение работает следующим образом. Постоянный магнит 3 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками 1 подводится к зазору между полюсными приставками и вращающимся валом. Зубцы полюсных приставок перераспределяют рабочий магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость 8 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
0
max
min
где µ - магнитная постоянная, М - намагниченность магнитной жидкости, Н - напряженность магнитного поля в зазоре, Н и H - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостной пробки в момент удержания ею максимального перепада давлений (фиг.2).
Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под зубцами.
В предлагаемом изобретении полюсные приставки 1 жестко объединены между собой через немагнитную втулку 2 в единое целое, а также с корпусом 4 подшипникового узла. Получается одна неразъемная деталь, у которой посадочные поверхности подшипников и поверхности зубцов на полюсных приставках выполняются на токарном станке за одну установку. Это позволяет по сравнению с известными уплотнениями (фиг.3) повысить точность выполнения сопрягаемых поверхностей и их соосность, исключить из узла одно из имеющихся соединений сопрягаемых деталей (соединение между корпусом уплотнения и полюсными приставками), и при одних и тех же исходных параметрах более чем на треть повысить точность выполнения зазора и снизить эксцентриситет вала. В магнитожидкостном уплотнении минимальный рабочий зазор обычно задается около 0,1 мм и меньше. При изготовлении деталей по выбранному классу точности в действительности после сборки зазор может отклоняться от заданного в большую или меньшую сторону. Отклонение зазора от расчетного как в ту, так и в другую сторону отрицательно сказывается на работе уплотнения. Увеличение зазора приводит к снижению максимальной напряженности магнитного поля под зубцами и уменьшению удерживаемого перепада давлений. Уменьшение зазора приводит к перенасыщению стали кромок зубцов и перераспределению магнитного поля под зубцами, что отрицательно сказывается на удерживаемом перепаде и ресурсе магнитной жидкости в уплотнении. Повышенный эксцентриситет нарушает равномерность зазора по окружности. С одной стороны зазор получается уменьшенным, с другой - увеличенным. Последствия изменения зазора при эксцентриситете такие же, как описаны выше. Кроме этого, эксцентриситет вызывает перераспределение магнитного поля по окружности вала, а соответственно, перераспределение по окружности объема магнитной жидкости. В зоне наибольшего зазора объем магнитожидкостной пробки уменьшается, что способствует дополнительному снижению удерживающей способности уплотнения.
Предлагаемое изобретение позволяет, кроме увеличения удерживаемого перепада давлений, также повысить надежность и технологичность сборки уплотнения, исключив из конструкции резиновые кольца, устанавливаемые между полюсными приставками и корпусом, которые могут приходить в негодность при герметизации химически агрессивных сред, повышенных и пониженных температурах, при неаккуратной сборке и разборке уплотнения.
В предлагаемом уплотнении надежность и ресурс повышаются также благодаря использованию двух съемных гильз 9, выполненных из материалов с разной магнитной проводимостью. В рабочем состоянии уплотнения используется гильза, выполненная из немагнитного материала. Гильза не влияет на магнитное поле уплотнения, в то же время предотвращает попадание снаружи магнитопроводящих предметов в зону расположения магнитов, что обеспечивает стабильность магнитного поля в зазоре и технических характеристик уплотнения. В период складского хранения уплотнения используется магнитопроводящая гильза. В этом случае, кроме защитных функций, гильза замыкает через себя часть магнитного потока системы, тем самым снижает напряженность магнитного поля в рабочем зазоре, где находится магнитная жидкость. Регулировать величину потока, проходящего через гильзу, можно толщиной гильзы и глубиной кольцевой проточки 10 в гильзе. Чем толще гильза и меньше глубина кольцевой проточки, тем меньше магнитный поток, проходящий через рабочий зазор. Напряженность магнитного поля в зазоре можно снизить довольно существенно, до уровня, только, чтобы жидкость не вытекала из зазора. Такой режим хранения уплотнения, с существенно ослабленным полем в зазоре, не вызывает процессов перераспределения и, следовательно, старения магнитной жидкости, обеспечивает сохранность исходных технических характеристик уплотнения, увеличивает его общий ресурс.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить удерживаемый перепад давлений, надежность, ресурс, технологичность обслуживания магнитожидкостных уплотнений.