МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ПС 41
MAGNETIC FLUID SHAFT SEAL PS 41

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для уплотнения вращающихся валов.
Известно магнитожидкостное уплотнение (Патент США №3620585, кл. 308-187. 1, 1972), содержащее кольцевой постоянный магнит и полюсные приставки, охватывающие вал. На обращенных к валу поверхностях полюсных приставок расположены прямоугольные зубцы, образующие зазоры с валом, заполненные ферромагнитной жидкостью.
Недостатками указанного уплотнения являются невысокая удерживающая способность, повышенные габариты и момент трения.
Известно магнитожидкостное уплотнение (Ferrofluidics vacuum rotary feedthrough catalog, USA, 1989, стр.55), принятое за прототип, содержащее кольцевой постоянный магнит и полюсные приставки, охватывающие вал. На валу расположен ряд прямоугольных зубцов, образующих зазоры с полюсными приставками, заполненные магнитной жидкостью.
Недостатками указанного уплотнения являются невысокая удерживающая способность, повышенные габариты и момент трения. Недостатки обусловлены тем, что прямоугольная форма не позволяет выполнять зубцы малой толщины. Магнитный поток, выходящий с боковых поверхностей зубца, приводит к стремительному уменьшению индукции в зубцах малой толщины в направлении от основания к его вершине, обуславливая низкую максимальную напряженность поля в рабочем зазоре и низкую удерживающую способность зубца. Уменьшить падение индукции в зубце можно, увеличив толщину зубца, но это приводит к росту магнитного потока, выходящего из горизонтальной поверхности зубца, что отрицательно отражается на размерах источника магнитного поля и магнитожидкостного уплотнения в целом. Увеличение толщины зубца также повышает момент трения уплотнения, т.к. в минимальном зазоре между горизонтальной образующей поверхности зубца и поверхностью вала существуют максимальные градиенты скоростей, соответственно, максимальные напряжения сдвига слоев магнитной жидкости, которые и определяют повышенный момент трения уплотнения.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в повышении удерживаемого перепада давлений, в снижении момента трения и габаритов.
Технический результат достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала, содержащем кольцевую магнитную систему с полюсными приставками, образующими с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью, полюсные приставки и/или вал имеют прямоугольные зубцы, вершины зубцов в аксиальном сечении имеют форму полуокружности, диаметр которой равен ширине зубца, при этом высота зубца больше его ширины.
На фиг.1 изображен общий вид уплотнения, на фиг.2 - изображен зубец, у которого вершина в аксиальном сечении имеет форму полуокружности.
Магнитожидкостное уплотнение устроено следующим образом. К кольцевому постоянному магниту 1 примыкают полюсные приставки 2, на которых расположены зубцы 3. Зубцы образуют с валом 4 зазоры 5, заполненные магнитной жидкостью 6. Зубцы 3 могут также располагаться на поверхности вала 4 и образовывать зазор с полюсными приставками 2 или располагаться на валу 4 и полюсных приставках 2. Вершины зубцов 3 выполнены так, что в аксиальном сечении имеют форму полуокружности, диаметр (D) которой равен ширине зубца (b), при этом высота зубца (h) больше его ширины (h>b) (фиг.2).
Уплотнение работает следующим образом. Постоянный магнит 1 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками 2 подводится к зазору с валом 4. Зубцы 3 полюсных приставок перераспределяют магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость 6 втягивается в области с максимальной напряженностью и образует герметичные пробки с повышенным внутренним давлением.
Каждая магнитожидкостная пробка способна воспринимать перепад давлений, который определяется по формуле:
,
0
где µ - магнитная постоянная,
M - намагниченность магнитной жидкости,
H - напряженность магнитного поля в зазоре,
max
min
H и H - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостной пробки в момент удержания ею максимального перепада давлений.
Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под зубцами.
В предлагаемом уплотнении вершины зубцов в аксиальном сечении имеют форму полуокружности, диаметр которой равен ширине зубца, при этом высота зубца больше его ширины. Такая форма поверхности позволяет максимально (на 30-50%) снизить магнитный поток каждого зубца и сосредоточить его в центральной части рабочего зазора.
Вершины зубцов, имеющие в аксиальном сечении форму полуокружности, диаметр которой равен ширине зубца, при этом высота зубца больше его ширины, изменяют характер магнитогидродинамических процессов в зазоре между вершиной зубца и поверхностью вала. В аналоге и прототипе имеется узкий равномерный зазор, где существуют высокие градиенты скорости сдвига слоев магнитной жидкости, возникают высокие внутренние напряжения, приводящие к повышенному моменту трения уплотнения и разогреву магнитной жидкости. В предлагаемом магнитожидкостном уплотнении величина зазора увеличивается от центра зубца к периферии, что снижает скорости сдвига магнитной жидкости в зазоре и уменьшает момент трения уплотнения и его разогрев.
Таким образом, предлагаемое магнитожидкостное уплотнение позволяет обеспечить повышенную удерживающую способность уплотнения, снизить его момент трения и габариты.