МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА С ПОНИЖЕННЫМ МОМЕНТОМ ТРЕНИЯ
MAGNETIC LIQUID SEAL OF SHAFT WITH REDUCED FRICTION TORQUE

Предлагаемое изобретение относится к уплотнительной технике и может применяться в машиностроении для уплотнения вращающихся валов.
Широко известны магнитожидкостные уплотнения валов, например, «Вакуумное уплотнение» (авторское свидетельство СССР №420836, МПК F16J 15/40, 1974 г.), «Магнитожидкостное уплотнение» (авторское свидетельство СССР №631726, МПК F16J 15/40, 1978 г.), «Магнитно-жидкостное уплотнение» (авторское свидетельство СССР №881441, МПК F16J 15/40, 1981 г.), в которых магнитная система, состоящая из кольцевого магнита с полюсными приставками, образует с валом кольцевую полость под магнитную жидкость, причем на поверхностях полюсных приставок и/или вала выполнены различные элементы (канавки, зубцы, выступы и т.д.), перераспределяющие магнитный поток в рабочем зазоре.
Недостатками данных уплотнений являются повышенный момент трения, что обусловлено шероховатостью поверхностей полюсных приставок, вала и их элементов.
Известно также магнитожидкостное уплотнение вала (патент РФ №2353840, МПК F16J 15/43, 2009 г.), принятое за прототип, в котором магнитная система уплотнения состоит из постоянного магнита и полюсных приставок, охватывающих вал и образующих с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью, при этом образующие зазор поверхности полюсных приставок и/или вала имеют концентраторы магнитного потока, выполненные в виде зубцов, выступов, а кромки полюсных приставок и вала, контактирующие с магнитной жидкостью, закруглены.
Данное уплотнение имеет тот же недостаток - повышенный момент трения. При изготовлении деталей магнитожидкостных уплотнений на их поверхностях образуется множество микроскопических выступов и впадин, величина и количество которых определяют шероховатость поверхностей (Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1. - М.: Машиностроение, 1992 г., 816 с.). Неровная форма поверхностей приводит к тому, что около магнитопроводящей поверхности происходит перераспределение напряженности магнитного поля (Исследование магнитного поля в рабочем зазоре с шероховатой магнитопроводящей поверхностью трения электромеханического устройства. Вестник ИГЭУ, №2, 2012, с.36-39). Выступы концентрируют магнитный поток, около выступов образуются зоны с повышенной напряженностью магнитного поля (фиг.1). Напряженность поля около выступов может в несколько раз превышать среднюю напряженность поля в зазоре. Во впадинах напряженность поля ослаблена. При удалении от поверхностей неоднородность магнитного поля, обусловленная шероховатостью поверхности, постепенно ослабевает и исчезает. Толщина слоя, в котором существует неоднородность напряженности магнитного поля, определяется шероховатостью поверхности. По сравнению с размерами частиц жидкости, области неоднородного поля имеют значительные размеры. Так неровности шероховатой поверхности высотой порядка 1,25÷2,5 мкм в 100÷250 раз превышают размеры частиц магнитной жидкости. В магнитном поле частицы выстраиваются в цепочки. Цепочки ориентируются по линиям магнитного поля. Сила взаимодействия частиц в цепочке друг с другом и с магнитопроводящей поверхностью пропорциональна напряженности магнитного поля, в котором они находятся. Цепочки из частиц замыкаются на выступы шероховатой поверхности и прочно с ними сцепляются. Прочные цепочки из частиц, сцепленные с выступами поверхности, обуславливают повышенные момент страгивания и момент трения магнитожидкостного уплотнения.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в уменьшении момента трения, момента страгивания, разогрева и в увеличении ресурса работы магнитожидкостного уплотнения.
Технический результат достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала с пониженным моментом трения, содержащем магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и полюсных приставок, охватывающих вал и образующих с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью, при этом образующие зазор поверхности полюсных приставок и/или вала имеют концентраторы магнитного потока, выполненные в виде зубцов или выступов с закругленными кромками, поверхности полюсных приставок, концентраторов и вала, контактирующие с магнитной жидкостью, подвергнуты пластическому поверхностному деформированию твердосплавным, керамическим или алмазным выглаживателем.
На фиг.1 показан фрагмент шероховатой магнитопроводящей поверхности вала.
На фиг.2 показан фрагмент магнитопроводящей поверхности вала, подвергнутый пластическому поверхностному деформированию алмазным выглаживателем.
На фиг.3-5 показаны варианты выполнения уплотнения.
Уплотнение устроено следующим образом. В корпусе 1 установлен постоянный магнит 2 с примыкающими к нему полюсными приставками 3 (фиг.3). На поверхностях полюсных приставок 3, обращенных к валу 4, расположены зубцы 5 с закругленными кромками. Каждый зазор между зубцом и валом заполнен магнитной жидкостью 6. Поверхности зубцов 5 и вала 4, контактирующие с магнитной жидкостью 6, подвергнуты пластическому поверхностному деформированию металлотвердым, керамическим или алмазным выглаживателем, при этом выступы шероховатой поверхности деформированы и поверхность имеет выровненный вид (фиг.2). Зубцы могут располагаться на поверхности полюсных приставок (фиг.3), на поверхности вала (фиг.4), на поверхностях полюсных приставок и вала (фиг.5).
Уплотнение работает следующим образом. Постоянный магнит 2 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками 3 подводится к зазору между полюсными приставками и вращающимся валом. Зубцы 5 полюсов перераспределяют рабочий магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость 6 втягивается под зубцы 5, где поле имеет максимальную напряженность и образует герметичные пробки с повышенным внутренним давлением. Каждая магнитожидкостная пробка способна воспринимать перепад давлений, который определяется по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mi>M</mi><mi>d</mi><mi>H</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
0
где µ - магнитная постоянная,
М - намагниченность магнитной жидкости,
Н - напряженность магнитного поля в зазоре,
mах
min
Н и H - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостной пробки в момент удержания ею максимального перепада давлений.
Перепад давлении, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под зубцами.
В предлагаемом изобретении поверхности полюсных приставок, концентраторов и вала, контактирующие с магнитной жидкостью, подвергнуты пластическому поверхностному деформированию твердосплавным, керамическим или алмазным выглаживателем.
При выглаживании поверхности выступы шероховатости - концентраторы магнитного поля сминаются и заполняют впадины, поверхность приобретает ровный вид с редкими впадинами. Впадины не концентрируют, а частично ослабляют магнитное поле около поверхности.
Силы взаимодействия частиц в цепочках ослабевают, уменьшаются силы взаимодействия цепочек с поверхностями вала и концентраторов на полюсных приставках, что снижает момент трения и момент страгивания уплотнения. Это снимает разогрев уплотнения при высоких скоростях вращения вала, магнитная жидкость сохраняет свою работоспособность длительное время, что увеличивает срок службы уплотнения.
Таким образом, в рабочем зазоре предлагаемого уплотнения, около магнитопроводящих поверхностей, контактирующих с магнитной жидкостью, отсутствуют зоны с чрезмерно высокой напряженностью поля, это снижает силы взаимодействия цепочек из частиц жидкости с поверхностями вала и концентраторов поля. Такое уплотнение обладает пониженным моментом трения, моментом страгивания, в уплотнении исключается перегрев магнитной жидкости, что повышает его надежность и ресурс.