МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
MAGNETIC FLUID SHAFT SEAL

Магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) вала относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации подвижных друг относительно друга деталей в машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.
Известны магнитожидкостные уплотнения вала (патенты №2353840, 2315218, 2296900, 2403476, 2403477), которые состоят из корпуса, в котором установлен магнит с примыкающими к нему полюсными приставками. На поверхности полюсных приставок, обращенных к валу, расположены зубцы. Каждый зазор между зубцом и валом заполнен магнитной жидкостью.
Постоянный магнит в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками подводится к зазору между полюсными приставками и вращающим валом. Зубцы полюсов перераспределяют рабочий магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость втягивается под зубцы, где поле имеет максимальную напряженность и образует герметичные пробки с повышенным внутренним давлением.
Заправка магнитожидкостного уплотнения магнитной жидкостью решались в нескольких изобретениях путем:
- создания каналов для заправки, выполненных в полюсных приставках, число которых равно числу зубцов (патент №2286498);
- соединения каналов межзубцовых полостей с запорным клапаном, а канал для заправки выполнен в полюсной приставке со стороны повышенного давления (патент №2296899);
- создания на торце со стороны повышенного давления кольцевой камеры под магнитную жидкость, примыкающую к рабочему зазору (патент №2296901);
- выполнения заправочных каналов в роторе (патент №2306467).
Все перечисленные выше технические решения заправки осуществлялись при наличии работающей кольцевой магнитной системы. Недостатками таких уплотнений являлась их невысокая технологичность сборки и обслуживания, сложность заправки уплотнения, что обусловлено отсутствием возможности полного снятия напряженности магнитного поля в зазоре. Процесс сборки магнитожидкостного уплотнения достаточно сложен из-за присутствия сил магнитного притяжения между собираемыми деталями. Кроме того, в процессе эксплуатации магнитожидкостного уплотнения ему периодически требуется оценка износа рабочих поверхностей, замена магнитной жидкости и другие эксплуатационные работы. Демонтаж уплотнения, удаление старой магнитной жидкости, контроль и измерение параметров системы, сборку и установку уплотнения намного проще и удобнее выполнять, когда в устройстве отсутствует магнитное поле. Наличие магнитного поля препятствует удалению магнитной жидкости, притягивает и намагничивает измерительный инструмент, собирает на себя магнитный мусор и крепежный материал. Магнитное поле в зазоре уплотнения также препятствует свободному перемещению магнитной жидкости по зазору, что сказывается на качестве заправки. Для решения указанной проблемы необходимо на время перечисленных работ удалить из уплотнения постоянный магнит.
В магнитожидкостном уплотнении (патент №2403477) обе полюсные приставки выполнены составными и имеют кольцевой разрез на уровне наружной поверхности немагнитной втулки, при этом наружные части полюсных приставок и магнит заключены в гильзу и образуют съемную магнитную систему, а на внутренних частях полюсных приставок сделаны заправочные отверстия с заглушками. Съемная гильза выполнена в двух вариантах из магнитопроводящего и немагнитного материалов. Гильза из магнитопроводящего материала закорачивает через себя магнитный поток и обеспечивает съем магнитной системы. Для перевода уплотнения в рабочее состояние магнитопроводящую гильзу необходимо заменить на гильзу из немагнитного материала.
Для обеспечения соосности уплотнения внутренние части полюсных приставок жестко соединены между собой через немагнитную втулку и с корпусом подшипникого узла.
Недостатками данного магнитожидкостного уплотнения являются:
- при малом зазоре в случае увеличения биений вала более 0,05 мм произойдет касание зубцами полюсных приставок поверхности вала, которое может вызвать аварийную ситуацию;
- конструктивно не обеспечена работа уплотнения при больших скоростях вращения вала.
В магнитожидкостном уплотнении (патент РФ №2451225) в качестве концентраторов магнитного поля вместо зубцов используются кольцевые пакеты щеток, и обеспечивается автоматическое восполнение потерь магнитной жидкости в зазорах. Оно позволяет герметизировать большой зазор 5, который будет закрываться кольцевыми щетками, в пространствах между которыми находится магнитная жидкость, и магнитной жидкостью, находящейся между концами щеток и поверхностью вала. В этом случае вал как бы плавает в тончайшем слое магнитной жидкости, не касаясь проволок щеток. Такое уплотнение будет иметь минимальное трение между ротором и статором, но при этом обеспечит высокую степень уплотнения.
К нему не предъявляются жесткие требования по обеспечению соосности. В случае возникновения больших биений вала не возникнет заклинивания, так как магнитная жидкость и пружинистые проволочки уплотнения будут демпфировать ударные воздействия вала.
При изготовлении щеточных уплотнений обычно используется проволока диаметром 0,08-0,1 мм, обладающая достаточной гибкостью и упругостью при высоких температурах. Необходимость иметь очень тонкую проволоку обусловлена требованием уменьшения величины натяга и значения трения при контакте щеток с вращающимся валом. Однако существующие щеточные уплотнения выполнены из проволоки, не проводящей магнитный поток, поэтому такая проволока не может быть использована для МЖУ. В магнитножидкостном уплотнении нет необходимости иметь очень тонкие проволоки, поэтому их диаметр можно увеличить как минимум в 2 раза, при этом качество уплотнения не пострадает, а технологический процесс изготовления уплотнения может существенно упроститься.
В таком уплотнении снижаются ограничения на скорость вращения вала. И хотя при очень больших скоростях магнитная жидкость нагревается, а за счет центробежных сил ее небольшие капельки могут выталкиваться из зазора, на их место автоматически будут поступать новые порции магнитной жидкости, находящейся между проволочками щеточных пакетов. Автоматизацию обеспечивает такое свойство магнитной жидкости, как ее конвективное движение под действием эффекта термомагнитной конвекции, в соответствии с которым за счет магнитных сил более холодные порции магнитной жидкости перемещаются в сторону нагретых.
На магнитную жидкость, находящуюся в резервуарах, действует сила тяжести, магнитная сила, удерживающая ее в резервуарах, и конвективная сила, обеспечивающая движение ее более холодной массы к кончикам проволочек щетки, где напряженность магнитного поля максимальная.
Конвективная сила и магнитная сила всегда направлены навстречу друг другу, а направление силы тяжести по отношению к двум другим силам зависит от положения вала. При горизонтальном положении кольцевого вала в различных его точках направление силы тяжести относительно конвективной и удерживающей силы различное. В верхней части вала направление силы тяжести магнитной жидкости совпадает с направлением конвективной силы и направлено навстречу удерживающей силе. В нижней части вала наоборот сила тяжести совпадает с направлением удерживающей силы и направлена навстречу конвективной силе.
Недостатками такого уплотнения являются:
- не обеспечивается высокая эффективность компенсации ушедшей из зазора магнитной жидкости из-за различного направления силы тяжести по отношению к направлению удерживающей и конвективной силы в верхней и нижней частях кольцевого вала;
- неэффективны конструкция магнитной щетки и канала подачи магнитной жидкости к зазору;
- не используется охлаждение магнитной системы для повышения удерживающего перепада и срока службы уплотнения;
- конструктивно не решена проблема заправки уплотнения магнитной жидкостью;
- не обеспечивается съем постоянного магнита без полной разборки.
По большинству существенных признаков данное уплотнение взято в качестве прототипа.
Целями предлагаемого изобретения являются:
- расширение области применения МЖУ;
- повышение ресурса и срока службы уплотнения;
- увеличение удерживаемого перепада давлений;
- улучшение условий заправки и эксплуатации.
Для выполнения поставленных целей предлагаемое магнитожидкостное уплотнение построено:
- с использованием новой компоновки магнитной системы;
- путем введения в уплотнение системы охлаждения;
- с созданием заправочных каналов в немагнитной кольцевой втулке, сообщенных с полостями кольцевых магнитопроводящих щеток;
- с обеспечением извлечения постоянного магнита без полной разборки уплотнения.
Заявленное магнитожидкостное уплотнение вала содержит корпус из немагнитного материала, внутри которого расположена кольцевая магнитная система, состоящая из постоянного магнита, двух полюсных приставок, включающих кольцевые магнитопроводящие щетки, немагнитной кольцевой втулки, разделяющей полюсные приставки, магнитной жидкости в зазоре между валом и концами полюсных приставок, и магнитного ротора, при этом полюсные приставки имеют кольцевые магнитопроводящие монолитные основания, у которых на поверхности, обращенной к валу, электрохимическим способом созданы щетки, а с противоположной стороны внутри магнитопроводящего монолитного основания выполнена кольцевая полость, сообщенная с межщеточными каналами кольцевых магнитопроводящих щеток, а с противоположной стороны - с заправочными каналами, выполненными в немагнитной кольцевой втулке, входы каждого из которых расположены в верхней части корпуса, при этом одна полюсная приставка боковой кольцевой поверхностью примыкает к кольцевой поверхности южного полюса магнита, а вторая приставка соединена с северным полюсом постоянного магнита посредством кольцевого составного магнитопровода, кроме того, уплотнение содержит систему охлаждения, состоящую из теплообменника и термоэлектрических модулей, соединенных с источником питания, при этом корпус выполнен из теплопроводного материала, а термоэлектрические модули холодной стороной контактируют с корпусом, а горячей - с теплообменником, при этом верхняя часть корпуса и расположенная под ней часть кольцевого составного магнитопровода, примыкающего к постоянному магниту, а также постоянный магнит вместе с расположенным над корпусом одним термоэлектрическим модулем и теплообменником выполнены съемными.
В частном случае реализации, направленном на дальнейшее развитие возможностей изобретения, конструктивно предусмотрено, что в нижней части корпуса выполнена кольцевая полость сбора отработанной магнитной жидкости, сообщенная с зазором.
Следует отметить, что:
- полюсные приставки имеют кольцевые магнитопроводящие монолитные основания, у которых на поверхности, обращенной к валу, электрохимическим способом созданы щетки, а с противоположной стороны внутри магнитопроводящего монолитного основания выполнена кольцевая полость, сообщенная с межщеточными каналами кольцевых магнитопроводящих щеток, а с противоположной стороны с заправочными каналами, выполненными в немагнитной кольцевой втулке, входы каждого из которых расположены в верхней части корпуса.
Такое конструктивное решение позволит упростить процесс изготовления и сборки уплотнения, расширить область его применения, осуществить качественную заправку уплотнения магнитной жидкостью. Кроме того, использование канала заправки и пространства между щетинками кольцевой магнитопроводящей щетки, заполненных магнитной жидкостью, обеспечивает под действием термомагнитной конвекции автоматическое восполнение ее потерь в зазоре, что повышает ресурс, срок службы и улучшает характеристики магнитожидкостного уплотнения;
- одна полюсная приставка боковой кольцевой поверхностью примыкает к кольцевой поверхности южного полюса магнита, а вторая приставка соединена с северным полюсом постоянного магнита посредством кольцевого составного магнитопровода. В результате обеспечивается прохождение магнитного потока по кольцу от северного полюса постоянного магнита к южному через зазор, в котором образуются герметизирующие пробки из магнитной жидкости. Кроме того, наличие составного магнитопровода позволяет разорвать эту цепь и извлечь постоянный магнит, обеспечив улучшение условий эксплуатации и заправки МЖУ магнитной жидкостью;
- уплотнение содержит систему охлаждения, состоящую из теплообменника и термоэлектрических модулей, соединенных с источником питания, при этом корпус выполнен из теплопроводного материала, а термоэлектрические модули холодной стороной контактируют с корпусом, а горячей - с теплообменником. Включение в магнитожидкостное уплотнение системы охлаждения позволяет в процессе его работы снизить температуру постоянного магнита, полюсных приставок и особенно магнитной жидкости, что приведет к повышению таких параметров, как удерживаемый перепад давления и срок службы;
- верхняя часть корпуса и расположенная под ней часть кольцевого составного магнитопровода, примыкающего к постоянному магниту, а также постоянный магнит вместе с расположенным над корпусом одним термоэлектрическим модулем и теплообменником выполнены съемными. В результате без полной разборки обеспечиваются извлечение постоянного магнита, проведение качественной заправки магнитной жидкостью и необходимые регламентные работы. Кроме того, появляется возможность подобрать постоянный магнит с оптимальными характеристиками;
- введение в нижней части корпуса кольцевой полости, сообщенной с зазором, позволяет собирать выталкиваемую из зазора магнитную жидкость и тем самым исключает ее подтеки и загрязнение уплотнения.
Предлагаемое магнитожидкостное уплотнение целесообразно использовать для вертикального положения вала, при котором направление силы тяжести магнитной жидкости по отношению к магнитной и удерживающей силам во всех точках вала одинаковое.
На Фиг.1 представлен продольный разрез магнитожидкостного уплотнения, на Фиг.2 - его поперечный разрез, на Фиг.3а-в - виды щеток, которые используются в качестве внутренних полюсных приставок.
Магнитожидкостное уплотнение состоит из немагнитного корпуса 1, в котором установлены две полюсные приставки 7, выполненные из материала с хорошей магнитной проводимостью. Одна полюсная приставка боковой кольцевой поверхностью примыкает к кольцевой поверхности южного полюса магнита, а вторая соединена с северным полюсом постоянного магнита 4, являющегося источником магнитного поля, посредством кольцевого составного магнитопровода 6. Магнитный поток 18 от северного полюса магнита через составной магнитопровод 6, полюсную приставку, ее магнитопроводящие щетки, магнитную жидкость зазора, магнитную втулку вала 10, щетки и основание второй полюсной приставки замыкается на южный полюс магнита.
Каждая кольцевая полюсная приставка имеет монолитное основание, на котором по технологии электрохимической обработки созданы проволочки диаметром 0,2-0,3 мм с расстояниями между ними 0,5-0,6 мм, образующие сплошную кольцевую щетку 2 (Фиг.3). Кончики проволочек щетки являются концентраторами напряженности магнитного поля и радиально направлены в сторону вала, образуя между валом 9 и концами щеток минимальный зазор 0,2 мм, который заполняется магнитной жидкостью. В качестве резервуаров для нахождения магнитной жидкости используются объемы заправочных каналов и пространства между проволочками кольцевых щеток. Если расстояние между проволочками щеток будет небольшими, то возникающие в зазоре на кончиках проволочек пробки из магнитной жидкости создадут сплошной монолитный ковер пробок, который одновременно будет запирающей пробкой резервуара с магнитной жидкостью, находящейся между проволочками щеток. При нарушении целостности ковра из магнитных пробок в результате биения вала или действия, каких-то других причин, из этого резервуара в возникающие в ковре щели устремится магнитная жидкость, осуществляя герметизацию ковра пробок.
Разделяет полюсные приставки кольцевая немагнитная втулка 3, в которую помещены каналы 11 для заправки магнитной жидкости. Через их входы 12 и боковые выходы, соединенные с каналами 5 внутренних полюсных приставок, осуществляется заправка уплотнения магнитной жидкостью.
В процессе работы МЖУ в нем выделяется тепловая энергия за счет вязкостного трения слоев магнитной жидкости.
Тепловые процессы в МЖУ характеризуются числом Прандтля. Оно показывает, во сколько раз количество тепла, выделившееся в объеме МЖУ от вязкостного трения, больше принесенного в МЖУ за счет теплопроводности магнитной жидкости.
Для большинства типов магнитной жидкости число Прандтля равно 1066,6. У воды этот параметр имеет величину 6,5. Отсюда следует, что теплопроводность магнитной жидкости играет существенно меньшую роль, чем вязкостные потери. Вся энергия вязкостной диссипации идет на нагрев магнитной жидкости. Особенно сильный нагрев магнитной жидкости в зазоре под кончиками щеток магнитопровода. Там возникают значительные сдвиговые течения в малом объеме при больших значениях эффективной вязкости магнитной жидкости из-за наличия сильных магнитных полей.
Азимутальное вязкое течение магнитной жидкости определяет такие показатели МЖУ, как момент трения М при вращении вала и мощность потерь Р вследствие вязкого трения слоев магнитной жидкости
M=ηRSv/δ,
где η - динамическая вязкость;
R - радиус вращающего вала;
S - площадь соприкосновения МЖ с валом;
V - окружная скорость вращения вала;
δ - зазор.
Динамическая вязкость в магнитном поле возрастает вследствие торможения вращения ферромагнитных частиц при воздействии на них момента сил в магнитном поле. С увеличением угловой частоты вращения возрастают гидродинамическая составляющая момента трения М и связанные с ней потери.
Выделяемое при этом тепло суммируется с температурой окружающей среды
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>η</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>v</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>8</mn><mi>λ</mi></mrow>
,
0
где T - температура окружающей среды;
η - вязкость магнитной жидкости динамическая;
<mrow><msubsup><mi>v</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- скорость вращения поверхности вала;
λ - теплопроводность магнитной жидкости.
Рост температуры внутри корпуса МЖУ снижает магнитную характеристику постоянного магнита и его состояние. Для высокоэнергетических магнитов при изменении температуры в интервале 20-100°C температурный коэффициент изменения коэрцитивной силы составляет - 0,6%°C, а температурный коэффициент изменения остаточной индукции - 0,12%°C. Индукция постоянных высокоэнергетических магнитов может изменяться с 1,25 Тл при 0°C до 0,35 Тл при 140°C, то есть с температурным коэффициентом - 0,5%°C.
Кроме того, рост температуры снижает намагниченность, вязкость и теплопроводность магнитной жидкости.
Намагниченность магнитной жидкости зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Чем больше напряженность внешнего магнитного поля, тем в большей степени ориентируются по нему ферромагнитные частицы магнитной жидкости со своими магнитными моментами, повышая тем самым результирующую намагниченность. С другой стороны, увеличение температуры повышает тепловую энергию частиц, что снижает ориентированность магнитных моментов частиц по внешнему полю и уменьшает намагниченность. При заданном внешнем магнитном поле температурное изменение намагниченности магнитной жидкости с намагниченностью 10-1000 кА/м при 20°C составляет 0,01-0,15 кА/(м°C), то есть с температурным коэффициентом изменения от 0,1 до 0,15%°C.
Вязкость магнитной жидкости растет по степенному закону с наложением магнитного поля вследствие усиливающего взаимодействия ферромагнитных частиц. Так вязкость увеличивается в 2,5 раза при перемещении магнитной жидкости из зоны отсутствия магнитного поля (0,05 Тл) в зону магнитного поля с индукцией 0,35 Тл, то есть изменение вязкости пропорционально индукции в степени 0,5. При наложении магнитного поля в магнитной жидкости выстраиваются цепочки из ферромагнитных частиц, и теплопроводность жидкости в направлении действия поля возрастает до 15%.
Повышение температуры оказывает влияние и на характеристики магнитопровода, выполненного из металла. При росте температуры происходит падение константы магнитной анизотропии и уменьшение индукции насыщения. Теплопроводность металлов определяется участием свободных электронов в теплопереносе. Поэтому у металлов наблюдается зависимая от температуры пропорциональность между коэффициентом теплопроводности и электрической проводимостью. Существуют магнитомягкие, аморфные стали, обладающие высокими магнитными свойствами, которые сохраняются при температурах, не превышающих 150°C.
В МЖУ необходимо использовать такую магнитную жидкость, которая обладает большой магнитной насыщенностью, имеет низкую вязкость и испаряемость в сочетании с высокой термостойкостью. Однако существующие магнитные жидкости могут не обеспечить нормальную работу МЖУ при большой угловой скорости вращения вала и высокой температуре в месте его установки. В этом случае эффективную работу МЖУ целесообразно обеспечить конструктивными мерами за счет охлаждения магнитной жидкости и организации движения холодной жидкости в сторону зазора. Для чего используется такое ее свойство, как конвективное движение под действием эффекта термомагнитной конвекции. В соответствии с этим свойством более холодные порции магнитной жидкости за счет магнитных сил перемещаются в сторону нагретых. Термомагнитная конвекция магнитной жидкости, используемая для охлаждения, например, трансформаторов позволяет снизить температуру обмотки на 17%.
Проведенный анализ [Магнитные жидкости в машиностроении. Под редакцией Орлова Д.В., Москва, «Машиностроение», 1993] показывает, что при скорости вращения вала до 10 м/с и вязкости магнитной жидкости 0,2 Па·с она нагревается до температуры 50°C. Повышение температуры на несколько десятков градусов приводит к снижению удерживаемого перепада давления на 20-40%.
Таким образом, увеличение температуры снижает характеристики магнита, магнитной жидкости и магнитопроводов и тем самым приводит к снижению такой основной характеристики МЖУ, как удерживаемый перепад давления.
Для повышения эффективности уплотнения целесообразно снижать общую температуру внутри объема, ограниченного корпусом МЖУ, с помощью термоэлектрического насоса, который холодной стороной тепло поглощает, а горячей - тепло отводит в обдуваемое наружное пространство. При этом, несмотря на снижение общей температуры, внутри объема, в МЖУ будут находиться области, имеющие разный градиент температур. Температура магнитной жидкости в зазоре при больших скоростях вращения вала будет выше, чем в заправочных каналах, поэтому для дальнейшего повышения характеристик МЖУ организовано ее замещение в зазоре за счет термомагнитной конвекции.
Для снижения температуры внутри объема МЖУ используется устройство охлаждения, состоящее из термоэлектрического модуля 14, связанного с источником питания 15, и радиатора 16, выполняющего функции теплообменника. При этом корпус МЖУ выполнен из немагнитного материала с хорошей теплопроводностью, а термоэлектрический модуль контактирует холодной стороной с корпусом, а горячей - с радиатором.
Устройство охлаждения МЖУ работает следующим образом. При включении источника питания 15 через термоэлектрический модуль протекает ток, в результате на холодных спаях происходит выделение холода, который передается за счет хорошей теплопроводности корпуса во внутренний объем МЖУ. Тепло, выделяемое на горячих спаях модуля 14, отводится радиатором 16 в обдуваемое наружное пространство.
Существует градиент температур магнитной жидкости, находящейся в канале 11 и в резервуарах между волосками щеток, по сравнению с температурой магнитной жидкости в зазоре. Если векторы градиента температуры и градиента напряженности магнитного поля направлены одинаково, то холодная магнитная жидкость из резервуаров под действием магнитных сил будет перемещаться к кончикам проволочек щеток в область сильного магнитного поля и высоких температур магнитной жидкости в зазоре. Там она будет нагреваться, что приведет к ослаблению у нее магнитных свойств и вытеснению из области с высокой напряженностью магнитного поля в область низких значений напряженности. Из этой области нагретая магнитная жидкость выдавливается центробежной силой в кольцевую полость сбора нагретой магнитной жидкости 17, которая по объему равна сумме объемов заправочных каналов и пространства между проволочками щеток.
При таком техническом решении в зазоре всегда будет находиться необходимое количество магнитной жидкости с хорошими магнитными свойствами, даже при систематических нарушениях сплошного ковра пробок. В результате обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики уплотнения.
Компоновка магнитной системы позволяет после снятия крепления 19 отсоединить один термоэлектрический модуль вместе с теплообменником, верхней частью корпуса 8 и свободно извлечь съемную часть кольцевого магнитопровода 6 вместе с постоянным магнитом 4, обеспечивая тем самым при необходимости замену постоянного магнита и доступ к системе заправки магнитной жидкостью. После извлечения магнита 4 и заглушки 12 заправка уплотнения магнитной жидкостью осуществляется по каналу 11 через кольцевую полость и каналы 5 в объемы между проволочками щеток и далее в зазор между кончиками проволочек и валом.
Техническая реализация предлагаемого магнитожидкостного уплотнения не представляет серьезных трудностей, так как различные магнитожидкостные уплотнения давно разрабатываются и используются в нашей стране и за рубежом.