Вакуумное уплотнение вала, совершающего возвратно-поступательное и вращательное движения
VACUUM SEALING OF THE SHAFT PERFORMING RECIPROCATING AND ROTATIONAL MOVEMENTS

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации подвижных валов и штоков, работающих в вакууме.
Известно «Магнитно-жидкостное уплотнение для возвратно-поступательных штоков» (авт. свид. №1182223, F16J 15/40, опубликовано: 30.09.1985), содержащее корпус с установленными в нем постоянным магнитом с полюсными наконечниками, охватывающими ферромагнитный шток с зазором, заполненным магнитной жидкостью и привод перемещения штока, и снабженное по меньшей мере двумя немагнитопроводными и одной магнитопроводной втулками, установленными между штоком и полюсными наконечниками с зазорами между собой и ответными деталями, а также с возможностью поступательного перемещения через введенную в устройство систему дифференцирования скорости движения по правилу убывания ее от вала к полюсным наконечникам, при этом магнитопроводная втулка установлена между немагнитопроводными втулками, а система дифференцирования скорости движения кинематически связана с приводом перемещения штока, а втулки установлены в опорах скольжения, и уплотнение снабжено по меньшей мере одной втулкой из магнитного материала.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, ограниченная величина перемещения штока и большой расход магнитной жидкости из рабочего зазора.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Вакуумное уплотнение подвижного вала» (авт. свид. №1134828, F16J 15/43, опубликовано: 15.01.1985), содержащее корпус, полюсные наконечники, выполненные из упругого магнитопроводного материала, образующие с охватываемым валом зазор, заполненный ферромагнитной жидкостью, и магнит, упругие полюсные наконечники выполнены в виде полуторовых оппозитно расположенных оболочек, образующих полость, а в корпусе выполнены каналы для подачи газа в упомянутую полость, и оболочки охвачены поджимными втулками с вкладышами, имеющими выпукло-вогнутые поверхности.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за применения упругих полюсных наконечников, наличие внешнего источника газа для подачи ферромагнитной жидкости в рабочий зазор, а также большой расход ферромагнитной жидкости при возвратно-поступательном движении вала.
Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности и ресурса работы, автоматизация заправки магнитной жидкостью рабочего зазора уплотнения.
Поставленная техническая задача решается тем, что вакуумное уплотнение вала, совершающего возвратно-поступательное и вращательное движение, содержит корпус с установленными в нем постоянным магнитом и полюсными наконечниками, охватывающими вал с зазором, заполненным магнитной жидкостью, а в корпусе и полюсных наконечниках выполнены герметичные каналы, подходящие ко всем межзубцовым кольцевым канавкам полюсных наконечников и служащие для обеспечения автоматической заправки и дозаправки магнитной жидкостью всего рабочего зазора между валом и полюсными наконечниками во время эксплуатации, при этом каналы соединены трубопроводами с заполненной магнитной жидкостью нижней частью вертикально расположенного цилиндрического корпуса, которая герметично отделена от атмосферы грузовым поршнем, размещенном в этом же цилиндрическом корпусе, а в обеих торцевых крышках уплотнения установлены маслосъемные манжеты и опорные подшипники скольжения для вала.
На протяжении всего времени эксплуатации через герметичные каналы, проходящие ко всем межзубцовым кольцевым канавкам в полюсных наконечниках, осуществляется автоматическая заправка и дозоправка магнитной жидкостью всего рабочего зазора между валом и полюсными наконечниками. При этом каналы соединены трубопроводами с заполненной магнитной жидкостью нижней частью вертикально расположенного цилиндрического корпуса, которая герметично отделена от атмосферы грузовым поршнем, размещенным в этом цилиндрическом корпусе, а в обеих торцевых крышках уплотнения установлены маслосъемные манжеты и опорные подшипники скольжения для вала. Такое изменение конструкции вакуумного уплотнения вала позволит обеспечить повышенный ресурс работы и высокую надежность при его эксплуатации, за счет обеспечения автономной автоматической подачи магнитной жидкости в рабочий зазор между валом и полюсными наконечниками.
Сущность изобретения поясняется на чертеже (фиг. 1).
1- вал;
2 - вакуумная камера;
3 - корпус;
4, 5 - полюсные наконечники;
6 - постоянный магнит;
7, 8 - торцевые крышки уплотнения;
9 - маслосъемные манжеты;
10 - подшипники скольжения;
11 - каналы;
12 - магнитная жидкость;
13 - зубцы полюсных наконечников;
14 - межзубцовые кольцевые канавки;
15 - трубопроводы;
16 - нижняя часть цилиндрического корпуса;
17 - цилиндрический корпус;
18 - грузовой поршень;
19, 21, 22, 23 - уплотнительные кольцевые прокладки
20 - манометр;
24 - силовые линии магнитного поля;
25 - опорные диски для маслосъемных манжет;
26 - прижимные фланцы.
Вакуумное уплотнение позволяет магнитопроводящему валу 1 совершать в вакуумной камере 2 как раздельное, так и одновременно возвратно-поступательное и вращательное движение, состоит из немагнитного корпуса 3, размещенных в нем двух полюсных наконечников 4,5, постоянного магнита 6, торцевых крышек 7,8 с расположенными в них манжетами 9 с опорными дисками 25, подшипниками скольжения 10 для вала 1 с прижимными фланцами 26 для них. В полюсных наконечниках 4,5 и корпусе 3 выполнены герметичные каналы 11 для заправки и пополнения магнитной жидкостью 12 рабочего зазора между валом 1 и торцевой поверхностью двух полюсных наконечников 4,5 с нанесенными на них зубцами 13, образующими кольцевые канавки 14 треугольного сечения. При этом число каналов 11 равно числу межзубцовых кольцевых канавок 14. Каналы 11 соединены герметичными трубопроводами 15 с заполненной магнитной жидкостью 12 нижней частью 16 вертикально расположенного цилиндрического корпуса 17. Нижняя часть 16 герметично отделена от атмосферного давления размещенным в цилиндрическом корпусе 17 грузовым поршнем 18, уплотненным кольцевой прокладкой 19. Для контроля и измерения давления магнитной жидкости 12 в системе заправки на соединительном трубопроводе 15 установлен манометр 20. Герметизация соединения вакуумной камеры и торцевой крышки 7 уплотнения осуществляется с помощью уплотнительной кольцевой прокладки 21. Герметизация соединений внутри корпуса вакуумного уплотнения осуществляется с помощью уплотнительных кольцевых прокладок 22,23. Силовые линии магнитного поля 24 изображены на фигуре.
Вакуумное уплотнение вала, совершающего возвратно-поступательное и вращательное движение, работает следующим образом.
Создаваемый постоянным магнитом 6, магнитный поток через полюсные наконечники 4,5 пересекает рабочий зазор между ними и магнитопроводным валом 1. Зубцы 13 полюсных наконечников 4,5 перераспределяют магнитный поток в зазоре, где магнитное поле становится резко неоднородным с максимальной напряженностью вокруг вершин зубцов 13. Исследования магнитных полей в рабочем зазоре уплотнения показали что выходы заправочных отверстий каналов 11 в полюсных наконечниках 4,5 должны располагаться в основании кольцевых канавок 14 между зубцами 13, при этом удерживающая способность узла не снизится из-за локальных деформаций магнитного поля. В предлагаемой конструкции уплотнения заправка магнитной жидкости 12 рабочего зазора происходит следующим образом. Сначала магнитной жидкостью 12 наполняют нижнюю часть 16 вертикально расположенного цилиндрического корпуса 17. Затем в цилиндрический корпус 17 вставляют грузовой поршень 18, оснащенный уплотнительной кольцевой прокладкой 19, который герметично отделяет нижнюю часть 16 корпуса 17 от атмосферы. За счет избыточного давления, создаваемого весом грузового поршня 18, магнитная жидкость 12 попадает через соединительные трубопроводы 15 и каналы 11 в корпусе 3 и полюсных наконечниках 4,5 поступает одновременно во все межзубцовые канавки 14. Так как количество каналов 11 в полюсных наконечниках 4,5 равно числу межзубцовых канавок 14, то магнитная жидкость 12 заполняет одновременно весь рабочий зазор, вытесняя при этом атмосферный воздух, не образуя воздушных пробок.
При полном заполнении всего объема рабочего зазора грузовой поршень 18 остановится, при этом манометр 20 зафиксирует величину давления в системе заправки магнитной жидкости 12, равной величине избыточного давления, создаваемого в ней грузовым поршнем 18. Таким образом, образовавшиеся в рабочем зазоре из магнитной жидкости 12 герметизирующая перемычка, надежно уплотнит подвижный вал 1 от прорыва атмосферного давления в вакуумную камеру 2 во время работы. При этом при любом расположении вала 1 по отношению к объему вакуумной камеры 2 цилиндрический корпус 17 с грузовым поршнем 18 должны находиться в вертикальном положении и выше уровня корпуса 3 вакуумного уплотнения.
В данной конструкции вакуумного уплотнения потери магнитной жидкости 12 из рабочего зазора компенсируются автоматически в автономном режиме за счет действия постоянного избыточного давления в системе заправки магнитной жидкости 12, создаваемого весом грузового поршня 18. При утечке магнитной жидкости 12 из рабочего зазора грузовой поршень 18 опускается под собственным весом до уровня, при котором давление магнитной жидкости 12 измеренное манометром 20 вернется к исходному значению. Таким образом обеспечивается автоматическая дозаправка рабочего зазора магнитной жидкости 12 в любой момент времени при эксплуатации и восстановление удерживающей способности уплотнения без его разборки после возможных аварийных пробоев. Для уменьшения максимальных утечек магнитной жидкости 12, возникающих при возвратно- поступательном движении вала 1, в торцевых крышках 7,8 установлены направленные внутрь уплотнения две маслосъемные манжеты 9, опирающиеся на стальные диски 25.
Установка подшипников скольжения 10 с низким коэффициентом трения в торцевых крышках 7,8 уплотнения препятствует изменению величины рабочего зазора между валом 1 и зубцами 13 полюсных наконечников 4,5, возникающих, например, в результате несоосности вала 1 или его вибрации. Подшипники 10 крепятся в крышках 7,8 с помощью прижимных фланцев 26. Во время эксплуатации вакуумного уплотнения необходимо своевременно пополнять количество магнитной жидкости 12, размещенной в нижней части 16 цилиндрического корпуса 17.
Таким образом, предлагаемая конструкция имеет существенные преимущества:
1. Обеспечение автономной автоматической подачи магнитной жидкости под постоянным давлением в рабочий зазор уплотнения при эксплуатации, в любой востребованный момент времени;
2. Повышение надежности и ресурса работы;
3. Упрощение конструкции.
Предлагаемое изобретение можно использовать для уплотнения валов и штоков в двухкамерных вакуумных термических печах, вакуумных напылительных и ростовых установках, применяемых при производстве изделий космической и авиационной техники.