МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ НЕМАГНИТНОГО ВАЛА
MAGNETIC FLUID SEAL OF NON-MAGNETIC SHAFT

Изобретение относится к уплотнительной технике и может применяться в машиностроении для уплотнения немагнитных валов.
Известно магнитожидкостное уплотнение немагнитного вала (Авторское свидетельство СССР №889988, МПК F16J 15/40), содержащее постоянный магнит с полюсными наконечниками, концентрирующими магнитное поле в кольцевом зазоре между ними. На валу установлен немагнитный диск, входящий в зазор с магнитной жидкостью, образованный полюсными наконечниками и диамагнитными втулками.
Недостатками уплотнения являются: невысокий удерживаемый перепад давлений, низкая надежность, сложность конструкции.
Известно магнитожидкостное уплотнение немагнитного вала (Фертман В.Е. Магнитные жидкости - естественная конвекция и тепломассообмен. Мн.: «Наука и техника», 1978, с.55, рис.21.б), содержащее кольцевой постоянный магнит, магнитные полюсы, которые концентрируют магнитное поле в кольцевом объеме между магнитными полюсами, примыкающими к немагнитному валу.
Его недостатком является низкий удерживаемый перепад давлений. Это обусловлено тем, что уплотнение позволяет создать одно магнитожидкостное кольцо с низкой удерживающей способностью, т.к. магнитное поле в зазоре между магнитными полюсами недостаточно эффективно сформировано. Максимальная напряженность магнитного поля наблюдается в зазоре между полюсными наконечниками и не определяет удерживающую способность магнитожидкостной пробки. Свойства пробки определяет напряженность поля потоков рассеяния, которая невысока.
Известно магнитожидкостное уплотнение немагнитного вала (а.с. СССР №934106, М.кл. F16J 15/40), содержащее кольцевой постоянный магнит, полюсные наконечники, между которыми установлены дополнительные полюсные проставки, которые выполнены из ферромагнитного материала и изолированы друг от друга немагнитными втулками.
Данное уплотнение равноценно по действию и эффективности предыдущему (равноценно последовательной установке нескольких уплотнений предыдущей конструкции), но существенно сложнее в изготовлении.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении удерживаемого уплотнением перепада давления.
Технический результат достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении немагнитного вала, содержащем магнит и примыкающие к нему полюсные приставки на поверхностях полюсных приставок, обращенных к немагнитному валу, выполнены кольцевые элементы - канавки, зубцы, выступы, концентраторы, имеющие острые кромки, обращенные к поверхности вала, а магнитная жидкость введена в зазор между валом и полюсными приставками. В частном случае исполнения магнитожидкостного уплотнения немагнитного вала элементы полюсных приставок выполнены в виде зубцов или канавок прямоугольной, треугольной, трапецеидальной формы либо в сочетании.
На фиг.1 показана конструкция уплотнения.
На фиг.2 - зубец на полюсной приставке прямоугольной формы, положение магнитожидкостных пробок в зазоре и графическое представление распределения напряженности магнитного поля в рабочем зазоре уплотнения.
На фиг.3 - зубец треугольной формы, положение магнитожидкостных пробок в зазоре и графическое представление распределения напряженности магнитного поля в рабочем зазоре уплотнения.
На фиг.4 - зубец трапецеидальной формы и положение магнитожидкостных пробок в зазоре.
На фиг.5 - элемент в виде канавки на полюсной приставке.
Уплотнение устроено следующим образом. К торцевым поверхностям постоянного магнита 1 примыкают полюсные приставки 2, охватывающие немагнитный вал 3. На поверхностях полюсных приставок 2, обращенных к немагнитному валу 3, выполнены кольцевые элементы 4 - канавки, зубцы, выступы, концентраторы, имеющие острые кромки, обращенные к поверхности вала. На фиг.2 показан частный случай исполнения кольцевых элементов на полюсной приставке в виде прямоугольных зубцов. Могут применяться кольцевые элементы и других видов, как на фиг.3 - в виде треугольных зубцов, как на фиг.4 - в виде трапецеидальных зубцов, как на фиг.5 - в виде канавок, но должно соблюдаться условие, что их острые кромки располагаются как можно ближе к уплотняемому валу. Кольцевые элементы 4 могут располагаться только на полюсных приставках 2. Магнитная жидкость введена в зазор 5 между валом и полюсными приставками и образует отдельные магнитожидкостные кольца 6, расположенные в области кромок кольцевых элементов 4.
Уплотнение работает следующим образом. Постоянный магнит 1 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток проходит через полюсные приставки 2 и замыкается через пространство между ними. Т.к. вал 3 немагнитный, он не участвует в формировании пути магнитного потока. Полюсные приставки в сечении имеют треугольную форму, чтобы обеспечить прохождение большей части магнитного потока системы через вал, следовательно, через зазоры между полюсными приставками и валом. Элементы полюсных приставок (зубцы, выступы, канавки, концентраторы), выполненные на поверхностях полюсов, обращенных к валу, практически не влияют на величину общего магнитного потока, но перераспределяет его около поверхности полюсов. При удалении от поверхности полюсов напряженность поля выравнивается. Элементы на поверхностях полюсов - зубцы, выступы, канавки, концентраторы имеют острые кромки, около которых существует локальный всплеск напряженности магнитного поля. Напряженность магнитного поля быстро убывает при удалении от кромки в любом направлении. Магнитная жидкость втягивается магнитным полем в зоны, где поле имеет максимальную напряженность и образует кольца с повышенным внутренним давлением. Уплотнение устроено таким образом, что кромки элементов расположены около поверхности вала, поэтому магнитожидкостное кольцо перекрывает зазор и препятствует прохождению через него уплотняемой среды.
Каждое магнитожидкостное кольцо способно воспринимать перепад давлений, который определяется по формуле:
0
где µ - магнитная постоянная,
М - намагниченность магнитной жидкости,
Н - напряженность магнитного поля в зазоре,
max
min
H и H - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостного кольца в момент удержания ею максимального перепада давлений.
Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов давлений всех магнитожидкостных колец в зазоре.
Особенностью кромочного всплеска напряженности магнитного поля является быстрое убывание напряженности поля при удалении от кромки, поэтому отсюда вытекают два вывода. Первый - необходимо стремиться к уменьшению минимального зазора между полюсной приставкой и валом. Второй - размеры элементов на поверхностях полюсов - зубцов, выступов, канавок, концентраторов должны быть минимальных размеров. В зазоре уплотнения немагнитного вала вместо одного магнитожидкостного кольца с ограниченной удерживающей способностью (прототип) создается множество магнитожидкостных колец, которые обеспечивают суммарный удерживающий уплотнением перепад давления, который в несколько раз превышает перепад давления, удерживаемый прототипом таких же габаритов.
Элементы полюсных приставок (зубцы, выступы, канавки, концентраторы) могут выполняться практически любой формы. Наиболее оптимальной следует признать прямоугольную, показанную на фиг.2, т.к. она обеспечивает сохранность рабочих кромок от повреждения при изготовлении и эксплуатации уплотнения (разборка, сборка узла).
Таким образом, предлагаемое магнитожидкостное уплотнение позволяет увеличить удерживаемый перепад давлений практически и повысить надежность уплотнения.